余佳, 劉宇鵬, 李軒, 張理放

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟長足發(fā)展，用電需求不斷增長，據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)顯示：2016—2018年全社會平均用電量63 575億千瓦時，平均增長率7.53%。用電量的增長，使得電力系統(tǒng)規(guī)模越發(fā)龐大，內(nèi)部體系愈發(fā)復(fù)雜,用電客戶和供電公司在正常用電和供電的同時，對用電信息采集的準確性和實時性等質(zhì)量要求也越來越高。近年來，伴隨著信息化、智能化技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用落地，用電信息采集的質(zhì)量、效率得到了穩(wěn)固提升。然而下行模塊在線率和電表停電故障仍作為兩大主導(dǎo)因素制約著用電信息質(zhì)量的采集。如何能設(shè)計一套即針對下行模塊狀態(tài)進行準確、實時監(jiān)控，又同時針對停電故障快速響應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤為重要。

在詳細調(diào)查供電公司對模塊狀態(tài)監(jiān)控和停電故障上報的需求，深入分析傳統(tǒng)窄帶載波通信存在通信速率低、無法針對停電故障快速響應(yīng)等問題的癥結(jié)，設(shè)計了一套基于微功率無線MESH網(wǎng)絡(luò)搭建的用電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對微功率無線MESH網(wǎng)絡(luò)中全網(wǎng)感知功能和停電上報功能進行仿真和監(jiān)測，通過集中器、電表(含單相、三相)、微功率無線MESH模塊(CAC、DAU)、仿真設(shè)備模擬真實電網(wǎng)環(huán)境中的組網(wǎng)、抄表、停電故障，達到監(jiān)測全網(wǎng)感知功能與停電故障上報功能運行狀態(tài)的目的，為用電信息采集的穩(wěn)定運行提供數(shù)據(jù)上的支持。

1 研究現(xiàn)狀

目前，主流的信息采集的通信方式為M-BUS總線、RS-485、微功率無線、無線公網(wǎng)和電力線載波。微功率無線和無線公網(wǎng)無需考慮布線，可避免布線、現(xiàn)場改造、線路老化所帶來的物資消耗，能有效降低成本。但無線公網(wǎng)設(shè)備運維費較高，需必要的運營商參與。而微功率無線無需交納通信服務(wù)費、組網(wǎng)靈活、速度快，是學(xué)者應(yīng)用較多的通信方式。

周黃山、張鄭祎[1](2019)采用微功率無線技術(shù)，對多表合一信息采集系統(tǒng)進行理論研究設(shè)計，為國家電網(wǎng)推進水、電、氣、熱多表合一信息采集系統(tǒng)提供理論支持；趙慶文[2](2015)運用SE微功率無線模塊與自動化技術(shù)，設(shè)計了一款運用于箱式變電站溫度監(jiān)測的無線溫度監(jiān)測器，解決人工抄表工作，提高設(shè)備利用率，滿足實時查詢需求；常燕(2013)、王健(2014)[3-4]基于微功率無線組網(wǎng)技術(shù)提出了一種安裝便捷、維護簡單、運行穩(wěn)定、成本低廉的配電線路故障定位系統(tǒng)。基于全網(wǎng)感知技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)的，國內(nèi)學(xué)者研究甚少。李宇婷等[5](2016)采用全網(wǎng)感知技術(shù)、增加研判樣本數(shù)量等途徑，有效解決了現(xiàn)有故障研判技術(shù)質(zhì)量不穩(wěn)定、誤判現(xiàn)象嚴重等問題。

綜上所述，本文采用微功率無線通信方式，利用MESH全網(wǎng)感知技術(shù)，設(shè)計搭建性能穩(wěn)定、覆蓋全網(wǎng)的用電故障監(jiān)測系統(tǒng)，并針對計量中心電網(wǎng)系統(tǒng)進行測試。

2 微功率無線MESH全網(wǎng)感知理論簡介

2.1 微功率無線MESH全網(wǎng)感知

微功率無線MESH全網(wǎng)感知是基于微功率無線互聯(lián)互通協(xié)議構(gòu)建的MESH網(wǎng)絡(luò)，利用在網(wǎng)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)感知功能的幀，將節(jié)點自身在網(wǎng)狀態(tài)添加到網(wǎng)節(jié)點序列中。同時，將感知幀在規(guī)定的時隙內(nèi)進行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，使整個網(wǎng)絡(luò)的在網(wǎng)結(jié)點都被感知到，進而完成對整個網(wǎng)路的實時監(jiān)控。全網(wǎng)感知功能的實現(xiàn)主要依賴系統(tǒng)主站、集中器和互通網(wǎng)絡(luò)等環(huán)節(jié)。全網(wǎng)感知功能通過對1 376.1、1 376.2微功率無線互聯(lián)互通協(xié)議進行增補，進而達到控制全網(wǎng)感知執(zhí)行狀態(tài)和獲取全網(wǎng)感知結(jié)果信息的目的。簡要分布如圖1所示。

圖1 微功率無線MESH全網(wǎng)感知簡要分布圖

全網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)識別過程是一個封閉式的任務(wù)，整個過程由上行廣播和下行廣播兩大過程組成，下行廣播又分為主節(jié)點時隙、下行正常時隙和競爭時隙三個小過程，上行廣播則只包括上行正常時隙過程。每個時隙150 ms，總時隙由主節(jié)點根據(jù)實際在網(wǎng)節(jié)點個數(shù)決定。時隙組成圖如圖2所示。

圖2 全網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)時隙組成圖

全網(wǎng)感知時隙分布需要遵循如下設(shè)計標準：(1)為了保證全網(wǎng)感知時序正確，各節(jié)點必須嚴格按照在自己的時隙發(fā)射的原則，超過了自己的時隙，必須到指定的競爭時隙進行發(fā)射，其余時間不允許發(fā)射，避免對其他的節(jié)點造成干擾；(2)競爭時隙是N/8取整，最少為1；(3)主節(jié)點在前3個時隙發(fā)起全網(wǎng)感知幀(時隙分別為0、1、2)，其余的DAU進行識別轉(zhuǎn)發(fā)。

全網(wǎng)感知過程的目的是疊加網(wǎng)絡(luò)中每一節(jié)點的狀態(tài)信息數(shù)組，每個模塊的時隙在廣播幀中都有1 bit與自身時隙相關(guān)的位置，通過對這個bit進行置位，表示在網(wǎng)的狀態(tài)，如表1所示。

2.2 微功率無線停電故障上報

微功率無線停電上報是在原有微功率無線模塊的基礎(chǔ)上增加超級電容，使模塊判斷發(fā)生停電故障時，可以藉由超級電容供電并通過不受電力線限制的無線信道將停電故障信息上報至終端，并由終端上報至主站系統(tǒng)。無線模塊通過多種機制增加停電故障信息上報的成功率，這些機制如下所述。

表1 bit置位狀態(tài)表

2.2.1 重復(fù)上報機制

超級電容在充滿電的情況下，可至少完成3次上報，每次上報存在一定上報間隔,如圖3所示。

圖3 重復(fù)上報圖示

2.2.2 層次分批攜帶上報

為了提高同一條路徑上故障上報的成功率，在每一次上報周期內(nèi)根據(jù)既定的上報時隙安排和每個上報節(jié)點的層級采用由高到低的優(yōu)先級進行上報，低層級的節(jié)點將攜帶同線路上高層級節(jié)點的故障信息一并上報給下一層級節(jié)點,如圖4所示。

圖4 層次分批攜帶上報圖示

2.2.3 周邊節(jié)點保存上報狀態(tài)

為了進一步提高上報成功率，發(fā)生停電故障節(jié)點的鄰居節(jié)點也同時會記錄故障節(jié)點的停電故障狀態(tài)，即便在故障節(jié)點上報失敗后，也可以充當(dāng)中繼節(jié)點將記錄的停電故障上報至中心節(jié)點,如圖5所示。

圖5 周邊節(jié)點保存上報狀態(tài)圖示

3 用電故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

基于微功率無線MESH全網(wǎng)感知由主控單元、單相/三相遠控衛(wèi)星單元、單相/三相衛(wèi)星單元三部分構(gòu)成。其中主控單元由集中器、路由器、仿真主站三部分組成；遠控衛(wèi)星單元是搭載遠程控制功能的單相/三相表衛(wèi)星單元，可以通過有線(以太網(wǎng))/無線(WIFI)的形式遠程控制電表拉合閘操作，亦可手動控制拉合閘操作。同時安裝有時控開關(guān)，通過設(shè)定可以定時進行拉合閘操作；單相/三相衛(wèi)星單元未搭載遠程控制功能，可以通過安裝時控開關(guān)定時進行合閘操作,如圖6所示。

圖6 用電故障監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計圖

3.2 基礎(chǔ)功能設(shè)計

3.2.1 硬件環(huán)境設(shè)計

(1) 設(shè)計目標

系統(tǒng)監(jiān)控的核心功能全部基于微功率無線MESH網(wǎng)絡(luò)，所以完成網(wǎng)絡(luò)的搭建是系統(tǒng)設(shè)計的首要工作，在完成基本網(wǎng)絡(luò)搭建的同時，需要布置至少完成2層或3層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，以便多級微功率無線網(wǎng)絡(luò)模擬。另外，配備常用的用電采集設(shè)備，主要為集中器、單相表、三相表及仿真現(xiàn)場停電故障仿真設(shè)備。

(2) 系統(tǒng)柜設(shè)計

系統(tǒng)機柜根據(jù)功能分為主機柜和可移動表箱兩部分：主機柜用于掛載終端、電能表(單相、三相)和仿真設(shè)備，組建主MESH網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)大批量的仿真控制?？梢苿颖硐溆糜趻燧d電能表、三相和仿真設(shè)備，用于組建多級網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分層。總體硬件布置如圖7所示。

圖7 總體硬件布置圖

(3) 仿真設(shè)備設(shè)計

仿真設(shè)備用于模擬停電故障，仿真設(shè)備硬件由可編程時控開關(guān)、無線串口服務(wù)器和可控斷路器組成，根據(jù)操作模式分為自動(定時)與遙控兩種模式。

自動(定時)模式：自動模式將根據(jù)設(shè)定好的時間定時進行仿真操作，此模式用于長時間功能穩(wěn)定性監(jiān)控，監(jiān)控期間無需人為手動操作。

遙控模式：通過遙控模式，操作人員可以通過監(jiān)測主站主動觸發(fā)停電故障，便于實時觀察監(jiān)控結(jié)果和進行功能演示。仿真設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。

圖8 仿真設(shè)備設(shè)計圖

3.2.2 系統(tǒng)軟件環(huán)境設(shè)計

(1) 功能目標

系統(tǒng)軟件需達成以下基礎(chǔ)功能和擴展功能目標。

基礎(chǔ)功能：用電采集主站基礎(chǔ)功能，如檔案管理、數(shù)據(jù)召測、數(shù)據(jù)報表、故障記錄。

擴展功能：用于仿真設(shè)備控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

(2) 主站系統(tǒng)架構(gòu)

主站軟件系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，其主要由4層組成，它們分為別用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和鏈路層。每層功能分工如圖9所示。

圖9 主站系統(tǒng)設(shè)計圖

(4) 主站功能

主站功能設(shè)計如表2所示。

表2 主站功能表

(5) 數(shù)據(jù)采集規(guī)則設(shè)計

數(shù)據(jù)采集規(guī)則如表3—表5所示。

表3 數(shù)據(jù)采集規(guī)則

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計后，需根據(jù)計量中心電網(wǎng)系統(tǒng)對系統(tǒng)功能進行有效、實用性測試，包括基礎(chǔ)功能測試和監(jiān)控功能測試，監(jiān)控功能指停電故障上報與全網(wǎng)感知功能。測試結(jié)果顯示：基于微功率無線MESH全網(wǎng)感知系統(tǒng)各項功能均達到設(shè)計要求，實現(xiàn)對下行模塊狀態(tài)進行準確、實時監(jiān)控。同時，針對停電故障實現(xiàn)快速響應(yīng)。測試結(jié)果如表4、表5所示。

表4 基礎(chǔ)功能測試結(jié)果表

表5 監(jiān)控功能測試結(jié)果表

5 總結(jié)

本系統(tǒng)停電上報響應(yīng)時間為從觸發(fā)停電操作(拉/合閘)到前臺提示停電事件在10秒內(nèi)完成；全網(wǎng)感知數(shù)據(jù)更新頻率需至少5分鐘更新一次；仿真主站頁面響應(yīng)時間，非報表頁面2秒內(nèi)打開，報表類頁面3秒內(nèi)打開。有效解決了用電信息采集過程中下行模塊在線率和電表停電故障問題。

系統(tǒng)應(yīng)用于計量中心電網(wǎng)系統(tǒng)，能大大降低成本，同時，使用戶可以直觀地看到微功率無線MESH網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)感知功能和停電故障上報功能的運行效果，提升了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率。