電力線路線損監測系統的設計與實現*

張曉新王國偉林 峰王宇鵬

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學自動化學院，遼寧 沈陽 110136)

線損率是量化線損的衡量標準，是綜合體現電力系統方案設計及經營管理水平的重要標準，與電力供應企業的經濟效益密切相關，是電力供應企業的一項重要經濟指標[1-2]。臺區是指一臺變壓器的供電區域，低壓臺區指變壓器用戶側380 V/220 V所覆蓋的區域。在電力供應系統總體線損中，低壓臺區產生的線損占60%～70%，不僅給電力供應企業帶來了巨大的經濟損失，也給用戶的用電安全來了一定的隱患[3-4]。

如今，大多數電力供應企業所采取的線損監測方法為:電能表定時上傳用戶用電數據至電網管理平臺，由工作人員分析是否存在線損超標的情況，若發現該臺區內存在線損超標情況，電力供應企業會派出工作人員在該臺區內進行逐點排查，找出線損超標原因[5]。目前主要存在的兩個問題:絕大多數的智能型電表在長時間的運行后，時鐘基準會發生偏移，造成電表的用電數據上傳時間點相差很大，從而導致所計算出的線損率與實際線損率相差較大；在已知線損超標的情況發生后，現有平臺缺乏對故障點定位功能，人工排查費時費力。隨著電力計量系統的建設和國家電力體制改革的深化，如何有效加強低壓臺區的線損管理，變得尤為重要[5]。

本文提出一種物聯網方案，以STM32 控制器為核心，使用電量計量芯片、645 規約、698 規約實時監測低壓臺區的線損情況。結合NB-IoT 技術，與OneNet 云平臺之間通過MQTT 協議通訊，實現監測數據上報與用戶命令下發功能。通過上位機網頁，獲取OneNet 云平臺中的監測數據并計算分析，實現一鍵線損率計算、故障點定位的功能。

1 線損監測理論依據

本節介紹的電流、線損率公式推導是上位機線損率計算、故障點定位功能的理論依據。根據低壓臺區的情況，建立臺區的樹形結構如圖1 所示，此臺區包括城鎮線路、散戶線路共有k條。每條線路上有n個節點，用于監測此節點所在線上實際電流。每條線路包含n-1 條支路，在城鎮線路中，支路與安裝在樓道內的電表箱相連；在散戶線路中，支路與安裝在戶外的電能表相連。

圖1 低壓臺區線路樹形結構

圖1 中每條支路所通過的實際電流可通過相鄰兩節點電流的差值求出，表達式為:

式(1)中，Ibypath(i，j)為支路[i，j]的電流，i=1，2，…，n，j=1，2，…，k；Inode(i，j)、Inode(i，j+1)分別為節點[i，j]、節點[i，j+1]所流過的電流。各個線路中的總電流表達式:

在式(2)中，ILi為第i條線路的總電流；Ibypath(i，j)為支路[i，j]的電流；Inode(i，n)為節點[i，n]所經過的電流。

由式(1)可得出各個支路的線損率表達式:

在式(3)中，Rbypath(i，j)為支路[i，j]的線損率；Imeter(i，j)為電表箱[i，j]或電表[i，j]所流過的總電流值；Inode(i，j)、Inode(i，j+1)分別為節點[i，j]、節點[i，j+1]所流過的電流。各個線路的線損率表達式:

在式(4)中Ri為第i條線路的線損率；Imeter(i，j)為電表箱[i，j]或電表[i，j]所流過的總電流值；Inode(i，1)、Inode(i，n)分別為節點[i，1]、節點[i，n]所流過的電流。

低壓臺區總體線損率為各條線路線損率平均值，表達式為:

在式(5)中Rsum為圖1 中變壓器所覆蓋的低壓臺區的線損率，Ri為各條線路的線損率。

2 系統結構框架

本文所設計的電力線路線損監測系統，具有數據采集、數據初步處理、數據上傳、云端數據存儲、云端數據計算、原始數據及計算結果顯示的功能[6]。可根據典型物聯網設備架構分為三層:感知層、網絡傳輸層、應用層[7-8]，系統架構如圖2 所示。

圖2 系統結構框架

感知層負責臺區內用戶用電量數據的采集、初步處理、上傳，共包含三種設備:設備α、設備β、設備γ。設備α 安裝在城鎮線路樓道內的電表箱中，功能是對城鎮線路的線損進行監測，包括電表箱進線總電流的采集、電表箱內各用戶電能表統計電流的讀取以及線損的計算。設備β 功能是采集圖1中散戶線路節點上流過的實際電流。設備γ 的功能是讀取圖1 中散戶線路上用戶電能表所統計的電流。設備β、設備γ 相互配合監測散戶線路的線損情況，服務器接收到設備β、設備γ 的數據后進行散戶線路的線損計算。

網絡傳輸層中的基站負責與感知層中的設備α、設備β、設備γ 通過NB-IoT 模塊建立連接。基站作為中間樞紐將數據轉存入服務器，服務器對接收的數據進行儲存、計算。

應用層由Web 上位機、手機App 組成，調取服務器中儲存的原始數據和計算結果，呈現于用戶面前。用戶可通過應用層向設備α、設備β、設備γ 發送指令控制設備立即上傳數據，實時掌握設備運行狀態。

3 系統硬件設計

系統硬件部分所包含的三個設備:設備α、設備β、設備γ。其中，設備α 負責城鎮居民臺區的用電數據采集；設備β、設備γ 相互配合，完成散戶居民臺區的用電數據采集，系統硬件設計如圖3 所示。

圖3 系統硬件設計

3.1 城鎮臺區集中表箱端(設備α)硬件設計

設備α 組成如圖3 中城鎮臺區設備α 框圖所示，共包含7 部分:電流采集單元、NB-IoT、控制器、顯示屏、485 接口、輸入按鍵、單相型智能電表。電流采集單元用于采集線纜上流過的電流，并將數據通過串口傳送至控制器，485 接口使用645 規約、698 規約與單相智能型電表建立通訊，讀取電表中的電流數據，并將電流數據送至控制器，控制器將接收到的數據進行初步處理，并通過NB-IoT 將原始數據及分析結果統一上報至云平臺[9-10]。用戶可通過顯示屏、輸入按鍵查看臺區內用電數據和設置電流互感器變比。

3.2 散戶臺區節點端(設備β)硬件設計

設備β 其組成如圖3 中散戶臺區設備β 框圖所示，設備β 共包含3 部分:控制器、電流采集單元、NB-IoT。控制器通過電流采集單元采集線上電流，將電流數據通過NB-IoT 上傳至云平臺。

3.3 散戶臺區單表位端(設備γ)硬件設計

設備γ 組成如圖3 中散戶臺區設備γ 框圖所示，設備γ 共包括4 部分:控制器、485 接口、NB-IoT、單相型智能電表。控制器通過485 接口使用645 規約、698 規約讀取單相智能電表中的電流值，并通過NB-IoT 上傳至云平臺。

3.4 電流采集單元硬件設計

在設備α、設備β 硬件設計中都用到了電流采集單元，這部分關系到線損檢測的準確性。電流采集單元由電量計量芯片、電流互感器所構成[11]，電流采集單元如圖4 所示。為了提高測量精度，采用多項式擬合算法對數據進行處理。

圖4 電流采集單元

以200/5 A 電流互感器為例，借助MATLAB 工具，使用數據擬合的手段將電流采集精度提升至0.3%，滿足了電力線路線損監測系統所需的精度要求。數據擬合所使用的數據由實驗所得，采集電流的數據擬合樣本如表1 所示。

表1 采集電流的數據擬合樣本

由表1 中數據擬合所得多項式為:

在式(6)中，x是控制器從電量計量芯片所接收的數據，作為多項式的輸入量；y是被測電力線纜中流過的實際電流，是多項式的輸出量，表2 所列為多項式中的各項系數。

表2 多項式系數

4 上位機介紹及現場實驗分析

4.1 上位機軟件介紹

上位機采用Java 語言進行開發，利用MySQL 數據庫獲取OneNet 云平臺數據，實現命令下發、監測節點數據儲存、線損率實時計算、故障點定位的功能[12-13]，圖5 為低壓臺區上位機監測頁面。

根據低壓臺區電網的分布特點，上位機監測界面左側呈樹形結構[12]。“XX 片區”為實驗現場中某一低壓臺區，根據用戶居住環境的不同，“XX 片區”分為兩部分:(1)城鎮居民臺區(圖中“樓房臺區1”)；(2)散戶居民臺區(圖中“胡同臺區1”)。

城鎮居民臺區包括1 號樓、2 號樓，每棟樓中又包含五個單元，系統以單元為單位對城鎮居民臺區進行線損監測。散戶居民臺區包含1-5 號胡同線路。每個胡同線路中包含若干分支段路，例如在圖5 中1 號胡同線路包含1 號段路、2 號段路、3 號段路，系統以段路為單位對散戶居民臺區進行線損監測。上位機根據多節點監測數據，實時計算各分支的線損率及低壓臺區內總體線損率，用戶可點擊左側樹形結構中節點查看。

圖5 低壓臺區上位機監測頁面

例如，點擊圖5 樹形結構中的1 單元，可查到此單元的總電流為80.38 A，線損率為9.976%；點擊1號段路，可查到此段路的總電流為50.323 A，線損率為4.283%。

4.2 現場實驗分析

在某線損率超標嚴重的臺區內，按照此臺區供電線路的樹形結構安裝設備，建立監測點。監測系統啟動約2 min 后，上位機陸續顯示監測信息，此時臺區的線損率為16.3%，總損失電流為82.47 A，其中城鎮居民臺區的線損率為7.3%，損失電流為22.82 A，占整個臺區總損失電流的27.67%；散戶居民臺區的線損率為30.9%，損失電流為59.65 A，占整個臺區損失電流的72.33%。

經以上監測信息得知，散戶居民臺區的線損率嚴重超過國網管理規定的9%[6]。系統通過上位機對圖5 左側樹形結構中胡同臺區1 的各個胡同線路的線損獲取分析，胡同臺區的胡同線路共有5 條，記為Li，i=1，2，…，5，RLi為各條胡同線路的線損率，ILi為各條胡同線路的損失電流，胡同線路監測數據如表3 所示。

表3 胡同線路監測數據

其中，RL1嚴重超過其他胡同線路的線損率，系統進一步對胡同線路1 的各個分支段路的線損獲取并分析。R(L1，j)、I(L1，j)，j=1，2，3 為胡同線路1 各分支段路的線損率、損失電流數據如表4 所示。

表4 胡同線路1 分支段路監測數據

其中R(L1，2)遠超正常的線損率，說明胡同線路1中的分支段路2 存在故障點。工作人員對胡同線路1的分支段路2 展開排查，在此段路的電力井中發現有非法私接線路現象。解決此故障后再次對此段路監測，I(L1，2)由19.4 A 減小為0.9 A，R(L1，2)由60.1%減小為2.8%；此低壓臺區總線損率由16.3%減小為12.6%。以此方法類推，解決其余各路的線損超標問題，最終將此低壓臺區總線損率降低至5.8%。

5 結語

針對電力供應企業降低低壓臺區線損的需求，本文中提出的方案，基于現有的低壓臺區電力系統，在不改變現有電力線路的情況下，實時采集用戶用電數據并迅速判斷是否發生線損超標，定位故障點。用戶可通過上位機實時監測低壓臺區內線損情況。現場實驗結果表明，本文所設計的電力線路線損監測系統具有較好的實用性，實現了低壓臺區內線損監測和故障點定位功能。