电采暖智能用电设备监控信息传输研究

发表时间:2019/4/18   来源:《电力设备》2018年第30期   作者:马文营 张影 王兴越 刘志荣
[导读] 摘要:电采暖负荷智能监控增加是“煤改电”项目的重要环节,本文设计研究了一种基于电力线通信的电采暖智能用电监控数据传输系统,采用PLC技术汇集变压器台区内监控数据,然后采用TWACS技术进行远程传输,具有无须在10KV线路安装耦合设备、成本低、没有通信运营费用等优点。

        (国网北京通州供电公司)
        摘要:电采暖负荷智能监控增加是“煤改电”项目的重要环节,本文设计研究了一种基于电力线通信的电采暖智能用电监控数据传输系统,采用PLC技术汇集变压器台区内监控数据,然后采用TWACS技术进行远程传输,具有无须在10KV线路安装耦合设备、成本低、没有通信运营费用等优点。
        关键词:电采暖设备;电力线工频通信;电力线载波通信智能用电
        Abstraction:The increase of intelligent monitoring of electric heating load is an important part of the coal-to-electricity project. In this paper, monitoring data transmission system of intelligent power on the user side is designed which is based on power line communication. Within the transformer field, Power Line Carrier communication (PLC) technology is used to collect the monitoring data, and then adopt Two Way Automatic Communication System (TWACS) technology for remote transmission. This system has the advantages of no coupling equipment installation in 10 KV line, low cost, no communication operating expenses and so on.
        Keywords:electric heating load, TWACS, PLC, intelligent power
        1  引言
        随着国家环保、能源等政策的推进,主动配电网的应用越来越广泛[1,2,3],智能用电监控是构建主动配电网的重要组成部分,由于电采暖智能用电设备数量庞大、分布广泛,低成本、高可靠性的数据传输通道是实现远程监控的关键环节[4,5]。
        针对此,本文结合电力线工频通信和电力线载波通信这两种技术的特点,研究设计了以电力线为媒介的数据传输系统用于主动配电网的智能用电监控,具有设备成本低、安装方便等多种优势,能够有效地利用电力系统的资源。
        2  基于电力线通信的监控数据传输系统
        2.1主动配电网监控系统信息传输方式的选择
        在主动配电网中,电采暖智能用电设备监控系统以家庭为单位建设,数量庞大,对于设备价格很敏感,目前还处于试验阶段,没有大规模应用,示范系统大多结合公共无线网络和低压电力线载波通信构建监控数据传输通道,当大量推广时,以公共无线网络作为远程监控数据传输通道需要长期支付通信服务费用,而且还存在监控信息安全问题。
        如果电力线通信的性能能够适应主动配电网的信道环境,以电力线为媒介传输电采暖智能用电设备监控信息能够有效地利用电力系统自身的资源,具有很高的性价比。
        不同电力线通信方式在设备成本和传输距离方面差别很大;电力线载波通信(PLC)利用高频信号在电力线路上传输信息[6],由于高频信号不能穿越变压器,载波信号只能在方式只能在同一电压等级传输;低压电力载波通信成本很低,但可靠传输距离一般不超过300米,中压电力载波通信设备昂贵,在无中继情况可传输几公里。
        电力线工频通信(TWACS),利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息从而实现通信[7,8],由于畸变信号可穿越变压器,工频通信技术具有能够跨越10KV和380V线路远距离通信的优势,通信距离可达十公里以上,其设备成本高于低压电力载波通信,但远低于压中压电力载波通信。
        因此,本文结合这两种电力线通信技术的优势,复合应用作为电采暖智能用电设备监控数据传输通道,针对主动配电网中存在大量分布式电源、存能设备的信道环境,对大量电力线通信技术进行改进,使之能够适应主动配电网的信道环境。
        2.2 系统基本结构
 
        图1 智能用电监控数据传输系统结构
        如图1所示是结合工频通信与低压电力线载波通信的数据传输系统,用于主动配电网监控信息传输通道;该系统由位于变电所的子站设备、位于配电变压器低压侧的集中器、位于各类用电设备的监测节点组成,各节点与集中器之间通过低压电力线载波方式传输信息,集中器与后台管理部门通过电力线工频通信方式实现监控数据远程传输。
        由于低压电力线载波设备的成本低于工频通信方式,而传输速率却高得多,集中器配置MCU、工频通信、载波通信电路,通过载波通信方式与低压侧各节点之间交换信息,并对各节点电采暖智能用电设备的状态进行本地监控;然后,通过电力线工频通信技术,利用该技术能够跨越变压器远距离传输的特点,将重要设备的状态信息等待子站设备巡检后上传,或者当分布式电源、存能装置等重要设备出现故障时,主动上传报警信号,这样能够有效结合这两种电力线通信技术的优势。
        2.3监控信息在配电变压器台区内的传输汇集
        电采暖智能用电设备监控信息以低压电力线载波通信方式在变压器台区内汇集,由于配电网拓扑结构复杂,同时电力线路的负荷具有时变性的特点,高频信号传输时,必然会存在衰减和干扰严重影响通信性能。
        针对恶劣的信道环境,低压电力载波通信技术分为三类:窄带通信方式、扩频通信方式、OFDM(正交频分复用)方式。
        窄带通信方式的抗干扰能力差,正在逐步退出电力线载波通信领域,OFDM技术的通信速率高,但传输距离很短,主要应用于家庭内部联网,本文选择扩频通信技术进行低压电力线载波通信信号的调制解调。
        对于配电变压器低压侧任意节点之间的数据传输而言,目前的低压载波通信技术还难以保证通信性能,中继接力传输是延伸通信距离的有效手段,关键是中继节点的合理选择,可以蚁群算法、洪泛算法、遗传算法等。
        在主动配电网监控数据传输过程中,通过上述手段保证监控信息在变压器台区内可靠汇集。
        2.4 监控信息在主动配电网的远程传输
        当监控信息在配电变压器低压侧汇集后,基于电力线工频通信技术进行跨变压器远距离传输,这样能够降低数据传输系统的设备成本。
        在主动配电网中,由于大量电力电子器件产生强烈电网噪声;对于电力线工频通信技术而言,信号调制解调都需要判断电压过零点,目前基本采用硬件模拟比较电路获取过零点,难以适应主动配电网的信道环境。
        电力线工频通信方式目前采用主从通信模式,由于通信速率较低,巡检周期较长,当多台分布式电源等重要设备几乎同时发生故障时,报警信息难以实时传输,对于电采暖智能用电设备的有效监控非常不利。
        3. 在主动配电网中工频通信调制方式的改进
        对于远程传输监控信息的电力线工频而言,由于信号调制在电压过零点附近,电压过零点的准确判断是基础;传统的工频通信方式是通过硬件比较电路获取电压过零点,在主动配电网中含有大量的分布式能源,逆变器等设备造成很强的谐波干扰环境中,会严重影响电压过零点判断从而影响调制解调性能。
        本论文通过对电压信号取样,基于数字锁相环方法,通过软件运算获取电压过零点。
        系统电压取样电流信号可以近似表示为:
                                   
        每个工频周期计算所得到的初始相位都存在差别,根据数字锁相环方法,根据每个工频周期初始相位的变化情况,可以确定实际的周期参数,结合初始相位结果,便能够确定电压过零点,并且可以跟踪系统电压频率的波动。
        4多路故障报警信息的快速传输
        4.1 主动配电网故障报警的需求
        与常规智能电器相比,分布式电源、存能设备发生故障的影响要大得多,所以,供电部门需要及时掌握这些重要设备故障信息。
        当重要设备发生故障时,如果按照传统的工频通信系统的主从模式,供电部门只能采用子站巡检时才能够获取报警信息,由于工频通信速率低,巡检一遍的时间较长,难以实时获得主动配电网中重要设备发生故障的报警信息。
        主动配电网中分布式电源、存能等重要设备数量庞大,因此存在多台设备同时发生故障的概率,基于此,本论文采用伪噪声编码结合时标间隔主动发送,能够实现多路报警信号的实时传输。
        要实现多路报警信号的主动上行传输,就必须使子站设备能够同时实现多路上行信号的同步检测,确定各路信号数据编码的起始工频周期。
        4.2 基于伪噪声序列的报警信息编码设计
        本论文采用双极性伪噪声M序列编码 进行上行报警信号前导信息与数据信息的调制,其序列长度为N, 具有周期性、自相关性很强而互相关性很低的特点[9],如下所示:
                                  

        每个码片用2个周期中畸变信号位置来代表,这样每位信息占2N个工频周期,当各路报警信号每位编码信息起始时刻一致时,利用尖锐的自相关性就能够实现多路报警信号的并行传输。
 
        图2  多路报警发送时刻确定示意图
        但实际情况是每台设备出现故障的时刻并不一致,针对此,本论文通过在下行通信时预设起始时刻,利用每位信息固定占2N个工频周期的特点,报警信息的发送时刻都与起始点相距2N个工频周期的整数倍,这样虽然各集中器发送报警的起止时间并不完全相同,但每位信息的编码起止时刻一致,利用伪噪声编码的相关特性可实现多路报警信号并行接收,如图2所示,为当N为7时的多路报警信号发送时刻示意图。
      
        图3  报警信息调制信号示意图
        4.3 多路报警信号的并行检测
        当多路报警信息并行传输时,所有报警信息在10KV支线上在2N个工频周期内的调制成份为:
         
        5、结束语
        本文根据主动配电网的信道特点,参考国内外电力线工频通信领域的研究经验,在以下方面进行了研究:
        (1)结合电力线工频通信与低压电力线载波通信技术构建电采暖智能用电设备监控信息传输系统,通过低压载波通信手段将低压侧的用电监控数据集中,通过电力线工频通信进行远距离传输,这样能够提高智能用电监控系统的性价比,有利于推广应用。
        (2)基于数字锁相环实现电压过零点获取,在主动配电网中因存在大量电力电子器件运行而噪声干扰严重的环境中,克服基于硬件方式实现的过零检测电路容易受到干扰影响的缺陷,能够在恶劣的噪声环境中保证电压过零点的准确获取,为电力线工频信号调制和检测提供基础。
        (3)由于主动配电网中有大量分布式电源、存能等重要设备,因此存在多台设备同时发生故障的情况;针对此,当同时出现多台设备故障时,采用伪噪声编码结合时标间隔主动发送,能够实现多路报警信号的实时传输,克服了传统电力线工频通信主从轮训模式影响故障报警时效的缺陷。
        参考文献
        [1] Velasco-Ramírez, E.; Ángeles-Camacho, C.; García-Martínez, M. Smart Transmission Grids: Benefits and Risks. Ingeniería, investigación y tecnología  vol.14,no. 1,pp. 81-88, 2013-03
        [2] Barker, I.J. Some considerations on future developments in ferroalloy furnaces. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy  vol.111,no.10,pp. 691-696, 2011-10
        [3] Albiero, Daniel; Daher, Sérgio; Monteiro, Leonardo de Almeida; Wind turbine for family farming in semi-arid areas with technological innovations for low wind speeds. Revista Ciência Agronômica vol.45,no.1,pp.186-196,2014-03
        [4] Shevchenko, N.F.; Khorunzhii, M.V.. Electrical equipment monitoring and control instrumentation[J]. Promyshlennaya Energetika,1971,26:51-3
        [5] Huda, A.S.N.1, Taib, S.1. Suitable features selection for monitoring thermal condition of electrical equipment using infrared thermography[J]. Infrared Physics and Technology, 2013: 184-191
        [6] Hui xia, Xuebin Wu. Design of medium voltage power line spread spectrum carrier communication system based on embedded system[C]. International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing,2009:1-4
        [7] 周世炜, 张绍卿,洪文学.配电网络双向工频通信的原理与实现[J].电网技术,1999,23(10):37-38.
        [8] 周世炜, 张绍卿,洪文学.配电网络双向工频通信的原理与实现[J].电网技术,1999,23(10):37-38.
        [9] 李晓峰,周宁,周亮,.通信原理,清华大学出版社。2008,11,337-342.
 

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