基于低壓計量裝置快速定位及拓撲關系的研究

朱迎春 高偉 洪一姍 李天柱 王亞暉 李志偉 左勇

摘要：低壓配電網位于電網結構末端，連接眾多用電負荷與電網，是輸電和用電之間的重要環節，對保證用電質量、用電安全起著至關重要的作用。正是由于低壓配電網設備數量巨大、點多面廣、結構分散、型號不統一，對低壓配電網的監測與管理造成較多困難，嚴重影響電網的運維效率和服務質量。近年來，國家電網公司在產品標準化方面做出了積極措施，顯著提升了電網的開放性、統一性。其中，低壓配電網的拓撲關系是電網數據的關鍵組成部分，對電網的線損分析、故障診斷等應用都有關鍵的作用。但拓撲信息主要依賴設計資料及人工錄入，一旦電網結構發生變化，更新不及時，就會導致電網拓撲信息的滯后。目前，國內外已有對低壓配電網拓撲分析的技術研究，比如通過終端感知設備、檢測設備等輔助設備進行信號監測，在通過對信號序列的變換分析，實現拓撲結構的映射。上述方法不僅對信號的采集和分析有著較高的要求，更增加了低壓配電網用戶各負荷節點的輔助設備，增加投資費用，不利于大規模應用和管理。本文提出一種低壓計量裝置快速定位及拓撲關系的研究技術及相關裝置。本裝置安裝在表箱內，依靠高速電力線載波（highspeedpowerlinecarrier，HPLC），采集電壓信息，根據同一個表箱內電壓特征趨近一致的現象，通過智能融合終端內APP算法計算任意2個智能電表的相關性，判斷下級智能電表的定位，再根據各分支的計量數據，自動生成臺區拓撲。

關鍵詞：低壓計量裝置;快速定位;拓撲關系;研究

1、HPLC概述

HPLC技術是一種高速電力線通信技術，電力線通信技術是指利用電力線作為通信介質進行數據傳輸的一種通信技術。由于電力線是最普及、覆蓋范圍最為廣闊的一種物理媒體，利用電力線傳輸數據信息，具有極大的便捷性，無需重新布線，即可將所有與電力線相連接的電器組成一個通信網絡，進行信息交互和通信。這種方式實施簡單，維護方便，可以有效降低運營成本、減少構建新的通信網絡的支出，因而已成為智能電網、能源管理、智慧家庭、光伏發電、電動汽車充電等應用的主要通信手段。

電力線通信按工作頻帶可分為窄帶低速電力線通信、窄帶高速電力線通信、和寬帶高速電力線通信，窄帶電力線通信可使用的頻率范圍為3kHz至500kHz，由于帶寬相對較窄，只能提供較低傳輸速率的通信服務，且抗干擾能力較弱，一次抄表成功率很難突破90%以上。面向電力抄表的寬帶高速電力線通信工作頻率范圍包含2.4MHz～5.6MHz、2MHz～12MHz、0.7MHz～3MHz、1.7MHz～3MHz，具有相對較寬的帶寬，能夠提供數百kbps至幾Mbps的數據傳輸速率，且電力線在高頻段的噪聲相對較弱，相對于窄帶電力線通信，通信可靠性和穩定性顯著提升。

2、拓撲識別技術概述

隨著電網的不斷擴大，電網結構逐漸復雜。由于用戶數量眾多，負荷類型多變，各臺區的拓撲結構各不相同，用電特性也不盡相同。但由于各負荷對時間序列的特征均可呈現出規律性，因此，不同用戶具有其用電特征。通過采集某一時間段內某一用戶的用電數據，可分析得出該用戶的用電特征。本文中，裝置支持HPLC主節點設備通過DL/T698.45-2017通信協議對設備進行數據查詢和參數設置，支持監測DL/T645-2007和DL/T698.45-2017通信協議的HPLC從節點設備的通信報文。裝置將自動監測HPLC臺區中所有設備之間的通信報文，收集HPLC從節點的地址信息，包含但不限于低壓表計、低壓表箱等，自動生成設備地址、位置信息、狀態信息。通過大數據篩查，剔除其他臺區串擾數據等無關報文，建立本臺區節點檔案表格。所形成的檔案供HPLC主節點設備查詢。主節點對從節點電壓、功率等數據進行分析，并對比該節點用戶特征曲線，綜合各類特征信息，可判斷多個從節點是否屬于同一表箱。同時，結合定位系統，可得出該表箱的地理位置，從而確定其拓撲結構。

3、系統功能設計

3.1定位功能

通過北斗/GPS模組自動獲取實時的時間、經度、緯度等時間及定位狀態信息;GPS和北斗自動切換。

3.2自組網功能

自動進行自檢，自動識別HPLC網絡中所有節點信息，不影響現有HPLC網絡通信功能;

4、系統硬件設計

MCU模塊主要實現對抄控器、STA模塊以及北斗/GPS定位模塊的管理，實現對抄控器所監測的信息的解析與存儲，以及協議的解析及組包。

北斗/GPS定位模塊獲取該表箱的地理位置，其信息數據通過STA模塊

傳至集中器端。

抄控模塊主要監測該表箱線路上所有的通訊報文，并傳遞該通訊報文給MCU端進行解析以及存儲，從而供集中器抄讀。

STA模塊主要用于注冊至集中器的CCO中，架起集中器和表箱檢測單元溝通的橋梁，實現該表箱的線路所有的表地址以及定位位置的抄讀。

5、技術指標

本裝置使用HPLC通訊，應具有網絡配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等網絡管理功能。HPLC工作頻率基本頻帶為0.7MHz～12MHz，可支持分段使用。發送功率頻譜密度在工作頻帶內不大于-45dBm/Hz，工作頻帶外不大于-75dBm/Hz。

HPLC靜態功耗不大于1W，動態功耗不大于6W。在隔離電源、屏蔽環境、無競爭場景、主從節點1：1配比，測試包長為512（1024）字節時，通信速率應不小于1Mbps。在隔離電源、屏蔽空間環境，主從配比1：1情況下，業務幀長不小于1k字節下的載波報文發送端發送時刻與接收端接收時刻的上下行時延，測試時間20s，網絡平均時延應小于30ms。在交流電網環境，兼容智能電表通信口時延。在隔離電源、屏蔽空間環境，主從節點1：1配比下，測試包大小不小于1k字節，90%吞吐量，2小時測試時間的情況下，上、下行丟幀率應小于1%。在隔離電源、屏蔽環境、誤包率小于10%（業務報文包長<100字節）、帶內發射功率譜密度為-45dBm/Hz的條件下，其抗衰減性能應不小于85dB。

本裝置使用北斗/GPS雙模衛星定位系統，北斗為國產芯片，且可獨立工作。定位精度應滿足水平誤差不大于10m，高程誤差不大于15m。首次定位時間不超過5s。在GPS/北斗信號接收強度-130dBm情況下，從系統加電運行到實現定位的時間不超過60s，冷啟動不低于-140dBm。通道數不小于12個。

6、結束語

智能表箱監測設備是一款具有HPLC通信、北斗/GPS定位以及監測和記錄HPLC臺區下所有設備的地址信息，并支持查詢所有監測到的設備的位置信息的設備，通過在表箱端安裝表箱監測設備實現臺區所有設備實時定位、臺區系統的戶變關系及拓撲識別。不但有助于現場人員快速準確的開展客戶業務，也可輔助主動搶修等業務開展。

本論文出自基于低壓計量裝置快速定位及拓撲關系模塊研究項目參考文獻：[1]基于配電物聯網技術的臺區拓撲自動生成方法研究_鮑音夫[2]基于智能電表數據的供電網絡拓撲識別方法研究-張麗強[3]低壓電網拓撲實時生成平臺產品化研究-方鵬

[4]基于HPLC通信模塊的智能電表改進分析-徐文濤[5]基于動態規劃的配電臺區三相負荷不平衡治理方法_唐冬來[6]基于數據挖掘的戶變拓撲關系辨識算法研究-谷海彤[7]臺區拓撲結構自動繪制方法研究-張瑋[8]小波變換在供電網絡拓撲辨識波形特征提取中的應用-陳霄[9]智能電表自動化檢定系統設計及應用分析-李青