基于智能傳感器的電氣網絡拓撲識別方法

劉嘉文 王皓

摘要：本文提出一種使用低壓分路智能傳感器分布在配電臺區各個支線上，由所連接的采集單元完成就地自激短路、波形錄波和波形特征量提取，再將各采集單元得到的波形特征量匯總到數據集中器，再集中進行全網絡拓撲計算。該算法綜合了以往方法的優點，簡單可靠，準確度高，易于實現。

關鍵詞：智能傳感器 自激短路 特征量提取 矩陣運算 拓撲圖

0? 引言

電氣網絡拓撲關系自動識別可以將配電臺區所連接的園區、小區、樓宇等電氣連接關系描繪出來，這對電力公司提高供電可靠性管理水平和供電服務能力至關重要。

目前比較常見的實現配電臺區電氣網絡拓撲識別的方法都有些缺點：比如利用電力線載波通信技術[2]，通過用電信息采集系統的集中器和采集器實現載波信號的發送和回傳，但是受配電臺區負載影響大，且存在傳送死區;又如工頻信號注入法，在低壓配電母線短路，用移動采集設備在用電設備或電能計量設備處測量注入的工頻信號，但是現場測試接線麻煩，還存在一定的安全隱患。

1? 配電臺區監測和通信

圖1.1為配電臺區電氣及監測和通信設備連接圖。網絡拓撲計算依賴于高精度帶錄波和自激短路功能的智能傳感器，圖中監測設備將監測得到的電壓、電流、有功、無功、頻率以及自激短路錄波信息上送到所連接的采集單元，進行波形分析和特征量提取，匯集到集中器，進行配電臺區全網絡拓撲計算，最后形成臺區電氣連接關系圖。

1.1低壓分路智能傳感器

低壓分路智能傳感器具有0.1%級的高測量精度，具備定時錄波功能，可自激電流信號，它是配電臺區電氣網絡拓撲關系自動識別的基礎。

傳感器具備自激電流信號的能力，由于體積和功率的限制，電流信號最大5安培，需要0.1S級精度的測量才能滿足。常規工頻大電流傳感器產品精度低、測量范圍小、非線性、易飽和的問題，應該使用開合式開環霍爾傳感器進行高精度工頻大電流測量。

定時錄波要求該傳感器具備串口軟報文對時功能，使得錄波波形包涵自激電流信號，對時精度為秒。

傳感器按照規定時間進行3秒錄波，采樣電流信號，以方便后臺進行波形特征分析，確定是否為自激電流信號。

1.2小波分析錄波數據

錄波的數據，一般為16位，不小于10K的采樣數率和不低于2.5秒的錄波時間，使得足以判斷是否為自激電流信號。

對該錄波數據使用小波分析得到波形相似度，從而確定是同一種拓撲電流信號，文獻[3]詳細介紹了小波特征提取算法。

1.3數據傳輸通信單元

數據傳輸通信單元是連接各個低壓分路智能傳感器的數據集中器，進行計算形成波形特征量提取，并將數據傳送到后端服務器，形成總拓撲圖。

2建立配網專有關聯矩陣

2.1監測和通信設備連接圖

如圖1-1所示的配電臺區電氣接線圖， 把各個匯總節點作為拓撲圖的節點;把低壓分路智能傳感器所監測的支路作為拓撲圖的支路，當監測到有電流時該支路連通， 無電流時該支路斷開;數據通信單元所連接的低壓分路智能傳感器組成一塊區域。

配電臺區變壓器低壓側母線節點①為電源側，監測支路⑴負荷為最大;在通信區域（A）變電柜節點⑤分出三條支路⑵⑶⑷到小區配電間三個節點②③④;配電間②分出兩條支路⑸⑹通過通信區域（B）到樓宇間⑥⑦⑧，其中支路⑹又分出⑺⑻兩條支路，分別到樓宇節點⑦⑧;配電間③④分別通過支路⑼⑽通過通信區域 （C）、（D）區域分別連接節點⑨和⑩。

2.2節點-支路布爾有向矩陣

對于一個任意的電力系統配網拓撲圖，一般為電源輻射型網絡，其中變壓器低壓側為根節點，可以用節點-支路布爾有向矩陣來描述其拓撲結構。假設節點-支路布爾有向矩陣ij，行為節點，列為支路，方向為實際負荷有功功率方向，每個元素表示意義如下：

如果某支路的有功為0，即支路跳閘或無負荷運行狀態，這時對應的支路布爾值為0，對應的矩陣為A。

由公式（1）知節點可以與相關支路形成有功功率流向鏈路，按照從大到小樹狀排布，顯然最大值，即是根節點。

由公式（2）知節點-支路布爾有向矩陣為上三角矩陣，且有以下特殊的結構和特性：

（1）鏈狀網絡的節點-支路布爾有向矩陣就是一個上三角矩陣;

（2）樹狀網絡的節點-支路布爾有向矩陣第一行和對角元素為“1”，其余元素均為“0”同樣具有上三角矩陣的特征。

鏈狀和樹狀網絡形成最簡單的拓撲結構，任何A矩陣都是由最簡單的鏈狀和樹狀的集合體。

2.3 節點-節點布爾關聯矩陣

假設節點-支路布爾有向矩陣ij，支路-節點布爾有向矩陣ji，有B= AT;節點-節點布爾矩陣ik，可以得到

同理可得N′= ·T，該矩陣為排序后的初始節點-節點布爾關聯矩陣，按照各節點升序，即節點有功從大到小的樹狀順序排列。

拓撲結構中點與點間的連通關系是可以通過支路傳遞的。例如點①與點⑤相連，同時點⑤又與點②相連，則無論點①與點②是否直接相連點，①與點②也一定是相連的。

設N′為一級初始節點-節點布爾關聯矩陣進行矩陣乘法運算，則有：

3網絡拓撲結構識別步驟

圖1.1中首先找出拓撲圖根節點。各個通信區域將監測點采集的有功功率匯總在后臺服務器，按從大到小排序，顯然節點①處支路⑴監測點有功功率最大，為拓撲圖根節點。

（C）（D）由于各監測點無有功功率，則為斷開或稱無效區域;

（A）區域有8個監測點，分別是⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑼⑽，其中⑵⑼⑽有功功率為0 ，支路斷開，不參與計算。假設⑴⑶⑷⑸⑹按照負荷大小降序排列得到：⑴⑶⑷⑸⑹，假設它們對應的安裝處節點分別為a1，a2，a3，a4，a5，連接關系未知。

（B）區域有2個監測點，其中⑺斷開，⑻有效， 假設⑻對應的安裝處節點b1。結合（A）區域按照負荷大小降序排列得到：⑴⑶⑷⑸⑹⑻，對應的安裝處節點分別為a1，a2，a3，a4，a5， b1連接關系未知。

依次將節點按照負荷大小升序，做自激發短路電流信號，通過小波分析得到一組電流特征量相同的支路，做節點-支路布爾有向矩陣。如圖2.1連接關系生成圖（a），即按照負荷大小降序排序后支路節點集合。

矩陣乘以6維全“l”列向量S，并排序得到圖2.1 （b）終端支路區域矩陣，從中可以看出⑶⑷⑻為終端支路，其節點 a2，a4， b1分別連接支路⑴、⑷、⑹的節點a1，a3， a5。

分析其余區域為標準的樹狀區域，如圖3.1（c） 樹狀區域。⑴⑷⑹為樹連接。

根據公式（3） （4）得到類似（5）的節點關聯矩陣，至此，網絡拓撲完成。

4結束語

具備自激短路、波形錄波和軟報文校時的低壓分路智能傳感器分布在配電臺區各個支線上，波形特征量提取后進行關聯支路的識別，按照負荷大小進行節點排序，按照關聯的支路數目排序，通過矩陣運算后分解成基本的鏈狀結構和數狀結構，從而繪制網絡拓撲圖。該算法簡單明了，現場易于實施，具備推廣性。

參考文獻

[1]李明維等;低壓配電臺區網絡拓撲和相別自動辨識技術研究;《電氣時代》2018年10期

[2]張鳳翱，李國平，基于載波通信技術的低壓配電網設備自動化識別系統 《浙江電力》 2017年

[3]陳霄，嚴永輝，王黎明，小波變換在供電網絡拓撲辨識波形特征提取中的應用 《電子設計工程》 2019年