張鳳翱，李國平

（國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

基于載波通信技術(shù)的低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動化識別系統(tǒng)

張鳳翱，李國平

（國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

運用一種低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動識別技術(shù)，通過在表箱、分支表箱、出線開關(guān)處安裝各類編碼控制器，實現(xiàn)對臺區(qū)低壓側(cè)設(shè)備、各設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系的自動化信息管理。為低壓線損分段、分塊的準(zhǔn)確分析、基于臺區(qū)低壓設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系管理的GIS信息管理系統(tǒng)提供一種自動化、信息可識別的實現(xiàn)方法。

低壓配電網(wǎng)；臺區(qū)線損；編碼控制器；OFDM PRIME載波

0 引言

低壓配電網(wǎng)是直接面向用戶供電的末端網(wǎng)絡(luò)，是電網(wǎng)的重要組成部分，近年來隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，低壓配電網(wǎng)智能終端監(jiān)測、用電信息采集、低壓電網(wǎng)GIS（地理信息系統(tǒng)）等系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用，為低壓電網(wǎng)的智能化、信息化管理創(chuàng)造了有利條件，大大提高了供電可靠性和安全性。但上述系統(tǒng)在建設(shè)過程中，對公用變壓器（以下簡稱公變）以下的用電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)字化信息管理均處于盲區(qū)，基本以紙質(zhì)條形碼人工方式進行信息管理，人力投入較大、工作效率低，設(shè)備變化的實時性和正確性得不到保證。實際應(yīng)用中，基本以公變?yōu)閱挝粚ε_區(qū)的低壓設(shè)備進行分類匯總統(tǒng)計，難以對具體低壓設(shè)備進行定位與查詢，也不能反應(yīng)相關(guān)設(shè)備之間的拓?fù)鋵哟侮P(guān)系。而隨著各信息系統(tǒng)的逐步推進，電力部門對低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用逐漸深入，相關(guān)問題隨之產(chǎn)生，如：出現(xiàn)線路或設(shè)備故障時，難以準(zhǔn)確定位設(shè)備位置進行快速排查；臺區(qū)線損偏高時，難以通過分塊、分段的方式縮小排查范圍；配電箱、電纜分支箱、表箱等電氣設(shè)備之間缺乏拓?fù)潢P(guān)系，難以實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)所有設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)的動態(tài)管理。

針對上述問題，提出一種解決思路及手段，通過在低壓配電網(wǎng)的各級設(shè)備，包括變壓器、出線間隔或配電箱、開關(guān)或漏電保護器（以下簡稱漏保）、分支箱、電表箱、電表及采集器上裝設(shè)各類編碼通信器，利用新一代通信技術(shù)，自動建立全部低壓設(shè)備的電子身份信息檔案庫。

1 總體設(shè)計思路

對于公變下的電力設(shè)備，信息化管理的重點是：出線間隔箱/配電箱、開關(guān)或漏保、分支箱、電表箱、電表及采集器。該自動化識別系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是在上述設(shè)備附近并聯(lián)安裝編碼通信器，通過設(shè)置編碼通信器所在設(shè)備的類型、編碼、地理位置信息等，實現(xiàn)對低壓設(shè)備的拓?fù)浼靶畔⒐芾?。編碼控制器是一種特殊的數(shù)據(jù)通信裝置，各類編碼管理器均內(nèi)置基于PRIME技術(shù)的載波通信模塊，采用PRIME載波技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)自發(fā)現(xiàn)、自注冊技術(shù)，國網(wǎng)RS485電能表的自動搜索表地址技術(shù)，由臺區(qū)公變編碼管理器實現(xiàn)各級設(shè)備編碼、設(shè)備類型、電能表與表箱編碼管理器之間拓?fù)潢P(guān)系的設(shè)備信息采集及管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決

2.1 關(guān)鍵通信技術(shù)方案

2.1.1 PRIME載波通信

集中器與各種編碼管理器之間采用PRIME載波通信技術(shù)。PRIME是由PRIME聯(lián)盟推出的開放式多供應(yīng)商解決方案，采用OFDM技術(shù)，使用了97個子載波、2.24 ms的長符號、2 ms的序和4.48的開頭。為了避免重復(fù)法和RS糾錯的復(fù)雜性，采用了能效高3倍的符號來提高通信穩(wěn)定性。

PRIME系統(tǒng)是由各臺變的子網(wǎng)構(gòu)成的，每個子網(wǎng)含有2種節(jié)點，包括基礎(chǔ)節(jié)點和各業(yè)務(wù)節(jié)點，如圖1所示。

圖1 PRIME系統(tǒng)子網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1.2 基礎(chǔ)節(jié)點

基礎(chǔ)節(jié)點是連接子網(wǎng)的主節(jié)點，管理子網(wǎng)的資源和連接。每個子網(wǎng)只有1個基礎(chǔ)節(jié)點?；A(chǔ)節(jié)點自身對子網(wǎng)做初始化，其他節(jié)點按照一定的注冊流程登錄到該子網(wǎng)中。

2.1.3 業(yè)務(wù)節(jié)點

子網(wǎng)的其他節(jié)點都是業(yè)務(wù)節(jié)點。這些節(jié)點在斷開狀態(tài)下按一定的規(guī)程啟動建立網(wǎng)路連接，每個這樣的節(jié)點都是子網(wǎng)網(wǎng)格的一個點。這些點的作用是：將自身連接到子網(wǎng)、轉(zhuǎn)接鄰近節(jié)點的數(shù)據(jù)實現(xiàn)中繼連接。

業(yè)務(wù)節(jié)點的工作態(tài)在“端接”和“轉(zhuǎn)接”之間動態(tài)轉(zhuǎn)換。節(jié)點功能狀態(tài)的轉(zhuǎn)換根據(jù)預(yù)先定義好的網(wǎng)路事件來觸發(fā)。

如圖2所示，業(yè)務(wù)節(jié)點有3種功能狀態(tài)：

（1）斷開：業(yè)務(wù)節(jié)點從斷開開始工作。在此狀態(tài)下，節(jié)點不能和其他節(jié)點通信或通信轉(zhuǎn)接。在這個狀態(tài)下基礎(chǔ)節(jié)點的主要功能就是搜尋一個可用的鄰近網(wǎng)絡(luò)并主動注冊。

（2）端接：這種狀態(tài)下業(yè)務(wù)節(jié)點只能建立連接實現(xiàn)通信傳輸，不能轉(zhuǎn)接其他節(jié)點的通信。

（3）轉(zhuǎn)接：這種狀態(tài)下業(yè)務(wù)節(jié)點除了端接功能外，還有轉(zhuǎn)接子網(wǎng)其它設(shè)備數(shù)據(jù)的功能。

圖2 業(yè)務(wù)節(jié)點的功能狀態(tài)

PRIME協(xié)議規(guī)定，中繼級別數(shù)沒有限制。由于PLC通路的雜音衰耗的隨機時變性，各個中繼節(jié)點也非固定，而是有隨機被升降的可能。在找到所有的服務(wù)節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)后，基站還要定期下發(fā)廣播信標(biāo)，進行系統(tǒng)巡檢，任免中繼節(jié)點等；網(wǎng)路中所有節(jié)點要回應(yīng)巡檢信標(biāo)，匯報其通路正常信息，另外中繼節(jié)點還要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)。這樣，全網(wǎng)路時刻保持暢通無阻，系統(tǒng)無需進行初期規(guī)劃，即插即用，可實時自動實現(xiàn)網(wǎng)路的互連互通。

2.1.4 MAC層尋址

每一個節(jié)點都有一個通用的MAC地址，這個地址是一個48 bit的字段，在IEE 802-2001中字段被命名為EUI-48。

制造商在生產(chǎn)過程中設(shè)置MAC地址，該地址被普遍用于網(wǎng)絡(luò)注冊過程中以區(qū)別每個節(jié)點。每個子網(wǎng)只有一個基礎(chǔ)節(jié)點，因此該基礎(chǔ)節(jié)點的EUI-48字段由于在全網(wǎng)絡(luò)中的唯一性被用于區(qū)分子網(wǎng)，被稱作子網(wǎng)地址（簡稱SNA）。

SID（轉(zhuǎn)接節(jié)點編號）是一個8 bit的編碼，子網(wǎng)中每個轉(zhuǎn)接節(jié)點都有唯一的SID，子網(wǎng)的基礎(chǔ)節(jié)點在節(jié)點升級過程中對轉(zhuǎn)接節(jié)點設(shè)置SID。通過SNA和SID才能區(qū)別轉(zhuǎn)接節(jié)點。SID=0的情況下該節(jié)點就是基礎(chǔ)節(jié)點。

在注冊過程中，每個節(jié)點都會收到其LNID（本地節(jié)點編碼），這是一個14 bit的編碼，由同一轉(zhuǎn)接節(jié)點服務(wù)的每個節(jié)點會有不同的LNID。在初始化注冊過程中接收到的LNID以及建立該連接的轉(zhuǎn)接節(jié)點的SID，兩者結(jié)合起來被稱作NID（22 bit）。NID可以用于在子網(wǎng)中區(qū)分每個節(jié)點，通過SNA和NID可以區(qū)別每一個節(jié)點，轉(zhuǎn)接節(jié)點的LNID=0。

在每次連接建立過程中，都將產(chǎn)生一個LCID（本地連接編號），這個字段共9 bit，用于區(qū)別每個節(jié)點的每一次連接過程。NID加上LCID被稱作CID（31 bit）。CID可以用于區(qū)別在一個子網(wǎng)中的每一次連接。通過SNA和CID可以區(qū)別每一次連接。

另外還有用于組播和廣播功能的地址，這些地址用于數(shù)據(jù)以及控制信息的傳送。根據(jù)通信流量的實際環(huán)境有幾種組播和廣播功能地址類型。

每個業(yè)務(wù)節(jié)點在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上都有一個等級。和基礎(chǔ)節(jié)點直接連接的節(jié)點的等級是0級。從基礎(chǔ)節(jié)點帶每個和基礎(chǔ)節(jié)點不直接相連的業(yè)務(wù)節(jié)點，等級這樣計算：每過1次轉(zhuǎn)接節(jié)點等級值加1。

2.1.5 載波注冊流程

表箱編碼管理器通過RS485總線與居民表計相連接，并且通過縮位尋址的方式主動發(fā)現(xiàn)設(shè)備地址，并主動上報到主站。實現(xiàn)設(shè)備物理連接的拓?fù)潢P(guān)系識別。

2.2 各節(jié)點設(shè)備、相應(yīng)軟件的功能設(shè)計

對于一套完整的能夠?qū)崿F(xiàn)低壓配電網(wǎng)設(shè)備自動識別技術(shù)的系統(tǒng)，牽涉到的產(chǎn)品范圍包括：

（1）表箱編碼管理器：通過RS485總線，DL 645-2007規(guī)約縮位尋址，廣播自動識別表箱內(nèi)電表通信地址，采集并存儲表計信息、電表類型，存儲表箱編碼、類型信息等，并通過PRIME載波網(wǎng)絡(luò)上傳到臺區(qū)公變編碼管理器。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：03+10位唯一序列號。

（2）分支表箱編碼管理器：存儲分支表箱編碼信息及類型，并上傳到臺區(qū)公變編碼管理器。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：02+10位唯一序列號。

（3）出線開關(guān)編碼管理器：存儲出線開關(guān)編碼信息及類型，并上傳到臺區(qū)公變編碼管理器。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：01+10位唯一序列號。

（4）臺區(qū)公變編碼管理器：采集各類編碼管理器編碼信息、類型，公變下電表表號信息、類型、對應(yīng)表箱編碼拓?fù)潢P(guān)系信息的管理及存儲、并通過GPRS上傳到信息采集管理軟件。其設(shè)備地址編碼規(guī)則為：00+10位唯一序列號。

（5）臺區(qū)低壓設(shè)備信息采集管理軟件：與臺區(qū)公變編碼管理器通信，采集編碼管理器內(nèi)存儲的臺區(qū)下各設(shè)備編碼、設(shè)備類型、設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系。

（6）GIS軟件：根據(jù)采集到的臺區(qū)下各設(shè)備編碼、設(shè)備類型、設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系，生產(chǎn)低壓側(cè)拓?fù)潢P(guān)系及GIS信息圖。

2.3 可實現(xiàn)的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過如圖3所示的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能有效實現(xiàn)對線路上設(shè)備的管理。該樹形結(jié)構(gòu)可以通過上位機導(dǎo)出到XML文件，以便將該樹形結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到現(xiàn)有的營銷系統(tǒng)中，能夠大大減少目前營銷系統(tǒng)的人力操作。

圖3 樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4 與已有系統(tǒng)的互聯(lián)應(yīng)用

系統(tǒng)建設(shè)完成后，所有臺區(qū)低壓側(cè)設(shè)備信息及設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系均能夠通過文件方式導(dǎo)出，或通過Web Service技術(shù)實現(xiàn)與現(xiàn)有GIS系統(tǒng)、電力營銷管理系統(tǒng)、集抄系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息交互，或直接接入現(xiàn)有的集抄系統(tǒng)。

3 測試情況

在實際測試過程中，采用了居民表4臺、表箱編碼管理器2臺、分支表箱編碼管理器2臺、出線開關(guān)編碼管理器2臺、臺區(qū)公變編碼管理器1臺，通過PRIME載波組網(wǎng)測試。采用臺區(qū)低壓設(shè)備信息采集管理軟件讀到的設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。

圖4 通過軟件讀取的設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系

導(dǎo)出到XML文件后，使用IE瀏覽器打開后的樹結(jié)構(gòu)如圖5所示。該樹形結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)入到現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)或者營銷系統(tǒng)中，以備后續(xù)的使用。

圖5 IE瀏覽器打開的樹結(jié)構(gòu)頁面

4 結(jié)語

根據(jù)OFDM PRIME載波技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)自發(fā)現(xiàn)、自注冊等關(guān)鍵特征，RS485電能表DL/T 645規(guī)約的自動搜索表號特征，設(shè)計并研制一種內(nèi)置PRIME載波模塊編碼控制器，針對臺區(qū)低壓設(shè)備信息管理的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了對臺區(qū)低壓側(cè)設(shè)備、各設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系的自動化信息管理的試點應(yīng)用。為下一步即將實施的低壓線損分段、分塊的準(zhǔn)確分析、基于臺區(qū)低壓設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系管理的GIS信息管理系統(tǒng)提供了一種信息自動化、可識別的實現(xiàn)方法。

[1]李晨露.基于OFDM的中壓配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

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[3]朱滿軍.基于PRIME技術(shù)的低壓電力線通信模塊的設(shè)計[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

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[6]戚佳金.低壓配電網(wǎng)電力線載波通信動態(tài)組網(wǎng)方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

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（本文編輯：徐 晗）

Automatic Identification System of Low-voltage Distribution Network Equipment Based on Carrier Communication Technology

ZHANG Fengao，LI Guoping

（State Grid Huzhou Electric Power Company，Huzhou Zhejiang 313000，China）

∶By use of automatic identification technology for low-voltage distribution network equipment，information of equipment at low voltage side in transformer areas and topology relationship of all equipment are automatically managed.Therefore，an automatic and information-identification method is provided for accuracy analysis of low-voltage line loss sections and blocks as well as GIS information management system based on low-voltage equipment topology relationship management in the transformer area.

∶low-voltage distribution network；transformer area line loss；coding controller；OFDM PRIME carrier

.201704015

1007-1881（2017）04-0060-04

：TM727

：B

2016-11-07

張鳳翱（1965），男，高級工程師，從事電能計量管理工作。