基于中壓載波的信號盲區配電網智能終端數字化集聯技術研究

江 泓 張 浩 王碧香 程 穎 莊志偉

(1.國網福建省電力有限公司浦城縣供電公司，福建 南平 353400;2.國網福建省電力有限公司南平供電公司，福建 南平 353000)

1 研究背景

目前我國新冠肺炎疫情防控形勢逐步穩定，用電需求穩步回暖，在此次防疫中大數據、云計算、AI分析、5G互聯等智能化新技術手段廣泛運用，作用顯著。但在電網運營中，因受限于地形及通訊運營商布點等因素，部分配電網仍處于無信號區域，無法使用智能化終端，使配電網處于電網智能化改造中最薄弱的環節，這與當今科技的發展，社會經濟水平的提升格格不入，亟待解決[2]。

福建省山區配電網結構薄弱，地處山區的電網公司在工作中智能終端(三遙開關)應用嚴重受限于運營商基站布點，偏遠線路信號盲區無法安裝三遙設備，相較城鎮區域故障，供電所核查故障點巡線難度更大，夜間排障還有危險，屬于電網智能化盲區，若有方案能在經濟性、適用性上平衡，實現偏遠線路信號盲區的信號傳輸，將徹底解決電網智能化“最后一公里”問題。理論上本成果可以做到有電力線的地方就有網絡信號，且成本極低，不僅用于三遙開關部署，乃至今后其它功能電力智能終端在電力線路上應用，都可提供接入方案。

目前電力行業中，中壓載波技術多用于用電信息采集系統，以及少量配電室信號傳輸，國內尚無針對應用于山區配電網智能終端的研究[3]。

2 四項組網集聯應用方案

本文提出的四項組網集聯應用方案，分別對應四種應用場景。“無信號區域智能設備上線方案”是總技術方案，適用于全國各地供電企業、通訊企業作為偏遠地區信號覆蓋方案的補充。

另外三項是針對全國各地供電企業配電網目前普遍共性的三遙開關使用局限而設計。其中“單相方案”適用于對供電可靠性要求不高的無信號配網線路(低故障、普通用電線路)智能終端應用；“三相方案”適用于對供電可靠性要求高的配網線路(高故障、保電線路)智能終端應用；“線路斷點信號傳輸方案”適用于采用中壓載波集聯上線方案時，線路中存在斷點設備的解決。

四項方案共同構成完整的信號盲區數字化集聯技術方案，優點是低成本、高穩定性、易復制推廣，并充分利用電網公司網架優勢，具有深入研究潛力。

2.1 信號盲區智能設備上線方案

2．1．1 方案原理及實施方式

該方案是總技術方案，可解決山區配電網無信號區智能終端信號難題，推廣后將對電網安全穩定，更先進級別智能終端應用提供信號網絡支撐，將對今后配電網智能化發展起到重要作用。

如圖1所示，將無信號區域數據信號通過耦合電容器的耦合作用原理轉換為載波信號，利用中壓電力線傳輸至有無線公網信號的主機安裝地點匯聚，通過耦合電容器將載波還原成數據信號，再經主機處理后轉為網絡信號，通過多臺無線通信模塊與網絡聯通；可實現通訊基站未覆蓋的無信號線路，三遙開關及其它智能終端接入應用。

圖1 信號盲區智能設備上線方案

2．1．2 方案對比

將中壓載波通信方案與其它通信方案從業務架構流向、帶寬、傳輸距離、實時性、可靠性、安全性、成本、技術成熟度等多個角度分析對比，詳見表1，得出中壓載波通信方案具有較高優勢的結論。

表1 中壓載波通信方案與其他方案對比

2.2 單相傳輸方案(基于中壓載波的信號盲區硬加密三遙開關集聯上線方案)

2．2．1 方案原理及實施方式

如圖2所示，在無信號區域安裝N臺三遙開關，控制器通過載波調制模塊(從設備)將數據信號轉換為載波信號，再通過耦合電容器的耦合作用原理，在10kV線路上傳輸載波信號，N臺三遙開關的載波信號匯總至首端耦合電容器向下傳輸，通過載波解調模塊(主設備)還原成數據信號，輸入通信管理主機，經處理后再輸出為網絡信號至交換機，交換機下聯N臺無線通信模塊，這些模塊需安裝在有信號區域，每個模塊內插有一張SIM卡，通過硬加密的網絡證書實現IP綁定與遠端安裝在無信號區域的三遙開關一一對應，再在主站數據庫中作好載波標記設置，即可實現無信號區域硬加密三遙開關集聯應用，上線的N臺三遙開關都具備硬加密三遙開關的一切功能，包括遙控、遙信、電度、遠方修改定值、召喚錄波等。

圖2 單相傳輸方案

2．2．2 單相傳輸方案實施效果

優點：低成本，該方案一臺通信管理主機可使無信號區域安裝的多臺三遙開關上線，解決信號盲區硬加密三遙開關無法上線的缺點，且具備與普通硬加密三遙開關完全一樣的功能。經信號衰減量測算，載波最大傳輸距離約為20km，一臺通信管理主機最大集聯量為30臺。

缺點：該方案需選擇中壓電力線三相中的一相，優選B相，斷線概率相對小。但是若B相斷線，信號將丟失，存在一定的風險，適用于低發斷線故障的低負荷線路。

圖3 單相傳輸方案實物圖

2.3 三相傳輸方案(基于中壓載波的信號盲區硬加密三遙開關集聯上線方案)

2．3．1 方案原理及實施方式

如圖4所示，在單相方案基礎上，在載波解調模塊(主)、載波調制模塊(從)處加裝三通，分出三相，在三遙開關安裝處共裝三個耦合電容，首端主機安裝處也安裝三個耦合電容，即可確保信號在三相中傳輸，只要沒有出現三相全斷的情況就可保證信號正常傳輸。

圖4 三相傳輸方案

2．3．2 三相傳輸方案實施效果

優點：高穩定性，解決單相方案載波信號受單線路傳輸限制，安全性不足的缺點，該方案只要不發生三相全斷故障，都將保證信號正常上送，可靠性高，適用于重要供電線路或易發斷線故障區段。

缺點：成本較高，信號衰減較大，具體承載節點數量和最大傳輸距離需進行測算，或加裝信號增強裝置。

2.4 線路斷點信號傳輸方案

2．4．1 方案原理及實施方式

如圖5所示，在單相方案基礎上，如遇到傳輸線路中有斷路器，在開斷情況下，載波傳輸會中斷，如傳輸線路必須經過斷路器，則可在斷路器兩端各加裝一個耦合電容，采用弱電信號線連通，將不影響載波信號傳輸。該種做法中耦合電容內部具備保護機制，弱電信號線僅能傳輸弱電信號，經驗證不存在安全隱患。

圖5 線路斷點信號傳輸方案

2．4．2 斷點傳輸方案實施效果

該方案解決載波傳輸線路中存在聯絡開關，開斷后信號傳輸中斷缺點，應用后在載波傳輸線路中有聯絡開關等線路斷點設備，將不影響載波信號傳輸。

2.5 四種方案集聯組網

四種方案基本覆蓋了信號盲區的絕大多數應用場景，可針對實際場景功能需求，組合搭配，實現區域范圍內信號盲區的智能終端覆蓋應用。

3 技術方案驗證

2020年10月采用本集聯方案的試驗設備在閩浙贛三省交界的浦城縣湖山線試產。

圖6 試產設備安裝位置

圖7 試產設備現場安裝照片

圖8 配網調度自動化現場圖紙

經驗證，本方案切實解決目前電力系統山區配電網中信號盲區的智能化設備(三遙開關等)上線問題。

方案實現了配電網中有電力線的地方即有網絡信號，利用中壓載波加無線公網信號傳輸無信號區域安裝的三遙開關數據。實現中壓載波主機一機帶多臺從設備(三遙開關)上線。實現在中壓載波主機一機帶多臺從設備(三遙開關)上線的情形下，滿足目前最新的三遙開關硬加密通信機制防護要求。

4 技術方案應用價值分析

4.1 經濟性

經試點粗算，在偏遠山區線路安裝的一套設備(按1臺通信管理主機帶3臺從設備計算)成本約為5萬元，

將解決3處線路故障點盲區，解決供電所無智能化處置措施、只能依靠人工的問題。信號盲區配電網實現智能終端安裝，將提升供電可靠性，提質增效，顯著減少供電所人員、車輛占用的運維經濟成本。

4.2 安全性

本技術將使信號盲區配電網實現數字化、智能化應用，快速恢復線路供電，減少供電所人工操作，巡線排障工作量，可保留應急力量提升其它線路故障維護能力，并且避免惡劣天氣電網員工的工作風險，尤其夜晚巡線，將緩解電力工人線路運維安全壓力。

4.3 先進性

中壓載波通信技術雖不是新技術，但是結合無線公網，利用手機卡唯一綁定，數據接入配網安全接入區應用，解決一直困擾電網企業的配電網智能化設備應用信號覆蓋問題，尚是全國首創。

5 技術方案總結與應用展望

本技術可在極低成本下實現配電網智能化建設擺脫通訊運營商基站掣肘，以載波加無線公網的模式使智能終端設備上線，并且利用電網公司獨有的最廣闊電力線路網優勢，具有顯著應用推廣優勢，不僅可實現信號盲區智能終端集聯上線，更為今后山區電網搭建更高層次應用的能源互聯網，應用大數據分析等數字化高新技術,打造智能配電網提供可能。