信噪比與過零時刻聯合智能臺區識別算法優化研究與應用

羨慧竹 李季巍 潘全成 宋瑋瓊 趙 成

（國網北京市電力公司）

0 引言

低壓臺區戶變關系的準確識別對于臺區精益化管理十分重要，實際工作中臺區線路改造后，營銷系統中的檔案信息沒有及時訂正；電力線路圖紙存檔年代久遠造成用戶所屬饋線混淆；埋地電纜走向由于城市規劃在探測時非常困難；現有保留客戶計量裝置的資料、接戶線的路徑等不全面的現象時常發生。近年來，隨著城市化發展，居民小區不斷增加，用電負荷加大，一些低壓戶違約用電，私自搭接線路，造成用戶電能表臺區歸屬不清，不僅影響臺區線損指標，甚至引發客戶間的計量、債權糾紛，影響供電企業形象的事情時有發生，加重了供電企業的經營風險，同時對供電企業的效益也造成一定程度的影響。

傳統的臺區識別方法大多是通過基于電力線載波通信的臺區識別儀等設備，人工現場進行逐一識別，費時費力還無法發現臺區用戶遺漏的情況。對于非電力線載波通信的自動抄表系統，電力線與通信信道分離，因此不能在未安裝脈沖信號接收器的情況下通過傳統的臺區識別儀方式查詢節點信息來確定臺區歸屬。因此臺區識別儀的實用性和便捷性均不理想。

為解決上述問題，北京電力公司開展相關技術研究，實現了基于高速電力線載波通信信噪比和過零點聯合的無擾臺區識別算法，在不增加外部設備的情況下，實現臺區歸屬關系的快速、準確識別。該技術方案自2018年在北京地區進行推廣應用，截至2020年10月底，已覆蓋32000個臺區，300萬低壓用戶，平均采集成功率99.75%，平均臺區識別成功率99.4%。

1 臺區識別技術研究與應用現狀

1.1 臺區識別技術基本原理

現有臺區識別技術方案是在不增加外部設備的情況下，借助高速載波技術特點和電網信號特性，在高速載波互聯互通協議構建的用電信息采集系統本地通信網絡基礎上，通過電表節點獲取電力網絡自身信號特征，感知周邊鄰居網絡信號差異，進行綜合統計和運算分析，實現低壓臺區電能表戶變關系自動、精準識別。

1.2 實現機制

HPLC信號在多個臺區間存在串擾的原因主要有兩個，一是共零線導致，二是空間耦合。鄰居網絡串擾信號強度通常要比本網絡弱，利用這一特性，可以優先進行臺區歸屬識別，即為SNR方式的無擾識別。

基于不同變壓器下用電負載不同而導致工頻零點變化趨勢不同，同一物理臺區變化趨勢相近的特性，也可以進行臺區識別，即為NTB方式的無擾識別。

將SNR和NTB兩種識別方式融合來進行臺區歸屬的判斷，兼顧識別效率和識別準確性。

在完成HPLC網絡的組網優化后，主節點周期性下發過零NTB信息。節點在入網后的運行過程中也在持續收集周圍臺區的SNR和NTB數據，不斷進行相似度計算，修正識別結果。

如圖1所示，識別階段流程如下：

圖1 識別階段流程圖

STA節點在入網后持續收集各個網絡SNR數據，為了防止SNR數據抖動進行滑窗處理，累計統計多個窗口的數據，到期后綜合每個網絡的SNR值和NTB數據，進行相似度分析，判斷相似度最高的為真實所屬臺區，STA從當前網絡離線，向真正歸屬臺區申請加入。集中器定期發送命令向CCO收集臺區識別結果，并上報采集主站。

1.3 存在問題

基于上述SNR＋NTB結合的技術方案，可以實現在大部分臺區線路環境下戶變關系的準確識別，整體識別成功率較高，但仍存在部分臺區識別結果存在較大偏差，影響采集、購電等業務的情況。經分析，一部分是臺區NTB數據受臺區負荷和大噪聲影響，導致識別算法準確性出現錯誤，進而影響識別結果正確性。另一部分是受臺區共零等因素影響，整體識別結果出現頻繁跳變，影響識別結果穩定性。本文針對上述兩方面的問題，分別從NTB識別算法數據處理方案優化和識別流程優化兩方面給出解決方案。

2 臺區識別技術優化方案

2.1 NTB識別算法數據處理方案優化

以工頻過零周期為特征的無擾識別算法是基于不同變壓器下用電負載不同而導致工頻零點變化趨勢不同，同一物理臺區變化趨勢相近的特性，HPLC載波STA站點收集各臺區工頻周期抖動偏差值與自身采集的工頻周期抖動偏差值進行相似度計算，評估出歸屬臺區，如圖2所示。

圖2 工頻周期抖動相關曲線

理論上，同臺區STA與CCO間，NTB信息存在較高的擬合度，但在實際的臺區中，會由于一些原因，導致部分NTB采集數據出現較大失真，代入擬合度算式中會使計算結果出現偏差。

其中最主要的原因是臺區短時負荷波動、噪聲干擾造成NTB數據出現大抖動偏差。為了甄別這種大抖動偏差，引入工頻周期特征擾動幅值J（單位：320ns）：

T為CCO或STA的工頻周期偏差序列數值，n為工頻周期偏差序列個數，若某節點連續一段時間Q內接受的總數據包數為P，工頻周期擾動幅值門限為D，則超過擾動幅值門限的包數占比R為：

實際應用中，Q值取10min，D值取100，R值取80%。即R≥80%，則認為節點在該段時間內NTB值存在大擾動，需要對該段時間數據進行過濾處理。

如果該時間段內，僅STA存在大擾動，CCO無大擾動，則表示此擾動來自局部STA節點，則此段NTB數據無效，需做丟棄處理。

如果該時間段內，某臺區CCO出現大擾動，且根據STA與CCO的歷史數據看，此大噪聲導致相似度大幅度降低，則此段NTB數據無效，需做丟棄處理。

表1、表2為北京通州地區某臺區實采CCO和STA的部分原始NTB數據，采集10輪，每輪采集17個過零NTB值。

表1 CCO采集的過零NTB數據

表2 STA采集的過零NTB數據

按照每5輪進行一次工頻周期特征擾動幅值評 估，分析結果見表3、表4。CCO在采集時段內無大擾動影響。STA在第1～5輪的采集周期內，有4輪的工頻周期特征擾動幅值J超過門限，R≥80%，故將該期間內數據做剔除處理。

表3 CCO工頻周期特征擾動幅值分析

表4 STA工頻周期特征擾動幅值分析

基于該臺區數據，在對工頻周期大擾動數據進行過濾前，計算的STA與CCO的相似度值為：

在對STA進行大擾動偏差濾除后，計算的STA與CCO的相似度值為：

實際應用中，還發現兩個因素可能導致NTB采集數據出現失真或異常，需對NTB采集數據進行處理。

1）電網系統內用戶側容性或感性負載出現較大波動引起工頻短時畸變，導致STA側和CCO側的過零NTB周期偏差了1個周期，影響相似度計算準確性，此時需對數據組進行整體偏移，保證數據起始時刻在同一個周期內。

2）由于HPLC芯片硬件設計缺陷或通信網絡傳輸異常，導致STA側和CCO側的過零NTB數據存在丟失過零現象，對于連續兩個周期偏差大于40ms的數據判定為丟失過零，需進行剔除處理。

2.2 識別流程優化方案

原有臺區識別方案中，為避免STA節點運行過程中頻繁更換網絡，引入網絡鎖定機制，CCO完成一輪搜表后發送鎖定命令，STA接收到CCO的搜表鎖定命令進入鎖定階段，在鎖定階段的處理機制與識別階段相同，僅是數據統計時間進行延長，累計統計N個窗口的數據后進行一次臺區評估。如圖3所示，STA共存在初始化、未入網、已入網和網絡鎖定四種狀態。

圖3 狀態切換示意圖

1）初始化：STA上電后處于初始化階段，在初始化階段主要進行信噪比數據的統計，評選出歸屬的臺區，進入“未入網”狀態。

2）未入網：進入“未入網”狀態后，向已選擇的CCO網絡發起關聯請求，STA通過CCO的入網認證后，進入“已入網”狀態。

3）已入網：進入“已入網”狀態后，在運行過程中會持續統計信噪比數據，若STA評估過程中發現真實屬于臺區有變化，則從當前網絡離線，進入“未入網”狀態。若STA在當前網絡接收到CCO的網絡鎖定命令，則進入“網絡鎖定”狀態。

4）網絡鎖定：進入“網絡鎖定”狀態后，STA會進行長期的數據統計，長期統計結果發現真正所屬臺區發生變化，則從當前網絡離線，進入“未入網”狀態。

網絡鎖定機制具體描述如圖4所示。

圖4 網絡鎖定機制示意圖

1）集中器下發“啟動搜表“命令，通知CCO啟動搜表。

2）CCO廣播通知全網“開始搜表”。

a）單相表或者三相表載波模塊，不需要搜表；

b）Ⅱ采收到“啟動搜表“命令，開始搜表流程。

3）CCO根據網絡拓撲信息，單播向各個沒有查到搜表結果的Ⅱ采和STA的發送“查詢搜表結果”報文。

4）Ⅱ采或STA收到CCO“查詢搜表結果”命令時，上報搜表結果。若之前未收到“開始搜表”消息，立即開始搜表。STA收到命令直接回復表地址。

5）CCO收到Ⅱ采或STA的搜表結果，若狀態為搜表完成，向Ⅱ采或STA發送“鎖定“命令。Ⅱ采或STA收到“鎖定”命令后，鎖定網絡成功后，回復“確認”報文。

6）CCO收到針對“鎖定”報文的“確認”報文時，將對應Ⅱ采或STA的搜表結果上報到集中器。

7）搜表結束，分以下兩類情況：

a）搜表時間超過集中器通知的時間，結束搜表；

b）集中器下發“結束搜表”的命令。

8）集中器根據搜表結果，和CCO同步表檔案。

在原有識別流程中，允許STA在一段時間統計后，發現歸屬臺區發生變化時從當前網絡離線，經分析，現場部分共零或噪聲干擾嚴重臺區，SNR值受線路環境影響波動明顯，造成識別結果跳變，進而影響抄表、購電等營銷業務開展，造成一定的服務風險。為此，針對識別流程中狀態切換和鎖定機制進行分析研究，提出相關流程優化方案，即調整STA鎖定階段自主離網條件，增加集中器鎖定解鎖命令，形成集中器側主導的每日定時解鎖和節點切換模式，減少因節點跳變導致的營銷業務中斷。

優化后的臺區識別方案中，STA接收到CCO的搜表鎖定命令后，進入鎖定階段，在鎖定階段站點僅持續計算與周圍各網絡的相似度，不主動進行網絡切換。數據統計機制與識別階段相同，僅是SNR數據統計時間進行延長，累計統計N個窗口的數據進行一次臺區評估。如圖5所示，STA共存在初始化、未入網、已入網和網絡鎖定四種狀態。

圖5 優化后狀態切換示意圖

1）初始化：STA上電后處于初始化階段，在初始化階段主要進行信噪比數據的統計，評選出屬于優化后的臺區，進入“未入網”狀態。

2）未入網：進入“未入網”狀態后，向已選擇的CCO網絡發起關聯請求，STA通過CCO的入網認證后，進入“已入網”狀態。

3）已入網：進入“已入網”狀態后，在運行過程中會持續計算與周圍網絡的相似度，若STA評估過程中發現真實屬于臺區有變化，則從當前網絡離線，進入“未入網”狀態。若STA在當前網絡接收到CCO的網絡鎖定命令，則進入“網絡鎖定”狀態。

4）網絡鎖定：進入“網絡鎖定”狀態后，STA會進行長期的數據統計，將統計結果記錄在本地。收到加入CCO的解鎖命令后，STA進入“已入網”狀態，可根據評估結果切換網絡。若站點因為通信原因，長時間無法加入鎖定網絡（3h），允許自動解鎖離網，選擇相似度最高的網絡加入。

網絡鎖定機制的調整如圖6所示。

圖6 優化后網絡鎖定機制示意圖

1）每日搜表30min前，集中器下發“設置從節點解鎖”命令，觸發CCO通知STA解除網絡鎖定，CCO接收到從節點解鎖命令后在5min內廣播5輪。STA解除鎖定后，自動向相似度最高的網絡申請加入。

2）30min后，集中器下發“啟動搜表”命令，通知CCO啟動搜表。

3）CCO廣播通知全網“開始搜表”。

a）單相表或者三相表載波模塊，不需要搜表；

b）Ⅱ采收到“啟動搜表“命令，開始搜表流程。

4）CCO根據網絡拓撲信息，單播向各個沒有查到搜表結果的Ⅱ采和STA的發送“查詢搜表結果”報文。

5）Ⅱ采或STA收到CCO“查詢搜表結果”命令時，上報搜表結果。若之前未收到“開始搜表”消息，立即開始搜表。STA收到命令直接回復表地址。

6）CCO收到Ⅱ采或STA的搜表結果，若狀態為搜表完成，無需集中器發送“鎖定”命令，CCO直接向Ⅱ采或STA發送“鎖定”命令。Ⅱ采或STA收到“鎖定”命令后，鎖定網絡成功后，回復“確認”報文。

7）CCO收到針對“鎖定”報文的“確認”報文時，將對應Ⅱ采或STA的搜表結果上報到集中器。

8）搜表結束，分以下兩類情況：

a）搜表時間超過集中器通知的時間，結束搜表；

b）集中器下發“結束搜表”的命令。

9）集中器根據搜表結果，和CCO同步表檔案。

通過上述方案對識別流程進行優化后，識別結果穩定性得到明顯提升。識別檔案每日更新至采集主站系統，系統將新識別結果與現有檔案進行比對，形成差異檔案同步至營銷系統后，系統可自動調整、更新臺區檔案，避免傳統因人工調整不及時、不準確影響營銷業務的情況，進一步提升了臺區管理的自動化、精益化水平。

3 優化方案效果驗證

確定上述臺區識別優化方案后，選取運行過程中存在典型問題的臺區分別進行驗證。在通州地區某臺區進行實測，存在大擾動影響NTB采集數據情況，通過計算工頻周期特征擾動幅值對NTB數據進行處理，大幅度提升相似度判斷的準確性，臺區識別準確率由89.1%提升至97.9%。在密云一部分臺區進行實測，存在負荷擾動造成工頻短時畸變和NTB數據丟失情況，通過對數據組進行偏移計算和處理，相似度數據波動明顯減小，臺區識別準確率由90.3%提升至99.6%。

表5 應用成效統計表

通過對運行集中器、通信單元和相關信息系統進行升級優化，實現上文所述臺區識別流程優化方案，強串擾臺區的識別穩定性有顯著提升，高頻跳變節點的日數據抄讀成功率由47.6%提升至99.4%。

4 結束語

綜上所述，文中提出的基于NTB識別算法數據處理和識別流程的優化方案對臺區局部存在時變大擾動和跳變明顯的臺區場景的識別準確率會有較大提升，具有較好應用價值。