基于载波通信技术的低压配电网设备自动化识别系统

张凤翱，李国平

（国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

基于载波通信技术的低压配电网设备自动化识别系统

张凤翱，李国平

（国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

运用一种低压配电网设备自动识别技术，通过在表箱、分支表箱、出线开关处安装各类编码控制器，实现对台区低压侧设备、各设备间的拓扑关系的自动化信息管理。为低压线损分段、分块的准确分析、基于台区低压设备拓扑关系管理的GIS信息管理系统提供一种自动化、信息可识别的实现方法。

低压配电网；台区线损；编码控制器；OFDM PRIME载波

0 引言

低压配电网是直接面向用户供电的末端网络，是电网的重要组成部分，近年来随着智能电网建设的推进，低压配电网智能终端监测、用电信息采集、低压电网GIS（地理信息系统）等系统的建设及应用，为低压电网的智能化、信息化管理创造了有利条件，大大提高了供电可靠性和安全性。但上述系统在建设过程中，对公用变压器（以下简称公变）以下的用电网设备的数字化信息管理均处于盲区，基本以纸质条形码人工方式进行信息管理，人力投入较大、工作效率低，设备变化的实时性和正确性得不到保证。实际应用中，基本以公变为单位对台区的低压设备进行分类汇总统计，难以对具体低压设备进行定位与查询，也不能反应相关设备之间的拓扑层次关系。而随着各信息系统的逐步推进，电力部门对低压配电网的应用逐渐深入，相关问题随之产生，如：出现线路或设备故障时，难以准确定位设备位置进行快速排查；台区线损偏高时，难以通过分块、分段的方式缩小排查范围；配电箱、电缆分支箱、表箱等电气设备之间缺乏拓扑关系，难以实现台区内所有设备的对应关系和层次结构的动态管理。

针对上述问题，提出一种解决思路及手段，通过在低压配电网的各级设备，包括变压器、出线间隔或配电箱、开关或漏电保护器（以下简称漏保）、分支箱、电表箱、电表及采集器上装设各类编码通信器，利用新一代通信技术，自动建立全部低压设备的电子身份信息档案库。

1 总体设计思路

对于公变下的电力设备，信息化管理的重点是：出线间隔箱/配电箱、开关或漏保、分支箱、电表箱、电表及采集器。该自动化识别系统的总体设计思路是在上述设备附近并联安装编码通信器，通过设置编码通信器所在设备的类型、编码、地理位置信息等，实现对低压设备的拓扑及信息管理。编码控制器是一种特殊的数据通信装置，各类编码管理器均内置基于PRIME技术的载波通信模块，采用PRIME载波技术的网络自发现、自注册技术，国网RS485电能表的自动搜索表地址技术，由台区公变编码管理器实现各级设备编码、设备类型、电能表与表箱编码管理器之间拓扑关系的设备信息采集及管理。

2 关键技术解决

2.1 关键通信技术方案

2.1.1 PRIME载波通信

集中器与各种编码管理器之间采用PRIME载波通信技术。PRIME是由PRIME联盟推出的开放式多供应商解决方案，采用OFDM技术，使用了97个子载波、2.24 ms的长符号、2 ms的序和4.48的开头。为了避免重复法和RS纠错的复杂性，采用了能效高3倍的符号来提高通信稳定性。

PRIME系统是由各台变的子网构成的，每个子网含有2种节点，包括基础节点和各业务节点，如图1所示。

图1 PRIME系统子网结构

2.1.2 基础节点

基础节点是连接子网的主节点，管理子网的资源和连接。每个子网只有1个基础节点。基础节点自身对子网做初始化，其他节点按照一定的注册流程登录到该子网中。

2.1.3 业务节点

子网的其他节点都是业务节点。这些节点在断开状态下按一定的规程启动建立网路连接，每个这样的节点都是子网网格的一个点。这些点的作用是：将自身连接到子网、转接邻近节点的数据实现中继连接。

业务节点的工作态在“端接”和“转接”之间动态转换。节点功能状态的转换根据预先定义好的网路事件来触发。

如图2所示，业务节点有3种功能状态：

（1）断开：业务节点从断开开始工作。在此状态下，节点不能和其他节点通信或通信转接。在这个状态下基础节点的主要功能就是搜寻一个可用的邻近网络并主动注册。

（2）端接：这种状态下业务节点只能建立连接实现通信传输，不能转接其他节点的通信。

（3）转接：这种状态下业务节点除了端接功能外，还有转接子网其它设备数据的功能。

图2 业务节点的功能状态

PRIME协议规定，中继级别数没有限制。由于PLC通路的杂音衰耗的随机时变性，各个中继节点也非固定，而是有随机被升降的可能。在找到所有的服务节点组成网络后，基站还要定期下发广播信标，进行系统巡检，任免中继节点等；网路中所有节点要回应巡检信标，汇报其通路正常信息，另外中继节点还要负责转发信标。这样，全网路时刻保持畅通无阻，系统无需进行初期规划，即插即用，可实时自动实现网路的互连互通。

2.1.4 MAC层寻址

每一个节点都有一个通用的MAC地址，这个地址是一个48 bit的字段，在IEE 802-2001中字段被命名为EUI-48。

制造商在生产过程中设置MAC地址，该地址被普遍用于网络注册过程中以区别每个节点。每个子网只有一个基础节点，因此该基础节点的EUI-48字段由于在全网络中的唯一性被用于区分子网，被称作子网地址（简称SNA）。

SID（转接节点编号）是一个8 bit的编码，子网中每个转接节点都有唯一的SID，子网的基础节点在节点升级过程中对转接节点设置SID。通过SNA和SID才能区别转接节点。SID=0的情况下该节点就是基础节点。

在注册过程中，每个节点都会收到其LNID（本地节点编码），这是一个14 bit的编码，由同一转接节点服务的每个节点会有不同的LNID。在初始化注册过程中接收到的LNID以及建立该连接的转接节点的SID，两者结合起来被称作NID（22 bit）。NID可以用于在子网中区分每个节点，通过SNA和NID可以区别每一个节点，转接节点的LNID=0。

在每次连接建立过程中，都将产生一个LCID（本地连接编号），这个字段共9 bit，用于区别每个节点的每一次连接过程。NID加上LCID被称作CID（31 bit）。CID可以用于区别在一个子网中的每一次连接。通过SNA和CID可以区别每一次连接。

另外还有用于组播和广播功能的地址，这些地址用于数据以及控制信息的传送。根据通信流量的实际环境有几种组播和广播功能地址类型。

每个业务节点在拓扑结构上都有一个等级。和基础节点直接连接的节点的等级是0级。从基础节点带每个和基础节点不直接相连的业务节点，等级这样计算：每过1次转接节点等级值加1。

2.1.5 载波注册流程

表箱编码管理器通过RS485总线与居民表计相连接，并且通过缩位寻址的方式主动发现设备地址，并主动上报到主站。实现设备物理连接的拓扑关系识别。

2.2 各节点设备、相应软件的功能设计

对于一套完整的能够实现低压配电网设备自动识别技术的系统，牵涉到的产品范围包括：

（1）表箱编码管理器：通过RS485总线，DL 645-2007规约缩位寻址，广播自动识别表箱内电表通信地址，采集并存储表计信息、电表类型，存储表箱编码、类型信息等，并通过PRIME载波网络上传到台区公变编码管理器。其设备地址编码规则为：03+10位唯一序列号。

（2）分支表箱编码管理器：存储分支表箱编码信息及类型，并上传到台区公变编码管理器。其设备地址编码规则为：02+10位唯一序列号。

（3）出线开关编码管理器：存储出线开关编码信息及类型，并上传到台区公变编码管理器。其设备地址编码规则为：01+10位唯一序列号。

（4）台区公变编码管理器：采集各类编码管理器编码信息、类型，公变下电表表号信息、类型、对应表箱编码拓扑关系信息的管理及存储、并通过GPRS上传到信息采集管理软件。其设备地址编码规则为：00+10位唯一序列号。

（5）台区低压设备信息采集管理软件：与台区公变编码管理器通信，采集编码管理器内存储的台区下各设备编码、设备类型、设备间拓扑关系。

（6）GIS软件：根据采集到的台区下各设备编码、设备类型、设备间拓扑关系，生产低压侧拓扑关系及GIS信息图。

2.3 可实现的树形拓扑结构

通过如图3所示的树形拓扑结构，能有效实现对线路上设备的管理。该树形结构可以通过上位机导出到XML文件，以便将该树形结构导入到现有的营销系统中，能够大大减少目前营销系统的人力操作。

图3 树形拓扑结构

2.4 与已有系统的互联应用

系统建设完成后，所有台区低压侧设备信息及设备间拓扑关系均能够通过文件方式导出，或通过Web Service技术实现与现有GIS系统、电力营销管理系统、集抄系统之间的数据信息交互，或直接接入现有的集抄系统。

3 测试情况

在实际测试过程中，采用了居民表4台、表箱编码管理器2台、分支表箱编码管理器2台、出线开关编码管理器2台、台区公变编码管理器1台，通过PRIME载波组网测试。采用台区低压设备信息采集管理软件读到的设备拓扑关系如图4所示。

图4 通过软件读取的设备拓扑关系

导出到XML文件后，使用IE浏览器打开后的树结构如图5所示。该树形结构可以导入到现有的GIS系统或者营销系统中，以备后续的使用。

图5 IE浏览器打开的树结构页面

4 结语

根据OFDM PRIME载波技术的网络自发现、自注册等关键特征，RS485电能表DL/T 645规约的自动搜索表号特征，设计并研制一种内置PRIME载波模块编码控制器，针对台区低压设备信息管理的应用软件，实现了对台区低压侧设备、各设备间拓扑关系的自动化信息管理的试点应用。为下一步即将实施的低压线损分段、分块的准确分析、基于台区低压设备拓扑关系管理的GIS信息管理系统提供了一种信息自动化、可识别的实现方法。

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[2]王斌.基于ADD1021的电力线载波抄表终端设计[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[3]朱满军.基于PRIME技术的低压电力线通信模块的设计[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[4]赵昆.基于OFDM的低压电力线载波通信的研究及仿真分析[D].昆明：云南大学，2014.

[5]李军.城市低压配电网通信组网技术研究[D].北京：华北电力大学，2012.

[6]戚佳金.低压配电网电力线载波通信动态组网方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[7]徐川子，庄杰，严丽芳.通用型低压集抄智能检测设备的研发与应用[J].浙江电力，2016，35（8）∶36.

（本文编辑：徐 晗）

Automatic Identification System of Low-voltage Distribution Network Equipment Based on Carrier Communication Technology

ZHANG Fengao，LI Guoping

（State Grid Huzhou Electric Power Company，Huzhou Zhejiang 313000，China）

∶By use of automatic identification technology for low-voltage distribution network equipment，information of equipment at low voltage side in transformer areas and topology relationship of all equipment are automatically managed.Therefore，an automatic and information-identification method is provided for accuracy analysis of low-voltage line loss sections and blocks as well as GIS information management system based on low-voltage equipment topology relationship management in the transformer area.

∶low-voltage distribution network；transformer area line loss；coding controller；OFDM PRIME carrier

.201704015

1007-1881（2017）04-0060-04

：TM727

：B

2016-11-07

张凤翱（1965），男，高级工程师，从事电能计量管理工作。