低壓用電臺區智能表瞬時凍結技術研究及應用

關 艷，王志斌，趙宇東，王浩淼，高曦瑩

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

低壓用電臺區智能表瞬時凍結技術研究及應用

關 艷1，王志斌2，趙宇東2，王浩淼2，高曦瑩1

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

針對集抄系統深化應用的需求，通過智能表瞬時凍結技術提供高同步性的用電信息原始數據。詳細介紹了瞬時凍結技術的關鍵依據和技術細節，克服了原有方案下臺區復雜拓撲以及表計時鐘偏差對數據同步性的制約。

瞬時凍結；同步性；低壓臺區；深化應用；遠程抄表

隨著用電信息采集系統建設的快速推進，集抄覆蓋總數與覆蓋率均迅速增長。采集系統的遠程抄表成功率也不斷提高，一般臺區普遍高于99%。可見，集抄系統的底層通信已具備較高的可靠性[1]。因此，在低壓臺區集抄系統中，除了執行用電量采集等基本業務，已經具備承載更多深化應用的條件。這些深化應用包括計量裝置檢測，供電質量監測，用電需求預測等，它們對電力公司提高服務質量，提升服務水平與用戶體驗具有重要意義[2]。

低壓用電臺區負荷變化比較頻繁，而集抄系統深化應用中所需的原始分析數據對同步性要求又較高。基于現有的采集方法，想要獲取同步數據只能采集指定時刻凍結值或采集各電能表當前值。由于表計時鐘不可避免存在偏差以及路由組網存在中繼等因素的影響，兩種方法均無法保證數據的同步性[3]。本文提出的瞬時凍結技術可以解決這一現實問題。

1 數據采集中的同步性問題

在集抄系統深化應用中，絕大多數應用對原始數據有較高的同步性需求。例如，臺區要監測用戶實時電壓、臺區實時負荷曲線，若采集時間不一致，不能正確反映臺區電能表在同一時刻的表現，無法為進一步分析提供可靠的原始材料。而現有的業務類型不足以支持如此高的同步性要求。首先，召測電能表某時刻的凍結數據并不能保證數據的同步性。因電能表時鐘偏差，采集回的電能表凍結數據不能確保取自同一時間點。采集當前值亦不可行，因為對全臺區來說采集任務本身無法瞬時完成，所謂當前值對各電能表并不相同，所以也無法通過采集當前值的方法來形成全臺區同一時間點的凍結數據。

可見，無論是抄讀某時刻的凍結值還是抄讀當前值都不能保證數據的同步性。電能表彼此時鐘差別越大，凍結值的時間差別也就越大；臺區的拓撲結構越復雜，中繼級別越深，不同表的“當前時間”差別越大。而時間差別越大，在此時間段內用戶負載變化的可能性也就越大，因此無法為深化應用提供準確的數據材料。

為解決以上為問題，本文提出一種全新的瞬時凍結技術來保證采集數據的同步性。

2 瞬時凍結技術

瞬時凍結技術可以實現通信模塊對同一時間點所需任意數據項的凍結及抄讀，理論時間偏差可以控制在10 ms。主要依靠路由組網的中繼級別調節采集時間，從而達到較精確的數據采集同步。其相對時間調節的模式可以保證采集結果不受表計數量、臺區拓撲結構與表計時鐘偏差的影響。

瞬時凍結實現的技術關鍵有兩點，一是電力線載波通信的過零同步，二是根據路由中繼級別實施的瞬時同步。

2.1 過零同步

電力線載波通信的過零通信模式利用低壓電力線三相交流市電電壓相差120°的特性，如圖1所示，以各相交流市電電壓過零時間點為時間基準進行同步處理，有效進行各相交流市電通信時間的微分劃分，在工頻(50 Hz)的半個周波10 ms時間里，各相交流電均有一個電壓過零時間點，集中器與各載波模塊間進行低壓電力線載波通信時使用各自過零的3.3 ms，利用此時段的低噪特性提高整體的通信成功率；基于過零傳輸載波信號，一個臺區的低壓電力線載波通信系統便具備了相同的同步基準，其最大誤差僅為3個過零時隙的長度，即半個周波10 ms。

圖1 三相電過零時隙圖

2.2 瞬時凍結

瞬時凍結過程由主站發起，向集中器發送瞬時凍結命令，集中器向下經過路由、電力線、載波模塊幾個環節將命令發至電能表。電能表載波模塊接收命令，根據路由組網的實際情況，可以定義為0級中繼接收(直接接收)，1級中繼接收，2級中繼接收，…，n級中繼接收。經0級中繼接收到瞬時凍結命令的載波模塊，需等待經1，2，…，n級中繼的載波模塊接收到瞬時凍結命令后，各級中繼級別載波模塊同時執行凍結命令,如圖2所示。

圖2 瞬時同步等待時間與中繼關聯示意圖

路由在發出的瞬時凍結命令報文中包含最大轉發級別信息，載波模塊接收到報文后，根據報文長度以及自身中繼級別，進行采集等待時間計算。到達等待時間載波模塊同時執行凍結命令，向電能表索要所需數據，計算過程如下。

由報文長度及通信速率可計算出需要的交流過零個數，具體算式與速率以及時隙的承載數據位數有關，這里將此關系抽象為函數f(x)，即M=f(L)，可得

t1=M×10=f(L)×10

(1)

經n級中繼接收到命令的載波模塊，需等待時間為

T=(N-n)×t1

(2)

式中：L為報文長度；N為最大中繼數；M為過零點個數；T為等待時間；t1為單級傳輸時間。

因正確運行的系統中繼級別不會出錯，可見T的理論精確度即為t1的精確度。由式(1)知，報文長度在一次下發行為中為常數，函數f(x)為固定函數映射，所以t1的誤差為10 ms以內。

3 瞬時凍結參數的應用舉例

隨著人們生活水平不斷提高，家用電器增多，電網負荷不斷增大，引起線路電流增大，因而在線路上損失的電壓增大，到達末端用戶的電壓就會降低。這一問題在農村臺區尤為明顯，為了提高用戶電能質量和載波抄表成功率，在配電環節對采集系統提出了采集監測用戶電壓信息的要求[4]。

電壓監測顯然對電壓數據的同步性有很高的要求，若采集數據時刻有偏差，那么分析結果將失去意義。利用本文的瞬時凍結技術可以靈活召測臺區用戶電壓同步數據，精確定位真實的低電壓用戶，可依據此數據縱向分析臺區內各用戶電壓之間的關系，以及橫向對比不同時間臺區低電壓用戶出現的頻率，為低電壓臺區整治工作提供精確豐富的數據支持。

現以某供電公司某臺區為例，采集臺區內67戶用戶表某日零點瞬時凍結電壓數據，瞬時電壓離散點圖如圖3所示，瞬時電壓柱狀圖如圖4所示。

圖3 瞬時電壓離散點圖

圖4 瞬時電壓柱狀圖

此外，該技術的應用還包括：凍結瞬時電流，獲取臺區真實的用電情況；凍結瞬時功率，對供電高峰期的負荷進行統計，并依據歷史數據預調節供電參數；凍結電能表自身參數，如時鐘等，統計電能表產品性能，及時發現異常情況；凍結三相表的分相實時電量作為分相凍結數據，為分相線損的計算提供精確的基礎數據。

4 結束語

依托當前集抄系統穩定的通信性能，各種深化應用需求變得可能且緊迫。本文提出的瞬時凍結技術可以為集抄系統的深化應用提供高同步性的基礎統計數據，避免了臺區拓撲和時鐘偏差等因素對現有技術的限制。該技術同步誤差可控制在10 ms以內，滿足了各種數據分析的同步需求。

[1] 李 楠,屈百達.基于電力線載波與GPRS相結合的遠程抄表系統[J].電測與儀表,2007,44(9):33-37.

[2] 李榮升, 王 橋, 孫亞男. 淺談用電信息采集系統深化應用[J].中國科技博覽, 2015,35(17):282.

[3] 祝 婧, 劉 水, 朱 亮.時鐘同步在用電信息采集系統中的應用[J].電測與儀表, 2016,53(S1): 157-159.

[4] Chang C S, Loh P C. Integration of fault current limiters on power systems for voltage quality improvement[J], Electric power systems research, 2001, 57(2): 83-92.

Research and Application on Instantaneous Freezing Technology of Intelligent Electric Energy Meter in Low Voltage Power Station

GUAN Yan1,WANG Zhibin2,ZHAO Yudong2,WANG Haomiao2,GAO Xiying1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China;2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

To deepen the application of power centralized meter reading system requirements, this paper proposes instantaneous freezing technology of smart meter is used to provide high synchronicity raw data of electricity information. The key gist and technical details of instantaneous freezing technology is introduced in detail in this paper. This technology overcomes complex topologies of original plan in power station and the restricts of the clock deviation to data synchronization.

instantaneous freezing；synchronicity；low voltage power station；further application；remote meter reading

TM76

A

1004-7913(2017)02-0025-03

關 艷(1974)，女，高級工程師，主要從事電能計量、用電采集在營銷業務中的應用研究。

2016-12-22)