低壓供電網絡暗埋式線路走向識別儀設計

胡越月，熊丙權，鄧薇，田栗

（國網重慶市電力公司南岸供電分公司，重慶 400060）

隨著城市化進程日漸加快，居民小區等集中用電區域越來越多。暗埋線路憑借安全性高、美觀性好等優勢，成為新建小區的低壓（220V/380V）供電網絡的主要走線方式。然而，暗埋式線路的一個缺點是：在進行“表計接線錯誤”、老舊小區表后線排查、投訴處理、新上小區戶表關系核對驗收等需要進行戶表關系核對時，無法直觀地看到暗埋線路的走向。最傳統的方法是通過依次開斷電能表空開或者增加負荷的方法，排查戶表對應關系，該方法的前提是多位住戶同時在家，并且用戶家里需要短時停電或增加額外電費，這不僅增加了排查工作的難度，也給用戶造成不小的困擾。目前市場上的串戶排查設備多需要在用戶家中安裝檢測設備來確定戶表對應關系，并不是完全的“不入戶”前提下進行的戶表核對[1-3]。在建設智能電網的大趨勢下，改進現有方法或研制新型裝置以提高暗埋線路走向識別的處理效率和提升用戶體驗成為一個亟待解決的問題。目前對于暗埋線路走向的判斷，尚沒有一種完全不入戶、不停電、高效準確識別暗埋線路走向的裝置或手段。

本文提出利用高速信號采集處理的數字化線路走向識別儀，來實現暗埋線路識別過程不入戶、不停電的目標。當輸電線上有交變電流流動時，就可以在線路周圍發生電磁波的輻射，此時的輸電線路就具有了作為天線的特性，能夠進行信號傳播[4-8]。本文利用該原理，在待檢測線路的一端注入特征信號，使信號沿輸電線路進行傳播，通過沿線路收集并判斷有無特征信號，來識別出線路的走向。由于低壓電力線的設計不同于光纖、雙絞線等通信傳輸線，并未考慮高頻信號傳輸的需要，因此載波信號在低壓電力網絡中傳輸時信號衰減十分嚴重，且易受到多徑效應的影響。為了在檢測終端能夠可靠地檢出信號，必須保證信號在傳輸路徑上的強度和信號完整性。

本文通過分析低壓電力線的電磁場特性，對其進行基于傳輸線理論的建模，在該模型基礎上分析高頻信號在電力線中的衰減特性，得出了高頻信號在低壓電力線中的衰減特性曲線，并通過建立居民樓內實際傳輸線距離模型排除相鄰傳輸線耦合效應對于檢測結果的干擾。形成一套不停電、不入戶、高效準確識別暗埋線路走向的裝置，居民樓中的實地測試表明該系統檢測結果的可信性。

1 理論基礎

高頻特征信號注入低壓電力線之后，會在線路周圍產生輻射，由于特征信號的頻率較高，傳輸信號模型為分布參數模型。為了精確地描述高頻特征信號在低壓電力線中的衰減情況，我們對電力線周圍的電磁場分布情況進行分析，建立了基于電磁場理論的電力線傳輸線模型。由于電力線在電能表到用戶間會有一段并行排線的情況，相鄰之間的導線之間會相互干擾，因此需要考慮多導體存在下的電力線模型。

假設傳輸線平行分布，電場分量和磁場分量平行于XOY平面。因此，將導體軸向方向設為z軸，圖1所示為n+1個導體構成的傳輸線，其中n個導體為諧振單元導體，另一個為參考導體。

圖1 多導體傳輸線模型Fig.1 Multi-conductor transmission line model

根據圖1，在參考導體與第i個導體之間選取一段長度為Δz的微元，在這段微元內兩導體圍成的表面Si，外圍路徑Ci，根據法拉第電磁感應定律，可得外圍路徑內產生的感應電動勢：

式中：Exy表示位于平行于XOY平面的橫向電場；El表示沿著導體表面的電場，或z方向電場；Hxy為磁場強度；en為該點的外法線單位向量；μ為導體的磁導率。

每個導體的電壓電流均可寫成上述形式，于是可以將其整合成矩陣形式：

設第i個導體與第j個導體之間的電導為Gij，它表示橫向平面上兩個導體間流過的傳導電流與導體間的電壓之比，那么傳輸線單位長度的電荷可以根據每對導體間的單位長度電容cij定義，將每個導體的電流方程列出，可以得到矩陣形式的方程：

如果將第i個導體上單位長度的總電荷表示為qi，則電容矩陣C滿足：

式中：Q為每個導體單位長度電荷組成的列向量。類似地，可以得到電導矩陣滿足的表達式：

式中：It為全部導體單位長度上流過的橫向傳導電流。

式（2）～式（5）中單位長度的電阻矩陣R、電感矩陣L、電容矩陣C和電導矩陣G是反映多導體傳輸線結構特性的參數，對于導體中的電壓、電流分布至關重要，而對于特定的傳輸線結構，可以通過計算得到各個參數矩陣。針對傳輸線方程特點，將整個傳輸線方程組解耦：

由于低壓電力線特征參數的復雜性，單位長度的電阻矩陣R、電感矩陣L、電容矩陣C和電導矩陣G需通過實際測量得到，代入式（6）便可以得到低壓電力線中各個位置的電流和電壓分布，進而得到空間磁場分布情況。

基于該傳輸線方程，結合居民樓走線特點和距離模型，可以得到對應住戶家特征信號的強度范圍，從而判定戶表關系的對應性。如圖2所示，dp為電能表出線端多傳輸線并列部分的長度，df為跨樓層走線長度，dh為住戶所在樓層的走線長度。

圖2 不同樓層住戶電力線距離模型Fig.2 Distance model of household power lines on different floors

以圖2所示的距離模型為例，利用式（6）進行計算，假設在戶表關系核對時，在202戶所對應的電能表出口端耦合高頻特征信號，由于電能表出線端存在一段并行排線的情況，特征信號會通過電磁耦合串擾到其他住戶的電力線中，因此無論是否202戶的戶表關系是否對應，202的入戶端的電力線中都有可能存在特征信號，如何判斷接收到的是真實特征信號還是串擾特征信號，是正確判斷戶表關系的重要基礎。由上面推導出來的多導體傳輸線模型可知，鄰近電力線串擾信號的幅值明顯小于原特征信號的幅值，因此為了排除串擾對判斷結果的影響，我們對于檢測端的信號幅值設置一個閾值，當檢測到的信號大于該閾值時，才能判定為接受到特征信號，從而確定戶表關系對應正確。

2 設計方案

本線路識別系統按照作用位置的不同可以分為信號加載模塊、信號擾變模塊和信號識別模塊三部分，如圖3。信號加載模塊作用在低壓配電網電能表用戶側的輸電線上；信號擾變模塊的作用是消除反向信號對于原信號的串擾，因此作用在信號加載模塊靠近電能表的一側；信號識別模塊是手持式可移動的模塊，作用在待檢測暗埋線路附近。

圖3 系統結構示意圖Fig.3 System structure diagram

2.1 信號加載模塊

信號加載單元負責產生具有特征值的調制信號，并將其注入到電能表空開或室內配電箱空開的負載側。該模塊又可以分為信號產生模塊、信號注入模塊兩個子模塊，如圖4所示。

圖4 信號加載模塊分解示意圖Fig.4 Decomposition diagram of signal loading module

2.1.1 信號產生模塊

信號發生裝置產生的信號必須滿足所需信號的頻率、強度的要求。為了減少環境信號對于有效信號的干擾，需選擇實際測量環境中干擾信號最小的頻段作為發生信號的頻段。使用信號強度檢測儀進行了多個新舊小區測量現場的干擾頻段及強度測試，測試結果表明：500 MHz～1 GHz頻段內干擾信號最弱。另外，還進行了線纜、隔離材料對信號衰減程度測試，測試結果表明：注入特征信號的強度應至少達到15 dBm。

綜上，我們對于信號發生裝置的要求是：能夠產生頻率在500 MHz～1 GHz內、強度在0～15 dBm內的信號，執行準確率達到99.7%以上。根據以上指標，最終采用了基于FPGA芯片的DDS信號發生器。

2.1.2 信號注入模塊

信號注入模塊負責將信號產生模塊中發出的信號高質量注入到低壓網絡中。在注入過程中，該模塊需要確保供電網絡的高壓交流側與信號產生模塊的低壓直流側在物理意義上保持隔離狀態。

信號注入模塊的核心部分是信號耦合電路，本文采用電容耦合的方式，相比于電感耦合，電路結構更加簡單，傳輸特性更優秀[9]。電容耦合的主要元件是耦合電容器，電路圖如圖5所示，該耦合電路將高頻特征信號直接注入到低壓電網中。

圖5 電容耦合電路Fig.5 Capacitive coupling circuit

圖5中，C1一端接入低壓電網，因此需要采用高壓電容，耐壓值大于300 V；高頻電容C1不僅起到耦合高頻載波信號的作用，而且還能隔離高壓工頻信號；T1的初級線圈與C1組成高通濾波電路，阻止來自電網的工頻信號，削弱低頻噪聲和干擾信號，同時保證高頻特征信號的通過，并盡量減少對其的衰減作用；R2是一個阻值非線性的壓敏電阻，正常情況下漏電流很小，對電路的作用可以忽略，當其兩端的電壓超過了自身的額定值時，R2阻抗明顯減小，電流主要從該通路流過，對電路中其他元件起到保護作用；R1為C1的卸荷電阻，用于消耗積累在C1兩端的電荷。

2.2 信號擾變模塊

考慮到信號注入后傳播沒有方向性，為防止反向信號反射后與原信號發生串擾，還需在反向加入擾變模塊對反向信號進行抑制。夾式電源線濾波磁環因為可單觸式安裝，不必切割電纜，且具有極佳的高頻噪聲吸收性能，在高頻信號抑制中應用最廣。根據信號衰減程度的要求，我們選擇了ZCAT 2035-0930型號的磁環濾波器，對于該磁環進行掃頻測試，得到了其對應的伯德圖，如圖6所示。幅頻特性圖表明該濾波器對500 MHz～1 GHz的信號衰減程度≥52 dB。

圖6 濾波磁環幅頻特性圖Fig.6 Amplitude-frequency characteristic curve of filter

2.3 信號識別模塊

信號識別單元負責對伴隨線路走向的信號進行接收，再對信號進行采集、解調、判斷，最后將結果顯示出來。信號識別單元又可以分為信號接收模塊和采集處理模塊。

圖7 信號識別模塊組成框圖Fig.7 Composition block diagram of signal identification module

2.3.1 信號接收模塊

信號接收模塊用于接收待測線路中具有特征值的無線信號，使用天線裝置來實現。選用摩托羅拉PMAE4002/3 GP系列全向天線。

2.3.2 采集處理模塊

使用DSP數字信號電路來實現對于高頻信號的實時處理[10]，硬件系統板選用FMC6416P/PA，為了檢驗其響應速度，我們對該類元件進行1 000次中斷響應速度試驗。測試時，采集處理板供電電壓5 V，數據口連接電腦，測試表明，該采集處理板的中斷響應用時均小于1 μs，滿足我們高速信號采集的需求。運用Java語言編寫了軟件程序，程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖Fig.8 Procedure flow chart

對編寫的程序進行調試、仿真，檢驗其信號采集和處理仿真準確率。測試時，將不同頻率下有特征值的信號和無特征值的信號都輸入程序中，檢驗程序是否能成功輸出結果。測試結果表明：程序的信號采集和處理仿真準確率達到100%，滿足工程實踐要求。

3 現場試驗及結果分析

低壓供電網絡暗埋式線路走向識別儀研發完成后，為了驗證整體效果，我們選取了共10處居民小區（5處老小區和5處新小區），使用本儀器對其暗埋式線路分別進行了表后線排查工作和表后線竣工驗收工作。

為實現不入戶不斷電識別暗埋線路走向，最大探測深度、最大探測距離是該識別儀必要的兩個性能指標。

3.1 最大探測深度模擬測試

最大探測深度表明了該識別儀能檢測到的輸電線的最大埋線深度。測試時，測試信號頻率為1 GHz，強度為15 dBm，線纜長度150 m，隔離材料密度為2 500 kg/m3，測試結果如圖9所示。

圖9 最大探測深龐測試結果Fig.9 Test results of maximum detection depth

由圖9可知，10次測試得到的最大探測深度平均值為256.61 mm，最小值為255.8 mm，大于一般情況下的暗埋線路深度。

3.2 最遠探測距離模擬測試

最遠探測距離是指手持的信號接收模塊能接收到信號處與信號注入點處的最大距離。測試信號頻率為1 GHz，強度為15 dBm，暗埋線纜與探測儀之間間隔240 mm，隔離材料為2 500 kg/m3的混凝土，進行了10次測試，結果如圖10所示。

圖10 最遠探測距離測試結果Fig.10 Test results of farthest detection distance

由圖10可知，10次測試的平均最大探測距離為205.29 m，最小值為204.7 m，滿足現場測試要求。

綜上所述，識別儀能夠實現不入戶、不斷電識別低壓供電網絡線路走向的功能?，F場測試通過后，使用本儀器共完成1 470戶新老小區的表后線核對工作，現場工作時不入戶率、不停電率均達到100%，大大降低了戶表關系核對的人力和時間成本。

4 結論

文中提出了一種基于高速信號采集處理的低壓供電網絡暗埋式線路走向識別儀設計思路，利用電容耦合電路將特征信號注入傳輸線中，并利用傳輸線的天線特性檢測其輻射出的特征信號，從而判斷暗埋式線路的走向。

現場實測結果表明，該識別儀可探測暗埋深度小于等于255.8 mm的線路，可以在信號加載點204.7 m之內探測到特征信號。將本文中提出的低壓供電網絡暗埋式線路走向識別儀用于實際居民樓戶表關系核對案例中，實現了不停電、不入戶的情況下檢測到暗埋線路的走向從而核對戶表關系的目標，極大地節約了人力，有效提高戶表關系核對的效率。