基于电力线载波通信信道阻抗的台区双电源切换感知技术

卢德龙，顾庆伟，徐近龙，张 超，缪继东，王路春，吴 阳

（1.国网江苏省电力有限公司 苏州供电分公司，江苏 苏州 215004；2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084）

0 引言

台区是组成庞大电力网络的亿万个有各自运行特点的微小“细胞”，台区管理质量是体现电网公司营销部门运维管理水平的最直观指标［1］。台区一般包含1 台变压器、若干输电线路和用于电能信息采集的电能表、关口表、互感器等设备，典型的电力系统发输配用结构如图1 所示，台区处于电网的末端，也是数量最为庞大的供电网络［2］。

图1 电力系统结构Fig.1 Power system structure

随着我国经济社会的快速发展，对电能的需求不断增长，电网供电运营的台区规模日益庞大。特别是对于苏州电网，由于其规模特别庞大，台区运维人员难以及时地消缺导致台区线损的合格率一直不高，无表用电、电能采集的成功率偏低都是导致此问题的直接原因［3］。同时苏州电网低压居民台区的双电源切换问题也不可忽略，“双电源单表计”问题会直接导致两个相邻台区的线损均不合格，而且一旦出现则排查困难，处理的时间较长，将导致台区线损长期不合格［4］。

低压居民台区的负荷大多数属于三类负荷，供电可靠性要求不高，一般采用的是单电源供电方式，但是对于低压居民台区中的重要负荷，诸如电梯等设备，为了保证其不间断可靠运行，采用的是双电源供电方式［5］，但是计量电费的电能表却是1台，双电源供电“一主一备”的供电形式在正常供电情况下电能表的计费电量属于某一确定台区，不会出现电能计量错误的情况。

电网的抢修和日常的运维是保证用电可靠性的重要手段，但是在工作完成后的合闸送电过程中经常会出现双电源负荷错送电的情况，原来是由主供电源供电的却变成了由备用电源直接供电，导致2个台区的电量1个多计1个少计，造成线损均不合格。双电源切换导致的台区线损不合格现象来源于工程实际，尚未有相关的文献与报道，如何实现在提高重要负荷用电可靠性的前提下及时感知台区拓扑结构变化是亟需解决的问题。

1 双电源切换台区

1.1 台区线损

根据电网营销工作经验，定义线损率η为

式中：wsu为供电量；wsa为售电量。一般除了小电量台区之外，线损率为-1%～5%的为合格台区，其他的均视为不合格台区［6］。负线损台区指的是台区线损率一个月内任意一天均小于-1%。负线损问题的长期出现往往标志着双电源切换的问题。图2给出了2020 年上半年苏州低压居民台区出现的负线损不合格台区数量。

图2 苏州市区负线损台区数量Fig.2 Number of negative line loss transformer area in Suzhou city

苏州市区低压居民台区共计12 528 个，由图2中数据按照比例计算，该类台区约占据到苏州市总台区的3%，2 月份由于受到疫情的影响，维护不及时导致负线损台区数量偏多［7］。考虑到1台负线损台区对应着1 台高损台区，因此受到双电源切换问题影响的台区数量大约为6%，占比相当大。

1.2 双电源切换

为了提高供电的可靠性，对于重要负荷采用了双电源供电的形式，但这样又大大增加了基层台区治理运维的工作量，给台区线损治理工作带来了很大的困难［8］，典型的台区双电源切换形式如图3所示。

图3 台区双电源切换示意图Fig.3 Diagram of dual power supply switching in transformer area

双电源切换问题来源于工程实际，双电源提高了供电的可靠性，提升了用户的用能体验，但是一旦出现双电源切换会改变台区的拓扑结构，造成实际供电电源与设备资产精益管理系统PMS 3.0中的供电电源不一致，导致本来合格的台区在线损计算中表现为不合格。如何在保证用电负荷可靠性的前提下实现台区双电源切换问题的自动识别是解决难题的关键［9］。智能电能表是电网营销部门电能数据采集的终端，实时采集用户的用能情况。低压居民台区由变压器、电能表、采集器与集中器等构成，采集器与集中器之间通过载波、RS-485等通信方式传输数据。集中器通过无线公网等与后台主站部分实现数据传输，将采集到的数据保存在后台服务器中，运维人员通过电力信息采集系统接口进行数据的调用和日常的线损维护。相较于传统的RS-485等有线数据通信方式，电能表短距离的数据传输越来越多地采用载波通信的方式，典型的营销数据采集情况如图4所示。

图4 营销数据计量采集系统Fig.4 Marketing data measurement and acquisition system

2 电力线载波

2.1 载波通信输入阻抗

电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它是指利用现有电力线，通过载波方式将信号进行数据传输的技术。由定义可知，电力线载波通信最大特点是不需要重新架设网络，有电力线就能进行数据传输。低压电力线载波通信信号衰减包括耦合衰减和线路衰减两个部分。其中耦合衰减与载波机侧低压电力线输入阻抗相关，即与信号发送装置和信号接收装置驱动点处电力线的等效阻抗相关，主要体现在由于电力线输入阻抗的剧烈变化，使其难以和载波机内阻抗保持一致，造成载波机输出功率的衰减，该现象一般简称为阻抗特性。在载波信号的注入和接收两端存在着电力线、用电设备（照明、空调、冰箱）等传输信号的通道，其上必然存在着阻碍信号传输的阻抗。由于试验中所采用的载波频段为0～500 kHz，为高频，所以不能采用集中参数模型而应采用传输线的分布式参数模型，如图5所示。

图5 传输线的电路模型Fig.5 Circuit model of transmission line

均匀传输线分布参数模型可用一段段集成的微小元件表示，即可以用许多无穷小的单位长度元dx组成。每段dx可表示为阻性负荷R0dx和感性负荷L0dx，2段单位导体之间的电容与电导分量可以分别用C0dx和G0dx表示。

电力线载波通信信道阻抗测量的方法如图6所示［10］，为施加的变频其他载负波荷信号源，实现对测量点输入信号的频谱扫描。测量点电力线载波通信信道阻抗等效为,即ZAimp与Zoth的并联值；与串联一个高精度测量电阻抗B，值已知双且电源为低温漂；上的电压网与上的电压可负以荷精确的测量得到，利用式（载2）波就信可号计注入算电力线阻抗的具体数值。

图6 输入阻抗测量方法Fig.6 Input impedance measurement method

式中：UXX为电力线输入阻抗上分担的电压实部；UXY为电力线输入阻抗上分担的电压虚部；USX为高精度测量阻抗上分担的电压实部；USY为高精度测量阻抗上分担的电压虚部。不同台区、不同时间点甚至是不同测量点的电力线载波输入阻抗的值千差万别，难以进行归一化的处理分析。此外，电力线载波受到信号衰减和噪声干扰的影响，难以实现利用载波信号实现负荷的精准感知与辨识，限制了其应用领域［11］。虽然如此，但是依托电力线的载波信道输入阻抗的特性仍然具有潜在的利用价值。

2.2 台区拓扑结构

简化版的台区拓扑结构如图7所示，2个台区的结构完全不同，形成“一主一备”向重要负荷一与重要负荷二双电源供电的结构［12］。在重要负荷的两端安装测量输入阻抗值，形成重要负荷与其他负荷并联的拓扑结构，由于重要负荷的阻抗值相对较为稳定，因此在未发生双电源切换时输入阻抗的值变化不大［13］。当双电源负荷从台区一切换到台区二时，其他负荷的结构发生了改变，造成重要负荷的测量点的输入阻抗值发生大的改变，因此可以利用此原理判别是否发生双电源切换，原理图如图8所示，电路图如图9所示。

图7 台区拓扑结构Fig.7 Topological structure of transformer area

图8 双电源切换识别原理图Fig.8 Schematic diagram of dual power switch identification

图9 双电源切换识别电路图Fig.9 Circuit diagram of dual power supply switching identification

如图9所示，重要负荷点的输入阻抗可以分为重要负荷阻抗Zimp和其他负荷的阻抗Zoth并联的形式，通过载波源注入不同频率的载波信号，测量不同频率下的输入阻抗，实现输入阻抗的扫频［14］。需要双电源供电的重要负荷在测量时间段内保持稳定，当双电源切换时，其他负荷的拓扑结构和阻抗发生改变，导致载波源输入点的输入阻抗发生改变。

3 验证

为验证所提出方法的正确性，研制了可用于发射载波信号的主动采集识别终端，实现对双电源负荷点输入阻抗的扫频测量，载波装置与智能电能表安装位置相同，处于资产分界点，如图10所示。

图10 主动采集识别终端现场试验图Fig.10 Field test diagram of active acquisition and identification terminal

如图10所示，在双电源台区的计量点增加一个载波发射装置，设定工作时间和扫频范围，使其在负荷稳态工况下测量，尽量减少重要负荷和其他负荷波动产生的阻抗变化的影响，使得阻抗变化反映双电源切换的影响，载波收发单元的原理图如图11所示。

图11 载波发射接收单元原理图Fig.11 Schematic diagram of carrier transmitting and receiving unit

图11 中，B1、B2点之间的电压VB与电流IB的比值就是信道的输入阻抗，在变压器电压比为1∶1时，VC可近似看作与VB相等，IC可近似看作与IB相等，且IC=US∕ZS。因此系统输入阻抗的模值为：

利用开发的主动采集识别终端在图12 所示的某一含双电源供电电梯的小区进行现场试验，图12中两个台区共有38个计量点，各个计量点的每日用电量如图13 所示，其中计量点9 为双电源供电，保障电梯供电，得到的试验结果如图14所示。

图12 含电梯双电源切换的某小区台区拓扑图Fig.12 Topology of a community with elevator dual power switching

图13 台区内各个计量点每日用电量图Fig.13 Daily power consumption diagram of each metering point in the transformer area

图14 双电源切换点输入阻抗Fig.14 Input impedance of dual power switching point

图12 中计量点9 为双电源用户，供小区内电梯用，终端具有自动切换装置（automatic transfer switch，ATS），图13显示计量点9在各个计量点中属于用电量最大的。如图14所示，在发生双电源切换的情况下，选取相同时间尽量减少变量的情况下测量输入阻抗，如图14中黑色线与红色线所示，2条线代表的输入阻抗差别不大，当发生双电源切换动作时，台区的拓扑结构发生了改变，导致其他负荷的输入阻抗发生了变化，如图中蓝色曲线所示。基于2 436 组试验得到的阻抗变化差的阈值设定与识别正确率的关系如图15所示。

图15 双电源切换阻抗差阈值与识别正确率关系图Fig.15 Relationship between the impedance difference threshold of dual power supply switching and the recognition accuracy

图15中，经过多组现场试验设定双电源切换带来的输入阻抗变化差的阈值为10%，数据的预处理要实现归一化并剔除异常数据。经过多组训练设定训练时间为2 000 s。在苏州市姑苏区、园区、新区、吴中区与相城区5个区选定2 436个典型的双电源供电电梯计量点，测量正确率如表1所示。

表1 苏州电网双电源切换识别Table 1 Identification of dual power supply switching in Suzhou power grid

由表1可知，双电源切换识别正确率在90%以上，基本能够满足营销工作的要求，可实现终端双电源切换情况的识别，有效缩短由于双电源切换导致的台区线损不合格情况的发生和处理时间。为了提升双电源台区切换识别的正确率，在重点台区应调整双电源切换载波发射的频率带宽，利用多次双电源切换的结果进行整体综合判别，防止单次判别带来的误判。

4 结束语

本文针对现实电网中存在的双电源切换导致的台区线损不合格情况进行了细致的分析与推导，给出了苏州地区电网受到双电源切换影响程度的数据。此外，本文提出了基于电力线载波通信信道阻抗的双电源切换感知方法，在不增加硬件条件的情况下，实现了台区拓扑结构的自动识别，现场试验结果证明了提出方法的有效性与正确性。未来需要进一步改进电力线载波发射接收装置，将其融合到电网现有的智能电能表之中，实现所提方法的工程实际化应用，并结合相关算法提升对复杂台区双电源切换的识别准确率。D