新型配電網臺區戶變關系檢測方案研究

郁志良，劉 飛，周冰成，張歡歡，潘 達，常雪蓮

(1.國網上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400;2.上海歐憶能源科技有限公司，上海 200040)

在智能電網的架構中，配電網占據著非常重要的一環。配電網作為電力系統中用戶與電網的接口，擁有著龐大且復雜的架構，在未來的智能電網建設中，配電網管理在整個電網的管理中將扮演著重要的角色。在同一配電網中，包含著若干臺區，電網的智能化管理正是需要從臺區著手，進而完善整個配電網的管理工作。未來配電網管理的趨勢將從傳統的粗放式管理逐步向現代的精細化管理轉型，而精細化管理的實現需要對臺區結構即臺區的戶變關系有準確的把握。

1 傳統戶變關系檢測方案

為了實現對配電網的精細化管理，需要對臺區的結構進行識別，即找出低壓配電變壓器與用戶之間的匹配關系，并在電力公司內進行用戶資料歸檔，便于后期管理。在圖1中給出了臺區的戶變關系檢測過程的示意圖，即通過有效的手段，將每個用戶和其連接的臺區變壓器一一對應起來，從而為后期精確的線損計算，負荷預測及配電網結構優化提供可靠的資料。

圖1 臺區戶變關系檢測過程

該方案中，電力工作人員需要對臺區變壓器下的線路進行觀察，并對線路走向進行記錄，從而人為地判斷臺區內的戶變連接關系。然而由于配電網下結構復雜，且早期很多線路連接不規范，有些臺區下線路錯綜復雜甚至肉眼難以識別。在這種情況下，需要進行“拉閘驗電”的操作，這將嚴重影響用戶的用電體驗，在今天嚴格的用電管理要求下是更加不可取的[4]。后期，電力線載波技術逐漸成熟并被運用到戶變關系的檢測中來。電力線載波技術以電力線作為傳輸通道，在臺區變壓器側和用戶側安裝調制解調設備，通過將臺區信息調制成高頻信號后利用電力線進行傳輸[5]。該方案將信息調制成高頻信號進行傳輸，而實際操作中高頻信號很容易在電力線之間和電纜溝之間發生耦合現象，即高頻信號耦合到其他線路，造成用戶側的誤讀。此外，高頻信號可以穿越變壓器進入其他臺區，造成跨臺區的誤讀現象。為了提高識別率，脈沖電流技術被引入進來和電力線載波技術協同工作。脈沖電流技術通過一個脈沖變壓器向電力線上注入一個脈沖電流，工作人員在另一側進行檢測，從而提高識別率。但是脈沖電流技術不僅存在安全隱患，且仍然需要人力的參與，不符合智能電網系統自動化的未來愿景。

2 新型戶變關系檢測方案

2.1 新型方案技術背景

在傳統的戶變關系檢測方案中，人為排查耗費大量人力，易出錯;電力線載波方案需要在變壓器側和用戶側同時添加額外設備，大量額外設備的引入既不經濟也會影響電網的穩定性，且高頻載波的耦合問題會影響識別的準確度;脈沖電流存在安全隱患，且需要人力的參與。為了保證電網運行的穩定性和電網建設的經濟性，需要減少額外設備的引入，而為了提高識別的準確度和電網的智能化，需要減少人力的參與，實現配電網臺區戶變關系檢測的自動化。

目前國內的電力系統中，一方面集中抄表系統已經在許多城市普及開來，另一方面智能電能表的量測功能和通信功能日臻完善，因此集抄系統與智能電能表是一個“天然”的信號接收器，如果可以將智能電能表的量測對象作為調制目標，則可以僅在臺區變壓器側加入調制設備，大大提高了經濟性。另一方面，集抄系統可以自動將臺區下電能表的數據獲取并存儲在配電網下的數據庫內，提供歷史數據的查詢功能，其系統架構如圖2所示。用戶的電能表會由一個本地的收集器進行數據的收集，該收集器會將數據上報給配電網內的集中器，而集中器會最終將數據存儲在電力公司內的數據庫內。因此，在電網公司內可以從數據庫中導出歷史數據并根據前期約定好的調制規則和編碼規則對歷史數據進行解調和解碼操作，進而提取出臺區變壓器側發送的臺區識別信息，自動完成用戶電能表與臺區變壓器的匹配工作，而不需要電力工作人員的現場作業，節省了人力成本。

圖2 集抄系統架構

2.2 新型方案架構設計

智能電能表可以量測的信號有很多，我們需要根據電網運行特性和技術實現的難易程度選出合適的調制目標。一種簡單的方案是向系統內部注入電壓或電流的高頻諧波，在電能表側對電壓或電流的THD值進行收集分析。電力系統由于比較龐雜，存在著多種干擾，若注入的諧波太小會導致無法準確觀測，若注入的幅值太大則可能造成對電能質量的污染如圖3所示。

圖3 諧波注入方案

電流由于變化較大且不規律，因此不適合作為載波。在電力系統中，電網電壓的有效值被控制在一個極小的范圍內變動，且短時間內一般比較穩定，因此適合作為文中所提出方案的信號載波。無功功率注入可以實現對電壓的調整，但是容易對系統造成影響，因此，提出基于電力電子技術的信號調制設備，可以在臺區變壓器側通過直接調整電壓有效值實現信號的調制發送。

為了通過改變電壓有效值來發送信號，需要在電網內注入一個和原始電網電壓頻率相位相同但幅值不等的小電壓，從而實現對電網電壓有效值的微調，在任意瞬時時刻，總的電壓需要滿足:

式中:u o(t)為原始電網電壓;u s(t)為注入的信號電壓;u min和u max分別為國標允許的電網電壓的瞬時值下限和上限。

在用戶側，智能電能表會實時地對電壓的有效值進行測量，但是集抄系統每經過一個固定的時間段才會對數據進行一次記錄，通常是每15 min對電能表的數據在后臺進行一次記錄。因此需要引入一個時間窗口的概念，時間窗口的函數表達式定義如下:

式中:t recor d為集抄系統記錄數據的時刻;T w為時間窗口的長度。

由于集抄系統和調制設備可能存在著時間同步上的偏差，因此需要動態的去調整時間窗口的長度，從而保證在數據記錄時刻能夠發送對電壓有效值進行調整，從而發送出信息。在數據中心，通過對用戶數據進行分析，可以找出電壓有效值的變動點，提取出信號電壓的特征波形，與調制設備預設的發送信息進行比對，從而得到戶變關系檢測的結果。

3 信號調制設備設計

3.1 拓撲設計

根據方案設計，在用戶側利用智能電能表和集抄系統作為數據接收側，不需要添加額外的設備。因此，在提出的以電壓有效值作為載波的方案中，需要在臺區變壓器側加入一個可以根據指令在時間窗口內對電力線上的電壓有效值進行調整，從而發送信號的設備。對于用戶側記錄的電壓有效值，可以表示為:

可以看到，經過調制后的電壓信號可以作為原始電壓有效值和信號電壓有效值的疊加，因此調制設備實際上起到了變壓器分接頭的作用。傳統的變壓器分接頭穩定性差，操作困難，且無法通過移動端設備對所需要發送的信號進行自動調節。電力電子技術具有穩定性高，功率密度大以及自動化的特點，且通過在電力電子設備上加裝網絡模塊，可以在遠端通過終端對所需要發送的信息進行預設，符合智能電網發展趨勢。本方案使用的調制設備拓撲結構如圖4所示，調制設備被安裝在臺區變壓器的低壓側上，由旁路開關和一組反并聯的二極管組成。

圖4 調制設備拓撲結構

旁路開關具體實現時可以用MOSFET實現，當它閉合導通時，未經調制的電壓將直接輸送到輸出端;當旁路開關斷開時，電壓將經過一組反并聯二極管，從而在交流電壓的兩個方向上引入一個固定的電壓降，進而降低電壓的有效值。通過增加每一條支路上二極管的數量可以增加電壓有效值的變化量。如此一來，可以將旁路開關閉合時的電壓有效值定義為“1”，而引入電壓降后的電壓有效值定義為“0”，這就構成了最大簡單的二進制編碼方案，更復雜的編碼方案可以被用來提高編碼方案的抗擾性。曼徹斯特編碼利用跳變作為編碼策略，該方案中將從正常電壓跳變到降低后的電壓看作“0”，從降低后的電壓跳到正常電壓看作“1”。

3.2 實驗驗證

在實驗室利用智能電能表對電壓有效值進行測量，并利用一個控制板模擬集抄系統進行數據記錄與存儲，記錄時間與集抄系統一致，每15 min一次。板上數據可以通過以太網導出到電腦上進行歷史數據解析。實驗過程中智能電能表用于測量電壓有效值并和控制板通過RS485進行通信。調制設備上的控制板可以和上位機通信，從而設置調制信號。為了提高識別度但又不對原始電壓造成太大影響，每條支路上使用了兩個二極管，此時壓降在2 V左右。

圖5(a)給出了實驗室記錄的未經調制的電壓信號，記錄時長為5 d。圖5(b)給出了加入調制信號后的電壓波形，在實驗中利用交替信號進行測試，即交替發送高低電平。 可以明顯看出，加入信號后記錄的電壓波形明顯產生了變化，相當于原始信號上疊加了一個微弱的高頻擾動。從對兩組波形進行數字濾波處理的結果可以看出，原始電壓由于變化緩慢，經過高通濾波后基本都被濾除，而疊加的識別信號可以被還原出來，用于辨識。

圖5 實驗波形

4 結束語

以電壓有效值作為載波的新型戶變關系檢測方案，用戶側以現有的智能電能表和集抄系統架構作為數據接收端，不添加額外設備，在臺區變壓器下僅添加一臺基于電力電子技術的信號調制設備。給出的整套方案的實施細節，提出的與集抄系統匹配的時間窗口調制技術，進行實驗驗證，證明這套調制設備和檢測方案的有效性。