低壓臺區拓撲辨識方法綜述

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.021

摘? 要：在對低壓臺區拓撲識別實現方法進行研究的基礎上，文章分析了“基于用電信息的分析法”“電流注入法”“停復電分析法”“手機APP沿布圖方法”4種拓撲辨識方法的原理及實現步驟，闡述了拓撲辨識CIM文件的標準及格式。從“建設成本、施工量、辨識精度、拓撲發生變化后是否能自動更新”4個角度總結對比了4種拓撲辨識方法的差異，施工單位可根據不同的需求和情境采用不同的方法。

關鍵詞：低壓臺區;拓撲辨識;CIM文件

中圖分類號：TP391.4? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）08-0071-05

Overview of Topology Identification Methods for Low Voltage Stations

MA Biyan

（Guangzhou Dongfang Dianke Automation Co.，Ltd.，Guangzhou? 510000，China）

Abstract：Based on the study of the implementation method of topology recognition in low voltage stations，this paper analyzes the principles and implementation steps of four topology identification methods，including “analysis method based on power consumption information”，“current injection method”，“analysis method of stopping and resuming power”，“layout method of mobile APP”. The standard and format of topology identification CIM file are elaborated. This paper summarizes and compares the differences of four topology identification methods from four aspects of “construction cost，construction quantity，identification accuracy，and whether the topology can be automatically updated after changing”. The construction unit can adopt different methods according to different needs and situations.

Keywords：low voltage station;topology identification;CIM file

0? 引? 言

長期以來，配電房及低壓臺區存在戶變連接關系不清晰的問題，尤其是新建臺區，部分拓撲根本無法直接獲取，需要采取人工摸查的方式，工作量巨大，造成了人力物力的浪費。“戶-變”關系的缺失導致無法為臺區總線損提供精確數據源;“戶-線”關系缺失導致無法進行分級線損的分析計算。當前線損精益化管理工作、故障定位、三相不平衡分析等高級應用亟須開展低壓臺區拓撲辨識，以支撐臺區分布智能化監控工作，故障自動上報并能根據臺區拓撲實現故障定位及故障分析，實現線損精細化分析、提高配電臺區的電能質量、供電可靠性和自動化水平。

目前實現配電臺區電氣網絡拓撲識別的方法有：

（1）基于用電信息的分析法。利用目前的低壓線路電力線載波通信技術，包括窄帶電力線載波或寬帶電力線載波，通過用電信息采集的配電臺區用戶用電信息，使用電壓數據相似性或相關性分析方法，不增加硬件成本，自動分析臺區供電電源與用電設備間的連接關系。

（2）電流注入法。在低壓配電線路（或母線）上，通過在工頻信號中注入小電流信號，各級逐層捕獲該電流信號實現拓撲辨識。

（3）停復電分析法。通過對低壓臺區的主干分支有序停復電，由網關抄讀用戶停復電數據，與主干分支的停復電信息進行比對，實現低成本的“戶—線—變”拓撲自動辨識方案。

（4）手機APP沿布圖方法。通過手機APP應用，完成低壓建模業務的“建立臺賬、關聯拓撲、終端配置、點圖操作”全過程管理，供電所人員經授權后通過低壓APP開展相關業務。

1? 用電信息分析方法

應用該方法的臺區，用戶電表及分支電表需使用藍牙及寬帶載波通信雙模模塊方法與集中器通信，網關通過集中器抄讀各分路及用戶的停電信息、凍結電流、電壓等電氣量;并根據這些狀態信息及電氣量信息，使用算法實現拓撲識別，并最終形成拓撲文件，拓撲識別系統如圖1所示。

基于用電信息的臺區電網拓撲重構方案主要包含三個步驟：

（1）臺區區分。

（2）相位識別。

（3）分支還原。

1.1? 臺區區分

臺區區分基于寬帶載波技術特有的時鐘檢測功能，根據每個用戶的電壓過零點來識別該用戶是否屬于本臺區，并且識別該用戶歸屬于臺區的A、B、C相的哪一相，如果該用戶的過零點離主節點ABC三相的過零點時鐘偏差都較大，則認為該用戶不是本臺區的用戶。

1.2? 相位識別

相位識別的技術目前已經比較成熟，以從節點的極大似然結果為基礎實現相位識別。具體做法是電力線載波通信主節點在某確定象限，例如A相過零點時定向發送相位識別命令至未知相位的從節點。從節點過零點若偏差在0±200 μs以內，則認為從節點是A相。當偏差等于6.7 ms±200 μs或13.3 ms±200 μs時，則認為目標從節點是B相或C相。

臺區區分及相位識別的結果，目前寬帶載波模組都已具備，由智能網關通過集中器抄讀，報文遵循《計量自動化終端上行通信規約（2017版）》協議。

前兩步后，能實現戶變關系及相位識別，即拓撲結果如圖2所示。

1.3? 分支還原

1.3.1? 數學求解法

分支還原可通過數據計算方法求解，首先將用戶電表通過表箱的模式聚類，同一表箱的用戶認為屬于同一分支，然后通過求解“表箱總電流”與“分支電流”的電流和公式，得到表箱與分支的歸屬關系：

（1）表箱聚類。用戶電表載波模塊中含有藍牙通信模塊，距離相近的電表，藍牙模塊間能相互通信，通過電表間藍牙通信成功次數聚類末端用戶，通信成功次數多的電表聚類到同一表箱中，聚類結果由智能網關通過集中側的載波匯聚單元抄讀，抄讀協議為內部通信規約。

末端表箱聚類能將分散的用戶聚合成虛擬的表箱，末端拓撲由用戶歸屬求解轉化為表箱歸屬求解，由于虛擬表箱個數少、聚合電流大，可有效降低求解難度。

（2）表箱歸屬辨識。利用用電信息采集系統的瞬時凍結功能，可以獲得各分支總表及用戶電表在同一時刻的電流。然后通過對同相位內的分支總表電流使用嘗試法或一些優化算法（如粒子群或羊群法）計算，確定各分支與表箱的連接關系。例如臺區有三個分支，并聚類好20個表箱，將分支總表x，y，z的瞬時電流記為I_x，I_y，I_z，20個表箱的電流分別為I_b1、I_b2、…、I_b20，若滿足I_x=I_b1+I_b5+I_b7+I_b12，則認為表箱1、5、7、12為分支x下屬表箱。

2? 小電流注入法

該方法通過在用戶電表及各分支斷路器（或低壓分支監測單元）的載波模塊中增加特征電流（小電流）注入電路，同時，分支斷路器（或低壓分支監測單元）上裝有核心小板，通過依次控制用戶電表及支路斷路器（或低壓分支監測單元）的載波模塊注入特征電流，核心小板檢測本斷路器（或低壓分支監測單元）上是否流過特征電流來判斷用戶電表及各分支的等級關系。

整體識別流程如下：

（1）發送臺區識別信號。人工啟動臺區拓撲識別流程，臺區側智能網關通過工頻畸變信號發送臺區唯一標識，A＼B＼C相各一次，臺區的分支斷路器（或低壓分支監測單元）即可收到并記錄該標識。

（2）寬帶載波組網。信號發送完成后，復位智能網關的載波CCO模塊，刪除CCO模塊中白名單信息，等待CCO組網流程。待組網結束后，智能網關的載波CCO對入網的寬帶載波STA節點信息進行注冊。

（3）特征電流注入及識別。對注冊到的分支斷路器（或低壓分支監測單元）及用戶電表進行點名發送特征電流識別信號，同時各分支斷路器（或低壓分支監測單元）實時監測是否流過特征電流。

（4）拓撲分析。各分支斷路器（或低壓分支監測單元）將實時監測是否流過特征電流的結果上送到智能網關，由智能網關完成拓撲分析。

（5）上送主站。智能網關將變壓器—分支斷路器（或低壓分支監測單元）—用戶電表的拓撲關系文件信息上傳至主站，用于主站完成高級應用分析。

電流注入法拓撲辨識流程如圖3所示。

3? 停電分析法

針對農網地區各用戶距離較遠，表箱聚類不理想的情況，可通過電表載波模塊帶超級電容，上報停電信息的方法，對臺區的分支依次停電，收集分支電表及末端用戶的停電信息，完成用戶與分支的歸屬關系分析。

通過低壓線路有序分合閘，生成分支線路的停復電時間，在臺區全面復電后，由臺區智能網關抄讀停復電時間，完成拓撲辨識，該方法主要步驟為：

（1）有序停復電。在低壓臺區需發生主動停電時，如臺區變壓器檢修、斷路器維護等情況，各用戶電表生成帶時間戳的停電事件，保存在電表中，檢修或維護完畢，臺區復電時，可有序執行臺區大分支的復電，如先閉合主干分支1的塑殼斷路器，30 s后再閉合主干分支2的塑殼斷路器，依次類推，錯開一定的時間有序完成各主干大分支的復電。當主干分支復電時，該分支下的用戶電表會生成帶時間戳的復電信息，并保存在用戶電表中。

（2）抄讀用戶電表信息。臺區智能網關連接到集中器中，當各區全面復電后，智能網關通過集中器抄讀臺區所屬用戶電表的最近一次停復電信息，記錄到智能網關數據庫（或文件）中。由于拓撲辨識時效性要求不高，該抄讀行為可以錯開抄表高峰期進行。

（3）拓撲分析。臺區智能網關根據各用戶電表停復電起止時間（基于載波通信的低壓臺區，用戶電表統一由集中器對時，電表的時間一致性好），停復電時間相近的用戶電表歸屬于同一個主干分支，把所有用戶電表歸類存放，形成“戶—線—變”關系。

4? 手機APP生成沿布圖方法

該方法通過移動端APP，逐一對現場的電能表進行建檔，并勾選電表的上級開關/斷路器/分支監測單元，同時記錄下電表的地理位置，最終在手機APP上實現“戶—線—變”完整的拓撲圖，并在地圖上繪制沿布圖。

沿布圖以臺區為單位，先建立低壓設備的臺賬，然后繪制出低壓設備的連接關系，具體內容如下：

（1）低壓設備臺賬維護。在移動端APP中，提供以低壓臺區為單位，對低壓配網電氣設備的建模功能。用戶借助APP建模工具錄入設備位置信息、臺賬參數等。目前模型主要包含以下元素：

1）臺區類。

2）桿塔類和街碼類。

3）低壓分支箱類。

4）開關類。

5）電纜井類。

6）監測箱類（“刀閘+開關+刀閘”的容器類型）。

7）通訊裝置類（屬于二次設備，虛擬用來關聯采集設備和真實拓撲設備）。

8）電表類。通過上述元素，建模出一個臺區完整的參數臺賬，為其他應用提供基礎的數據。

（2）低壓設備連接關系管理。通過移動端APP采集低壓設備真實地理經緯度數據，并在應用中選擇其關聯的父節點信息，在邏輯上創建低壓設備的樹形拓撲關系。

以臺區為單位，生成拓撲CIM模型文件，并同步至智能網關，智能網關對拓撲文件解析入庫，并以此為基礎實現臺區高級應用。

5? 拓撲模型文件

拓撲CIM文件遵循IEC61970 501標準所描述的CIM RDF模式，一個低壓配網電氣拓撲模型CIM XML模型交換格式能被轉換導出為一個XML文檔。這個文檔稱為CIM XML文檔。CIM RDF模式提供CIM XML文檔所使用的資源描述格式。最終CIM XML模型交換文檔能被解析。

5.1? CIM文件編碼

編碼統一采用GB18030編碼，以下為示例：

<？xml version="1.0" encoding="GB18030"？>

5.2? 配電變壓器模型

配電變壓器的保留“名字”屬性，擴展“用戶等級（標識重要用戶、普通用戶）”“用戶屬性（公變、專變）”“IP地址（TTU對應的IP地址）”屬性，CIM文件建模示例為：

**花園公用配電站#1變壓器

1

public

10.241.192.236

5.3? 母線模型

母線保留“名字”屬性，CIM文件建模示例如下：

Busbar#92413

5.4? 支路開關模型

支路開關的保留“名字”屬性，擴展“支路電表地址”屬性，CIM文件建模示例為：

4044開關

211700520471

5.5? 用戶模型

用戶保留“名字”屬性，擴展“用戶電表地址”、“用戶住址”屬性，CIM文件建模示例為：

郭**

'091701506130

**市**花園2期13棟1101房

5.6? 關聯關系

通過定義Terminal，并使用Node將各設備的相連關系進行表達，如下文所示，母線與分支開關通過同一個命名為“#Busbar_id_5512”的ConnectivityNode相連。

同理，用戶與分支開關的相連關系通過同一個命名為“#Breaker_id_9177”的ConnectivityNode相連，CIM文件中定義為：

6? 拓撲算法優劣勢及適用情境對比

4種低壓臺區拓撲辨識的原理各不相同，實現的效果也稍有差異。下面從建設成本、施工量、辨識精度、拓撲發生變化后是否能自動更新4個角度對4種拓撲辨識方法進行對比，比較結果如表1所示。由表1可知，不同情境下可根據相關原則采取合適的辨識方法。

7? 結? 論

目前，還未找到一種施工簡單、能100%精確識別“戶—線—變”關系及分支層級關系，且拓撲發生變化后能自動完成拓撲辨識的方法，目前采用的各種方式均有其優缺點和適用情境。近年來，各研究院及自動化廠家仍在不斷地創新，嘗試各種針對低壓臺區的拓撲識別方法，因此，總結業界已實現的方法，對各種方法進行對比，有助于工程化的選型，并為多種方法融合提供參考及依據。

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作者簡介：馬碧燕（1982—），女，漢族，廣東廣州人，工程師，碩士，研究方向：電力系統自動化。

收稿日期：2021-03-07