新型配电网台区户变关系检测方案研究

郁志良，刘 飞，周冰成，张欢欢，潘 达，常雪莲

(1.国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201400;2.上海欧忆能源科技有限公司，上海 200040)

在智能电网的架构中，配电网占据着非常重要的一环。配电网作为电力系统中用户与电网的接口，拥有着庞大且复杂的架构，在未来的智能电网建设中，配电网管理在整个电网的管理中将扮演着重要的角色。在同一配电网中，包含着若干台区，电网的智能化管理正是需要从台区着手，进而完善整个配电网的管理工作。未来配电网管理的趋势将从传统的粗放式管理逐步向现代的精细化管理转型，而精细化管理的实现需要对台区结构即台区的户变关系有准确的把握。

1 传统户变关系检测方案

为了实现对配电网的精细化管理，需要对台区的结构进行识别，即找出低压配电变压器与用户之间的匹配关系，并在电力公司内进行用户资料归档，便于后期管理。在图1中给出了台区的户变关系检测过程的示意图，即通过有效的手段，将每个用户和其连接的台区变压器一一对应起来，从而为后期精确的线损计算，负荷预测及配电网结构优化提供可靠的资料。

图1 台区户变关系检测过程

该方案中，电力工作人员需要对台区变压器下的线路进行观察，并对线路走向进行记录，从而人为地判断台区内的户变连接关系。然而由于配电网下结构复杂，且早期很多线路连接不规范，有些台区下线路错综复杂甚至肉眼难以识别。在这种情况下，需要进行“拉闸验电”的操作，这将严重影响用户的用电体验，在今天严格的用电管理要求下是更加不可取的[4]。后期，电力线载波技术逐渐成熟并被运用到户变关系的检测中来。电力线载波技术以电力线作为传输通道，在台区变压器侧和用户侧安装调制解调设备，通过将台区信息调制成高频信号后利用电力线进行传输[5]。该方案将信息调制成高频信号进行传输，而实际操作中高频信号很容易在电力线之间和电缆沟之间发生耦合现象，即高频信号耦合到其他线路，造成用户侧的误读。此外，高频信号可以穿越变压器进入其他台区，造成跨台区的误读现象。为了提高识别率，脉冲电流技术被引入进来和电力线载波技术协同工作。脉冲电流技术通过一个脉冲变压器向电力线上注入一个脉冲电流，工作人员在另一侧进行检测，从而提高识别率。但是脉冲电流技术不仅存在安全隐患，且仍然需要人力的参与，不符合智能电网系统自动化的未来愿景。

2 新型户变关系检测方案

2.1 新型方案技术背景

在传统的户变关系检测方案中，人为排查耗费大量人力，易出错;电力线载波方案需要在变压器侧和用户侧同时添加额外设备，大量额外设备的引入既不经济也会影响电网的稳定性，且高频载波的耦合问题会影响识别的准确度;脉冲电流存在安全隐患，且需要人力的参与。为了保证电网运行的稳定性和电网建设的经济性，需要减少额外设备的引入，而为了提高识别的准确度和电网的智能化，需要减少人力的参与，实现配电网台区户变关系检测的自动化。

目前国内的电力系统中，一方面集中抄表系统已经在许多城市普及开来，另一方面智能电能表的量测功能和通信功能日臻完善，因此集抄系统与智能电能表是一个“天然”的信号接收器，如果可以将智能电能表的量测对象作为调制目标，则可以仅在台区变压器侧加入调制设备，大大提高了经济性。另一方面，集抄系统可以自动将台区下电能表的数据获取并存储在配电网下的数据库内，提供历史数据的查询功能，其系统架构如图2所示。用户的电能表会由一个本地的收集器进行数据的收集，该收集器会将数据上报给配电网内的集中器，而集中器会最终将数据存储在电力公司内的数据库内。因此，在电网公司内可以从数据库中导出历史数据并根据前期约定好的调制规则和编码规则对历史数据进行解调和解码操作，进而提取出台区变压器侧发送的台区识别信息，自动完成用户电能表与台区变压器的匹配工作，而不需要电力工作人员的现场作业，节省了人力成本。

图2 集抄系统架构

2.2 新型方案架构设计

智能电能表可以量测的信号有很多，我们需要根据电网运行特性和技术实现的难易程度选出合适的调制目标。一种简单的方案是向系统内部注入电压或电流的高频谐波，在电能表侧对电压或电流的THD值进行收集分析。电力系统由于比较庞杂，存在着多种干扰，若注入的谐波太小会导致无法准确观测，若注入的幅值太大则可能造成对电能质量的污染如图3所示。

图3 谐波注入方案

电流由于变化较大且不规律，因此不适合作为载波。在电力系统中，电网电压的有效值被控制在一个极小的范围内变动，且短时间内一般比较稳定，因此适合作为文中所提出方案的信号载波。无功功率注入可以实现对电压的调整，但是容易对系统造成影响，因此，提出基于电力电子技术的信号调制设备，可以在台区变压器侧通过直接调整电压有效值实现信号的调制发送。

为了通过改变电压有效值来发送信号，需要在电网内注入一个和原始电网电压频率相位相同但幅值不等的小电压，从而实现对电网电压有效值的微调，在任意瞬时时刻，总的电压需要满足:

式中:u o(t)为原始电网电压;u s(t)为注入的信号电压;u min和u max分别为国标允许的电网电压的瞬时值下限和上限。

在用户侧，智能电能表会实时地对电压的有效值进行测量，但是集抄系统每经过一个固定的时间段才会对数据进行一次记录，通常是每15 min对电能表的数据在后台进行一次记录。因此需要引入一个时间窗口的概念，时间窗口的函数表达式定义如下:

式中:t recor d为集抄系统记录数据的时刻;T w为时间窗口的长度。

由于集抄系统和调制设备可能存在着时间同步上的偏差，因此需要动态的去调整时间窗口的长度，从而保证在数据记录时刻能够发送对电压有效值进行调整，从而发送出信息。在数据中心，通过对用户数据进行分析，可以找出电压有效值的变动点，提取出信号电压的特征波形，与调制设备预设的发送信息进行比对，从而得到户变关系检测的结果。

3 信号调制设备设计

3.1 拓扑设计

根据方案设计，在用户侧利用智能电能表和集抄系统作为数据接收侧，不需要添加额外的设备。因此，在提出的以电压有效值作为载波的方案中，需要在台区变压器侧加入一个可以根据指令在时间窗口内对电力线上的电压有效值进行调整，从而发送信号的设备。对于用户侧记录的电压有效值，可以表示为:

可以看到，经过调制后的电压信号可以作为原始电压有效值和信号电压有效值的叠加，因此调制设备实际上起到了变压器分接头的作用。传统的变压器分接头稳定性差，操作困难，且无法通过移动端设备对所需要发送的信号进行自动调节。电力电子技术具有稳定性高，功率密度大以及自动化的特点，且通过在电力电子设备上加装网络模块，可以在远端通过终端对所需要发送的信息进行预设，符合智能电网发展趋势。本方案使用的调制设备拓扑结构如图4所示，调制设备被安装在台区变压器的低压侧上，由旁路开关和一组反并联的二极管组成。

图4 调制设备拓扑结构

旁路开关具体实现时可以用MOSFET实现，当它闭合导通时，未经调制的电压将直接输送到输出端;当旁路开关断开时，电压将经过一组反并联二极管，从而在交流电压的两个方向上引入一个固定的电压降，进而降低电压的有效值。通过增加每一条支路上二极管的数量可以增加电压有效值的变化量。如此一来，可以将旁路开关闭合时的电压有效值定义为“1”，而引入电压降后的电压有效值定义为“0”，这就构成了最大简单的二进制编码方案，更复杂的编码方案可以被用来提高编码方案的抗扰性。曼彻斯特编码利用跳变作为编码策略，该方案中将从正常电压跳变到降低后的电压看作“0”，从降低后的电压跳到正常电压看作“1”。

3.2 实验验证

在实验室利用智能电能表对电压有效值进行测量，并利用一个控制板模拟集抄系统进行数据记录与存储，记录时间与集抄系统一致，每15 min一次。板上数据可以通过以太网导出到电脑上进行历史数据解析。实验过程中智能电能表用于测量电压有效值并和控制板通过RS485进行通信。调制设备上的控制板可以和上位机通信，从而设置调制信号。为了提高识别度但又不对原始电压造成太大影响，每条支路上使用了两个二极管，此时压降在2 V左右。

图5(a)给出了实验室记录的未经调制的电压信号，记录时长为5 d。图5(b)给出了加入调制信号后的电压波形，在实验中利用交替信号进行测试，即交替发送高低电平。 可以明显看出，加入信号后记录的电压波形明显产生了变化，相当于原始信号上叠加了一个微弱的高频扰动。从对两组波形进行数字滤波处理的结果可以看出，原始电压由于变化缓慢，经过高通滤波后基本都被滤除，而叠加的识别信号可以被还原出来，用于辨识。

图5 实验波形

4 结束语

以电压有效值作为载波的新型户变关系检测方案，用户侧以现有的智能电能表和集抄系统架构作为数据接收端，不添加额外设备，在台区变压器下仅添加一台基于电力电子技术的信号调制设备。给出的整套方案的实施细节，提出的与集抄系统匹配的时间窗口调制技术，进行实验验证，证明这套调制设备和检测方案的有效性。