基于特征電流原理的手持式臺區識別儀系統設計與實現

李帥，李柏茂

（1.山東德源電力科技股份有限公司，山東濟南，250101；2.山東新澤儀器有限公司，山東濟南，250031）

0 引言

國家電網堅決落實降損增效目標，積極推動低壓臺區精益化移動式管理的方式，節能與竊電監測工作取得很大的作用。隨著智能電網建設的不斷深入，低壓臺區電能設備的全面覆蓋，物聯網+、傳感器等技術的廣泛應用，為實現低壓臺區準確識別與臺區節能竊電等管理發展建立了有利的環境，但在現場線損管理過程中依然存在人工治理效率低下、疑難線損問題無有效解決方案的難題。

(1)在低壓臺區供電范圍廣、用戶數量多的情況下，在高損臺區逐戶拉網式反偷查漏耗時耗力；線損異常臺區、戶表關系錯亂臺區、表計失準臺區、互感器失準臺區等問題，該手持式臺區識別儀可以最大效率的提高低壓臺區的線損計算以及線損管理；

(2)低壓臺區線損分析儀功能過單一，已不能滿足現場線損管理；現場線損管理不僅對電能表采集電壓、電流和功率因數，進行線損計算分析；對臺區識別、相位識別、分支識別、竊電分析等功能也有極大的需求；

(3)現有設備使用載波HPLC線路實現臺區識別、分支識別、線損分析等，無法避免臺區之間的串地干擾，大大地降低了臺區識別的精確度；創新式地使用載波HPLC、工頻畸變與特征電流的融合技術；在識別技術中，在一定程度上實現了臺區、分支、表箱、電能表關系識別的精確度；

(4)在現有技術下，多采用多主機+多從機設備實現線損分析；在設備投入上增加了成本投入，創新式采用不區別主從關系的原理，在一定程度上，降低了低壓臺區線損管理技術與管理費用的投入。

基于特征電流的電力線相位識別技術，通過電力線下端設備發送特征電流，電力線上端設備采用分相電流互感器識別電流的方式，識別電力線上端的相位及其分支線。其原理通過電阻投切方式在線路零火線之間產生滿足一定頻域規律的特征電流信號，在線路的一個支路終端注入特征電流、其余支路終端識別特征電流的方式，利用交采對線路電流信號進行實時采樣分析，記錄信號識別到的時間標，對時間標進行對比分析，可以自動識別低壓臺區的電力系統的拓撲邏輯，自動化、智能化水平高，大大降低了低壓臺區電力線路拓撲的獲取難度并提高了獲取準確度。

1 系統總體框架設計

基于特征電流原理的手持式臺區識別儀采用特殊過零低頻載波技術以及特征電流發射、特征電流識別、交流采樣技術，能有效保證臺區戶變關系、臺區關系、分支關系的準確識別，不存在多臺變壓器短距離共高壓情況下電力載波存在串擾等問題；識別成功率可達 99%。再者，臺區識別儀通過內置高精度計量芯片與外置0.5s級卡扣式或電流鉗式互感器，完成臺區各節點側精準計量，同時結合“變-分-箱-戶”低壓臺區供電關系功能，以節點數據自動對比次節點數據，實現“變-分”、“分-箱”、“箱-戶”等多級分段線損計算。其次，臺區識別儀自動采集電能表零火線電流、電壓對比數據、電能表開蓋次數及表箱與電能表總分電流對比數據，借助臺區識別儀內置大量竊電分析模型，初步預判竊電節點，對竊電異常預判的準確性與及時性。最后，通過臺區識別儀內置大容量存儲器，將現場采集與識別或預判分析數據保存下來，可存儲 2000 組現場識別采集結果，將結果上傳至云端，實現云數據管理。

2 系統硬件設計

系統硬件總體結構如圖 1 所示。STM32 主控制器通過其引腳和各子模塊、電源模塊相接，使各模塊有條不紊的工作，實現預定的各項功能。顯示模塊用于顯示當前設備所處的電參量、時間參數、設置數據、電力線下端或上端發出的特征電流代碼信息、G401t 模塊的信號強度、入平臺狀態等基本信息。G401t 模塊主要實現控制器和云平臺之間的通信，進而實現應用管理平臺的數據采集和命令下發。存儲模塊用于存儲電參量、電能表的全參量、執行任務日志信息。系統硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件設計框圖

■2.1 STM32主控模塊

主控制模塊采用M482KG單片機作為主控芯片，與晶振電路、復位電路、看門狗電路、電源電路，配合形成單片機最小系統，保證主控制器下的主控芯片能正常工作。主控模塊電路圖如圖2所示。

圖2 主控電路圖

■2.2 計量電路

通過被測三相電壓線分別接到UA、UB、UC、UN，電流使用穿心式互感器；直接將被測電流線路穿過互感器；圖3電路實現對于當前的電參量的采集，在主控制器上設有多組485接口、藍牙接口與載波通道，根據不同設備的設備地址不同實現臺區識別儀的電參量數據通信。

圖3 計量電路

■2.3 無線通訊模塊

G401t是一種高性能、低功耗的無線通信模塊。與WIFI、藍牙、NB等其它無線通信模塊相比，具有覆蓋面積更強、連接性能強、功耗低和成本投入低等優點。工作電路主要包括:電源模塊、復位模塊、串口通信模塊、RS485通信、抄電能表接口、2G/4G天線模塊、SIM卡接口模塊。本系統采用 G401t無線通訊模塊與主控制器的串口1的UART1-RX0和UART1-TX0 相連接，實現數據的收發功能。

■2.4 電源模塊

電源部分通過 MP2359降壓芯片將12 V直流電分別降壓為 5V，通過SGM2019將5V降為3.3 V，為主控芯片、RS485模塊，G401t 模塊以及其它功能模塊提供穩定范圍的工作電壓。主控根據需要控制是否對RS485模塊、G401t 模塊供電，從而實現系統低功耗運行。電源模塊電路圖如圖5所示。

圖5 電源模塊電路圖

■2.5 特征電流發射與識別模塊

通過電阻投切方式在線路零火線之間產生滿足一定頻域規律的特征電流信號，在線路的關鍵位置安裝臺區識別儀，通過臺區識別儀的交采對線路電流信號進行實時采樣分析，記錄信號識別到的時間標，對時間標進行對比分析，繪制線路物理拓撲。

特征電流發射：開關通斷的方式會在線路產生圍繞開關頻率正負50Hz偏移的電流信號，以5000/6=833.3Hz頻率通斷開關（1.2ms為一個周期，通400μs，斷800μs），發送電流信號峰值為420m A（220V電壓下），在電路上會產生頻率為783.3Hz和883.3Hz的電流信號。通過檢測此兩點信號的有無，進行識別。具體為16位二進制編碼：1010101011101001。其中，碼位0時，無特征電流發送，碼位1時，有特征電流發送。單次發送時間為9.6s，即每位編碼發送時間長度為0.6s。單次發送總體時間偏差±40ms，每位編碼允許發送時間偏差為±15ms。

特征電流識別：采用滑動DFT實時提取線路上的電流信號，計算783Hz和883Hz頻域分量幅值，用二者的和作為判斷標準，進行解碼。算法處理后，波形如圖6所示。

圖4 無線通訊模塊

圖6 解碼波形圖

要求：采樣率5K，芯片RAM60K，主頻50M（全性能運算）。

通過對三相電流解碼分析，比較大小，確定電表的戶變關系和相位歸屬：三相實時檢測，在識別到特征電流信號時，特征最強的一相即為電表所屬相位。

3 系統軟件設計

系統軟件設計是在 MDK5平臺下進行開發設計，軟件開發設計語言是通過C語言，軟件設計包括 G401t初始化程序、通信交互程序和主程序控制設計。

■3.1 G401t通信交互程序設計

G401t模塊入網通信流程如圖 7 所示。

圖7 主程序流程圖

圖7 入網通信流程圖

■3.2 主程序設計

主程序主要由電參量采集、特征電流發射、特征電流識別、結果顯示、4G傳輸數據、實時抄電能表全量采集等功能組成。系統上電后，優先進入初始化工作，初始化工作完成后，M482KG單片機進入待機模式，等待電參量數據采集等任務指令到達后，主控制器被喚醒，將線路所在電參量數據，任務指令結果等信息存儲到內部f lash中。在特征電流發射與識別階段中，發射端識別儀在線路上端或下端將特征電流信息發至線路下端或上端，接收端臺區識別儀中的臺區識別、相位識別、分支識別等信息，通過M482KG單片機與相關信息驗證發射端與接收端是否在同一個線路中；同時，當上傳主站的心跳周期到后，內部f lash中的電參量數據等信息通過G401t模塊實現上傳，M482KG單片機將系統的時間、臺區識別儀中的電池電壓、臺識識別結果、相位識別結果、分支識別結果等信息通過G401t模塊一并上傳，從而可以實現現場便捷識別臺區關系、相位關系、分支關系、線損統計數據、竊電分析結果功能，并且掌握臺區識別儀的各個運行狀態與采集記錄日志，與此同時，云平臺下發命令給主控制器，主控制器接收相關命令后，進行處理執行相應的功能。

4 系統測試

系統設計相應的硬件和軟件系統，通過搭建相應的測試環境中線路采集或識別的數據進行采集與分析，下發等功能進行測試，系統測試主要對線路電參量、臺區識別功能、相位識別功能、線損分析功能、竊電預判斷功能等進行測試，通過平臺接收數據、臺區識別儀顯示與識別結果；與測量數據進行對比結果顯示數據準確率高達99%。數據測試如表1所示。

表1

5 結束語

根據測試結果，基于特征電流的便攜式臺區識別儀系統設計與實現，能夠滿足供電臺區關系識別與線損治理的需求，并且具有成本低、功耗低、覆蓋范圍廣、攜帶便捷等優點。通過在不同環境下測試，便攜式臺區識別儀即使在信號條件較差的情況下，也能保持穩定性采集、分析、識別、傳輸。基于特征電流的便攜式臺區識別儀系統，具有較高的應用前景和應用價值。