低壓電網拓撲實時生成平臺產品化研究

方鵬 徐世澤 沈春林 滕曉兵

摘? 要：現階段，低壓配電網的自動化和智能化管理水平相對于輸電網較為落后，低壓配電網成為了智能電網建設最薄弱的環節。低壓配電臺區迫切需要能夠實現可觀可測、支持整體運維的管理平臺。因此，文章立足于當前低壓電網拓撲識別技術的發展現狀，設計了低壓電網拓撲實時生成平臺及其配套的低壓電網拓撲實時生成系統。希望通過該系統能夠加強對配電臺區內電能質量、供電可靠性、經濟運行等方面的管理，提高低壓配網的管理水平。

關鍵詞：低壓電網;拓撲識別;平臺設計

中圖分類號：TM726? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0063-03

Abstract： At present， compared with the transmission grid and medium voltage distribution network， the automation and intelligent management level of low-voltage distribution network is backward， which is the weak link of smart grid construction. The low-voltage distribution network urgently needs a management platform that can support overall operation and maintenance. Therefore， based on the current development status of low-voltage grid topology recognition technology， this paper designs a low-voltage grid topology real-time generation platform and its associated system. It is hoped that the system can strengthen the management of power supply and improve the management level of the low-voltage distribution network.

Keywords： low voltage power grid; topology identification; platform design

引言

低壓配電系統處于電力系統的末端，是電能輸送的最后環節，承擔著對用戶直接供電的任務。近年來，城市化進程的不斷推進，居民小區數量快速增加。隨著城市居民生活用電需求的激增，低壓配電系統中用戶違約用電、私自搭接線路等問題頻繁出現。這些問題的出現不僅增加了供電企業對電能表和客戶檔案歸屬判斷的難度，還在一定程度上影響了供電企業的效益和形象，加重了企業的經營風險。此外，低壓配電系統的運行水平還直接影響著對用戶的供電質量。據國外電力公司統計，由低壓配電系統故障造成的停電事故約占事故總數的80%[1]。并且，隨著智能電網發展戰略的提出，電力公司迫切需要提高低壓供電可靠性以滿足用戶對持續供電的需求。低壓配電臺區迫切需要一種能實現可觀可測、支撐整體運維管理的新平臺，因此，建設低壓電網拓撲實時生成平臺是提高配電網供電可靠性的必然要求。

1 低壓拓撲節點感知技術的國內外研究現狀

隨著配電網絡的不斷發展，臺區布線情況日益復雜，這對低壓拓撲實時生成平臺的建設提出了更高的要求。目前，臺區識別方法包括傳統臺區識別法、專用設備法和自動測試法三種。傳統臺區識別方法主要通過人工觀察下火線走向，從表箱沿著下火線，尋找變壓器，并查看變壓器標識牌，記錄臺區名稱及編號[2]。該方法多適用于小區用戶供電是架空線路的情景，但是隨著電力建設，走線方式越來越復雜，許多臺區甚至采用地下電纜傳輸電能。地下電纜大多埋在地下被建筑物所遮擋，特別是在多個臺區的交界處，存在復雜的交叉現象，無法通過人工觀察確定接進用戶線所屬變壓器臺區，只能通過“拉閘驗電”的方法來確定，這給居民、企業和市政部門帶來了嚴重影響，開發新的臺區識別方法變得極為重要。

臺區識別專用設備主要是指臺區識別儀。配變臺區用戶識別儀是一臺經大量用戶實際使用認可的高性能、高可靠性的臺區用戶識別裝置。配變臺區用戶識別儀由主機和手持終端兩部分組成。通過其獨特的技術方法，配變臺區用戶識別儀能充分滿足電力管理部門準確、快速查清各類臺區用戶資料的要求，可大大減輕基層人員的工作量和勞動強度，從而為實現臺區精細化管理，降耗減損提供真實準確的基礎數據。

通信技術不斷發展給低壓臺區識別帶來了新的方法，基于通信技術的自動測試識別技術開始在國內外出現。目前，自動測試法主要基于載波通信技術和脈沖電流技術。載波通信技術的載波信號容易受到電力線的電容和外部因素等的干擾，其在電力線上的傳輸時會出現一定程度的衰減;并且當載波信號遇到變壓器時，受變壓器感抗影響，高頻載波信號無法通過變壓器傳輸，因此載波信號只能在相同臺區的相同相線內進行傳播。與載波信號一樣，脈沖電流信號也只能在相同臺區的相同相線內傳播，由于脈沖電流信號不能產生交變磁場，其同樣無法通過變壓器傳輸。

2 低壓電網拓撲實時生成平臺方案設計

2.1 實時生成平臺的基本構想

低壓電網拓撲實時生成平臺主要由工頻感知技術、拓撲生成平臺以及設備裝置組成。它們相互作用，共同構建起實時生成平臺。

2.1.1 工頻感知技術

工頻通信技術是在50Hz工頻電壓過零點附近，通過人為產生電網電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息的一種電力線通信技術[3]。美國的Reed H.Johnston最早開始了關于工頻通信技術的研究。該方法通過調制電壓波形完成數據在電網的傳輸，它在電網電壓達到波谷時將一個與電網基波等周期的調制電壓波形注入其中，且在兩個相鄰的電壓波形中只注入一個調制電壓波形。在未進行調制時相鄰兩個波形相同，注入的調制信號明顯改變了電網電壓波形，工頻通信技術可以根據調制信號的位置實現信息的傳輸。

上世紀80年代美國的Ma K S.T.對工頻通信技術進行了發展，提出了雙向工頻通信技術。雙向工頻通信技術可利用電網電纜實現數據的雙向傳輸，其下行信號可以利用調制電壓波形傳輸信息，上行信號則可以通過調制電流波形實現信息傳輸。該方法改進了原有的電壓調制方法，通過調制電網電壓零點附近信號，降低了信號的調制功率，奠定了工頻通信的實用化基礎。

相對原有的電力載波技術，電力線工頻通信技術成本低廉，抗干擾能力強，實現簡單，適用于小信道容量場，實用價值較高。目前，該技術已經有實際的應用案例，美國和加拿大等國家已經將該技術應用到了水、電、氣表的遠程抄送，野外作業設備的監控以及電力設備的控制和檢測。

2.1.2 拓撲生成平臺

當前，配電網絡規模持續擴大，配電網絡結構日趨復雜，需要一個具有完善數據存儲融合分發功能的實時動態監測體系實現對配電網絡的管理，因此，拓撲實時生成平臺應具備以下功能：（1）能夠實時動態的監測低壓配網的各個節點的運行狀況和拓撲變化情況。（2）能夠實時的動態掃描低壓配網的各個節點并完成與原有信息的對比。（3）能夠實現低壓配網拓撲數據的存儲、融合和分發。（4）能夠支持低壓配網拓撲節點檔案的更新與組織。

2.1.3 裝置設計

現場識別裝置和信息發生裝置是構成低壓配網臺區識別的兩大主要裝置。現場識別裝置是一種手持傳感器，檢測人員通過現場識別裝置來檢測用戶區信息;信息發生裝置則擔負著臺區和相線信號的發生和加載任務，是安裝在變壓器側的重要裝置。工頻負荷傳輸通訊、數據處理、電源管理、顯示及觸屏控制、數據及信息存儲和數據通訊六個部分共同構成完整的信息發生裝置[4]。電力線信息通道、信息發生裝置以及現場識別裝置共同構成完整的單相低壓電力用戶變壓器臺區相線識別系統。

工頻負荷傳輸通訊部分的調制控制電路能夠使負荷信號有效的在電力線上傳輸;數據處理部分則多采用高速多通道A/D和DSP，能夠有效完成電力線上的數據采集和處理;電源管理采用高抗擾性開關電源，在保持電壓穩定的同時不影響通訊性能，減少了設備的功耗和重量;數據通訊部分多采用藍牙、USB等數據通信口直接與后臺系統或者個人電腦相連，將獲得的文字或者數據信息傳輸到系統中。

2.2 抗臺區干擾技術分析

在臺區識別過程中，增強傳感信號，降低周圍環境對信號的影響極為重要。用于抵抗臺區干擾的技術包括工頻通信技術、載波通信技術。

2.2.1 工頻通信技術分析

工頻通信技術是一種特殊的電力線通信技術，具有獨特的通信機理和實現機制。與傳統的電力線載波技術相比，最大的優勢在于信號能夠直接穿透輸配電變壓器，實現跨變壓器臺區的通信而無需中繼輔助，具有通信距離遠、抗干擾性能強的特點[5]。配電網絡的工頻通信系統主要由用戶終端和主站裝置兩部分構成，工頻信號可以在終端和主站之間進行雙向傳導。在一般情況下，主站裝置都安裝在變電所內，通過調制變壓器主站裝置可以直接將信號輸送到主變壓器母線上，并通過向外輻射的低壓配電網絡完成信息的發布。主站裝置的主要任務是發布指令給用戶終端，并接收從用戶終端傳來的信息。而用戶終端在大多數情況下安裝在用戶處，主要作用是反饋用戶信息給主站并執行主站發布的指令。從用戶終端傳輸到主站的上行信號和從主站傳輸到終端的下行信號共同組成了工頻傳輸的信號。由于工頻畸變信號可以穿過變壓器傳輸，一個變電所下有多少個變壓器都不會影響信號的傳輸，因此，通常情況下，一個變電所的輻射范圍內只需要安裝一個主站。

2.2.2 載波通信技術分析

低壓配網系統中終端數量多，且分布不均勻，因此載波通信系統多采用一個主機控制多個終端的分布式結構。以遠程自動抄表系統為例，載波通信系統的結構可以劃分為電表、集中器以及采集器三級。采集器則需發揮中繼轉發功能，與電表通過RS485進行通信;集中器都連接到變壓器的低壓三相出線端，作為路由源節點，其與采集器之間借助電力線載波實現通信，并且在匯總臺區的所有用電信息后，集中器通過GPRS遠程無線通信將信息發送給控制中心。

通過對載波通信網絡拓撲結構的分析，可以發現載波通信網絡具有以下特點。

（1）時變性。在確定的物理拓撲線路中，各節點之間的實際可接收傳輸距離是實時變化的，各相的負載和噪聲情況會影響節點間的傳輸距離。（2）復雜性。三相電源和通信鏈路極容易影響電力線信道，拓撲節點隨時可能減少或增加，因此載波通信網絡拓撲結構具有復雜性。（3）未知性。在采集用戶用電信息時，每個節點之間的網絡和物理連接情況是不清楚的，因此載波通信網絡拓撲結構具有未知性。

3 低壓配網拓撲實時生成系統的構成

電網系統網絡拓撲結構實際上指的是電力系統網絡內的各級設備布局，以及各級電壓電力線路的連接方式。合理的電網拓撲結構是電力系統安全穩定運行的基本保證，在實際運行中，拓撲結構容易受到設備維護、負荷變化、故障跳閘、主動優化等的影響，主要表現為系統元件及開關的運行方式變化，如線路、變壓器、發電機等元件的投入或退出以及母聯投切、開關倒閘等[6]。

3.1 低壓配網拓撲實時生成系統架構

低壓配網拓撲檢測系統主要包括拓撲識別從終端、拓撲識別主終端、拓撲分析手持機三部分。系統接入測試現場的示意圖如圖1所示，其中A表示分支開關或表箱，“檢測終端”即是拓撲識別從終端，“拓撲識別主終端”可以放置在臺區內相對比較中心位置的地點，以便獲得最佳通訊成功率。

檢測終端掛裝在分支開關處，拓撲識別主終端通過載波或無線通訊發起拓撲識別，并收集拓撲終端的反饋的拓撲信息，最終形成拓撲圖并顯示出來，也可通過藍牙傳輸拓撲信息給手持機顯示，以便現場觀看和分析。

3.2 低壓配網拓撲實時生成系統工作原理

根據目前低壓配網的運營現狀，參考國網各地區的智能運檢技術發展趨勢，針對鋪設電纜的低壓臺區，有必要開發一套低壓配網拓撲節點在線感知裝置和系統，實現實時、準確、在線化的拓撲節點感知，實現國家電網公司“深化智能電表在配網設備運行狀態管控監測故障研判指揮等方面的應用”。

低壓配網線拓撲節點感知系統主要包括兩種現場感知裝置，一是布置在臺區配變側的主終端，二是布置在電纜分支箱和計量箱側的從終端，從終端配置電流互感器。該裝置通過工頻通信技術，載波通信技術，節點動態感知算法實現低壓配網拓撲節點連接關系的識別和校驗。其基本原理是利用工頻通信信號在臺區間難以串擾的性質，從機通過接收主機發送的臺區特征碼，判定是否為同一臺區。臺區節點識別亦采用相同的思路，通過主終端向臺區廣播特征碼，從終端接收到特征碼后經判斷是否屬于本臺區，若屬于本臺區則會注冊到主終端的網絡里，從而得到臺區所有節點的列表。其中主從終端的通信使用電力線載波技術。

該方案的創新點是無需預先了解當前臺區的節點拓撲情況，如分支箱、計量箱的隸屬關系等，只需保證在配電工區內所有變壓器側安裝主終端，在分支箱和計量箱配置從終端，維護主終端與臺區編號的對應關系，即可實現工區內拓撲連接關系的在線自動識別。當更換主終端或從終端時，仍然可以重現自動識別拓撲連接關系，無需做額外的配置或初始化工作。從而改變了原來低壓普查無法脫離人工的現狀，節約人力投入，提高了數據的時效性、準確性。

4 低壓配網拓撲實時生成平臺的應用建議

智能電網發展戰略對配網精益化管理提出了更高的要求。目前，低壓配網管理手段比較單一，缺乏智能化手段實現對低壓配網的整體性、有效性、精準性的管理。低壓運維管理迫切需要一種能實現低壓配電臺區可觀可測、能支撐整體運維管理需求的技術。因此，需要加強對配電臺區內電能質量、供電可靠性、經濟運行等方面的全面監控，提高整個電網系統的管理水平。

4.1 加快拓撲感知系統的創新性研究

受城市化進程的影響，城市低壓臺區布線混亂，為提高供電企業供電事故搶修效率，研究一種快捷高效的臺區識別系統就變得極為重要。傳統的臺區的識別方法存在著手續復雜，影響用戶正常用電的情況。近年來國內外的臺區識別技術發展迅速，但是目前研究應多集中在利用電力線載波通信、脈沖電流方法的研究上，很少有研究全面的對工頻通信技術的系統構成、信號的調制、信號的編碼以及信號的檢查等方面進行研究。因此，亟需從工頻通信技術入手對低壓臺區的拓撲識別系統進行深入研究，從系統設計、功能實現和實際效能的角度進行超前設計，實現低壓拓撲識別系統核心關鍵技術的創新性突破。

4.2 提高拓撲感知系統的應用水平

目前，低壓拓撲感知設備的設計大多采用電力線載波通信方式，通過擴頻，調頻等多種方法完成信號傳輸，該方式極易受到電網中的電容和電感的影響，造成信號的傳輸不穩。在實際應用中，為解決信號不穩的問題，需要投入中繼設備、阻波器和濾波器等大量設備，因此該方法的應用范圍十分有限。工頻通信傳輸技術借助電力線完成信號的雙向傳遞，能夠在復雜的電力環境中實現高效率通信和高穩定性的傳輸，比電力線載波通信在臺區識別領域中更有優勢。但目前關于工頻通信低壓拓撲感知的研究有限，低壓臺區識別系統的應用中仍然在識別設備等方面存在著諸多問題，因此，關于拓撲感知系統的研究不僅要關注傳輸信號的穩定性和準確性，還要關注拓撲識別產品的工作效率等應用性。總體看來，拓撲感知系統正在不斷進步和創新，逐漸呈現出自動化、合成化、體系化的趨勢。

參考文獻：

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