基于LPWAN 的低壓配電網拓撲自動識別技術研究

吳振輝 周 靖 陳麗霞 鄭 勇 吳簪麟 江 南 黃毅標 夏躍洲 蘇華玉 李寬宏 林 兼 卓文海張旺波 陳 煒 汪華焰 黃佳寧 林川杰 陶志剛 張延盛 唐 偉

(1、國家電網福建省電力有限公司福州供電公司,福建 福州 350004 2、福州安蒲特電氣有限公司,福建 福州 350012)

低壓配電網直接服務末端用電客戶,是暢通客戶服務的“最后一公里”?？捎^、可測、正確的低壓配電網拓撲關系,特別是正確的戶變關系,是當前低壓配電網精益化管理和節能降損的關鍵和必然要求。傳統低壓配電網“變- 線- 箱- 戶”關系的排查主要依靠人工巡檢結合智能排查設備的方式。當前低壓配電網存在點多、面廣、量大、單點經濟價值低的特點。低壓用戶現場接線復雜、不可見性、數據量大、因負荷不平衡導致運行方式改變,變- 線- 箱- 戶關系變動較多。原始數據缺失和質量較差、缺乏有效手段校核人工錄入的數據準確性等問題,造成電網設備系統地理信息不準確,企業地理信息系統(GIS)中配電網拓撲數據的錯誤,因此,亟需一種自動生成臺區低壓拓撲模型的工具。

關于低壓配電臺區電氣網絡拓撲自動識別的方法也見諸文獻。目前比較常見的實現低壓配電臺區電氣網絡拓撲自動識別的方法有基于低壓電力線載波通信技術、工頻過零調制通信技術、脈沖電流法、節點電壓法和節點注入功率法。文獻[3]介紹了電力線載波通信技術在低壓配電網拓撲識別中的應用,該方法簡單易行,但是存在傳送死區,受配電臺區負載影響大。文獻[4-5]采用FSK 電力載波信號法與脈沖電流法相結合的方式進行臺區歸屬的判定,該方法簡單直觀,應用廣泛,但受載波通信本身的影響,在相鄰變壓器進行傳送過程中,極易發生共電纜溝、共地、共高壓的現象,同時受通信基站信號干擾的影響會造成識別誤判。文獻[6]針對文獻[3-4] 電力線載波通信方式存在的通信信號不能在電力線上遠距離傳輸以及臺區識別準確性的問題提出采用工頻過零調制通信技術[7],解決了通訊串擾問題,實現高效率通信和高穩定性的傳輸,但存在功能單一,測試不準確,體積大,使用不方便等問題。文獻[8-9]從企業地理信息系統(GIS)提供的配電網拓撲信息入手,利用智能電表數據,根據每小時電壓分布的相關系數和相對幅值水平,檢測變壓器附近的誤接用戶,校驗配電網拓撲。該方法不需要增加投資,方法新穎,但是拓撲識別準確性有待提高,對線路重載或有分布式電源接入,線路電壓特殊分布適應性較差,且無法快速大量地校驗某個區域的低壓配電網拓撲。文獻[10]在低壓配電線路(或母線)上,注入較大功率的工頻信號,用移動采集設備在用電設備或電能計量設備處測量注入的工頻信號。該方法準確性較高,但是現場測試接線麻煩,效率低,還存在一定的安全隱患。

當前,變- 線- 箱- 戶關系是配電網低壓拓撲最重要的因素,主要是通過校驗戶變關系來校驗配電網拓撲。綜合以上的研究和應用情況來看,校驗低壓配網拓撲關系主要有人工現場識別(人工方式)和系統自動識別(在線方式)兩種方式。人工方式需要安排工作人員至現場識別,該識別方法結果不夠精準,效率低,成本高。人工方式識別法主要有人工現場清理、臺區識別儀現場處理兩種方式[1-2]。在線方式采用自動識別技術,識別效率高,但成功率受到應用場景的限制。

1 產品介紹

全能型臺區移動管理工具是應用在電力0.4KV 低壓線路移動監測的工具,該工具利用數據采集終端對線路電壓和電流數據進行實時采樣,結合低功耗LPWAN-IoT 物聯網窄帶通訊技術,通過畸變電量路徑尋址和路徑樹狀算法,依托智能集中器邊緣計算能力實現帶資產、地理信息的低壓各級拓撲自動識別一次成圖、低壓各級開關在線監測(至表后空開)、各級泄露電流排查(至表后空開)、低壓停復電事件主動上報、失地檢測和分支路線損分析等功能的低壓線路移動監測的工具。通過先進的結構化設計,可實現不停電、安全可靠的安裝,實現設備的即插即用和低壓臺區運行情況全面感知。相比于傳統人工校驗與上述文獻的方法,其速率和準確性都有很大的改變。為一線班組提供涵蓋主要業務的全能型臺區管理工具,增加班組日常運維檢修手段,提高一線班組工作效率,提升電力公司的社會形象。

1.1 系統組成

整個臺區拓撲識別系統架構圖如圖1 所示,由畸變電量發生器、采集終端、智能工具數據網關、TTU 和手機終端應用系統等部件構成。智能終端用于產生畸變電量、采集節點電流、進行電流分析判定和組建LPWAN 網絡。智能工具數據網關將采集終端發來的數據打包發給遠方TTU,TTU 進行數據的匯總和邊緣計算,自動匯出臺區拓撲圖。手機終端通過訪問服務器,也能實時觀察臺區拓撲情況。

圖1 低壓拓撲自動識別網絡框圖

1.2 采集終端傳感器帶電安裝結構設計

采集終端傳感器考慮不停電安裝,采用了開啟式結構,便于在帶電狀態下,不用拆除電纜可以將電纜穿過互感器導磁鐵芯內,正常采集線路電流電量數據。(圖2)

圖2 采集終端傳感器

采集終端傳感器需要同時采用電壓數據,采用絕緣穿刺方法對線路線電壓進行采集,安全、可靠,對電纜表面損傷最?。徊杉K端傳感器可調內徑結構,更好的減少線徑大小對采集終端傳感器電流采集精度的影響；采集終端傳感器選用了導磁率較高鐵芯作為導磁材料,具有鐵芯可分割、磁路損耗小的特點,其半圓環型鐵芯和二次繞組采用優質環氧樹脂真空澆注在可阻燃的塑料殼體內,防潮,性能穩定,無需維護。

1.3 硬件電路設計

臺區識別系統電路框架圖如圖3 所示,供電電路通過穩壓器給系統提供穩定供電?；冸娏孔⑷腚娐吠ㄟ^處理器,控制繼電器高壓側相線和零線產生特定頻率的畸變電量。信號處理電路完成采集電流信號的預處理,前段接電流傳感器。系統采用STM32F103C8T6 芯片作為處理器,帶有SPI 串行異步通信,串口多種外設功能,頻率8MHz,能滿足采集到的電流進行快速傅里葉分析。LORA 無線模塊與ARM通過Lora 自組網進行通信,LORA 具備窄帶遠距離通信功能,能完成遠距離的自組網,最快數據傳輸50kbs,能滿足采集數據的快速可靠上傳。

圖3 臺區識別系統硬件框架圖

1.4 軟件算法設計

智能終端的軟件流程圖如圖4 所示。數據采集集中器系統上電后,軟件程序開始啟動進行多點組網,接收上級的指令進行解析,以此判斷是否需要動作。若收到動作命令,則根據接收到的數據指令,判斷是否需要注入畸變電量,需要則控制外圍電路注入固定頻率的畸變電量,不需要則直接采樣節點電流。然后進行節點電流特征分析,通過無線通信模塊回傳處理后的數據包,至此,結束一次動作響應,繼續等待上級命令。

圖4 智能終端軟件流程圖

2 關鍵技術

畸變電量激發及采集原理:

安全可靠、準確的低壓臺區拓撲模型,特別是準確的“變- 線- 箱- 戶”關系[12-14],是當前低壓配電網精益化運維管理的難點。要實現臺區電路拓撲的自動識別,需要理清不同電路節點的主從分支關系和位于同一分支電路節點的上下級關系。如果基于配電線路搭建一條不同節點的信號傳輸網絡,就可以建立不同節點之間的鏈接關系,該傳輸信號如果具有單向傳輸屬性,則為理清節點之間的上下級提供了理論可能。根據基爾霍夫電流定理,對某一個節點施加一個區別于工頻信號的畸變電量,該畸變電量必然只會向上一級傳輸。如圖5。

圖5 畸變電量機房

節點CPU 控制系統對畸變電量發生部件執行畸變電量觸發,每間隔20MS 激發一次,連續激發5 次,在基波狀態下,觸發畸型變量電流,線路上所有無線數據采集節點同步通過PT 采集線路電流信號,通過傅里葉算法對電網電流進行濾波、降噪、分解,無線數據采集節點CPU 處理器在同時間周波內識別3 次畸變電量,判定接收畸變電量發送接收成功。

為了區別原先電力線中的負載電流,在待測節點注入的畸變電量需要具備易識別、不干擾線上工作設備、遠距離傳輸等特點。本文在待測節點上通過畸變電量發生電路,在電流波峰處注入畸變電量。

在頻譜分析中, 傅氏變換F(w)又稱為f(t) 的頻譜函數,而它的模|F(w)|稱為f(t)的振幅頻譜(亦簡稱為頻譜),由于w是連續變化的, 我們稱之為連續頻譜, 對一個時間函數作傅氏變換, 就是求這個時間函數的頻譜。

顯然,振幅函數|F(w)|是角頻率w的偶函數, 即

相角頻譜argF(w)是w的奇函數。

求單個矩形脈沖函數的頻譜圖,即:

注入畸變電量和檢測原理:

圖6 為畸變電量激發的數據源,數據采集集中器發出拓撲成圖指令后,圖6 在00 時間發送拓撲指令,在20mS 后數據采集終端根據指令激發畸變電量,其他數據采集終端同步采集畸變電量數據,圖7 為同步采集的完整數據,數據采集終端判定為采集到畸變電量,每次同步時間準確。

圖6 數據采集終端畸變電量激發數據

圖7 其他數據采集終端時鐘同步采集的畸變電量數據

圖8 由于通訊網絡的延時,圖6 在00 時間發送拓撲指令,在20mS 時鐘時間點沒有采集到畸變電量發出拓撲成圖指令,由于是延時50MS 后收到了采集命令,就收到2 次畸變電量,這樣數據采集終端判定為不合格的采集量,上傳沒有收到畸變電量數據量到畸變電量。

圖8 其他數據采集終端時鐘延時同步采集的畸變電量數據

圖9 是因為網絡時鐘完全不同步或是延時超過100MS,造成數據采集終端激發畸變電量后,其他數據采集終端完全沒有采集到畸變電量,造成數據判定錯誤。

圖9 其他數據采集終端時鐘不同步采集的畸變電量數據

所以數據的同步性對拓撲形成的準確性起到決定作用,本文沒有采用網絡時鐘同步的方法,該設備采用自組網通訊時鐘同步方法,自組網通訊時鐘同步方法是由數據采集集中器對區域內所有數據采集終端進行加密喚醒,所有數據采集終端對數據采集集中器進行加密恢復來確定網絡的有效性和采集數據節點數量的確定性。確定后數據采集集中器對區域內所有數據采集終端發布廣播式無線加密執行開始命令,1000 米區域內所有數據采集終端會在1uS 內收到數據采集集中器的執行命令,就是圖6 激發畸變電量,圖7 同時采集到激發畸變電量

3 拓撲識別的實現流程

通過上文分析可知,畸變電量的傳輸和檢測,可以判斷出注入畸變電量節點的所有上級節點。基于該原理,本文對被測臺區的所有節點分次注入畸變電量,再通過無線通訊將每一次注入節點和采集到信號節點信息記錄下來,將這些數據匯總到智能終端進行處理,便可以快速準確的實現臺區拓撲的自動識別。

為了驗證本文提出的低壓配電網拓撲自動識別算法的可行性,本文在實際臺區現場對臺區拓撲智能識別系統進行了測試。本次測試在臺區的10 個節點布置了智能測試終端,編號分別為:2,3,5,6,8,9,10,11,12,13。現場測試如圖7 所示。

本文在3 號節點注入畸變(諧波)電流,測試結果如表1所示。

表1 節點測試結果匯總表

其中,Load 為加載諧波的傳感器,Link 為是否收到諧波,F1 為第一次收到采樣電流2 次諧波幅值,F2 為第二次收到采樣電流2 次諧波幅值,F3 為第三次收到采樣電流2 次諧波幅值。

由表1 可知,當在傳感器編號3 注入諧波后,傳感器編號12 和傳感器編號13 也收到諧波,說明傳感器編號12 號與傳感器編號13 號節點位置在傳感器編號3 節點位置的鏈路上級。

當在傳感器編號8 注入諧波后,節點測試結果如表2 所示。由表2 可知傳感器編號3、12 和13 收到諧波信號,說明傳感器編號3、12 和13 號是在傳感器編號8 的鏈路上級。

表2 節點測試結果匯總表

當在傳感器編號9 注入諧波后,節點測試結果如表3 所示。由表3 可知除自身外,無其他傳感器收到信號,說明傳感器編號9 位置無上級節點。

表3 節點測試結果匯總表

臺區用戶拓撲關系主體上是一種樹形結構,本文根據樹的層級結構和同級節點的先后順序,使用從上到下,從左到右的編號策略,經過上述過程多次遍歷后,通過后端程序智能處理,自動生成臺區拓撲圖,如圖10 所示。

圖10 臺區拓撲圖

通過與電網的調度系統進行對比校驗,此次試驗生成拓撲圖是正確的。

4 拓展應用

臺區拓撲結構的自動識別是實現故障設備分析、失地排查、漏電電流監測、臺區線損計算以及低壓空開斷開告警等功能的基礎。本文通過安裝在每一個節點的漏電監測模塊、電壓電流監測模塊可以監測線路和分支線路的運行狀態。通過對監測數據進行分析計算,實現臺區和分支線路線損分析、分支線路泄漏電流排查、低壓線路失地檢測。針對表后空開的監測,本文通過對表后空開的監測裝置進行卡扣式結構化設計,避免用戶觸電,監控低壓用戶的表后空開運行信息,對星級用戶和敏感用戶進行長期監控。同時,本文應用邊緣計算技術輔于檢修APP 的功能,為一線班組提供涵蓋主要業務的全能型臺區管理工具,增加班組日常運維檢修手段,提高一線班組工作效率,提升電力公司的社會形象。相關功能應用實現框架圖如圖11 所示。

圖11 低壓配電臺區多功能實現框架圖

5 結論

本文通過分析目前普遍采用的臺區拓撲自動識別算法存在的測試效果容易受現場環境因素的影響、測試結果不準確、體積龐大和攜帶不方便等問題,研發一套基于LPWAM通訊技術,結合樹狀算法的臺區拓撲自動識別成圖體系。首先根據畸變電量只能向上傳輸的原理以及基爾霍夫電流定律實現低壓配電臺區拓撲的上下級關系校驗。然后根據安裝在臺區配電變壓器側的配變智能終端(TTU)動態監測和匯集采集終端的上傳數據(分支節點電量數據的變量和不變量),利用LPWAN 網絡無線廣播指令,實現指令感知時效同步性,經算法進行就地計算,形成樹狀結構的疊成邏輯關系。同時,通過智能臺區管家APP 導入現場采集的定位、開關雙編等信息,實現帶資產信息、地理信息的一次自動成圖。最后配電人員進行臺區現場試驗測試,判斷待校驗結果的正確性。測試結果表明,該校驗方法所需人力成本低、計算速度快、計算量較小、實時性強、可操作性強,具有很高的應用價值。

該校驗方法可根據臺區戶變關系自動繪制臺區戶變接線圖,減少了低壓配電網圖模維護的中間環節,減少了人工維護的工作量,保證了低壓配電網戶變關系拓撲成圖的準確性。