电力线路线损监测系统的设计与实现*

张晓新王国伟林 峰王宇鹏

(1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁 沈阳 110136)

线损率是量化线损的衡量标准，是综合体现电力系统方案设计及经营管理水平的重要标准，与电力供应企业的经济效益密切相关，是电力供应企业的一项重要经济指标[1-2]。台区是指一台变压器的供电区域，低压台区指变压器用户侧380 V/220 V所覆盖的区域。在电力供应系统总体线损中，低压台区产生的线损占60%～70%，不仅给电力供应企业带来了巨大的经济损失，也给用户的用电安全来了一定的隐患[3-4]。

如今，大多数电力供应企业所采取的线损监测方法为:电能表定时上传用户用电数据至电网管理平台，由工作人员分析是否存在线损超标的情况，若发现该台区内存在线损超标情况，电力供应企业会派出工作人员在该台区内进行逐点排查，找出线损超标原因[5]。目前主要存在的两个问题:绝大多数的智能型电表在长时间的运行后，时钟基准会发生偏移，造成电表的用电数据上传时间点相差很大，从而导致所计算出的线损率与实际线损率相差较大；在已知线损超标的情况发生后，现有平台缺乏对故障点定位功能，人工排查费时费力。随着电力计量系统的建设和国家电力体制改革的深化，如何有效加强低压台区的线损管理，变得尤为重要[5]。

本文提出一种物联网方案，以STM32 控制器为核心，使用电量计量芯片、645 规约、698 规约实时监测低压台区的线损情况。结合NB-IoT 技术，与OneNet 云平台之间通过MQTT 协议通讯，实现监测数据上报与用户命令下发功能。通过上位机网页，获取OneNet 云平台中的监测数据并计算分析，实现一键线损率计算、故障点定位的功能。

1 线损监测理论依据

本节介绍的电流、线损率公式推导是上位机线损率计算、故障点定位功能的理论依据。根据低压台区的情况，建立台区的树形结构如图1 所示，此台区包括城镇线路、散户线路共有k条。每条线路上有n个节点，用于监测此节点所在线上实际电流。每条线路包含n-1 条支路，在城镇线路中，支路与安装在楼道内的电表箱相连；在散户线路中，支路与安装在户外的电能表相连。

图1 低压台区线路树形结构

图1 中每条支路所通过的实际电流可通过相邻两节点电流的差值求出，表达式为:

式(1)中，Ibypath(i，j)为支路[i，j]的电流，i=1，2，…，n，j=1，2，…，k；Inode(i，j)、Inode(i，j+1)分别为节点[i，j]、节点[i，j+1]所流过的电流。各个线路中的总电流表达式:

在式(2)中，ILi为第i条线路的总电流；Ibypath(i，j)为支路[i，j]的电流；Inode(i，n)为节点[i，n]所经过的电流。

由式(1)可得出各个支路的线损率表达式:

在式(3)中，Rbypath(i，j)为支路[i，j]的线损率；Imeter(i，j)为电表箱[i，j]或电表[i，j]所流过的总电流值；Inode(i，j)、Inode(i，j+1)分别为节点[i，j]、节点[i，j+1]所流过的电流。各个线路的线损率表达式:

在式(4)中Ri为第i条线路的线损率；Imeter(i，j)为电表箱[i，j]或电表[i，j]所流过的总电流值；Inode(i，1)、Inode(i，n)分别为节点[i，1]、节点[i，n]所流过的电流。

低压台区总体线损率为各条线路线损率平均值，表达式为:

在式(5)中Rsum为图1 中变压器所覆盖的低压台区的线损率，Ri为各条线路的线损率。

2 系统结构框架

本文所设计的电力线路线损监测系统，具有数据采集、数据初步处理、数据上传、云端数据存储、云端数据计算、原始数据及计算结果显示的功能[6]。可根据典型物联网设备架构分为三层:感知层、网络传输层、应用层[7-8]，系统架构如图2 所示。

图2 系统结构框架

感知层负责台区内用户用电量数据的采集、初步处理、上传，共包含三种设备:设备α、设备β、设备γ。设备α 安装在城镇线路楼道内的电表箱中，功能是对城镇线路的线损进行监测，包括电表箱进线总电流的采集、电表箱内各用户电能表统计电流的读取以及线损的计算。设备β 功能是采集图1中散户线路节点上流过的实际电流。设备γ 的功能是读取图1 中散户线路上用户电能表所统计的电流。设备β、设备γ 相互配合监测散户线路的线损情况，服务器接收到设备β、设备γ 的数据后进行散户线路的线损计算。

网络传输层中的基站负责与感知层中的设备α、设备β、设备γ 通过NB-IoT 模块建立连接。基站作为中间枢纽将数据转存入服务器，服务器对接收的数据进行储存、计算。

应用层由Web 上位机、手机App 组成，调取服务器中储存的原始数据和计算结果，呈现于用户面前。用户可通过应用层向设备α、设备β、设备γ 发送指令控制设备立即上传数据，实时掌握设备运行状态。

3 系统硬件设计

系统硬件部分所包含的三个设备:设备α、设备β、设备γ。其中，设备α 负责城镇居民台区的用电数据采集；设备β、设备γ 相互配合，完成散户居民台区的用电数据采集，系统硬件设计如图3 所示。

图3 系统硬件设计

3.1 城镇台区集中表箱端(设备α)硬件设计

设备α 组成如图3 中城镇台区设备α 框图所示，共包含7 部分:电流采集单元、NB-IoT、控制器、显示屏、485 接口、输入按键、单相型智能电表。电流采集单元用于采集线缆上流过的电流，并将数据通过串口传送至控制器，485 接口使用645 规约、698 规约与单相智能型电表建立通讯，读取电表中的电流数据，并将电流数据送至控制器，控制器将接收到的数据进行初步处理，并通过NB-IoT 将原始数据及分析结果统一上报至云平台[9-10]。用户可通过显示屏、输入按键查看台区内用电数据和设置电流互感器变比。

3.2 散户台区节点端(设备β)硬件设计

设备β 其组成如图3 中散户台区设备β 框图所示，设备β 共包含3 部分:控制器、电流采集单元、NB-IoT。控制器通过电流采集单元采集线上电流，将电流数据通过NB-IoT 上传至云平台。

3.3 散户台区单表位端(设备γ)硬件设计

设备γ 组成如图3 中散户台区设备γ 框图所示，设备γ 共包括4 部分:控制器、485 接口、NB-IoT、单相型智能电表。控制器通过485 接口使用645 规约、698 规约读取单相智能电表中的电流值，并通过NB-IoT 上传至云平台。

3.4 电流采集单元硬件设计

在设备α、设备β 硬件设计中都用到了电流采集单元，这部分关系到线损检测的准确性。电流采集单元由电量计量芯片、电流互感器所构成[11]，电流采集单元如图4 所示。为了提高测量精度，采用多项式拟合算法对数据进行处理。

图4 电流采集单元

以200/5 A 电流互感器为例，借助MATLAB 工具，使用数据拟合的手段将电流采集精度提升至0.3%，满足了电力线路线损监测系统所需的精度要求。数据拟合所使用的数据由实验所得，采集电流的数据拟合样本如表1 所示。

表1 采集电流的数据拟合样本

由表1 中数据拟合所得多项式为:

在式(6)中，x是控制器从电量计量芯片所接收的数据，作为多项式的输入量；y是被测电力线缆中流过的实际电流，是多项式的输出量，表2 所列为多项式中的各项系数。

表2 多项式系数

4 上位机介绍及现场实验分析

4.1 上位机软件介绍

上位机采用Java 语言进行开发，利用MySQL 数据库获取OneNet 云平台数据，实现命令下发、监测节点数据储存、线损率实时计算、故障点定位的功能[12-13]，图5 为低压台区上位机监测页面。

根据低压台区电网的分布特点，上位机监测界面左侧呈树形结构[12]。“XX 片区”为实验现场中某一低压台区，根据用户居住环境的不同，“XX 片区”分为两部分:(1)城镇居民台区(图中“楼房台区1”)；(2)散户居民台区(图中“胡同台区1”)。

城镇居民台区包括1 号楼、2 号楼，每栋楼中又包含五个单元，系统以单元为单位对城镇居民台区进行线损监测。散户居民台区包含1-5 号胡同线路。每个胡同线路中包含若干分支段路，例如在图5 中1 号胡同线路包含1 号段路、2 号段路、3 号段路，系统以段路为单位对散户居民台区进行线损监测。上位机根据多节点监测数据，实时计算各分支的线损率及低压台区内总体线损率，用户可点击左侧树形结构中节点查看。

图5 低压台区上位机监测页面

例如，点击图5 树形结构中的1 单元，可查到此单元的总电流为80.38 A，线损率为9.976%；点击1号段路，可查到此段路的总电流为50.323 A，线损率为4.283%。

4.2 现场实验分析

在某线损率超标严重的台区内，按照此台区供电线路的树形结构安装设备，建立监测点。监测系统启动约2 min 后，上位机陆续显示监测信息，此时台区的线损率为16.3%，总损失电流为82.47 A，其中城镇居民台区的线损率为7.3%，损失电流为22.82 A，占整个台区总损失电流的27.67%；散户居民台区的线损率为30.9%，损失电流为59.65 A，占整个台区损失电流的72.33%。

经以上监测信息得知，散户居民台区的线损率严重超过国网管理规定的9%[6]。系统通过上位机对图5 左侧树形结构中胡同台区1 的各个胡同线路的线损获取分析，胡同台区的胡同线路共有5 条，记为Li，i=1，2，…，5，RLi为各条胡同线路的线损率，ILi为各条胡同线路的损失电流，胡同线路监测数据如表3 所示。

表3 胡同线路监测数据

其中，RL1严重超过其他胡同线路的线损率，系统进一步对胡同线路1 的各个分支段路的线损获取并分析。R(L1，j)、I(L1，j)，j=1，2，3 为胡同线路1 各分支段路的线损率、损失电流数据如表4 所示。

表4 胡同线路1 分支段路监测数据

其中R(L1，2)远超正常的线损率，说明胡同线路1中的分支段路2 存在故障点。工作人员对胡同线路1的分支段路2 展开排查，在此段路的电力井中发现有非法私接线路现象。解决此故障后再次对此段路监测，I(L1，2)由19.4 A 减小为0.9 A，R(L1，2)由60.1%减小为2.8%；此低压台区总线损率由16.3%减小为12.6%。以此方法类推，解决其余各路的线损超标问题，最终将此低压台区总线损率降低至5.8%。

5 结语

针对电力供应企业降低低压台区线损的需求，本文中提出的方案，基于现有的低压台区电力系统，在不改变现有电力线路的情况下，实时采集用户用电数据并迅速判断是否发生线损超标，定位故障点。用户可通过上位机实时监测低压台区内线损情况。现场实验结果表明，本文所设计的电力线路线损监测系统具有较好的实用性，实现了低压台区内线损监测和故障点定位功能。