基于能源控制器的低压配网台区拓扑识别技术研究

于振超 朱德良 苗兴 张珊珊 张硕

摘  要：随着泛在电力物联网战略的有序推进，能源控制器能够实现台区的物联管理和智能感知，是电力物联网建设的重要组成部分。台区拓扑识别是基于工频畸变和特征电流的技术，结合宽带载波通信即可实现自动绘制出各级分支、表箱、电表的供电关系图，从而识别出该台区下有多少个设备节点以及各设备节点的上级供电节点。再通过理论数据的支撑和实验模拟环境论证进一步证明该种方案现场运行的可行性，并做出复杂环境兼容性优化。

关键词：泛在电力物联网;能源控制器;台区拓扑识别;工频畸变;特征电流

中图分类号：TM933.4;TN929.5    文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0159-04

Research on Topology Recognition Technology of Low Voltage Distribution Network Station Area Based on Energy Controller

YU Zhenchao， ZHU Deliang， MIAO Xing， ZHANG Shanshan， ZHANG Shuo

（CET Shandong Electronics Co.， Ltd.， Jinan  250101， China）

Abstract： With the orderly advancement of the ubiquitous power internet of things strategy， the energy controller can realize the internet of things management and intelligent perception in the station area， which is an important part of the construction of the power internet of things. Station area topology identification is a technology based on power frequency distortion and characteristic current， combined with broadband carrier communication， it can automatically draw the power supply relationship diagrams of branches， meter boxes， and meters at all levels， so as to identify the number of equipment nodes under the station area and the superior power supply node of each device node. The support of theoretical data and the demonstration of the experimental simulation environment further prove the feasibility of the on-site operation of this kind of scheme， and make the optimization of the compatibility of the complex environment.

Keywords： ubiquitous power internet of things; energy controller; station area topology identification; power frequency distortion; characteristic current

0  引  言

隨着国家电网公司加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的目标引导下，正在加大“云、管、边、端”设备从上到下的部署新产品的研发工作。能源控制器集配电台区供用电信息采集、电能表或采集终端数据收集、设备状态监测及通讯组网、就地化分析决策、协同计算等功能于一体的智能化终端设备，硬件采用平台化设计，支持边缘计算框架，软件上采用容器化设计，硬件与软件实现了最大限度地解耦，能够以软件定义的方式实现功能灵活扩展。基于能源控制器与端设备通过宽带载波进行通信，结合能源控制器自带工频畸变特征电流技术可以实现整个低压配电台区的拓扑识别功能。

能源控制器是台区拓扑识别系统中的关键核心设备，其既需要与主站系统进行交互，获取主站下发的拓扑识别特征参数及拓扑识别启动命令、响应主站召测终端的拓扑识别结果;还需要下行控制档案设备发送特征信号，读取识别设备的识别结果等功能。此外，终端自身还需要具有信号识别功能和精准对时功能。

1  研发背景

通常在低压配电台区中电压器侧的终端CCO模块与末端设备（电表、量测开关、智能表箱等）STA之间只是单纯的高速宽带电力线载波通信（HPLC），如果需要在能源控制器侧J仅通过HPLC来实现户边识别和分支识别进而形成低压拓扑是比较困难的。而且一个小区会有多台变压器供电，HPLC的通信技术，由于使用的通信频段较高0.7 MHz-12 MHz，在共高压、共电缆沟、共零线的情况下，非常容易跨变压器串扰，实际应用中，通常一个小区只要安装1台集中器，就可以和小区下所有HPLC节点通信，有时甚至会跨小区串扰。通过HPLC自身技术实现的台区识别功能，在上述环境下，识别效果并不是很理想，存在识别时间长（几小时甚至几天），准确率差（各芯片厂家HPLC混装后，准确率更差），识别结果长时间不能稳定下来。

如果能有一种技术，提前将CCO的主节点地址通过电力线进行广播，而且只有当前台区下的所有STA能收到，则每个STA就可以有目的的入各自的CCO，从而解决户变识别的问题。所以需要寻找一种识别速度快、准确率100%，而且性价比高的技术，来解决户变识别，满足户变识别的技术，必须满足以下两个条件：（1）识别信号不允许跨台区;（2）识别信号在台区内无死角，可直达任何节点。

2  方案设计

2.1  一种基于工频畸变技术的户变识别原理

基于HPLC技术的STA模块，均有过零检测电路，假设某相电压波形的周期为T，前后周期做差为deltaT。当有工频畸变信号发生时，deltaT会变化，通过检测deltaT的峰值，就可以获取到相应的信号。如果把CCO的主节点地址按照某种规则调制成畸变信号，则STA按相同的规则，是可以解调出主节点地址的，从而提前知道自己应该入哪个CCO，所以实现了快速台区识别。如图1所示。

安装在0.4 kV变压器二次侧的工频畸变发射装置，如图1（b）所示：在过零点前30度打开可控硅。在打开可控硅后会在过零点有ic产生，从而在过零点产生V（t），从而让过零的周期发生变化。

某相电压工频周期发生变化，会引起整个台区下该相电压的工频周期均在同一时刻发生变化，确保该台区下所有STA节点均可以检测到该信号。

工频畸变发射虽然可以引起当前变压器下电压频率发生变化，但没法透过变压器进入10 kv，并传递到另外一个变压器，引起另外一个变压器的电压频率发生变化，所以基于工频畸变技术，可以满足户变识别的两个要求。

2.2  一种特征电流的分支识别技术原理

为保证台区实现完整的拓扑结构，ECU型智能融合终端需具备特征电流识别功能，能源控制器应一直处于采样检测状态，实时采集电力线上的电流信号，解析并识别特征电流信息，若识别到特征电流信号，则将特征电流大小、相位和识别时间保存在终端本地。

计量节点以电阻投切方式在线路零火线之间产生满足一定频域规律的特征电流信号，在有供电关系的线路的上级节点出，进行电流通道高速采样，并进行DFT分析，可以识别下级节点产生的特征信号并记录识别到的特征信号的时间标签，待当前台区下所有归属节点都执行一次特征电流发射后，台区管理终端将所有节点保存的时间戳记录都读走，并对时间戳进行对比分析，从而实现供电关系上下级的识别。

信号发送：开关通断的方式会在线路产生围绕开关频率正负50 Hz偏移的电流信号，以5 000/6=833.3 Hz频率通断开关（1.2 ms为一个周期，通400 us，断800 us），发送电流信号峰值为420 mA（220 V电压下），在电路上会产生频率为783.3 Hz和883.3 Hz的电流信号。通过检测此两点信号的有无，进行识别。具体为16位二进制编码：1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1。其中，码位0时，无特征电流发送，码位1时，有特征电流发送。图2和图3为相应示意图。

单次发送时间为9.6 s，即每位编码发送时间长度为0.6 s。单次发送总体时间偏差±40 ms，每位编码允许发送时间偏差为±15 ms。信号识别：在接收端，对电流取样信号进行AD转换，采用滑动DFT，实时提取线路上的电流信号，计算783 Hz和883 Hz频域分量幅值，用二者的和作为判断标准，进行解码。电流波形解码图，能清晰地看到1010 1010 1110 1001的，也就是0xAAE9，当启动某个节点发射特征电流，只有具有供电关系的所有源节点才能收到特征信号，从而实現了分支识别。

3  实验论证与应用

3.1  实验论证

上文将拓扑识别的技术得到了理论证实，后面需要将能源控制器与端设备以及户表进行模拟，通过大量的实验数据来证实确实能够形成拓扑识别的方案。实验需要能源控制器、分支测开关以及分支测的表箱、电能表，通过模拟现场的安装环境，在能源控制器的CCO与末端的STA完成载波组网后，进行拓扑识别的读取。根据两个分支测的模拟环境进行搭建形成如图4所示的电路架构图。

在公司实验室进行能源控制器与开关和单相表的组合方案的拓扑识别验证，试验结果与实际供电关系完全一致，准确率全部100%。经过组网后能源控制器将通过HPLC下行采集到开关和电表的信息进行了汇总，能源控制器中台区状态管理应用算法，经过算法分析后通过上行模块通信将分支状态和户表状态组帧发送给主站接收软件，主站接收软件将接收到的帧，做解帧处理后显示出该台区的拓扑识别状态，如图5所示。

3.2  应用方案

针对分支箱不装智能断路器的台区，通过现场的简单改造即可实现拓扑功能，主要有以下两种解决方案。

方案1：若所有分支开关均安装智能断路器，表箱内安装量测开关的台区，表箱内量测开关通过485口和电能表进行通信，实现箱表关系识别，则电表内的模块，除升级软件，其他无须改动，既可以实现变压器、分支箱、表箱、户表关系的拓扑识别，确保已招标的模块不浪费。

方案2：量测开关与电能表无485连接，则要求将电能表内的HPLC模块，更换成能接受工频畸变信号，也能发射特征电流的HPLC模块。

4  结  论

经过实验论证和现场应用方案的设计，可以证实利用工频畸变和特征电流的拓扑识别技术在能源控制器应用方面取得了很好的效果。主要有以下优点：

利用工频畸变技术，快速实现户变识别，确保只有物理归属关系的STA才能正确入网到CCO，由于采用广播方式，使得无论多大的台区，识别时间是固定的，每相广播一次一共需要3分钟;由于在对每个节点进行特征电流点名前，已经准确的知道了一共需要点名的节点个数，所以能源控制器自身无须具备特征电流信号接收功能，简化了能源控制器的技术难度，而且克服了纯特征电流技术在一个小区有多个变压器的情况下，不能并行识别的致命缺陷;工频畸变+特征电流相结合的识别技术，识别过程中，无须主站参与分析和控制，每个台区可以独立完成，同一个小区下多个台区可以并发进行，简化了开发用采主站扩展功能的难度，更方便在各省推广应用;已经批量安装在现场的各家HPLC模块，可以通过软件升级的方式实现性能一致的户变识别功能，实现存量台区无须增加投资即解决问题。

虽然工频畸变会对电能质量产生影响，但由于在发射过程中，会引起整个电网电压工频周期的变化，以一个工频周期20 ms来计算，变化量是10～20 us。由于每个畸变脉冲间隔在400 ms以上，一共发射40个脉冲，且一般都是初次安装的时候发射一次，所以虽然有影响，但影响极小。而且畸变电路不工作时，不会污染电能质量，也不会消耗能源控制器电流。

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作者简介：于振超（1992—），男，汉族，山东济南人，工程师，硕士研究生，研究方向：无线通信、嵌入式。