基于過零偏移檢測的分布式臺區戶變關系辨識研究

梁 捷，梁廣明，黃水蓮

(1.廣西電力工程建設公司，廣西 南寧 530003；2.南寧百會藥業集團有限公司，廣西 南寧 530003)

0 引 言

準確建立臺區戶變關系是確保臺區線損準確計算的關鍵之一[1-2]。臺區戶變關系辨識技術可通過高速電力線載波[3](high-speed power line carrier，HPLC)技術確定各用戶計量點與低壓配電變壓器的歸屬關系，提高戶變關系判斷的準確性，幫助電網公司完善用戶的基礎數據資料，確保業擴用電報裝管理時不出現漏裝、多裝等問題，提高臺區檔案管理水平，同時也有利于臺區線損的管理，避免偷換電能表計、重復裝電能表等竊電行為[4]，提高電網經濟運行水平。

作為面向電力抄表的高速電力線通信技術，HPLC的通信工作頻率范圍主要包括2.4～5.6 MHz、2～12 MHz、0.7～3.0 MHz、1.7～3.0 MHz等，相比傳統的窄帶載波方式具有相對較寬的信道帶寬，通信速率可根據需要在2.048 kb/s～2.4 Mb/s之間任意選擇[5]，可有力支撐高頻數據采集、停電主動上報、時鐘精準管理、相位拓撲識別、臺區自動識別、ID統一標識管理、檔案自動同步、通信性能監測和網絡優化等高級應用功能的實現[6]。此外，相對于窄帶載波通信方式，電力線在高頻段的噪聲相對較弱，通信可靠性和穩定性顯著提升。

文獻[7]依據不同臺區工頻交流電過零相位偏移量不同的特征來辨識臺區戶變關系。具體是由從節點將偏移量原始數據發送至原歸屬主節點，由主節點進行比對判斷。由于未對工頻交流電過零信號的上升和下降特征進行區分，有誤判的可能。此外，特征采集和識別的工作集中在主節點進行，主節點的數據處理壓力較大。下面提出一種基于交流電雙沿過零偏移檢測的分布式臺區辨識方案，介紹了雙沿檢測的原理，比較了分布式和集中式辨識的差異，并通過實驗室和現場案例測試對所提方案的有效性進行驗證。

1 臺區戶變關系辨識原理

臺區戶變關系辨識是指利用用戶計量點采集的用電瞬時量數據等特征信息判斷通信網絡中各節點與臺區的掛接從屬關系。常用的特征量包括工頻電壓特征、信噪比、工頻頻率特征等。設計臺區辨識方案時，需要考慮臺區辨識任務啟動和關閉的時機、辨識周期、臺區辨識的判斷規則以及結果上報方式等問題。

低壓HPLC通信網絡主要包括兩種設備角色，即中央協調器(central coordinator，CCO)和通信節點(用station表示，通常簡稱為STA)。CCO作為主節點負責完成組網控制、采集任務管理等功能，其對應的設備實體為低壓集抄系統集中器本地載波通信模塊，STA是網絡底層負責用戶數據采集的從節點，其對應的設備實體為電能表或采集器中的本地通信模塊[8-9]。

1.1 交流電信號的沿特征

如圖1所示過零檢測原理，在低壓HPLC通信時，若STA節點能夠接收到多個CCO節點的采集指令。定義過零偏移Δη為通信節點接收到采樣信號的時刻tj與上一個工頻電壓波形發生零點穿越時刻的時間差。若STA節點均處于同一相位或排除三相之間的已知偏移，當STA節點j接收到CCO節點的數據采集命令后即可計算出Δη。同臺區的CCO節點與STA節點由于臺區串擾影響小，電壓波形特征重合度高；而不同臺區負載的容量大小、容(感)性和三相平衡度等特性不同，導致其節點之間的波形特征一致性較弱。根據上述特點，通過統計STA節點與CCO節點間的電壓波形過零偏移大小判斷該STA節點是否為跨臺區節點，即通過工頻電壓特征信號過零檢測的方法實現臺區辨識[10]。

圖1 過零檢測原理

對于同一個基準時刻t0，此時有兩種情況：1)如圖1中的t0與t1，當前數據采樣點的電壓值S(t1)為正，處于電信號上升階段(沿)時，采樣時刻tj與基準時刻t0的過零偏移Δη為兩者之間的數值差減去通信延時，如式(1)中S(t+1)>S(t)的情況。2)如圖1中的t2與t3，當前數據采樣點的電壓值S(t3)為負，處于計量點電信號下降階段(沿)時，采樣時刻ti與基準時刻t0的過零偏移Δη為兩者之間的數值差減去通信延時和半個工頻周期，如式(1)中S(t+1)

(1)

式中：Δηj,k為STA節點j采集到的用戶特征信號與臺區k基準特征信號之間的過零偏移；ti為數據采樣時間點，且i=0,1,…,I，其中，t0為臺區的基準過零時刻，通常由臺區配電變壓器低壓出口側安裝的基準表進行采集；α為相鄰采集點之間的通信延時，即通信模塊發送請求數據幀的時刻與接收數據應答幀的時刻之間的差值；T0為工頻周期時長；S(t)為t時刻的電壓值。

為了在特征信息采集時區分用戶電信號中的沿特征，定義臺區特征信息交互報文格式如表1所示。

表1 臺區特征信息采集交互報文格式

表1中：序號2的采集方式字段的數值為1時表示下降沿采集，數值為2表示上升沿采集，數值為3表示雙沿采集，數值為0表示保留；序號6和序號8的起始采集NTB表示本次采集過零點的起始時刻，即發送第一個特征數據采集幀的時刻；序號7和序號9的臺區特征信息序列的內容為采集的用戶特征數據，根據數據類型確定；M為臺區從節點序號；N為從節點數量。當采集方式為上升沿或者下降沿時，起始采集NTB2和臺區特征信息序列2字段留空。當采集方式為雙沿時，起始采集NTB1和臺區特征信息序列1為下降沿數據，起始采集NTB2和臺區特征信息序列2為上升沿數據。

1.2 過零檢測判斷規則

在集中式辨識模式下，CCO收集到多個STA上報的特征信息后，通常以同一時刻上升沿或下降沿的過零偏移不超過某一個閾值，作為該STA節點是否屬于該CCO對應臺區的判斷規則，如式(2)所示。

(2)

式中：ΔηP為時刻p的過零偏移；p為采樣數據對應時間序列編號且p∈P′；δ為集中式辨識模式下臺區辨識的判斷閾值；P′為過零偏移的特征采樣數據時間序列，由原始數據經預處理和剔除無效數據后獲得，其模為‖P′‖，表示序列長度。

在分布式辨識中，STA收到多個可能同臺區的CCO節點的辨識任務時，通常根據各CCO提供的臺區基準特征信號優選出其中過零偏移量最小的節點作為該STA節點的歸屬節點，即若?j∈J，k∈K，滿足式(3)，則認為臺區k為STA節點i的優選歸屬臺區。

Δηj,k=min(Δηj,1,Δηj,2,...,Δηj,k,...,Δηj,K)

(3)

式中，J和K分別為STA節點集合和臺區集合，且j∈J={1,2,…,J}，k∈K={1,2,…,K}。

低壓臺區集中器和電能表的HPLC通信模塊通過內置過零檢測電路，對各相電壓過零點進行檢測判斷，記錄電壓過零點的時刻。通過上述過零檢測算法實現偏差計算，從而得到各待定電能表是否歸屬于某臺區的辨識結果。但現場安裝的各廠家的HPLC通信模塊對上升沿、下降沿采集和式(1)判別功能的支持能力存在差異，實際使用時可能會出現判別失敗的問題。

2 臺區戶變關系辨識模式

2.1 集中式臺區辨識

以全載集抄方式為例，臺區通信網絡拓撲見圖2，臺區辨識功能可根據應用需求部署在營銷主站或計量主站(以下簡稱主站)，它通過GPRS/CDMA無線網絡與所轄多個集中器進行遠程通信[11]。為了獲取臺區基準特征，每個集中器和基準表與所在臺區的變壓器低壓側出線端相連。

圖2 全載集抄方式臺區拓撲圖

集中式辨識為傳統臺區辨識模式，其主要特征是STA向CCO上報臺區特征，在CCO處進行比較判斷。其辨識流程如圖3所示。首先，主站下發臺區辨識使能命令；接著，集中器控制CCO模塊啟動臺區辨識任務，CCO采用輪詢或點對點下發方式向載波電能表發送臺區特征查詢幀，即查詢臺區特征的報文。若通信成功，STA模塊接收到查詢幀后向CCO模塊回復告知幀，CCO模塊接收該幀后提取其中的電能表用戶特征信息與臺區基準特征信息進行比對，從而對該電能表所掛接從屬的臺區進行辨識。完成所有電能表的辨識后存儲獲取到的臺區辨識名單。在CCO臺區辨識功能使能過程中，若CCO上報了無法辨識的電能表計或節點跨臺區事件，集中器需將該信息上報主站，便于主站安排運行維護人員至現場勘查，針對相關檔案進行完善或修正。

表2為兩種辨識模式比較，在集中式辨識過程中，STA模塊與臺區辨識相關的工作內容主要包括執行臺區用戶特征采集任務，采集CCO本地臺區用戶特征信息，響應CCO下發的臺區用戶特征查詢命令等。CCO模塊與臺區辨識相關工作內容主要包括響應集中器下發的臺區辨識使能控制命令，向STA下發臺區辨識任務啟動報文和臺區特征采集方案，以及收集各STA的采集結果并進行比對分析等。值得注意的是，為了保證臺區辨識期間正常的日凍結抄讀、費用控制下發、高頻采集、事件上報等數據業務通信，STA即使判斷臺區辨識結果歸屬錯誤也不允許主動離網。此外，為了保持辨識對象固定，減少辨識難度，在臺區辨識期間設置CCO的白名單過濾功能處于開啟狀態，即僅對當前搜索到的電能表進行臺區辨識，對于新增電能表則在臺區辨識完成之后再處理。當CCO發現非本臺區的電能表節點后，需立即上報給集中器。

表2 兩種辨識模式比較

2.2 分布式臺區辨識

由第2.1節可知，集中式臺區辨識模式依賴于CCO集中式的數據分析和控制中心，辨識過程中CCO需進行臺區全局節點任務控制、特征量的獲取以及進行集中分析和計算，與STA之間需進行大量的信息交換，對信道質量依賴度高，辨識模式不夠靈活，在信道質量不佳或易受干擾時應用具有一定的局限性。對此，提出一種分布式臺區辨識模式，如圖4所示，它采用分布式的控制方案，主要思路是集中器經CCO向STA下發臺區特征，在STA處進行特征比對并判斷臺區歸屬，最后將辨識結果提供給CCO。

圖4 分布式臺區辨識流程

如表2所示，分布式辨識模式中STA區別于集中式的特有工作內容主要為由STA進行臺區用戶特征信息比對、臺區歸屬初步分析，以及響應CCO下發臺區判斷結果查詢命令。分布式辨識模式中，CCO模塊的特有工作內容主要為向各個STA通過全網廣播方式下發臺區特征信息、輪詢讀取STA的臺區判別結果。

比較上述兩種辨識模式可知，分布式臺區辨識模式將臺區特征比對和判斷歸屬的工作分配給STA節點完成，對CCO的數據處理壓力較小，同時對不同廠家STA混裝的識別算法兼容能力較強。

3 案例測試

3.1 實驗室測試

為驗證所提臺區辨識方案的可行性，在實驗室采用模擬配電變壓器和單相、三相智能電能表模擬現場環境搭建兩個小規模模擬臺區進行測試。兩個模擬臺區的單相電能表分別安裝在模擬配電變壓器低壓出線端的A相和B相。三相電能表與集中器通過RS-485方式連接，用于獲取臺區基準特征，不參與性能測試指標評價。

為對辨識結果進行定量評價，評價指標采用準確率β和召回率γ。

β=n/J×100%

(4)

γ=r/J×100%

(5)

式中：n為當前臺區中能準確辨識的STA節點數；r為當前臺區中能正常采集和召回辨識結果的STA節點數。

測試時首先對臺區集中器及電能表進行對時，并通過三相基準表采集各臺區的特征電參量數據；然后，清空集中器單相電能表檔案，啟動無檔案自動搜表任務，使電能表通過數據主動上報的方式，將自身地址發送給集中器；接著，集中器更新臺區的檔案信息；最后，分別通過集中式和分布式辨識模式進行臺區辨識。實驗室測試結果見表3的臺區1和臺區2。

3.2 現場測試

在廣西某城市低壓居民臺區進行現場測試，該現場包括4個臺區，下屬共計388只用戶電能表。最長允許測試時間設為2 min。在現場已安裝的采集設備的基礎上，通過集中器軟件升級和HPLC通信模塊更換方式使設備支持上述兩種辨識模式。所更換的STA模塊來自不同的廠家。表3中序號3～5和6A的4個臺區中通信模塊的臺區辨識算法仍沿用現場原HPLC通信模塊廠家的方法。為便于對比辨識效果，將兩種辨識模式的辨識結果繪制成圖5。圖5(a)、(b)分別展示識別用時和識別準確率的測試結果，其中的臺區編號按用戶數由少到多排序。

表3 測試結果

圖5 測試結果

1)識別用時

圖5(a)中的臺區1和臺區2為實驗室模擬臺區，由于用戶數較少，比較可知在兩種模式辨識所需的時間差距不大，且均能準確辨識所有用戶。臺區3～6為現場測試臺區。由圖5(a)可見，隨著用戶數的增多，兩種辨識模式的用時均隨之增長，但集中式模式的測試用時增長較快。這是由于集中式辨識模式需收集臺區內STA高頻采集的臺區用戶特征信息，數據傳輸容量大，對通信信道質量和CCO的大數據處理能力要求較高，故測試時間較長。而分布式模式用戶特征信息的獲取和分析判斷工作由STA完成，節約了信息在信道傳輸的時間和CCO的數據分析時間，故辨識效率較高。

2)識別準確率

將現場測試臺區的電能表編號按臺區歸屬繪制成圖6。圖6中的真實情況是指通過現場勘察確定的電能表真實戶變歸屬關系。

圖6 現場臺區辨識結果

由圖6和表3可見，分布式辨識結果與真實情況一致。集中式辨識中臺區6A的召回率為99.3%，但辨識準確率僅為96.4%。即本次測試過程中有1只電能表抄表失敗，除此之外，還有3只電能表通信正常但辨識失敗。結合圖6可知，編號為265和編號為286～288的4只電能表在測試過程中辨識失敗。

3)異常問題分析

對上述抄表失敗問題，現場調查發現電能表265與該臺區的集中器地理距離相對較遠，HPLC抄表傳輸距離較長，信號衰減較嚴重。由于集中式辨識模式下需傳輸大量的臺區用戶特征信息，數據傳輸量大，故抄表速度慢且成功率低。雖然采集任務有補抄機制，但由表3可見，該模式下測試時長為120 s，即達到了預設的最大允許測試時間，此時集中器會下發臺區辨識任務停止命令，強制終止辨識任務。此時該電能表的數據未完成補抄，后續的辨識流程無法完成，故認為是辨識失敗。而分布式辨識模式下，用戶特征信息的獲取和分析判斷工作由STA完成，信道上只需傳輸下發臺區基準特征信息和辨識結果查詢交互報文，數據傳輸量較小，故辨識成功率較高。

此外，現場調查發現：編號為286～288的3只電能表在測試過程中能正常抄表，但辨識失敗；本次測試的辨識算法采用工頻交流電壓過零檢測法，辨識失敗的STA生產廠家為同一廠家，與同臺區其他電能表的生產廠家不同。該廠家由于早期標準未統一的歷史原因，僅支持下降沿信息的采集和特征辨識，但依然支持雙沿工頻信號特性信息采集。臺區6的CCO廠家考慮到芯片的處理能力有限，其產品僅提供上升沿特征辨識功能，CCO廠家與該STA廠家在辨識算法的沿數據處理方式上存在不兼容的情況。

據此推斷，集中式辨識模式下，CCO可采集到該問題STA回復的雙沿臺區用戶特征信息，但卻無法進行辨識，造成現場不同HPLC廠家的產品混裝時臺區辨識功能無法互聯互通的情況。而在分布式辨識模式下，CCO在辨識時僅負責下發臺區基準特征信息和向各STA查詢臺區判別結果，臺區歸屬判別在各用戶的STA模塊上實現，該廠家的STA收到CCO下發的雙沿臺區基準特征信息與自身采集到的用戶特征信息進行比對，可正常辨識，故在該模式下，未發生上述CCO辨識功能兼容性缺陷造成的辨識失敗問題。

為驗證上述推斷結果，通過更換模塊和集中器軟件升級的方式使臺區6的CCO支持雙沿檢測功能，并重新進行測試，結果如表3中的臺區6B所示。可見，CCO支持雙沿檢測后，召回率與辨識準確率相等，即除了1只電能表抄表失敗外，其余電能表均能準確辨識，說明支持雙沿檢測的CCO能準確辨識上升沿和下降沿的用戶特征信息，辨識失敗問題不再發生，故上述推斷結果是可信的。

4 結 論

上面分析了傳統集中式臺區戶變關系辨識技術中存在的不足，提出了一種基于HPLC通信模塊的分布式雙沿臺區辨識方案。該方案在HPLC相關通信設備的基礎上，建立由集中器經CCO向STA下發臺區特征，在STA處進行特征比對并判斷臺區歸屬的分布式辨識模式，設計了交流電信號雙沿檢測算法并提供通信規約支持，避免了不同廠家的HPLC通信模塊設計的沿過零檢測算法的兼容性問題。案例測試情況表明，在現場臺區用戶較多時，分布式辨識模式的處理性能更佳，且出現抄讀失敗和辨識失敗的情況較少，驗證了所提方案的可行性。所提方案辨識戶變關系僅利用了低壓臺區用戶電信號的工頻電壓特征，如何綜合利用工頻周期特征、工頻頻率特征提高辨識的準確率值得進一步研究。