梁 捷，梁廣明，黃水蓮

(1.廣西電力工程建設公司，廣西 南寧 530003；2.南寧百會藥業(yè)集團有限公司，廣西 南寧 530003)

0 引 言

準確建立臺區(qū)戶變關(guān)系是確保臺區(qū)線損準確計算的關(guān)鍵之一[1-2]。臺區(qū)戶變關(guān)系辨識技術(shù)可通過高速電力線載波[3](high-speed power line carrier，HPLC)技術(shù)確定各用戶計量點與低壓配電變壓器的歸屬關(guān)系，提高戶變關(guān)系判斷的準確性，幫助電網(wǎng)公司完善用戶的基礎數(shù)據(jù)資料，確保業(yè)擴用電報裝管理時不出現(xiàn)漏裝、多裝等問題，提高臺區(qū)檔案管理水平，同時也有利于臺區(qū)線損的管理，避免偷換電能表計、重復裝電能表等竊電行為[4]，提高電網(wǎng)經(jīng)濟運行水平。

作為面向電力抄表的高速電力線通信技術(shù)，HPLC的通信工作頻率范圍主要包括2.4～5.6 MHz、2～12 MHz、0.7～3.0 MHz、1.7～3.0 MHz等，相比傳統(tǒng)的窄帶載波方式具有相對較寬的信道帶寬，通信速率可根據(jù)需要在2.048 kb/s～2.4 Mb/s之間任意選擇[5]，可有力支撐高頻數(shù)據(jù)采集、停電主動上報、時鐘精準管理、相位拓撲識別、臺區(qū)自動識別、ID統(tǒng)一標識管理、檔案自動同步、通信性能監(jiān)測和網(wǎng)絡優(yōu)化等高級應用功能的實現(xiàn)[6]。此外，相對于窄帶載波通信方式，電力線在高頻段的噪聲相對較弱，通信可靠性和穩(wěn)定性顯著提升。

文獻[7]依據(jù)不同臺區(qū)工頻交流電過零相位偏移量不同的特征來辨識臺區(qū)戶變關(guān)系。具體是由從節(jié)點將偏移量原始數(shù)據(jù)發(fā)送至原歸屬主節(jié)點，由主節(jié)點進行比對判斷。由于未對工頻交流電過零信號的上升和下降特征進行區(qū)分，有誤判的可能。此外，特征采集和識別的工作集中在主節(jié)點進行，主節(jié)點的數(shù)據(jù)處理壓力較大。下面提出一種基于交流電雙沿過零偏移檢測的分布式臺區(qū)辨識方案，介紹了雙沿檢測的原理，比較了分布式和集中式辨識的差異，并通過實驗室和現(xiàn)場案例測試對所提方案的有效性進行驗證。

1 臺區(qū)戶變關(guān)系辨識原理

臺區(qū)戶變關(guān)系辨識是指利用用戶計量點采集的用電瞬時量數(shù)據(jù)等特征信息判斷通信網(wǎng)絡中各節(jié)點與臺區(qū)的掛接從屬關(guān)系。常用的特征量包括工頻電壓特征、信噪比、工頻頻率特征等。設計臺區(qū)辨識方案時，需要考慮臺區(qū)辨識任務啟動和關(guān)閉的時機、辨識周期、臺區(qū)辨識的判斷規(guī)則以及結(jié)果上報方式等問題。

低壓HPLC通信網(wǎng)絡主要包括兩種設備角色，即中央?yún)f(xié)調(diào)器(central coordinator，CCO)和通信節(jié)點(用station表示，通常簡稱為STA)。CCO作為主節(jié)點負責完成組網(wǎng)控制、采集任務管理等功能，其對應的設備實體為低壓集抄系統(tǒng)集中器本地載波通信模塊，STA是網(wǎng)絡底層負責用戶數(shù)據(jù)采集的從節(jié)點，其對應的設備實體為電能表或采集器中的本地通信模塊[8-9]。

1.1 交流電信號的沿特征

如圖1所示過零檢測原理，在低壓HPLC通信時，若STA節(jié)點能夠接收到多個CCO節(jié)點的采集指令。定義過零偏移Δη為通信節(jié)點接收到采樣信號的時刻tj與上一個工頻電壓波形發(fā)生零點穿越時刻的時間差。若STA節(jié)點均處于同一相位或排除三相之間的已知偏移，當STA節(jié)點j接收到CCO節(jié)點的數(shù)據(jù)采集命令后即可計算出Δη。同臺區(qū)的CCO節(jié)點與STA節(jié)點由于臺區(qū)串擾影響小，電壓波形特征重合度高；而不同臺區(qū)負載的容量大小、容(感)性和三相平衡度等特性不同，導致其節(jié)點之間的波形特征一致性較弱。根據(jù)上述特點，通過統(tǒng)計STA節(jié)點與CCO節(jié)點間的電壓波形過零偏移大小判斷該STA節(jié)點是否為跨臺區(qū)節(jié)點，即通過工頻電壓特征信號過零檢測的方法實現(xiàn)臺區(qū)辨識[10]。

圖1 過零檢測原理

對于同一個基準時刻t0，此時有兩種情況：1)如圖1中的t0與t1，當前數(shù)據(jù)采樣點的電壓值S(t1)為正，處于電信號上升階段(沿)時，采樣時刻tj與基準時刻t0的過零偏移Δη為兩者之間的數(shù)值差減去通信延時，如式(1)中S(t+1)>S(t)的情況。2)如圖1中的t2與t3，當前數(shù)據(jù)采樣點的電壓值S(t3)為負，處于計量點電信號下降階段(沿)時，采樣時刻ti與基準時刻t0的過零偏移Δη為兩者之間的數(shù)值差減去通信延時和半個工頻周期，如式(1)中S(t+1)

(1)

式中：Δηj,k為STA節(jié)點j采集到的用戶特征信號與臺區(qū)k基準特征信號之間的過零偏移；ti為數(shù)據(jù)采樣時間點，且i=0,1,…,I，其中，t0為臺區(qū)的基準過零時刻，通常由臺區(qū)配電變壓器低壓出口側(cè)安裝的基準表進行采集；α為相鄰采集點之間的通信延時，即通信模塊發(fā)送請求數(shù)據(jù)幀的時刻與接收數(shù)據(jù)應答幀的時刻之間的差值；T0為工頻周期時長；S(t)為t時刻的電壓值。

為了在特征信息采集時區(qū)分用戶電信號中的沿特征，定義臺區(qū)特征信息交互報文格式如表1所示。

表1 臺區(qū)特征信息采集交互報文格式

表1中：序號2的采集方式字段的數(shù)值為1時表示下降沿采集，數(shù)值為2表示上升沿采集，數(shù)值為3表示雙沿采集，數(shù)值為0表示保留；序號6和序號8的起始采集NTB表示本次采集過零點的起始時刻，即發(fā)送第一個特征數(shù)據(jù)采集幀的時刻；序號7和序號9的臺區(qū)特征信息序列的內(nèi)容為采集的用戶特征數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型確定；M為臺區(qū)從節(jié)點序號；N為從節(jié)點數(shù)量。當采集方式為上升沿或者下降沿時，起始采集NTB2和臺區(qū)特征信息序列2字段留空。當采集方式為雙沿時，起始采集NTB1和臺區(qū)特征信息序列1為下降沿數(shù)據(jù)，起始采集NTB2和臺區(qū)特征信息序列2為上升沿數(shù)據(jù)。

1.2 過零檢測判斷規(guī)則

在集中式辨識模式下，CCO收集到多個STA上報的特征信息后，通常以同一時刻上升沿或下降沿的過零偏移不超過某一個閾值，作為該STA節(jié)點是否屬于該CCO對應臺區(qū)的判斷規(guī)則，如式(2)所示。

(2)

式中：ΔηP為時刻p的過零偏移；p為采樣數(shù)據(jù)對應時間序列編號且p∈P′；δ為集中式辨識模式下臺區(qū)辨識的判斷閾值；P′為過零偏移的特征采樣數(shù)據(jù)時間序列，由原始數(shù)據(jù)經(jīng)預處理和剔除無效數(shù)據(jù)后獲得，其模為‖P′‖，表示序列長度。

在分布式辨識中，STA收到多個可能同臺區(qū)的CCO節(jié)點的辨識任務時，通常根據(jù)各CCO提供的臺區(qū)基準特征信號優(yōu)選出其中過零偏移量最小的節(jié)點作為該STA節(jié)點的歸屬節(jié)點，即若?j∈J，k∈K，滿足式(3)，則認為臺區(qū)k為STA節(jié)點i的優(yōu)選歸屬臺區(qū)。

Δηj,k=min(Δηj,1,Δηj,2,...,Δηj,k,...,Δηj,K)

(3)

式中，J和K分別為STA節(jié)點集合和臺區(qū)集合，且j∈J={1,2,…,J}，k∈K={1,2,…,K}。

低壓臺區(qū)集中器和電能表的HPLC通信模塊通過內(nèi)置過零檢測電路，對各相電壓過零點進行檢測判斷，記錄電壓過零點的時刻。通過上述過零檢測算法實現(xiàn)偏差計算，從而得到各待定電能表是否歸屬于某臺區(qū)的辨識結(jié)果。但現(xiàn)場安裝的各廠家的HPLC通信模塊對上升沿、下降沿采集和式(1)判別功能的支持能力存在差異，實際使用時可能會出現(xiàn)判別失敗的問題。

2 臺區(qū)戶變關(guān)系辨識模式

2.1 集中式臺區(qū)辨識

以全載集抄方式為例，臺區(qū)通信網(wǎng)絡拓撲見圖2，臺區(qū)辨識功能可根據(jù)應用需求部署在營銷主站或計量主站(以下簡稱主站)，它通過GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡與所轄多個集中器進行遠程通信[11]。為了獲取臺區(qū)基準特征，每個集中器和基準表與所在臺區(qū)的變壓器低壓側(cè)出線端相連。

圖2 全載集抄方式臺區(qū)拓撲圖

集中式辨識為傳統(tǒng)臺區(qū)辨識模式，其主要特征是STA向CCO上報臺區(qū)特征，在CCO處進行比較判斷。其辨識流程如圖3所示。首先，主站下發(fā)臺區(qū)辨識使能命令；接著，集中器控制CCO模塊啟動臺區(qū)辨識任務，CCO采用輪詢或點對點下發(fā)方式向載波電能表發(fā)送臺區(qū)特征查詢幀，即查詢臺區(qū)特征的報文。若通信成功，STA模塊接收到查詢幀后向CCO模塊回復告知幀，CCO模塊接收該幀后提取其中的電能表用戶特征信息與臺區(qū)基準特征信息進行比對，從而對該電能表所掛接從屬的臺區(qū)進行辨識。完成所有電能表的辨識后存儲獲取到的臺區(qū)辨識名單。在CCO臺區(qū)辨識功能使能過程中，若CCO上報了無法辨識的電能表計或節(jié)點跨臺區(qū)事件，集中器需將該信息上報主站，便于主站安排運行維護人員至現(xiàn)場勘查，針對相關(guān)檔案進行完善或修正。

表2為兩種辨識模式比較，在集中式辨識過程中，STA模塊與臺區(qū)辨識相關(guān)的工作內(nèi)容主要包括執(zhí)行臺區(qū)用戶特征采集任務，采集CCO本地臺區(qū)用戶特征信息，響應CCO下發(fā)的臺區(qū)用戶特征查詢命令等。CCO模塊與臺區(qū)辨識相關(guān)工作內(nèi)容主要包括響應集中器下發(fā)的臺區(qū)辨識使能控制命令，向STA下發(fā)臺區(qū)辨識任務啟動報文和臺區(qū)特征采集方案，以及收集各STA的采集結(jié)果并進行比對分析等。值得注意的是，為了保證臺區(qū)辨識期間正常的日凍結(jié)抄讀、費用控制下發(fā)、高頻采集、事件上報等數(shù)據(jù)業(yè)務通信，STA即使判斷臺區(qū)辨識結(jié)果歸屬錯誤也不允許主動離網(wǎng)。此外，為了保持辨識對象固定，減少辨識難度，在臺區(qū)辨識期間設置CCO的白名單過濾功能處于開啟狀態(tài)，即僅對當前搜索到的電能表進行臺區(qū)辨識，對于新增電能表則在臺區(qū)辨識完成之后再處理。當CCO發(fā)現(xiàn)非本臺區(qū)的電能表節(jié)點后，需立即上報給集中器。

表2 兩種辨識模式比較

2.2 分布式臺區(qū)辨識

由第2.1節(jié)可知，集中式臺區(qū)辨識模式依賴于CCO集中式的數(shù)據(jù)分析和控制中心，辨識過程中CCO需進行臺區(qū)全局節(jié)點任務控制、特征量的獲取以及進行集中分析和計算，與STA之間需進行大量的信息交換，對信道質(zhì)量依賴度高，辨識模式不夠靈活，在信道質(zhì)量不佳或易受干擾時應用具有一定的局限性。對此，提出一種分布式臺區(qū)辨識模式，如圖4所示，它采用分布式的控制方案，主要思路是集中器經(jīng)CCO向STA下發(fā)臺區(qū)特征，在STA處進行特征比對并判斷臺區(qū)歸屬，最后將辨識結(jié)果提供給CCO。

圖4 分布式臺區(qū)辨識流程

如表2所示，分布式辨識模式中STA區(qū)別于集中式的特有工作內(nèi)容主要為由STA進行臺區(qū)用戶特征信息比對、臺區(qū)歸屬初步分析，以及響應CCO下發(fā)臺區(qū)判斷結(jié)果查詢命令。分布式辨識模式中，CCO模塊的特有工作內(nèi)容主要為向各個STA通過全網(wǎng)廣播方式下發(fā)臺區(qū)特征信息、輪詢讀取STA的臺區(qū)判別結(jié)果。

比較上述兩種辨識模式可知，分布式臺區(qū)辨識模式將臺區(qū)特征比對和判斷歸屬的工作分配給STA節(jié)點完成，對CCO的數(shù)據(jù)處理壓力較小，同時對不同廠家STA混裝的識別算法兼容能力較強。

3 案例測試

3.1 實驗室測試

為驗證所提臺區(qū)辨識方案的可行性，在實驗室采用模擬配電變壓器和單相、三相智能電能表模擬現(xiàn)場環(huán)境搭建兩個小規(guī)模模擬臺區(qū)進行測試。兩個模擬臺區(qū)的單相電能表分別安裝在模擬配電變壓器低壓出線端的A相和B相。三相電能表與集中器通過RS-485方式連接，用于獲取臺區(qū)基準特征，不參與性能測試指標評價。

為對辨識結(jié)果進行定量評價，評價指標采用準確率β和召回率γ。

β=n/J×100%

(4)

γ=r/J×100%

(5)

式中：n為當前臺區(qū)中能準確辨識的STA節(jié)點數(shù)；r為當前臺區(qū)中能正常采集和召回辨識結(jié)果的STA節(jié)點數(shù)。

測試時首先對臺區(qū)集中器及電能表進行對時，并通過三相基準表采集各臺區(qū)的特征電參量數(shù)據(jù)；然后，清空集中器單相電能表檔案，啟動無檔案自動搜表任務，使電能表通過數(shù)據(jù)主動上報的方式，將自身地址發(fā)送給集中器；接著，集中器更新臺區(qū)的檔案信息；最后，分別通過集中式和分布式辨識模式進行臺區(qū)辨識。實驗室測試結(jié)果見表3的臺區(qū)1和臺區(qū)2。

3.2 現(xiàn)場測試

在廣西某城市低壓居民臺區(qū)進行現(xiàn)場測試，該現(xiàn)場包括4個臺區(qū)，下屬共計388只用戶電能表。最長允許測試時間設為2 min。在現(xiàn)場已安裝的采集設備的基礎上，通過集中器軟件升級和HPLC通信模塊更換方式使設備支持上述兩種辨識模式。所更換的STA模塊來自不同的廠家。表3中序號3～5和6A的4個臺區(qū)中通信模塊的臺區(qū)辨識算法仍沿用現(xiàn)場原HPLC通信模塊廠家的方法。為便于對比辨識效果，將兩種辨識模式的辨識結(jié)果繪制成圖5。圖5(a)、(b)分別展示識別用時和識別準確率的測試結(jié)果，其中的臺區(qū)編號按用戶數(shù)由少到多排序。

表3 測試結(jié)果

圖5 測試結(jié)果

1)識別用時

圖5(a)中的臺區(qū)1和臺區(qū)2為實驗室模擬臺區(qū)，由于用戶數(shù)較少，比較可知在兩種模式辨識所需的時間差距不大，且均能準確辨識所有用戶。臺區(qū)3～6為現(xiàn)場測試臺區(qū)。由圖5(a)可見，隨著用戶數(shù)的增多，兩種辨識模式的用時均隨之增長，但集中式模式的測試用時增長較快。這是由于集中式辨識模式需收集臺區(qū)內(nèi)STA高頻采集的臺區(qū)用戶特征信息，數(shù)據(jù)傳輸容量大，對通信信道質(zhì)量和CCO的大數(shù)據(jù)處理能力要求較高，故測試時間較長。而分布式模式用戶特征信息的獲取和分析判斷工作由STA完成，節(jié)約了信息在信道傳輸?shù)臅r間和CCO的數(shù)據(jù)分析時間，故辨識效率較高。

2)識別準確率

將現(xiàn)場測試臺區(qū)的電能表編號按臺區(qū)歸屬繪制成圖6。圖6中的真實情況是指通過現(xiàn)場勘察確定的電能表真實戶變歸屬關(guān)系。

圖6 現(xiàn)場臺區(qū)辨識結(jié)果

由圖6和表3可見，分布式辨識結(jié)果與真實情況一致。集中式辨識中臺區(qū)6A的召回率為99.3%，但辨識準確率僅為96.4%。即本次測試過程中有1只電能表抄表失敗，除此之外，還有3只電能表通信正常但辨識失敗。結(jié)合圖6可知，編號為265和編號為286～288的4只電能表在測試過程中辨識失敗。

3)異常問題分析

對上述抄表失敗問題，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)電能表265與該臺區(qū)的集中器地理距離相對較遠，HPLC抄表傳輸距離較長，信號衰減較嚴重。由于集中式辨識模式下需傳輸大量的臺區(qū)用戶特征信息，數(shù)據(jù)傳輸量大，故抄表速度慢且成功率低。雖然采集任務有補抄機制，但由表3可見，該模式下測試時長為120 s，即達到了預設的最大允許測試時間，此時集中器會下發(fā)臺區(qū)辨識任務停止命令，強制終止辨識任務。此時該電能表的數(shù)據(jù)未完成補抄，后續(xù)的辨識流程無法完成，故認為是辨識失敗。而分布式辨識模式下，用戶特征信息的獲取和分析判斷工作由STA完成，信道上只需傳輸下發(fā)臺區(qū)基準特征信息和辨識結(jié)果查詢交互報文，數(shù)據(jù)傳輸量較小，故辨識成功率較高。

此外，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：編號為286～288的3只電能表在測試過程中能正常抄表，但辨識失?。槐敬螠y試的辨識算法采用工頻交流電壓過零檢測法，辨識失敗的STA生產(chǎn)廠家為同一廠家，與同臺區(qū)其他電能表的生產(chǎn)廠家不同。該廠家由于早期標準未統(tǒng)一的歷史原因，僅支持下降沿信息的采集和特征辨識，但依然支持雙沿工頻信號特性信息采集。臺區(qū)6的CCO廠家考慮到芯片的處理能力有限，其產(chǎn)品僅提供上升沿特征辨識功能，CCO廠家與該STA廠家在辨識算法的沿數(shù)據(jù)處理方式上存在不兼容的情況。

據(jù)此推斷，集中式辨識模式下，CCO可采集到該問題STA回復的雙沿臺區(qū)用戶特征信息，但卻無法進行辨識，造成現(xiàn)場不同HPLC廠家的產(chǎn)品混裝時臺區(qū)辨識功能無法互聯(lián)互通的情況。而在分布式辨識模式下，CCO在辨識時僅負責下發(fā)臺區(qū)基準特征信息和向各STA查詢臺區(qū)判別結(jié)果，臺區(qū)歸屬判別在各用戶的STA模塊上實現(xiàn)，該廠家的STA收到CCO下發(fā)的雙沿臺區(qū)基準特征信息與自身采集到的用戶特征信息進行比對，可正常辨識，故在該模式下，未發(fā)生上述CCO辨識功能兼容性缺陷造成的辨識失敗問題。

為驗證上述推斷結(jié)果，通過更換模塊和集中器軟件升級的方式使臺區(qū)6的CCO支持雙沿檢測功能，并重新進行測試，結(jié)果如表3中的臺區(qū)6B所示?？梢?，CCO支持雙沿檢測后，召回率與辨識準確率相等，即除了1只電能表抄表失敗外，其余電能表均能準確辨識，說明支持雙沿檢測的CCO能準確辨識上升沿和下降沿的用戶特征信息，辨識失敗問題不再發(fā)生，故上述推斷結(jié)果是可信的。

4 結(jié) 論

上面分析了傳統(tǒng)集中式臺區(qū)戶變關(guān)系辨識技術(shù)中存在的不足，提出了一種基于HPLC通信模塊的分布式雙沿臺區(qū)辨識方案。該方案在HPLC相關(guān)通信設備的基礎上，建立由集中器經(jīng)CCO向STA下發(fā)臺區(qū)特征，在STA處進行特征比對并判斷臺區(qū)歸屬的分布式辨識模式，設計了交流電信號雙沿檢測算法并提供通信規(guī)約支持，避免了不同廠家的HPLC通信模塊設計的沿過零檢測算法的兼容性問題。案例測試情況表明，在現(xiàn)場臺區(qū)用戶較多時，分布式辨識模式的處理性能更佳，且出現(xiàn)抄讀失敗和辨識失敗的情況較少，驗證了所提方案的可行性。所提方案辨識戶變關(guān)系僅利用了低壓臺區(qū)用戶電信號的工頻電壓特征，如何綜合利用工頻周期特征、工頻頻率特征提高辨識的準確率值得進一步研究。