一种低压电力线宽带载波通信单元快速检测系统

时间：2024-08-31

付义豪，杨雷，谷战垒，王军

（1.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏南京，211106；2.国网河南省电力公司营销服务中心，河南郑州，450052；3.河南许继仪表有限公司，河南许昌，461000）

0 引言

随着我国智能电网技术的快速发展，低压侧的用电数据采集项、采集频次不断提高，对低压电力线宽带载波通信技术提出了更高的要求。在电力系统应用中，电力线是最普及、覆盖面最为广的一种物理介质，利用电力线传输用电数据信息，具有极大的便捷性，与传统的RS-485通信相比，无需重新走线，即可将所有与电力线相连接的电力设备组成一个广域通信网络[1-2]。这种通信方式实施简单、维护方便，可以有效降低电力企业运营成本、减少构建新的通信网络的成本支出，已成为坚强智能电网、能源监管、智慧用能、新能源发电、电动车充电管理等应用的主要通信方式[2-3]。

目前，受限于窄带电力线通信单元带宽和速率的影响，用电信息采集系统仅对电能量基础数据进行了采集，严重制约用电数据深化应用的开展。低压电力线宽带载波通信技术经过近几年的研究与应用，用电信息采集系统已基本实现全覆盖、全采集。根据电力企业对用电数据全量高频采集、台区拓扑识别、停电事件上报、时钟精准校核等深化应用的要求，部分省电力企业开展了低压电力线宽带载波通信单元的试点建设，实现了全量数据高频采集、台区拓扑识别、时钟精准校核等功能，在用户侧电能数据深化应用方面取得了良好的效果。因此，低压电力线宽带载波通信单元的应用将会越来广泛，有力推动了用电信息数据深化应用的有效开展[3-4]。

但是，各省电力企业在低压电力线宽带载波通信单元检测方面缺少相应的检测设备，只能手动搭建测试环境，检测传统的功能项目，检测效率和检测质量不高。特别是对不同设备生产企业提供的低压电力线宽带载波通信单元开展适应性检查、供货前样品比对、供货前全性能试验、到货后样品比对、到货后抽样验收试验、到货后全检验收试验、故障诊断等质量监督工作造成很大的困扰。另外，对低压电力线宽带载波通信单元的性能、一致性、深化应用功能和互联互通方面的检测方法，基本处于空白状态，严重制约低压电力线宽带载波通信单元的推广和应用[4-5]。

鉴于上述原因，本文在详细分析了当前各省电力企业对低压电力线宽带载波通信单元检测能力及存在问题的基础上，有针对性地设计了一种低压电力线宽带载波通信单元快速检测系统。

1 设计方案

基于低压电力线宽带载波通信单元检测系统主要由上位机检测单元、虚拟集中器、虚拟电能表等部分组成（见图1）。以上位机检测单元为核心，搭建低压电力线宽带载波通信单元模拟检测系统，每台虚拟集中器及下挂虚拟电能表组成一个虚拟低压台区，开展低压电力线宽带载波通信单元检测业务。同时，能够模拟现有的用电信息采集主站的所有数据采集及控制功能[6-7]。

图1 检测系统架构图

上位机检测单元通过以太网或者4G通信的方式与虚拟集中器通信，虚拟集中器与虚拟电能表之间通过低压电力线宽带载波通信。上位机检测单元下发性能及功能检测任务，包括高频数据采集、停电事件上报、时钟精准管理、台区拓扑识别、档案自动同步、数据互联互通检测等项目。通过虚拟集中器执行，将检测任务转发给电能表，由虚拟集中器和虚拟电能表共同完成所有检测项目，载波侦听模块实时侦听通信状态并上报给检测系统[8-12]。

1.1 上位机检测单元

上位机检测单元包括检测软件系统、载波侦听模块、程控衰减模块、射频衰减模块等组成。通过上位机检测软件系统选择本次检测项目的通信协议，包括Q/GDW 376.1、DL/T 698.45等通信协议。同时，可以通过系统页面选择通信接口方式、设置通信接口参数、选择检测项目、选择检测项目及检测任务下发等功能。

上位机检测单元通过载波侦听模块和虚拟集中器采集的数据，分析并记录不同型号的低压电力线宽带载波通信单元运行状态，以检测日志的形式存储低压电力线宽带载波通信单元的功能及性能检测结果。

1.1.1 载波侦听模块

载波侦听模块以FPGA核心板为主体，外围电路包括电源模块、过零检测电路、载波耦合电路、高速数据采集单元等组成。载波侦听模块包括载波透明接入单元和载波信道侦听单元，透明接入单元与信道侦听单元硬件完全一样，软件总体一致，细节进行分支区分。透明接入单元的主要作用是将检测软件系统组织的数据发送到载波通信介质，并根据需求自动回复SACK与NACK线路信号。信道侦听单元的主要作用是将载波通信介质里的所有数据实时发送给检测软件系统，供其进行分析判断。载波侦听模块通过以太网TCP协议与检测软件系统进行信息交互，载波侦听模块作为TCP Server，检测软件系统作为TCP Client。

图2 载波侦听模块原理图

1.1.2 程控衰减模块

程控衰减模块分为三个部分，包括控制单元、强电隔离单元和弱电衰减单元。强电隔离单元和弱电衰减单元通过PCB板走线连在一起。程控衰减模块采用强弱电分离，强电设置隔离分区，弱电进行通信，并进行信号强度控制。强电隔离单元总隔离度大于70 dB，可调节精度为2dB，分为6段控制，调节幅度为2 dB至20 dB之间（见图3）；强电额定电流为：2A；弱电衰减单元工作频段为500kHz至12MHz；程控衰减模块通过RS-485或者RS-232与上位机检测单元通信。

图3 程控衰减模块原理图

1.1.3 射频衰减模块

射频衰减模块是通过电力线与载波侦听模块、待测低压电力线宽带载波模块连接，具有信号源和频谱仪的功能，同时具有调节标准设备和待测模块之间衰减值得作用。射频衰减模块具有以下通路：信号源可以通过射频开关1为标准设备提供时钟信号。信号源可以通过射频开关1、功分器2、射频开关2、射频开关4为待测模块注入干扰噪声。频谱分析仪可以通过功分器1、功分器2、射频开关2、射频开关4测试待测模块工作频段和PSD。示波器可以通过功分器1、功分器2、射频开关2、射频开关4测试待测模块时域信号，此通道为备用通道。载波侦听模块通过三通1、程控衰减器和三通2连接到待测模块，此通过为衰减值可调通道（见图4）。

图4 射频衰减模块框图

1.2 虚拟集中器

虚拟集中器按照集中器标准规范设计，具有数据采集、参数设置、运行状态显示、按键、载波通信、以太网通信等功能。处理上位机检测系统下发的低压电力线宽带载波通信单元检测任务，对电能表宽带载波模块上上传的数据进行分析处理。转发检测系统时钟校时数据，对虚拟电能表上报的数据、停电事件，主动转发给检测系统。协助处理低压电力线宽带载波通信单元的深化应用功能，包括高频数据采集、精准校时、停电事件上报、台区物理拓扑、相位识别等功能。

1.3 虚拟电能表

虚拟电能装置按照电力企业电能表设计规范设计，具有计量、通信、显示、异常事件上报等功能。外围预留低压电力线宽带载波通信、RS-485通信、红外通信等接口，满足插拔不同型号规格的宽带载波通信模块测试需求。能够执行虚拟集中器下发的数据采集、时钟校验、台区拓扑识别等任务[4]。

2 检测功能

通过检查系统初始化操作，选择检测项目，下发检测任务，由上位机检测单元配置检测参数，自动检测低压电力线宽带载波通信单元的高频数据采集、停电事件上报、时钟精准校时、台区拓扑识别、互联互通检测等项目，详细检测流程（见图5）。

图5 宽带载波通信单元检测流程图

2.1 高频数据采集性能检测

根据不同的数据项，高频数据采集频次不同，主要包括如下几种方案。检测系统每天采集24至96个实时用电数据，包括电压、电流、功率因数等数据；用于检测低压电力线宽带载波通信单元数据采集性能，采集的点数按照规范进行调整，采集间隔为15分钟至1小时，将1小时间分割为整数个采集间隔点，采集间隔点起始从0分开始。另外，对虚拟电能表负荷曲线、小时冻结数据进行采集。检测系统每天采集前一天的负荷曲线、小时冻结数据；检测过程在保证24点的小时冻结数据基础上，扩展96点的15分钟负荷曲线数据采集。在数据采集过程中，加入射频干扰信号、程控衰减信号，通过多轮次的数据采集，分析采集成功率、采集数据的完整性，以此判断宽带载波模块的通信性能[5]。

为了最大限度地检测宽带载波通信单元的通信性能，对于电压、电流、功率、负荷曲线数据的采集频率，本文采用最大采集频率96个点/天。检验高频数据采集性能的指标用β表示，β指数据采集的成功率，判断标准，详见公式1和公式2。

其中，Q为成功采集到数据个数，Ui为成功采集到电压数据的个数，Ii为成功采集到电流数据的个数，Li为成功采集到负荷曲线数据的个数，Pi为成功采集到功率数据的个数。

在检测的过程中加入射频衰减信号和程控衰减信号。在不同干扰信号的影响下，若β≥98%，判断该种型号的宽带载波通信单元的高频数据采集性能满足指标要求。

2.2 停电事件上报功能检测

停电事件主动上报是宽带载波通信单元主要功能之一，为低压台区精益化管理提供基础数据支撑。宽带载波通信单元通过低时延模式，快速上报自身所在设备的停复电状态，确保停电、复电事件的上报和远程遥控指令下发的实时性。在宽带载波通信单元子节点中配置超级电容器件，可实现停复电后的事件主动上报，由被动抢修变为主动抢修，提高低压台区的供电可靠性，提升客户服务保障能力。通过控制虚拟电能表通断电操作，判断宽带载波通信单元上报停电事件的准确性[5-6]。本项检测要求宽带载波通信单元3分钟内完成停电事件上报。超过3分钟未上报，则认为该种型号的宽带载波通信单元不符合要求，判断标准按照公式3计算。

其中，公式3中Td为时间差值，Tb为标准时钟值，Tm为停电事件上报时钟值。停电事件上报后，要求Td≤3min，超过3min则判断停电事件上报不合格。

2.3 时钟精准校时检测

时钟精准校时检测，判断宽带载波通信单元的时钟校时的准确性。通过周期广播对时模式，检查系统每天在虚拟台区内进行一次电能表时钟广播校时操作，将各个电能表的时钟同步到虚拟集中器自身时钟，通过宽带载波通信单元发送广播校时指令，进行全部从节点的时钟同步。验证特定电能表点抄单播校时业务，针对某些时钟超差电能表，其时钟误差超过广播校时的标准范围时，无法通过广播校时进行校核时，采用人工实时点抄的方式，由检测系统直接进行子节点时钟的校时，校时后的结果判断，按照如下公式4计算。

其中，γ为时钟误差，T0为标准时钟源，Ti为每个虚拟电能表的时钟源。若γ＜99.98%，则判断合格；否则，判断不合格。

2.4 台区拓扑识别功能检测

台区拓扑识别是宽带载波通信单元的深化应用功能之一，能够判断低压台区的户变关系是否异常。检测系统下发台区拓扑识别指令，电能表侧宽带载波通信单元与集中器侧宽带载波通信单元相互配合，由虚拟集中器生成整个台区的物理拓扑图。另外，依据台区物理拓扑图，能够判断整个低压台区的数据采集成功率及台区线损的合格率。能够自动筛选设备档案管理混乱台区，形成完整的台区设备档案关系，实现台区档案完整率100%，详细流程（见下图6）。

图6 台区拓扑识别检测流程图