HPLC高频数据应用及测试方案

洪晶晶许崇杰

（1.国网浙江电力有限公司台州供电公司，浙江 台州 318001；2.华立科技股份有限公司，浙江 杭州 310023）

0 前言

近年来，随着我国用电信息采集系统低压远程抄表的日益推进，低压集抄已经顺利完成了全覆盖的计划且自动抄表电量覆盖率也已达到99.9%以上。同时低压集抄中最重要的载波技术也在飞速发展，电力线通信频率范围从3kHz ～500kHz的窄带载波向2.4MHz ～5.6MHz、2.0MHz ～12.0MHz、0.7MHz～3.0MHz以及1.7MHz～33.0MHz的宽带载波迈进，数据传输速率可以达到数百千比特率（kbps）至几兆比特每秒（Mbps）。且电力线在高频段的噪声相对较弱，与低频段相比，其通信的可靠性和稳定性显著提升。

目前，我国低压集抄技术以及基础建设应对当下自动抄表电量的需求已呈现出冗余的情况。因此，为了能充分利用已有设备资源，实现最终经济效益和服务效益的最大化，迫切需要加大数据采集频次，利用高频数据对业务进行深加工，扩大应用场景，为下一步现货交易推向居民侧及居民需求侧响应进行技术层面的试点及可行性分析。

1 HPLC的高级应用

国家电网公司用电信息系统整体架构如图1所示，分为主站系统、通信信道以及现场设备3个部分。目前主要采用的通信技术包括4G、470 MHz、230 MHz专线、HPLC以及RS485等，其中应用最广泛的是电表与采集设备之间通过HPLC方式进行通信。全国各地陆续开展了一些载波技术高级应用的研究，可实现模块互联互通、高频数据采集、停电主动上报、相位拓扑识别、台区自动识别以及查窃分析等功能，下文介绍几种较为成熟的载波高级应用。

1.1 通信模块互联互通

与PLC相比，HPLC除了可以提升通信速率以外，还可以实现不同供应商间模块的互联互通，不影响上一层的数据应用业务，从而解决了实际使用过程中的设备统一调配、统一维护的问题[1]。根据国网电子商务平台的公开信息进行统计，结果见表1。通过图2可以看出，目前国内HPLC供应商整体数量偏多，对供应商的管理上存在一定困难。随着整体行业厂商份额集中度不断提升，后续因业务需要极有可能会逐步减少供应商数量，为基层一线实际使用带来方便，提升供应商的服务综合水平。

表1 HPLC方案商名单

图 1 用电信息采集系统

1.2 台区负荷数据监测

HPLC数据采集在保证原来1 d/次的日冻结数据采集及每台区不超过20只重点用户小时电压电流数据的抄到率基础上，将采集频率提升到1次/h、1次/15 min，甚至1次/1min。同时利用高频数据采集的特点，可以对台区下每只电表的电能数据进行分析[2]。

通过对台区下所有电表的电压、火线电流以及零线电流的高频采集进行电压比对和电流比对，从而来判断电表是否出现采样通道故障、电压基准故障、主CPU与计量芯片通信故障等问题：1）如果电压采样通道发生故障，则电压测量值也会出现异常，可通过电压比对发现异常。2）如果某一路电流采样通道发生故障，则零火线电流测量值会不一致，可通过电流比对发现异常。3）如果2路电流采样通道都发生故障，2路电流的误差一般也不会完全一致，可通过电流比对发现异常。4）如果计量芯片基准电压发生故障，则电压、电流测量值都会出现偏差，可通过电压比对发现异常。5）如果主CPU与计量芯片通信发生故障，那么电能表会通过事件记录、输出特征电压以及应答否认等方式进行提示，通过采样电表的事件以及采样的成功率可以发现异常。

1.3 用电异常数据监测

定时抄读台区下所有电表的上10次停电次数以及停电记录，通过边缘计算App统计所有电表的停电次数，挑选出停电次数异于台区内其他电表的电表进行进一步分析。抄读停电次数异常电表的停电记录，计算出停电时长T。如果停电时长T大于阈值Y，则认为是有效停电时间，对这些电表的有效停电时长T进行横向对比，如果有电表的停电时长T有效且与其他电表不存在停电时长相近的关系，则判断为用电异常或有窃电行为。

智能电能表、II型采集器上的HPLC模块作为通信子节点，均配置了超级电容，可实现低压户表停电的功能。当电压回路发生掉电时，HPLC模块上管脚电平拉高，并在规定时间内将停电事件信息实时上报至主节点。主节点一般指集中器，由集中器再上报至计量自动化主站，主站根据上报的内容进行研判，与相邻的子节点、主节点进行比较，确定是有效停电还是无效停电，及时准确定位故障类型和故障位置，并通过95598系统和相关台区管理员在客户反馈停电信息之前实现主动服务，排除相关故障。由被动抢修向主动抢修转变，提高停电故障维修的准确性、及时性，提升客户服务保障能力。经过现场实测，HPLC方案停电事件主动上报平均时长为35 s，上报准确率达到99.99%以上。

针对用电异常可能存在的问题对现有698协议进行扩展，见表2。部分告警事件由集中器完成本地边缘计算后产生告警事件，不仅可以减少主站大量数据研判的工作量，而且还可以提高故障处理的有效率。扩展事件内容如下。

表2 扩展告警事件

1.4 档案同步流程

通过定时（默认每日20：00）自动启动自动搜表，电能表及采集器等相关信息通过载波通道注册到集中器模块上。此时，终端会启动测量点信息与路由搜索到的电能表信息进行档案同步比对的工作，对终端内不存在测量点的地址进行存储，同时启动告警上报至计量自动化系统。计量自动化系统也会主动召测集中器内计量点信息与营销系统原始档案进行比对，如果差异过大，就需要人工核实是否存在现场重新划分台区或现场批量轮换导致信息未及时更新的问题，如图2所示[3]。

图2 集中器自动搜表流程

1.5 台区电能表相位拓扑识别

技术原理：载波模块具备采集过零NTB信息的功能，主节点模块定时采集从节点模块的过零NTB信息，从而与自身的过零NTB信息进行比对，生成从节点的相位信息和零火线接线状态，并存储在本地。

图3 测试系统硬件框图

通过HPLC通信模块内置的过零检测点路，在正常搜表、定时抄表的过程中可实现电能表、采集器相位的智能识别功能，集中器模块内会产生电能表的相位信息，主站可通过配置定时任务的方式进行主动上报和定时更新。

通过载波技术的相位拓扑可以判断 A、B和C 三相相位及线路拓扑关系，有助于提升治理配网三相不平衡及线损分相的水平。能自动识别接线是否存在错误，消除安全隐患，降低安全风险，从而提高供电营销系统信息化、精益化管理水平。

1.6 台区户变关系自动识别

台区户变关系是保证台区线损计算正确的关键要素之一，目前比较可行的是采用HPLC模块自动识别法、停电研判法、大数据分析法及注入小电流信号法等方法。

1.6.1 HPLC自动识别法

HPLC自动识别法主要利用不同台区、不同负荷导致的工频周期差异，通过比对全网络中节点的工频周期等数据，准确判断电能表的供电台区。采用的算法由通信模块提供，主站采取定期（默认1h）轮询的方式进行信息更新。

优点：成本低，无须更换任何设备。

缺点：识别时效性不高，识别准确率不到60%。

1.6.2 停电研判法

停电研判法通过主动停电法和被动停电法来判断是否存在跨台区现象。通过收集电能表停电上报记录来进行研判。

优点：方法简单、有效。

缺点：影响客户的用电体验。

1.6.3 大数据分析法

通过大数据进行跟踪、分析，主站下发任务，由集中器不停地主动去轮询验证户变关系路径。

优点：对现场影响较小。

缺点：运算量极大，识别率大约为75%。

1.6.4 注入小电流法

注入小电流法通过HPLC模块外置搭建电流发送接收装置，并注入微电流信号以实现信号传输的功能。

优点：识别准确率高，可达到99%以上。

缺点：需要更换现有HPLC模块，会产生一定替换成本，目前售价偏高，整体性价比不高。

2 测试方案

从上述的几个应用项目可以看出，载波的高级应用主要使用载波的高频采集技术、相位识别技术以及自动搜表技术。因此针对以上3个技术设计以下3个测试方案。

2.1 边界测试

通过测试得出载波的最大带载能力以及载波抄表速率，以判断评估该载波方案是否可以支撑高级应用项目中高频采集数据的时效性和完整性。

2.1.1 正常情况下载波的极限最大带载能力

式中：Tn为统计下挂表数抄表所需要时间的平均值的和；n为统计的总次数。

2.1.2 载波信号异常状态下极限带载能力

在2.1.1的测试模型上增加强电隔离衰减器，通过设置衰减值改变电表的组网情况。测试不同个数电表接入的测试场景下的抄表成功率。

测试目的：测试在衰减环境下的最大可接入表数量。

测试点：根据不同的台区环境，对城区、农村以及城乡结合部3种典型环境下的线路衰减幅值进行模拟，通过不同个数电表接入的测试场景，测试不同的抄表成功率。测试内容的第一步～第七步同2.1.1。接下来，将不同衰减下的抄表成功率进行比较，从而判定现场台区理论最大可接入电能表的数量。

2.1.3 正常情况下载波抄表速率

测试目的：测试载波通信所需要的时间。

测试点：通过交互不同长度的报文，测试载波的通信时间。

测试内容：1）控制测试装置上电。2）将被测终端接入测试网络内。3）统计10万条20 B报文成功通信的时间，通过计算得出平均1条报文通信所需要的时间。4）统计10万条50 B报文成功通信的时间，通过计算得出平均1条报文通信所需要的时间。5）统计10万条255 B报文成功通信的时间，通过计算得出平均1条报文通信所需要的时间。

说明： 第三步是模拟抄读正常数据所需要的时间。第四步是模拟抄读停电记录、负荷记录等特定项目需要的大数据所需要的时间。第五步是模拟载波文件传输（远程程序升级）所需要的时间。

2.1.4.载波信号异常状态下载波抄表速率

在2.1.3的测试模型上增加强电隔离衰减器并对其进行测试。测试目的：测试在衰减环境下载波通信所需要的时间。测试点：根据不同的台区环境，对城区、农村以及城乡结合部3种典型环境下的线路衰减幅值进行模拟测试。

测试内容：1）第一步～第五步同2.1.3。2）将不同衰减下的抄表成功率进行比较，从而判定现场台区理论最大支持抄表数量、高频数据采集的数据内容以及有效程序升级数。

2.2 相位拓扑识别测试

搭建一个测试环境，分别在A、B和C相接入不同数量的电表。通过载波的相位识别功能采集各个电表的相位信息。

测试目的：验证载波相位识别技术的准确性。

测试点：通过模拟现场的干扰环境、调整电压的环境等手段来测试不同情况下载波的相位识别能力。

测试内容：1）控制测试装置上电。2）将被测终端接入测试网络内。3）将终端采集回来的电表相位与实际电表相位进行比对，计算得出一个准确率。4）调节A、B和C电压的大小以及相位角度的变化。5）将终端采集回来的电表相位与实际电表相位进行比对，计算得出一个准确率。6）在通信链路中加入强电隔离衰减器，设置不同的隔离衰减值，便于拓扑结构区分出各个层级，以便于验证中继相关功能，中继级别不少于3级（路由模块为0级）。7）将终端采集回来的电表相位与实际电表相位进行比对，计算得出一个准确率。

2.3 搜表功能测试

通过载波的搜表功能，将终端统计搜表情况与实际电表进行比对。

测试目的：验证载波的搜表技术的完整性和准确性。

测试点：通过模拟现场的干扰环境以及增加一些非台区的电表等手段来测试不同情况下载波的搜表能力。

测试内容：1）控制测试装置上电。2）将被测终端接入测试网络。3）将终端得到的搜表电表信息与实际电表进行比对，计算得出一个搜表准确率。4）在通信链路中加入强电隔离衰减器，设置不同的隔离衰减值，增加个别电表的中继等级。5）将终端采集回来的电表相位与实际电表相位进行比对，计算得出一个搜表准确率。6）给非本台区电表上电，查看是否会被载波误报。7）将终端采集回来的电表相位与实际电表相位进行比对，计算得出一个搜表准确率。

3 结语

综上所述 ，HPLC技术能够提高抄表效率，可在一定程度上提升目前非抄表外业务的支撑能力。随着电网营配融合程度的提升以及精品台区试点建设的有效推进，一方面需要提升HPLC的抄表业务方案的设计水平，增加抄表数据内容项，另一方面要利用数据分析处理能力为具体业务提供更加有效的支撑，满足台区精细化管理、数字化要求以及智能化水平的要求，保证低压配电网安全、稳定运行的水平，极大地满足用电信息采集系统建设的需求，实现更多、更好地为客户服务的电网宗旨。