基于特征電流的低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的要求越來(lái)越高，老舊小區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部、偏遠(yuǎn)農(nóng)村等電力線(xiàn)路老舊、臺(tái)區(qū)關(guān)系交叉復(fù)雜的問(wèn)題越來(lái)越突出，其不僅影響了臺(tái)區(qū)、線(xiàn)路歸屬關(guān)系的劃分，而且嚴(yán)重影響了臺(tái)區(qū)線(xiàn)損治理、臺(tái)區(qū)低壓治理、三相不平衡治理、臺(tái)區(qū)重（過(guò)）載治理。根據(jù)攜帶特征碼并且具有特定頻率的特征電流流經(jīng)整個(gè)回路（變壓器、分支箱、表箱等）這一特性，在臺(tái)區(qū)特定點(diǎn)安裝具有捕捉特征電流功能的識(shí)別設(shè)備，設(shè)計(jì)了一整套低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，依托于云平臺(tái)，通過(guò)擴(kuò)展376.2和645-07規(guī)約，建設(shè)了基于B/S構(gòu)架的臺(tái)區(qū)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，并且選取了兩個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，不但能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且為精品臺(tái)區(qū)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和示范作用。

關(guān)鍵詞：特征電流；臺(tái)區(qū)拓?fù)洌籅/S構(gòu)架；分支箱；自動(dòng)識(shí)別；云平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）06-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.004

0 引 言

由于時(shí)代和技術(shù)發(fā)展的限制，我國(guó)電力系統(tǒng)在早期建設(shè)階段遺留了不少問(wèn)題，老舊小區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部、偏遠(yuǎn)農(nóng)村等地區(qū)的臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線(xiàn)路歸屬關(guān)系混亂，造成了線(xiàn)路損耗管理、臺(tái)區(qū)低壓治理的困難。特別是地埋線(xiàn)路臺(tái)區(qū)，更難以確定臺(tái)區(qū)拓?fù)浜蛻?hù)變關(guān)系，以往情況下，可以通過(guò)停電來(lái)確定拓?fù)潢P(guān)系，但是停電不但影響用電體驗(yàn)，而且在某些特定場(chǎng)合停電很難推進(jìn)，比如云南昆明某發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠(chǎng)，重要產(chǎn)線(xiàn)（鑄工）需要全年運(yùn)行，由于前期廠(chǎng)家電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)粗糙，后期某些工藝產(chǎn)線(xiàn)搬遷和重新規(guī)劃，相應(yīng)CAD圖紙沒(méi)有及時(shí)更新改進(jìn)，廠(chǎng)家能源部也無(wú)法確定動(dòng)力柜、表箱之間的關(guān)系，造成諸多不便。所以通過(guò)安全、可靠、高效的方法快速清理識(shí)別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得尤為重要。近年來(lái)，隨著電力載波技術(shù)的發(fā)展，為低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。特征電流作為一種攜帶特征碼的特定頻率的電流信號(hào)，具有流經(jīng)整個(gè)回路（變壓器、分支箱、表箱等）的特性，根據(jù)此特性來(lái)識(shí)別確定拓?fù)潢P(guān)系，具體識(shí)別模型如圖1所示。

發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的特征電流向著低阻抗線(xiàn)路流動(dòng)，電力線(xiàn)路上安裝的識(shí)別設(shè)備采集電流信號(hào)，通過(guò)識(shí)別特定頻點(diǎn)的特征值來(lái)獲取采集時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比時(shí)間點(diǎn)來(lái)確定電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比三相信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定上下級(jí)關(guān)系[1-2]。

1 特征電流發(fā)送和識(shí)別

1.1 特征電流發(fā)送

特征電流是通過(guò)發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生的攜帶特征碼的特定頻率的電流信號(hào)，通常發(fā)射設(shè)備包括但不限于電能表、采集終端（采集器、集中器）、子終端（智能斷路器、分支箱監(jiān)測(cè)終端、表箱智能子終端），其采用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載電路形成特征電流。本系統(tǒng)采用的調(diào)制信號(hào)如圖2所示。

如圖2所示，為了減少電網(wǎng)諧波和高頻率諧波衰減的影響，信號(hào)頻率f0設(shè)為833.3 Hz，位寬時(shí)間Tw默認(rèn)為600 ms，調(diào)制周期Ts與高電平脈寬Th比值為3∶1，電流峰值Tmaxlt;0.7 A，發(fā)送特征碼碼位為1的電流有效值不應(yīng)該小于0.25 A[3]。特征電流的特征碼主要是為了區(qū)分背景噪音，減少誤識(shí)別，因此可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置，通常不超過(guò)16字節(jié)，默認(rèn)為0xAAE9，即[1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1]，由此可以得出特征電流參數(shù)信息，見(jiàn)表1。

1.2 特征電流識(shí)別

特征電流識(shí)別解碼需要在保證識(shí)別準(zhǔn)確率的前提下降低噪音影響，其采樣頻率fs不應(yīng)該低于5 kHz，即采樣頻率fs與電網(wǎng)基波頻率fb比值不應(yīng)該小于100。識(shí)別頻點(diǎn)選取兩點(diǎn)，其計(jì)算公式為：

式中：f0為特征電流頻率（833.3 Hz）；fb為電網(wǎng)基波頻率（50 Hz）；f1為883.3 Hz，f2為783.3 Hz。

采用滑動(dòng)離散傅里葉變換算法，分別提取識(shí)別點(diǎn)的電流信號(hào)并且進(jìn)行解碼處理，識(shí)別設(shè)備記錄信號(hào)識(shí)別時(shí)間、識(shí)別相位、信號(hào)強(qiáng)度、背景噪音和特征碼，通過(guò)電力載波搜集對(duì)比不同識(shí)別設(shè)備存儲(chǔ)的信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)表箱和表計(jì)之間的拓?fù)潢P(guān)系[4]。滑動(dòng)離散傅里葉變換提取第k次頻率fk的頻域分量計(jì)算公式為：

式中：ak、bk、ck分別代表頻率為fk的諧波電流的實(shí)部、虛部和模值；N表示參與離散傅里葉變換運(yùn)算的采樣點(diǎn)數(shù)；n表示采樣點(diǎn)序號(hào)；（n）表示第n個(gè)采樣點(diǎn)的采樣值。

2 臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別流程

前文已詳細(xì)介紹了特征電流發(fā)送和識(shí)別的理論基礎(chǔ)，按照理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研發(fā)相應(yīng)硬件設(shè)備。一次臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別過(guò)程需要集中器、表箱智能子終端、分支箱監(jiān)測(cè)終端、特征信號(hào)發(fā)生器配合實(shí)現(xiàn)，流程如圖3所示。

從圖3可以看出，整個(gè)拓?fù)渥R(shí)別流程可以分為6步。

第一步，集中器根據(jù)檔案配置以廣播的形式通過(guò)載波發(fā)起啟動(dòng)物理拓?fù)渥R(shí)別命令，表箱智能子終端和分支箱監(jiān)測(cè)終端均會(huì)收到該命令并進(jìn)入相應(yīng)的處理流程。臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別和用電環(huán)境有直接關(guān)系，負(fù)荷較大時(shí)，線(xiàn)路環(huán)境比較復(fù)雜，會(huì)降低識(shí)別成功率，所以應(yīng)根據(jù)歷史負(fù)荷情況（負(fù)荷最低時(shí)），發(fā)起拓?fù)渥R(shí)別。

發(fā)送不同等級(jí)的識(shí)別指令，集中器最多發(fā)送3等級(jí)物理拓?fù)渥R(shí)別指令，當(dāng)本等級(jí)識(shí)別成功后，不會(huì)發(fā)起更高等級(jí)識(shí)別指令。發(fā)送同等級(jí)識(shí)別命令，首先要根據(jù)檔案確定表箱數(shù)量，以30 s的時(shí)間間隔逐個(gè)點(diǎn)名發(fā)起物理識(shí)別指令。

第二步，表箱智能子終端發(fā)起啟動(dòng)脈沖輸出命令，表箱智能子終端與特征信號(hào)發(fā)生器通過(guò) RS 485-I口相連，表箱智能子終端收到集中器發(fā)起的啟動(dòng)物理拓?fù)渥R(shí)別命令后發(fā)起啟動(dòng)脈沖輸出命令。

第三步，特征信號(hào)發(fā)生器收到表箱智能子終端的啟動(dòng)脈沖輸出命令后，根據(jù)命令中的延時(shí)時(shí)間T1、T2、T3觸發(fā)特征信號(hào)，共產(chǎn)生三次特征信號(hào)。延時(shí)時(shí)間會(huì)直接影響特征信號(hào)的強(qiáng)度，時(shí)間越短，特征信號(hào)幅值越大，越有利于分支箱監(jiān)測(cè)終端錄波時(shí)對(duì)特征信號(hào)的監(jiān)測(cè)，但是特征信號(hào)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致空氣開(kāi)關(guān)動(dòng)作。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，選取T1=20 ms，T2=30 ms，T3=40 ms。

第四步，分支箱監(jiān)測(cè)終端啟動(dòng)錄波需要具備如下3個(gè)條件：

（1）分支箱收到的地址非自身地址；

（2）特征數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為0xAAE9；

（3）沒(méi)有處于錄波狀態(tài)。

如果識(shí)別不到特征信號(hào)，分支箱監(jiān)測(cè)終端會(huì)持續(xù)10 s處于頻點(diǎn)采集狀態(tài)，若識(shí)別到特征信號(hào)，則立即更新拓?fù)錂n案并退出本次錄波。

第五步，集中器查詢(xún)拓?fù)錂n案，集中器在發(fā)起所有的啟動(dòng)物理拓?fù)渥R(shí)別命令后延時(shí)等待 30 s后開(kāi)始點(diǎn)名查詢(xún)分支箱監(jiān)測(cè)終端識(shí)別到的拓?fù)錂n案并生成物理拓?fù)渥R(shí)別結(jié)果文件。

第六步，主站根據(jù)376.2規(guī)約擴(kuò)展集中器采集命令，通過(guò)召測(cè)或者上報(bào)的方式獲取臺(tái)區(qū)拓?fù)錂n案文件，并與主站系統(tǒng)中的檔案進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示。

3 低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)依托于服務(wù)器，使用B/S構(gòu)架，采用SpringBoot+Vue技術(shù)創(chuàng)建了一套可視化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用專(zhuān)利《一種用能信息采集系統(tǒng)臺(tái)區(qū)拓?fù)洚?huà)像繪制方法與系統(tǒng)》，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)拓?fù)涞淖詣?dòng)展示[5-6]。系統(tǒng)整體框架如圖4所示。

系統(tǒng)可以分為三層：主站管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備層。其中，主站管理層包括阿里云服務(wù)器和低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)，是系統(tǒng)管理與控制的中心，具備管理系統(tǒng)檔案、數(shù)據(jù)傳輸處理、權(quán)限控制等功能。網(wǎng)絡(luò)通信層采用GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備層包括采集設(shè)備和計(jì)量設(shè)備，本系統(tǒng)主要包括集中器、分支箱監(jiān)測(cè)終端、表箱和電表。

3.2 拓?fù)淅L圖

主站管理層通過(guò)定時(shí)任務(wù)編輯，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)拓?fù)涠〞r(shí)召測(cè)識(shí)別，為了提高臺(tái)區(qū)拓?fù)漤憫?yīng)速度，也可以通過(guò)主動(dòng)召測(cè)來(lái)識(shí)別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解析集中器上報(bào)的拓?fù)湓创a，更新檔案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。

借鑒電力系統(tǒng)常用圖例標(biāo)準(zhǔn)和色彩習(xí)慣，本系統(tǒng)由于其特殊性和獨(dú)特性，并不合適沿襲電力系統(tǒng)圖例，比如分支箱監(jiān)測(cè)子終端，并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)圖例。出于使用方便性和專(zhuān)利切合度方面的考慮，系統(tǒng)圖標(biāo)示例見(jiàn)表2。

本司申請(qǐng)的《一種用能信息采集系統(tǒng)臺(tái)區(qū)拓?fù)洚?huà)像繪制方法與系統(tǒng)》專(zhuān)利，可以根據(jù)檔案關(guān)系直接“畫(huà)”出整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，展示在瀏覽器上。此發(fā)明通過(guò)解析數(shù)據(jù)庫(kù)中臺(tái)區(qū)裝置的關(guān)聯(lián)關(guān)系，生成具有父子級(jí)關(guān)聯(lián)并且?guī)в兴饕腏SON對(duì)象列表，計(jì)算列表對(duì)象坐標(biāo)，通過(guò)調(diào)用CanvasAPI實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)繪圖[6]。拓?fù)淅L圖流程如圖5所示。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 港塘村23號(hào)公用變臺(tái)區(qū)試點(diǎn)

港塘村位于福建省石獅市靈秀鎮(zhèn)，由于地理位置較為敏感，供電系統(tǒng)老舊，線(xiàn)路混亂，外加村民私自搭接電線(xiàn)情況比較嚴(yán)重，導(dǎo)致23號(hào)臺(tái)區(qū)拓?fù)浠靵y，變壓器常年處于過(guò)載狀態(tài)運(yùn)行，造成三相不平衡和臺(tái)區(qū)低壓，即便相關(guān)部門(mén)有意進(jìn)行臺(tái)區(qū)治理，也無(wú)從下手。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察和走訪(fǎng)了解，相關(guān)工作人員選定特定地點(diǎn)（變壓器二次側(cè)、表箱上側(cè)）安裝集中器和分支箱監(jiān)測(cè)子終端。現(xiàn)場(chǎng)安裝施工圖如圖6所示。

設(shè)備安裝成功后，低壓拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)更新成圖，自動(dòng)拓?fù)錅?zhǔn)確率高達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)了低壓配電自動(dòng)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)管理，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)“變-箱-戶(hù)”關(guān)系，臺(tái)區(qū)新增負(fù)荷或負(fù)荷割接后能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)更新功能[8-10]。低壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系識(shí)別全程無(wú)需人工參與，解決了傳統(tǒng)的基于電力線(xiàn)載波技術(shù)的臺(tái)區(qū)識(shí)別技術(shù)存在的“共高壓”“共地”“共電纜溝”等串?dāng)_問(wèn)題，識(shí)別準(zhǔn)確率高。此外，集中器和分支箱監(jiān)測(cè)子終端自身具備采集計(jì)量功能，采集計(jì)算得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率、電流，為臺(tái)區(qū)治理提供理論和數(shù)據(jù)支持。港塘村23號(hào)公用變臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別圖如圖7所示。

4.2 古宅4臺(tái)區(qū)試點(diǎn)

古宅4臺(tái)區(qū)試點(diǎn)是在港塘村23號(hào)公用變臺(tái)區(qū)試點(diǎn)成功之后的又一次改進(jìn)升級(jí)，不但實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別，而且進(jìn)行了以下3點(diǎn)改進(jìn)：

（1）臺(tái)區(qū)線(xiàn)損精細(xì)化管理，精確定位高線(xiàn)損原因（線(xiàn)損閾值暫定3%，原臺(tái)區(qū)月線(xiàn)損大于5%）；

（2）引入北斗定位功能（古宅4臺(tái)區(qū)表箱多露天這一前提條件），實(shí)現(xiàn)了表箱地理位置自動(dòng)定位；

（3）低壓配電網(wǎng)智能APP可準(zhǔn)確定位臺(tái)區(qū)、分支箱、電表箱，將低壓拓?fù)鋱D與地理圖“二合一”，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航。

古宅4臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別圖如圖8所示。古宅4臺(tái)區(qū)地理圖如圖9所示。古宅4臺(tái)區(qū)APP顯示界面如圖10所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)利用特征電流具有流經(jīng)整個(gè)回路的特性，選定攜帶特征值的特定頻率的電流實(shí)現(xiàn)了低壓臺(tái)區(qū)自動(dòng)拓?fù)洌⑼ㄟ^(guò)兩個(gè)試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的搭建和展現(xiàn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和示范作用。當(dāng)然，系統(tǒng)還有諸多需要改進(jìn)的地方，比如如何與電網(wǎng)用采系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如何選擇更加合適（負(fù)荷最低）的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，如特征電流發(fā)送的時(shí)間延時(shí)和重復(fù)次數(shù)，GIS地圖顯示精度（當(dāng)前精度最大達(dá)20 m）等，都需要進(jìn)一步探討和研究。

參考文獻(xiàn)

[1]史子軼，夏向陽(yáng)，劉佳斌，等.基于AKNN異常檢驗(yàn)與ADPC聚類(lèi)的低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別方法[J/OL].中國(guó)電力：1-8 [2024-02-28].https：//link.cnki.net/urlid/11.3265.TM.20231226.1529.027.

[2]戚成飛，劉巖，畢超然，等.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的低壓配電臺(tái)區(qū)拓?fù)浔孀R(shí)技術(shù)綜述[J/OL].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)：1-9 [2024-02-28].https：//link.cnki.net/doi/10.19635/j.cnki.csu-epsa.001392.

[3]李熊，王偉峰，葛玉磊，等.基于特征電流的戶(hù)變關(guān)系識(shí)別方法[J].電測(cè)與儀表，2021，58（9）：115-121.

[4] PANAGOPOULOS O， ARGIRIOU A A. Low-cost data acquisition system for solar thermal collectors [J]. Electronics， 2022， 11（6）： 934.

[5]豆燕蕊，徐軍，郝立法. 一種用能信息采集系統(tǒng)臺(tái)區(qū)拓?fù)洚?huà)像繪制方法與系統(tǒng)：CN11334290 [P]. 2021-09-03.

[6]李明，馮樹(shù)棟，白宗文，等.基于SpringBoot的成果需求匹配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 延安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，43（1）：90-95.

[7]劉凱，張丁勻，陳力.一種基于特征電流信號(hào)檢測(cè)的低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別方法[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（4）：20-22.

[8]張思洪.基于模型預(yù)測(cè)控制的低壓臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)能量調(diào)控策略研究[D]. 貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2023.

[9]吳芳柱，陸柳敏.低壓分布式光伏接入對(duì)臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量影響分析" " [J].電工電氣，2022（7）：22-27.

[10]趙慶林. 計(jì)及高比例戶(hù)用光伏和需求響應(yīng)的低壓臺(tái)區(qū)能量控制策略研究[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2023.

作者簡(jiǎn)介：袁 帥（1990—），男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

閆蘭英（1990—），女，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ姎庵悄芑?/p>

劉 亮（1980—），男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)。

收稿日期：2024-04-19 修回日期：2024-05-28