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1、电力相位识别技术研究与实现 孙乐乐 杨鹏举 童仁莉 王燕 汪莎 金山供电公司 摘 要： 为了更好地满足供电营销系统信息化管理的需要, 一方面要通过技术优化提高用电信息获取的速率, 另一方面又不能影响正常的电力传输, 因此采用一种不停电的相位检测和相位识别技术就显得十分必要。低压载波通信是现阶段广泛应用于电力信息采集的通信方式, 现提出基于载波通信的电力相位识别技术, 充分利用了窄带电力载波通信存在的跨相耦合这一特点, 只需获取已知相位发送的包含该相位信息的报文, 然后计算接收端接收该报文所用的时间差, 即可求出电力相位。该方法操作简便、精确度高, 具有较高的推广和应用价值。关键词： 相位识别;
2、 载波通信; 跨相耦合; 过零检测; 作者简介：孙乐乐 (1986) , 男, 陕西咸阳人, 助理工程师, 研究方向:电力营销。收稿日期：2017-09-28Received： 2017-09-281 电力相位识别技术的原理1.1 发送/接收端的硬件组成基于载波通信完成电力相位识别, 必须要具备两个基本条件, 其一是已知发送端的位置及其所发送的包含相位信息的报文内容;其二是能够利用接收端识别和接收该相位信息, 并计算出从发送到接收之间的时间差。因此, 在电力相位识别过程中, 发送端和接收端发挥着至关重要的作用。系统各个组成模块的功能如下:(1) 系统电源。为整个电力相位识别系统的运行提供电能支
3、持, 所用电源电压为 220 V, 各电气设备的额定频率为 50 Hz。(2) 计时模块。该模块可分为自动响应和手动控制两种操作模式, 以自动响应为例, 当发送端开始发送包含已知相位的报文时, 计时器识别这一信息并立刻响应, 此时开始计时;直到接收端收到包含同样报文内容的信息, 计时器停止计时, 并将两个时间上传到单元处理器上, 计算出时间差。(3) 处理器模块。该模块的核心器件是单片机, 可以用来进行大量的数据处理, 包括数据的初步分析、无效数据的筛除和数据的精确计算等。该模块需要处理的内容具有多样性, 除了计时模块的时间差外, 还包括单方向过零检测模块的过零信息识别及载波通信电路模块的波段
4、控制等。(4) 单方向过零检测模块。在交流系统中, 过零检测不仅能起到控制电路开关的效果, 还能完成频率自检。单方向的过零检测则可以判断单相交流电源的电压反相点, 为系统调节电机的转速提供依据。1.2 通信协议通信报文的内容是系统判定相位的主要依据, 也是确保电力相位识别技术能够发挥实际作用的重要环节。通信报文具有比较统一的格式, 这就为电力相位识别提供了便利, 使计时器的计时结果更加精确, 提高了行为识别的准确性。从整体上看, 通信报文可分为 6 个部分, 每个部分的报文长度 (字节) 各不相同, 例如报文开头的第一部分和第三部分包含 4 个字节, 而其余部分只有 1 个字节。协议报文中各个
5、部分的功能也不尽相同, 例如同步头无实质性作用, 仅用来表示该协议报文有效, 方便计时器识别并开始计时;发送端地址和发送端相位主要用来确定报文的相位信息, 以便系统进行相位识别等。协议报文的这种构成形式, 明确了各个组成部分的系统职能, 在实际进行运作时, 有效提高了抵御外部物理层信号干扰的能力, 一方面确保了接收端接收报文的准确性, 另一方面也可以提高报文信息的相位识别率。2 电力相位识别技术的实现方法2.1 发送端的工作流程发送端的工作区域在已知相位的相线, 它能够周期性地将载波通信模块中所包含的具有相位信息的报文发送到电力线上, 然后这些报文沿着电力线单向传输, 经过一段时间后到达接收端
6、。当发送端开始发送报文的瞬间, 单片机中的计时器会将该时间计为过零时刻, 以便后期进行时间差的计算。由于电力相位识别是一个动态的过程, 因此发送端的计时模块会以一定的间隔时间 (T s) 循环发送报文。在单片机相关指令的控制下, 单方向过零检测模块会重复地完成过零时间的检测, 直到处理器发送停止指令。载波通信与其他通信方式相比, 通信速率相对较低, 因此在相同的传输距离下, 从发送端到接收端之间的时间差会更长。在不考虑报文传输过程中损耗、电磁干扰等因素的前提下, 单次报文的传输时间 (T) 会随着报文字节数的增加而延长。因此, 要想提高电力相位识别的精确度, 还需在不改变发送端报文内容和包含信
7、息的前提下, 尽量压缩字节数。2.2 接收端的工作流程接收端的工作区域在某一地理位置需要识别的相线上, 其位置的识别主要依靠载波通信模块收集和单片机信息处理实现。由于发送端和接收端之间存在跨相耦合, 因此即便是在发送端发送报文的瞬间开始计时, 也会导致接收端实际接收报文的时间产生一定的误差。如果发送端和接收端之间的间隔距离 (通信距离) 较长, 那么小范围的计时误差可以忽略不计;但是如果两者之间的间隔距离较短, 则计时误差会对电力相位识别造成严重干扰, 需对这些误差进行严格控制。为了实现电力相位的动态识别, 需要保持接收端的载波通信模块一直处于接收模式, 这样就能够源源不断地收集电力系统中的载
8、波数据。为了筛选出有价值的载波数据, 需要借助处理器模块对载波数据进行识别和匹配, 将符合电力相位识别的载波数据保存到数据库中, 为下一步的数据处理和利用提供保障。载波数据的识别原理比较简单:处理器只能识别二进制数据, 当处理器检测到载波通信数据为“1”时, 即将该数据保存下来;反之, 如果载波通信中的内容与系统要求不匹配, 则显示为“0”, 处理器将该载波数据筛除。这种处理模式大大减轻了电力相位识别的工作压力。当接收端识别到报文的“结束符”后, 表示该报文接收完成, 此时计时器停止计时。同一时刻, 处理器完成两个动作指令:其一是收集计时器的两个时间, 求出时间差;其二是向单方向过零检测模块发
9、送控制指令, 开启下一轮的过零事件。2.3 相位判别方法忽略模块间的交互时间和电信号传输时间, 可以估算到发送端的发送时刻t0=t1-Tz-Tm, 即 t1-t0=Tz+Tm。取时间段 Tk=Tz+Tm, 假设发送端位于 A 相:如果接收端位于 A 相, 那么 Tk应为工频周期 T 的整数倍, 即 T=T k%T0;如果接收端位于 B 相或 C 相, 那么 T 应分别近似为 T/3 和 2T/3, 刚好是与 A 相同方向过零的时间差。由于忽略了模块间的交互时间和电信号传输时间并且存在计时误差, 将判别点扩大为一个区间:当 0TT/6 或 5T/6TT, 接收端与发送端同相位;T/6TT/2,
10、接收端延迟发送端 1 个相位;T/2T5T/6, 接收端延迟发送端 2 个相位。本方法的三个要点为: (1) 发送端在过零时启动报文发送; (2) 接收端在接收报文的同时要记录时间间隔 Tz; (3) 接收端计算 T= (T z+Tm) %T, 判决相位。图 1 对这一方法进行了总结。图 1 电力相位识别的工作流程 下载原图3 结语本文所提的基于载波通信的电力相位识别技术通用于现行的大多数用电信息采集终端, 其主要的优点体现在三方面:其一是技术的实施成本相对较低, 包括硬件设备、技术支持和后期维护等, 都不会占用太多的额外花费;其二是对硬件要求相对宽泛, 例如处理器模块中所用的单片机, 可以使用目前市面上常见的AVR 单片机、8051 单片机等。技术人员只需要完成相关的硬件安装和软件调试, 就可以实现对电力系统信息的采集和电力相位的识别;其三是该通信方式进行相位识别的准确率较高, 能够有效避免以往信号识别中可能存在的电磁干扰问题, 保证了电力相位识别的准确率。参考文献1靖小平, 彭小圣, 姜伟, 等.基于 K-Means 聚类算法的自动图谱识别在电缆局放在线监测系统中的应用C/全国第九次电力电缆运行经验交流会论文集, 2012:288-297.
