基于全网感知的用电故障监测系统设计

余佳, 刘宇鹏, 李轩, 张理放

(内蒙古电力科学研究院分公司, 内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

随着国民经济长足发展，用电需求不断增长，据国家能源局数据显示：2016—2018年全社会平均用电量63 575亿千瓦时，平均增长率7.53%。用电量的增长，使得电力系统规模越发庞大，内部体系愈发复杂,用电客户和供电公司在正常用电和供电的同时，对用电信息采集的准确性和实时性等质量要求也越来越高。近年来，伴随着信息化、智能化技术的创新与应用落地，用电信息采集的质量、效率得到了稳固提升。然而下行模块在线率和电表停电故障仍作为两大主导因素制约着用电信息质量的采集。如何能设计一套即针对下行模块状态进行准确、实时监控，又同时针对停电故障快速响应的监测系统就显得尤为重要。

在详细调查供电公司对模块状态监控和停电故障上报的需求，深入分析传统窄带载波通信存在通信速率低、无法针对停电故障快速响应等问题的症结，设计了一套基于微功率无线MESH网络搭建的用电监测系统。该系统主要针对微功率无线MESH网络中全网感知功能和停电上报功能进行仿真和监测，通过集中器、电表(含单相、三相)、微功率无线MESH模块(CAC、DAU)、仿真设备模拟真实电网环境中的组网、抄表、停电故障，达到监测全网感知功能与停电故障上报功能运行状态的目的，为用电信息采集的稳定运行提供数据上的支持。

1 研究现状

目前，主流的信息采集的通信方式为M-BUS总线、RS-485、微功率无线、无线公网和电力线载波。微功率无线和无线公网无需考虑布线，可避免布线、现场改造、线路老化所带来的物资消耗，能有效降低成本。但无线公网设备运维费较高，需必要的运营商参与。而微功率无线无需交纳通信服务费、组网灵活、速度快，是学者应用较多的通信方式。

周黄山、张郑祎[1](2019)采用微功率无线技术，对多表合一信息采集系统进行理论研究设计，为国家电网推进水、电、气、热多表合一信息采集系统提供理论支持；赵庆文[2](2015)运用SE微功率无线模块与自动化技术，设计了一款运用于箱式变电站温度监测的无线温度监测器，解决人工抄表工作，提高设备利用率，满足实时查询需求；常燕(2013)、王健(2014)[3-4]基于微功率无线组网技术提出了一种安装便捷、维护简单、运行稳定、成本低廉的配电线路故障定位系统。基于全网感知技术应用于电网系统的，国内学者研究甚少。李宇婷等[5](2016)采用全网感知技术、增加研判样本数量等途径，有效解决了现有故障研判技术质量不稳定、误判现象严重等问题。

综上所述，本文采用微功率无线通信方式，利用MESH全网感知技术，设计搭建性能稳定、覆盖全网的用电故障监测系统，并针对计量中心电网系统进行测试。

2 微功率无线MESH全网感知理论简介

2.1 微功率无线MESH全网感知

微功率无线MESH全网感知是基于微功率无线互联互通协议构建的MESH网络，利用在网节点进行转发感知功能的帧，将节点自身在网状态添加到网节点序列中。同时，将感知帧在规定的时隙内进行广播转发，使整个网络的在网结点都被感知到，进而完成对整个网路的实时监控。全网感知功能的实现主要依赖系统主站、集中器和互通网络等环节。全网感知功能通过对1 376.1、1 376.2微功率无线互联互通协议进行增补，进而达到控制全网感知执行状态和获取全网感知结果信息的目的。简要分布如图1所示。

图1 微功率无线MESH全网感知简要分布图

全网感知网络识别过程是一个封闭式的任务，整个过程由上行广播和下行广播两大过程组成，下行广播又分为主节点时隙、下行正常时隙和竞争时隙三个小过程，上行广播则只包括上行正常时隙过程。每个时隙150 ms，总时隙由主节点根据实际在网节点个数决定。时隙组成图如图2所示。

图2 全网感知网络时隙组成图

全网感知时隙分布需要遵循如下设计标准：(1)为了保证全网感知时序正确，各节点必须严格按照在自己的时隙发射的原则，超过了自己的时隙，必须到指定的竞争时隙进行发射，其余时间不允许发射，避免对其他的节点造成干扰；(2)竞争时隙是N/8取整，最少为1；(3)主节点在前3个时隙发起全网感知帧(时隙分别为0、1、2)，其余的DAU进行识别转发。

全网感知过程的目的是叠加网络中每一节点的状态信息数组，每个模块的时隙在广播帧中都有1 bit与自身时隙相关的位置，通过对这个bit进行置位，表示在网的状态，如表1所示。

2.2 微功率无线停电故障上报

微功率无线停电上报是在原有微功率无线模块的基础上增加超级电容，使模块判断发生停电故障时，可以藉由超级电容供电并通过不受电力线限制的无线信道将停电故障信息上报至终端，并由终端上报至主站系统。无线模块通过多种机制增加停电故障信息上报的成功率，这些机制如下所述。

表1 bit置位状态表

2.2.1 重复上报机制

超级电容在充满电的情况下，可至少完成3次上报，每次上报存在一定上报间隔,如图3所示。

图3 重复上报图示

2.2.2 层次分批携带上报

为了提高同一条路径上故障上报的成功率，在每一次上报周期内根据既定的上报时隙安排和每个上报节点的层级采用由高到低的优先级进行上报，低层级的节点将携带同线路上高层级节点的故障信息一并上报给下一层级节点,如图4所示。

图4 层次分批携带上报图示

2.2.3 周边节点保存上报状态

为了进一步提高上报成功率，发生停电故障节点的邻居节点也同时会记录故障节点的停电故障状态，即便在故障节点上报失败后，也可以充当中继节点将记录的停电故障上报至中心节点,如图5所示。

图5 周边节点保存上报状态图示

3 用电故障监测系统设计

3.1 系统整体构架

基于微功率无线MESH全网感知由主控单元、单相/三相远控卫星单元、单相/三相卫星单元三部分构成。其中主控单元由集中器、路由器、仿真主站三部分组成；远控卫星单元是搭载远程控制功能的单相/三相表卫星单元，可以通过有线(以太网)/无线(WIFI)的形式远程控制电表拉合闸操作，亦可手动控制拉合闸操作。同时安装有时控开关，通过设定可以定时进行拉合闸操作；单相/三相卫星单元未搭载远程控制功能，可以通过安装时控开关定时进行合闸操作,如图6所示。

图6 用电故障监测系统整体设计图

3.2 基础功能设计

3.2.1 硬件环境设计

(1) 设计目标

系统监控的核心功能全部基于微功率无线MESH网络，所以完成网络的搭建是系统设计的首要工作，在完成基本网络搭建的同时，需要布置至少完成2层或3层网络的组网，以便多级微功率无线网络模拟。另外，配备常用的用电采集设备，主要为集中器、单相表、三相表及仿真现场停电故障仿真设备。

(2) 系统柜设计

系统机柜根据功能分为主机柜和可移动表箱两部分：主机柜用于挂载终端、电能表(单相、三相)和仿真设备，组建主MESH网络，实现大批量的仿真控制。可移动表箱用于挂载电能表、三相和仿真设备，用于组建多级网络，实现网络分层。总体硬件布置如图7所示。

图7 总体硬件布置图

(3) 仿真设备设计

仿真设备用于模拟停电故障，仿真设备硬件由可编程时控开关、无线串口服务器和可控断路器组成，根据操作模式分为自动(定时)与遥控两种模式。

自动(定时)模式：自动模式将根据设定好的时间定时进行仿真操作，此模式用于长时间功能稳定性监控，监控期间无需人为手动操作。

遥控模式：通过遥控模式，操作人员可以通过监测主站主动触发停电故障，便于实时观察监控结果和进行功能演示。仿真设备硬件结构设计如图8所示。

图8 仿真设备设计图

3.2.2 系统软件环境设计

(1) 功能目标

系统软件需达成以下基础功能和扩展功能目标。

基础功能：用电采集主站基础功能，如档案管理、数据召测、数据报表、故障记录。

扩展功能：用于仿真设备控制、设备状态监控。

(2) 主站系统架构

主站软件系统采用B/S架构，其主要由4层组成，它们分为别用户层、应用层、数据层和链路层。每层功能分工如图9所示。

图9 主站系统设计图

(4) 主站功能

主站功能设计如表2所示。

表2 主站功能表

(5) 数据采集规则设计

数据采集规则如表3—表5所示。

表3 数据采集规则

4 系统测试

系统设计后，需根据计量中心电网系统对系统功能进行有效、实用性测试，包括基础功能测试和监控功能测试，监控功能指停电故障上报与全网感知功能。测试结果显示：基于微功率无线MESH全网感知系统各项功能均达到设计要求，实现对下行模块状态进行准确、实时监控。同时，针对停电故障实现快速响应。测试结果如表4、表5所示。

表4 基础功能测试结果表

表5 监控功能测试结果表

5 总结

本系统停电上报响应时间为从触发停电操作(拉/合闸)到前台提示停电事件在10秒内完成；全网感知数据更新频率需至少5分钟更新一次；仿真主站页面响应时间，非报表页面2秒内打开，报表类页面3秒内打开。有效解决了用电信息采集过程中下行模块在线率和电表停电故障问题。

系统应用于计量中心电网系统，能大大降低成本，同时，使用户可以直观地看到微功率无线MESH网络全网感知功能和停电故障上报功能的运行效果，提升了数据采集的质量和效率。