（北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100192）

0 引 言

目前我國配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量大、分布廣，運行環(huán)境復(fù)雜。針對線路故障類型、故障停電范圍、保險跌落或開關(guān)跳閘位置等缺少行之有效的監(jiān)測和預(yù)判手段。由于工作人員對現(xiàn)場情況不了解，誤判時有發(fā)生，導(dǎo)致維修方案不合理、搶修力量配置失當(dāng)，延長了故障排除時間，影響了供電質(zhì)量，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。為了實現(xiàn)三相負(fù)載平衡治理、停電故障準(zhǔn)確定位、線損精益計算，需要對線路相位進(jìn)行準(zhǔn)確識別。本文基于LoRa無線通信、過零檢測電路實現(xiàn)相位識別技術(shù)的研究，并搭建智能監(jiān)測系統(tǒng)，完成對低壓配電臺區(qū)用戶的相位識別[1-2]。

1 相位識別理論基礎(chǔ)

我國工頻三相電力供電系統(tǒng)周期T為20 ms，相位差為120°，在時間上三相交流電信號的正向過零點（或反向過零點）相差約6.67 ms，如圖1所示。

圖1 三相過零時序圖

在低壓配電臺區(qū)中，正確識別智能電表所在相位，只需監(jiān)測智能電表監(jiān)測單元端的工頻電壓過零點與臺區(qū)集中器參考相線工頻過零點的相位時間差值，即可獲得相對相位信息，實現(xiàn)相位精確識別[3]。

2 LoRa無線通信

LoRa是一種超長距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，與其他通信方式相比，LoRa無線通信利用先進(jìn)的擴(kuò)頻技術(shù)和編碼方案，具有良好的抗干擾性。

基于LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器的SX1276收發(fā)器可用于超長距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強(qiáng)，可最大限度降低電流消耗，接收電流小于14 mA，睡眠電流小于2 μA。接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，工作頻段在401～510 MHz范圍內(nèi)，發(fā)射功率最大可達(dá)19 dBm，有效通信距離可達(dá)5 km。SX1276解決了傳統(tǒng)設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗等問題，是滿足超長距離擴(kuò)頻通信和高可靠性要求的最佳選擇。圖2所示為LoRa無線通信方案。

圖2 LoRa無線通信方案

LoRa與MCU之間利用SPI通信，DIO通過軟件配置可作為MCU發(fā)送與接收的中斷監(jiān)控引腳。正是因為有這樣的硬件工作機(jī)制，當(dāng)發(fā)送中斷和接收中斷發(fā)生時，MCU可精確捕捉接收幀的接收完成時刻及發(fā)送幀的發(fā)送完成時刻。當(dāng)MCU定時器時鐘節(jié)拍設(shè)定為100 μs時，可以保證相位識別精確度為0.1 ms。圖3所示為LoRa無線通信的相位識別幀接收及發(fā)送工作流程。

圖3 數(shù)據(jù)幀接收及發(fā)送工作流程

圖4所示為通過LoRa無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀發(fā)送與接收的通信情況，實驗結(jié)果可表明發(fā)送中斷及接收中斷間的時間差及其穩(wěn)定性情況。

由圖4（a）可知，相位識別幀發(fā)送完成時刻與接收完成時刻之間的時間差值約為560 μs。由圖4（b）可看出，相位識別幀發(fā)送端時間固定，在時間固定情況下接收時間的誤差范圍才具有可參考性。由圖4（c）可看出相位識別幀接收時間誤差在3.88 μs以內(nèi)，相對發(fā)送完成與接收完成的時間差，小范圍的計時誤差對相位識別基本無影響，可忽略不計[4-6]。

圖4 數(shù)據(jù)幀發(fā)送與接收的通信情況

3 過零檢測電路

臺區(qū)集中器和智能電表監(jiān)測單元內(nèi)置過零檢測電路，對三相過零點進(jìn)行檢測判斷，提取每相過零點的時間標(biāo)簽，通過私有協(xié)議及算法進(jìn)行相位計算，從而獲得智能電表監(jiān)測單元的相別信息。

圖5是可對220 V/50 Hz信號進(jìn)行檢測的過零檢測電路，通過過零檢測電路捕獲電壓的反向過零發(fā)生時間點，實現(xiàn)反向過零點檢測，TZA給主控制芯片提供過零信號。由圖6的檢測結(jié)果可看出，反向過零周期為20 ms，符合工頻三相電力供電系統(tǒng)周期規(guī)則，檢測靈敏度較高，可利用高阻抗和低噪聲的過零時隙實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠通信。

圖5 過零檢測電路

圖6 過零檢測電路檢測結(jié)果

4 相位識別

利用LoRa無線通信技術(shù)可實現(xiàn)臺區(qū)集中器與智能電表監(jiān)測單元間數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送。

4.1 對時

臺區(qū)集中器開始工作，從向智能電表監(jiān)測單元發(fā)送完“相位識別起始幀”開始計時，而智能電表監(jiān)測單元從其接收完“相位識別起始幀”后開始計時，兩者各自開始工作后的時間基準(zhǔn)不同，所以要對臺區(qū)集中器及智能電表監(jiān)測單元進(jìn)行對時。通過對時這一過程得到固定長度數(shù)據(jù)幀的單向傳輸時間T0，以此將臺區(qū)集中器及智能電表監(jiān)測單元的時間基準(zhǔn)調(diào)一致，保證進(jìn)行過零檢測后計算待識別相位時的結(jié)果準(zhǔn)確性。

臺區(qū)集中器及智能電表監(jiān)測單元進(jìn)入相位識別工作狀態(tài)后，臺區(qū)集中器發(fā)送“固定長度對時幀”，智能電表監(jiān)測單元接收到對時幀，待MCU處理完緊急指令后，對此幀進(jìn)行分析與處理，返回“相同長度的對時應(yīng)答幀”。因此，智能電表監(jiān)測單元接收完對時幀與發(fā)送完對時應(yīng)答幀之間有延時，記為Tdelay。

“相同長度的對時應(yīng)答幀”中包含臺區(qū)集中器發(fā)送完成對時幀的時刻TMT、智能電表監(jiān)測單元接收完成對時幀的時刻TSR。臺區(qū)集中器發(fā)送“讀取智能電表監(jiān)測單元發(fā)送完對時應(yīng)答幀的時刻”命令幀至智能電表監(jiān)測單元，智能電表監(jiān)測單元返回包含其發(fā)送完對時應(yīng)答幀時刻TST的應(yīng)答幀。臺區(qū)集中器接收完對時應(yīng)答幀的時刻為TMR。由此可計算智能電表監(jiān)測單元接收完成對時幀與發(fā)送完成對時應(yīng)答幀之間的延時時間為：Tdelay=TST-TSR。

圖7 臺區(qū)集中器與智能電表監(jiān)測單元對時示意圖

表1 相位識別對時數(shù)據(jù) 100 μs

通過對試驗采集到的相位識別對時數(shù)據(jù)進(jìn)行多次計算，求平均值后得出的固定長度數(shù)據(jù)幀單向傳輸時間為500 μs。

4.2 過零檢測

臺區(qū)集中器向智能電表監(jiān)測單元發(fā)送“固定長度過零檢測幀”，并記錄此后臺區(qū)集中器A相每個過零點的時刻。智能電表監(jiān)測單元接收到固定長度的過零檢測幀，待智能電表監(jiān)測單元相位過零點事件發(fā)生后，立即向臺區(qū)集中器回發(fā)“固定長度應(yīng)答幀”，發(fā)送完成此應(yīng)答幀的時間為TST0，將智能電表監(jiān)測單元相位過零點時刻記為TSZD，兩時刻間的延時時間為Tdelay0=TST0-TSZD。臺區(qū)集中器收到應(yīng)答幀后，記錄接收完成固定長度應(yīng)答幀的時刻為TMR0。通過得到的固定長度數(shù)據(jù)幀的單向傳輸時間T0，可計算智能電表監(jiān)測單元相對于臺區(qū)集中器的過零點時間為TSZDM=TMR0-T0-Tdelay0，將此時間與記錄的A相每個過零點時間對周期取余后進(jìn)行比較。表2為試驗采集到的相位識別過零檢測數(shù)據(jù)，圖8為智能電表監(jiān)測單元過零檢測流程。

表2 相位識別過零檢測數(shù)據(jù) 100 μs

圖8 智能電表監(jiān)測單元過零檢測示意圖

4.3 相位計算方法

用于計算智能電表監(jiān)測單元所處相位的三相過零時序圖如圖9所示。

圖9 用于計算智能電表監(jiān)測單元所處相位的三相過零時序圖

對試驗采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與分析后，得到的臺區(qū)集中器與智能電表監(jiān)測單元過零時間之間的差值TDiffer。根據(jù)三相交流電信號的正向過零點（或反向過零點）相差6.67 ms，計算得到智能電表監(jiān)測單元所處的相位。因存在模塊間的交互時延及電信號的傳輸時延，所以將相位的判別點擴(kuò)充到區(qū)間，根據(jù)此差值所落區(qū)間來判斷智能電表監(jiān)測單元所處的相位：

對時幀和過零檢測幀采用相同長度的時間幀，以保證固定長度數(shù)據(jù)幀的單向傳輸時間T0的通用性。通過以上設(shè)計，可以精確實現(xiàn)相位識別，對停電故障準(zhǔn)確定位具有關(guān)鍵作用。

5 智能監(jiān)測系統(tǒng)

在智能電表相位識別的應(yīng)用場景中，待測相位裝置是安裝在電表箱中的智能電表監(jiān)測單元，其與電表通過同一單相電源線連接。智能電表監(jiān)測單元的安裝位置和安裝方式不受限制。以臺區(qū)集中器的A相工頻過零點為參考過零點，實現(xiàn)對智能電表監(jiān)測單元所在相位的識別。智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 智能監(jiān)測系統(tǒng)

臺區(qū)集中器可通過LoRa無線通信依次識別多個智能電表監(jiān)測單元的相位，當(dāng)臺區(qū)集中器與智能電表監(jiān)測單元之間無法完成通信時，通過已識別出相位的智能電表監(jiān)測單元與未實現(xiàn)和臺區(qū)集中器通信的智能電表監(jiān)測單元間的通信，以被識別出的智能電表監(jiān)測單元相位為參考相位，完成智能電表監(jiān)測單元間的相位識別。

6 結(jié) 語

本文采用LoRa無線通信技術(shù)結(jié)合過零檢測電路完成相位識別方法設(shè)計，以LoRa無線通信過程中固定發(fā)送中斷時刻，多次獲取到的接收中斷時間浮動區(qū)間來說明此種通信方式時間誤差極小，具有較高的可靠性及穩(wěn)定性和良好的抗干擾性。利用過零檢測電路檢測到波形，說明其檢測靈敏度極高，完全符合工頻三相電力供電系統(tǒng)周期規(guī)則。通過試驗采集到的通信過程中數(shù)據(jù)幀的傳輸時間等數(shù)據(jù)計算分析試驗設(shè)備所在相線。由試驗結(jié)果可知，本文設(shè)計的相位識別方法具有很高的相位識別準(zhǔn)確率。

在相位識別方法的基礎(chǔ)上搭建智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)低壓配電臺區(qū)用戶相位的準(zhǔn)確識別，對智能電表監(jiān)測單元及電表等的停電故障實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速定位，提高配電運維管理水平；改變以往“停電用戶報修”的被動形式，實現(xiàn)故障的快速排除，提高用戶用電滿意度；為三相負(fù)載不平衡治理、降低線損等業(yè)務(wù)提供支撐，有效抑制三相不平衡，正確分析三相不平衡與線損的關(guān)系，實現(xiàn)線損精確計算與精益化管理。