基于低压计量装置快速定位及拓扑关系的研究

朱迎春 高伟 洪一姗 李天柱 王亚晖 李志伟 左勇

摘要：低压配电网位于电网结构末端，连接众多用电负荷与电网，是输电和用电之间的重要环节，对保证用电质量、用电安全起着至关重要的作用。正是由于低压配电网设备数量巨大、点多面广、结构分散、型号不统一，对低压配电网的监测与管理造成较多困难，严重影响电网的运维效率和服务质量。近年来，国家电网公司在产品标准化方面做出了积极措施，显著提升了电网的开放性、统一性。其中，低压配电网的拓扑关系是电网数据的关键组成部分，对电网的线损分析、故障诊断等应用都有关键的作用。但拓扑信息主要依赖设计资料及人工录入，一旦电网结构发生变化，更新不及时，就会导致电网拓扑信息的滞后。目前，国内外已有对低压配电网拓扑分析的技术研究，比如通过终端感知设备、检测设备等辅助设备进行信号监测，在通过对信号序列的变换分析，实现拓扑结构的映射。上述方法不仅对信号的采集和分析有着较高的要求，更增加了低压配电网用户各负荷节点的辅助设备，增加投资费用，不利于大规模应用和管理。本文提出一种低压计量装置快速定位及拓扑关系的研究技术及相关装置。本装置安装在表箱内，依靠高速电力线载波（highspeedpowerlinecarrier，HPLC），采集电压信息，根据同一个表箱内电压特征趋近一致的现象，通过智能融合终端内APP算法计算任意2个智能电表的相关性，判断下级智能电表的定位，再根据各分支的计量数据，自动生成台区拓扑。

关键词：低压计量装置;快速定位;拓扑关系;研究

1、HPLC概述

HPLC技术是一种高速电力线通信技术，电力线通信技术是指利用电力线作为通信介质进行数据传输的一种通信技术。由于电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒体，利用电力线传输数据信息，具有极大的便捷性，无需重新布线，即可将所有与电力线相连接的电器组成一个通信网络，进行信息交互和通信。这种方式实施简单，维护方便，可以有效降低运营成本、减少构建新的通信网络的支出，因而已成为智能电网、能源管理、智慧家庭、光伏发电、电动汽车充电等应用的主要通信手段。

电力线通信按工作频带可分为窄带低速电力线通信、窄带高速电力线通信、和宽带高速电力线通信，窄带电力线通信可使用的频率范围为3kHz至500kHz，由于带宽相对较窄，只能提供较低传输速率的通信服务，且抗干扰能力较弱，一次抄表成功率很难突破90%以上。面向电力抄表的宽带高速电力线通信工作频率范围包含2.4MHz～5.6MHz、2MHz～12MHz、0.7MHz～3MHz、1.7MHz～3MHz，具有相對较宽的带宽，能够提供数百kbps至几Mbps的数据传输速率，且电力线在高频段的噪声相对较弱，相对于窄带电力线通信，通信可靠性和稳定性显著提升。

2、拓扑识别技术概述

随着电网的不断扩大，电网结构逐渐复杂。由于用户数量众多，负荷类型多变，各台区的拓扑结构各不相同，用电特性也不尽相同。但由于各负荷对时间序列的特征均可呈现出规律性，因此，不同用户具有其用电特征。通过采集某一时间段内某一用户的用电数据，可分析得出该用户的用电特征。本文中，装置支持HPLC主节点设备通过DL/T698.45-2017通信协议对设备进行数据查询和参数设置，支持监测DL/T645-2007和DL/T698.45-2017通信协议的HPLC从节点设备的通信报文。装置将自动监测HPLC台区中所有设备之间的通信报文，收集HPLC从节点的地址信息，包含但不限于低压表计、低压表箱等，自动生成设备地址、位置信息、状态信息。通过大数据筛查，剔除其他台区串扰数据等无关报文，建立本台区节点档案表格。所形成的档案供HPLC主节点设备查询。主节点对从节点电压、功率等数据进行分析，并对比该节点用户特征曲线，综合各类特征信息，可判断多个从节点是否属于同一表箱。同时，结合定位系统，可得出该表箱的地理位置，从而确定其拓扑结构。

3、系统功能设计

3.1定位功能

通过北斗/GPS模组自动获取实时的时间、经度、纬度等时间及定位状态信息;GPS和北斗自动切换。

3.2自组网功能

自动进行自检，自动识别HPLC网络中所有节点信息，不影响现有HPLC网络通信功能;

4、系统硬件设计

MCU模块主要实现对抄控器、STA模块以及北斗/GPS定位模块的管理，实现对抄控器所监测的信息的解析与存储，以及协议的解析及组包。

北斗/GPS定位模块获取该表箱的地理位置，其信息数据通过STA模块

传至集中器端。

抄控模块主要监测该表箱线路上所有的通讯报文，并传递该通讯报文给MCU端进行解析以及存储，从而供集中器抄读。

STA模块主要用于注册至集中器的CCO中，架起集中器和表箱检测单元沟通的桥梁，实现该表箱的线路所有的表地址以及定位位置的抄读。

5、技术指标

本装置使用HPLC通讯，应具有网络配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等网络管理功能。HPLC工作频率基本频带为0.7MHz～12MHz，可支持分段使用。发送功率频谱密度在工作频带内不大于-45dBm/Hz，工作频带外不大于-75dBm/Hz。

HPLC静态功耗不大于1W，动态功耗不大于6W。在隔离电源、屏蔽环境、无竞争场景、主从节点1：1配比，测试包长为512（1024）字节时，通信速率应不小于1Mbps。在隔离电源、屏蔽空间环境，主从配比1：1情况下，业务帧长不小于1k字节下的载波报文发送端发送时刻与接收端接收时刻的上下行时延，测试时间20s，网络平均时延应小于30ms。在交流电网环境，兼容智能电表通信口时延。在隔离电源、屏蔽空间环境，主从节点1：1配比下，测试包大小不小于1k字节，90%吞吐量，2小时测试时间的情况下，上、下行丢帧率应小于1%。在隔离电源、屏蔽环境、误包率小于10%（业务报文包长<100字节）、带内发射功率谱密度为-45dBm/Hz的条件下，其抗衰减性能应不小于85dB。

本装置使用北斗/GPS双模卫星定位系统，北斗为国产芯片，且可独立工作。定位精度应满足水平误差不大于10m，高程误差不大于15m。首次定位时间不超过5s。在GPS/北斗信号接收强度-130dBm情况下，从系统加电运行到实现定位的时间不超过60s，冷启动不低于-140dBm。通道数不小于12个。

6、结束语

智能表箱监测设备是一款具有HPLC通信、北斗/GPS定位以及监测和记录HPLC台区下所有设备的地址信息，并支持查询所有监测到的设备的位置信息的设备，通过在表箱端安装表箱监测设备实现台区所有设备实时定位、台区系统的户变关系及拓扑识别。不但有助于现场人员快速准确的开展客户业务，也可辅助主动抢修等业务开展。

本论文出自基于低压计量装置快速定位及拓扑关系模块研究项目参考文献：[1]基于配电物联网技术的台区拓扑自动生成方法研究_鲍音夫[2]基于智能电表数据的供电网络拓扑识别方法研究-张丽强[3]低压电网拓扑实时生成平台产品化研究-方鹏

[4]基于HPLC通信模块的智能电表改进分析-徐文涛[5]基于动态规划的配电台区三相负荷不平衡治理方法_唐冬来[6]基于数据挖掘的户变拓扑关系辨识算法研究-谷海彤[7]台区拓扑结构自动绘制方法研究-张玮[8]小波变换在供电网络拓扑辨识波形特征提取中的应用-陈霄[9]智能电表自动化检定系统设计及应用分析-李青