基于N線的拓撲感知技術研究

歐 新，韓 鵬，盧玉鳳，寧 騫，藍世祥，高春梅，任 旭

(1.貴州電網有限責任公司 貴陽供電局，貴陽 550002；2.華立科技股份有限公司，杭州 310023)

0 引言

隨著科技強國戰略的實施，智能制造、智能家居、智能電網[1]等新理念、新技術大力推進。國家電網公司提出了“三型兩網、世界一流”的戰略目標，“兩網”指的是堅強智能電網和泛在電力物聯網。泛在電力物聯網圍繞電力系統各環節，充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互，具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統。

在全面感知掛網設備分布的過程中提出了很多新技術。例如，文獻[2]定義了樹節點類來動態地反映節點間的鏈接關系，采用深度優先算法，快速識別網絡拓撲結構的變化。文獻[3] 結合變電站運檢及管控工作的實際需求，提出了基于機器感知和態勢感知技術的變電站設備狀態智能監測評估一體化平臺的頂層設計理念，通過人工神經網絡[4]、感知哈希算法[5]等技術，可實現設備狀態及變電站環境自主感知、預測設備缺陷及風險、代替人工進行巡視決策，從而大大提高運檢效率與可靠性。文獻[6]基于數據關聯分析的低壓配電網拓撲識別方法，利用Tanimoto相似度系數計算各分組內配電變壓器、分支箱、表箱、用戶智能電能表之間相關性和非相關性,從而實現低壓配電網拓撲識別。文獻[7]基于離散 Fréchet 距離和剪輯K 近鄰的配電網拓撲結構校驗方法。文獻[8]基于 LoRa 技術和 GPU 加速的臺區拓撲辨識方法，旨在利用 LoRa 通訊技術、高性能計算技術以及大數據方法，對于大規模安裝的智能電能表的數據進行獲取和分析，有效辨識臺戶之間的對應關系。文獻[9]基于用電信息集抄系統的深化應用，如臺區區分，相位識別和瞬時凍結等關鍵技術，配合電力線測距等第三方設備，提出一套新型的低壓臺區網絡拓撲結構重建方案。文獻[10]基于T型灰色關聯度和K-最近鄰(KNN,k-nearest neighbor)算法實現低壓配電網拓撲自動識別方法,該方法能自動識別用戶所屬臺區和饋線,準確率高,實用性好。

以上方法實現起來難度很大，且由于電網工況的復雜性，實際效果不太理想。文章提出一種基于N線的拓撲感知技術，能夠實現分級接收主站命令，并能主動產生特征電流信號，通過簡單的OOK(二進制振幅調制)調制技術[11]實現臺區側掛網設備的精準拓撲網絡，得出樹狀分布圖。

1 基于N線的分布式拓撲識別模型

1.1 基于N線的定義

目前，電網上實現拓撲識別的方式大致分為三類：第一類是根據電流潮流量的大小由主到次逐次減小的特征，通過對特定節點電流量的有效監測并聚類分析，形成臺區下分支模型，這種方式容錯率太差，在電網大環境復雜的背景下，很難實現全覆蓋、精準性的拓撲模型；第二類是通過電力線載波通信的方式讀取設備唯一ID號以明晰設備分布情況，這種方式只能實現臺區下所掛設備的數量及設備號，再加上現階段HPLC載波模塊具有高頻傳輸特性，很容易將信號串到A、B、C線電壓上，從而擾亂信號的正常回路信息，大大降低了分支識別的準確性；第三類是通過智能終端[12]下發拓撲識別命令，掛網設備接收到拓撲識別命令，產生特征電流信號并逐級被父節點接收到，接收到特征電流信號的設備按照統一的編碼方式向終端發送拓撲識別結果信息，終端通過處理分析，完成拓撲網絡的生成，形成臺區下掛網設備的分支拓撲圖。

文中所采用的方式是第三種方式的延伸，第三種方式利用電阻、電容、電感元器件的物理特性，通過編程實現特定時間間隔內元器件的導通與關斷，并將這種特征信號注入到電力線N線上，完成特征信號的注入。

1.2 基于N線的分布式拓撲識別模型

基于N線的拓撲感知技術，主要是利用N線來傳遞特征電流信號，臺區側N線的分布式拓撲模型如圖1所示。

圖1 N線分布式拓撲分模型圖

圖1可以看出，配電變壓器出線側分為三級，依次是配電柜/JP柜、分支箱、表箱[13-14]，每一級出線側都可以延伸出多個分支，N線通過配電變壓器的中性線接地后引出，并逐級延伸到每只表箱。

從圖1中可以看出，一根N線貫穿了臺區下所有分支，形成電流回流圖譜。圖1中圓圈內標示的序號代表不同層級的分支節點序號，如果在每個節點處放置一款具有拓撲感知功能的設備，便可以準確地實現臺區下設備的拓撲圖[15]，避免了向A、B、C三相線電壓上分別注入特征信號而引起的混亂現象，同時降低了向A、B、C三相線電壓上注入特征電流信號而引起的掛網設備計量偏差和故障率。

2 基于N線的特征信號注入研究

2.1 基于N線的拓撲感知設備功能描述

為了實現臺區側掛網設備的網絡拓撲結構圖，方便故障排查,第一時間鎖定故障點，切斷故障點電能供給，及時維修故障，確保電力正常、高效的供應。文中所論述的設備安裝在臺區下的每個N線的分支節點前端，本設備的整體框圖如圖2所示。

圖2 整體框圖

如圖2所示，本裝置由7部分組成，包括電源模塊、過零檢測電路、HPLC電路、特征電流信號發送電路、特征電流信號接收電路、485電路、MCU主控電路等部分組成[16]。電源模塊用來給各個功能模塊提供電能；過零檢測電路判斷市電過零點時刻，該模塊電路與HPLC模塊配合完成通信功能，實現拓撲識別命令逐級下發給對象設備。HLPC模塊稱為寬帶載波模塊，通過HPLC模塊可以完成主站下發命令的的接收與發送。特征信號發送電路用來發送拓撲識別特征電流信號；特征信號接收電路用來接收特征電流信號；485電路用來與同一分支箱內的電能表進行通信，抄讀表號信息及對應的電量等參數。

為了簡化器件，圖中所標的拓撲識別裝置的取電方式是從A線和N線之間取電，也可以分別從B線和N線、C線和N線上取電，但特征電流注入的對象一致，都是從N線上注入的。

實際工作過程簡單描述為：當主站下發拓撲識別命令給集中器后，集中器分時段向電力線發送拓撲識別命令給對應的分支箱(每個分支箱都有對應的唯一ID識別號)，HPLC[17]模塊接收到電力線發來的信息，通過解調傳送給MCU進行進一步解析，當MCU響應該指令并解析得到該指令為拓撲識別指令時，MCU先進行485供電電路電源的切換，當切換完成后，跳轉到中斷服務子程序中，監測電力線過零點信號，當MCU監測到過零點信號后，觸發特征電流信號發送模塊工作，完成特征電流信號注入，該線路的上級分支箱N線均有特征電流流過，上級電路的特征電流接收模塊均可接收到該信號，如此分級完成各級信號的發送與其上級信號的接收，如此整合確定不同分支箱之間的網絡拓撲圖，知道了分支箱的網絡拓撲圖，即可得出同一臺區每塊電能表的拓撲圖。

2.2 特征信號注入機理研究

特征信號注入模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 特征信號注入電路

如圖3所示，特征信號注入電路由四部分組成：電源隔離模塊、邏輯判斷模塊、光耦控制模塊、繼電器控制模塊[18]。

電源隔離模塊用來為后級傳輸能量，同時實現前級和后級強弱電隔離；邏輯判斷模塊上拉電阻R1、R2和U2組成，R1、R2確保常態下線路的電平維持在高電平，避免線路波動引起誤動作。

光耦控制模塊是為了將強、弱電隔離，同時將弱電端的控制信號作用到強電端控制強電電路動作。光耦控制模塊由R3、R4、R5、R6、Rs1、Rs2、C5、C6、C7、Q1、N1、U3、D1、D2、D3、D4組成。其中，R3、R4、R6為限流電阻，R5為下拉電阻，確保常態下，Q1的集電極為低電平，N1為大功率MOS管，在本電路中用作開關，當Q1的集電極為低電平時，N1處于為導通狀態，此時無電流經Rs1、Rs2流入N線；當U3的3腳為低電平時，U3的1和3腳導通，5腳輸出低電平，Q1導通，N1的1腳變為高電平，N1導通，這時有電流經過Rs1、Rs2流入N線，從而實現特性信號的注入。D1、D2、D3、D4為單相導通二極管，可以控制電壓的單相導通特性，阻止220 V市電流入24 V電壓側。R6、C7形成RC串聯濾波電路，由于吸收開關尖峰，降低尖峰電壓對MOS管的沖擊，Rs1、Rs2選用大功率水泥電阻，增大通流能力。

繼電器控制電路控制強電側的共用地，當MCU檢測到終端發來的拓撲識別命令后，通過發出控制命令作用于繼電器電路，即R7的左側，電氣連接標號為RLYON。當RLYON為高電平時，QP1導通，此時繼電器RY1動作，使得大地端Ground作為強電側共用的地。此外，需要注意的是24V電壓也是通過隔離變壓器過來的，具有大的輸出功率，它的地通過繼電器RY1來控制，與強電側地同步切換。通過對N1開關頻率的控制，有效的將特征電流信號注入到電網的N線中，每級節點前端安裝具有該功能的設備或裝置，配合特征信號接收電路完成信號的接收與有效處理，既安全又能夠有效地實現拓撲識別功能，為泛在電力物聯網建設提供創造性引領技術。

2.3 基于OOK調制技術的拓撲感知方式研究

幅移鍵控(ASK)是一種常用的信號調制技術[18]，該方法在眾多低頻RF數字通信系統中非常普及。當需要發射“1”時，發射源發送較高的載波幅度；發射“0”時，采用最簡單的方式發送出較低的載波幅度。通-斷鍵控(OOK)調制是一種更簡單的ASK方式，發射“0”時，無任何載波信號輸出。

圖4 特征電流波形圖

為了提高軟件的容錯性，降低電網噪聲對信號的干擾，文章在采用OOK調制技術的同時，優化了控制方式，通過將單次發送時間設置為9.6 s，即每位編碼發送時間長度為0.6 s，其中每位由規定個數的OOK碼組成，單次發送總體時間偏差為±40 ms，每位編碼允許發送時間偏差為±15 ms。通過這樣的方式，大大增強了特征信號的抗干擾性，提高了準確率。

3 拓撲感知方式研究

3.1 拓撲感知層級描述

掛網設備由主干線向分支側不斷延伸，形成逐級網狀分布式分布模式。針對這種分布式架構，軟件在設計時，為更好地感知每一層級所掛設備的分支信息，采用的流程圖如圖5所示。

圖5 拓撲感知流程圖

實際工作過程簡單描述為：主站下發拓撲識別命令給集中器，集中器分時段向電力線發送拓撲識別命令，對應分支箱(每個分支箱都有對應的唯一ID識別號)設備的HPLC模塊接收到電力線發來的命令，解調后的信號傳送給MCU進行進一步解析，MCU響應該指令并解析得到該指令為拓撲識別指令并使能繼電器RY1動作，同時使能U2的1腳(即輸出低電平作用到U2的1腳)，隨后跳轉到中斷服務子程序中，監測電力線過零點信號，當MCU監測到過零點信號后，U2的2腳輸入變為低電平，此時U2的4腳輸出低電平使得U3的5腳輸出低電平，Q1導通，緊接著N1導通，觸發特征電流信號發送模塊工作，完成特征電流信號注入，該線路上的上級分支箱N線均有特征電流流過，上級電路的特征電流接收模塊均可接收到該信號，如此分級完成各級信號的發送與其上級信號的接收，整合確定不同分支箱之間的網絡拓撲圖，知道了分支箱的網絡拓撲圖，即可得出同一臺區每塊電能表的分布網絡。

3.2 拓撲感知決策算法研究

3.2.1 拓撲感知決策矩陣研究

配電變壓器下掛的集中器作為主站與計量設備之間的橋梁，完成命令的轉發、電量信息的采集、對時、監測等功能，在拓撲感知技術研究中，集中器又增加了新的功能，完成拓撲識別特征電流信號的接收與處理。

采用拓撲矩陣Rx來簡單描述拓撲層級[19]，針對拓撲網絡的每一個層級都有相應的矩陣與之對應，以四層拓撲網絡為例，可以表示為:R0=[X1]；

R1=[Y1,Y2,Y3,……Yn]；

1.3.6 選定樹脂對紅薯葉總黃酮的動態解吸試驗 分別考察洗脫液濃度(50%、60%、70%、80%、90 %)、洗脫液流速(1、2、3、4、5 mL/min)、洗脫液用量(2、3、4、5、6 BV)對選定樹脂解吸率的影響，并通過L9(34)三因素三水平正交試驗確立選定大孔吸附樹脂對紅薯葉中總黃酮的最佳解吸工藝參數。

R2=[Z1,Z2,Z3,……Zn]；

R3=[H1,H2,H3,……Hn]；

假設四層拓撲網絡圖如圖6所示。

圖6 拓撲網絡圖

則可得出:

R0=[0];

R1=[01,02,03,04];

R2=[011,012,031,032,033,034];

R3=[0111,0112,0121,0122,0123,0124,0125,0126];

每一層級矩陣所包含的元素個數即為該層級的掛網設備數，要將這些看似雜亂無章的數據整合成規律性的集合體，就需要結合特征電流注入技術，即上文闡述的技術，基于電流沿最短路徑傳輸原理，通過特征電流信號的注入實現每一層級的父節點都能夠感知到其子孫節點攜帶的特征信息。由此對圖X所列舉的四層網絡拓撲矩陣做進一步的構建，得到如下矩陣：

R0=[0]；

觀察主次結構矩陣就可以得到四層網絡拓撲圖。

3.2.2 拓撲感知決策矩陣的封裝與解封

N層分支網絡拓撲圖以N層結構矩陣為基礎，每一層級矩陣中的元素，不應作為孤立的元素對待，本層各不相同的元素，有可能組成其父層級矩陣中元素的結構矩陣。

內嵌式的決策矩陣結構特性也可以表述為：由底層向高層逐層打包，層層整合，最終將拓撲圖壓縮為矩陣R(其中只包含有一個元素，即為拓撲圖的最頂端)的方式稱為決策矩陣的封裝；由上層向下看，R矩陣中的一個元素又可以牽引出許多個子矩陣，層層展開得到網絡分支拓撲圖的方式稱為決策矩陣的解封，決策矩陣的封裝與解封互為逆過程。

決策矩陣的封裝采用邊緣計算理念[20]，將算力下沉，大大節省上層算力，各級下轄的子孫節點注入的特征電流信號都能被其上級父節點接收到，父節點接收到特征信號后，將其代表的不同設備ID層層打包，組成結構矩陣，存儲在每一層級的父節點中，當主站或集中器下發拓撲識別命令，依次抄讀各個父節點拓撲信息。當父節點接收并識別到主站下發的拓撲抄讀命令時，會將拓撲識別結果矩陣回傳給主站或集中器。集中器通過各個父節點拓撲識別結果矩陣圖，可以清晰的描繪出臺區側網絡拓撲圖。

4 實驗分析

4.1 拓撲信號的發送與檢測

拓撲識別信號[21]是通過電力線逐級傳輸到臺區側的，既要確保拓撲信號能夠被很好的識別，又要保證引入的特征電流信號不會對電網構成污染，對特征電流信號的強度及可靠性有嚴格的規定。

特征信號強度是表征強弱的物理量，當信號太弱時，容易淹沒在噪聲里，很難被提取、檢測；當信號太強時，對檢測電路的要求大大題高，無形中增加了檢測成本及技術難度，所以設計合理的電路保證特征信號在合理的強度范圍內很重要；信噪比[22]是一個比較重要的參數，表征信號與噪聲的比值關系，信噪比數值越高，噪音越小，說明信號越容易被捕捉到；識別時間在嚴格意義上規定了完成拓撲識別所需要花費的實時時間的最大范圍，超出這個時間范圍即使識別到了也視作無效數據，進一步確保拓撲識別的實時性、可靠性。

經過反復的實驗論證，規定了特征信號注入強度、信噪比、識別時間等值的參考范圍。規定信號強度范圍在0.050到10.000 A；信燥比要大于4 dB；信號識別時間要小于30 s。

在規定的檢測要求下，測試拓撲識別信號的強度及抗干擾能力如圖7所示。

圖7 識別結果圖

從圖中可以看出清楚的看出特征信號強度和為1.8 A，在規定的范圍內；信號噪聲比(即信噪比)為270 dB；信號識別時間為2021-08-02 16:45:51，信號識別時間實時范圍為2021-08-02 16:45:35-16:46:05，均滿足合理范圍要求，實際測試結果表明能夠成功實現拓撲功能且滿足測試準則。

4.2 拓撲識別結果

在實驗搭建測試環境，含有兩個節點：節點1為最上面的父節點為集中器(地址為000000000008)與斷路器(地址為000000002102)之間的節點；節點2為斷路器(地址為000000002102)與電能表之間的節點，兩個電能表的地址分別為000000000011和000000000012，這些設備都帶有拓撲功能，通過集中器依次給下轄的設備發送拓撲識別命令，拓撲識別結果如圖8。

圖8 拓撲圖

實測結果表明，該技術能夠準確、可靠地識別出掛網設備的層次結構圖，清晰、直觀地反映出掛網產品在電力線上所處的分布情況。

每個掛網設備都有唯一的身份識別號，一旦電網中某個環節出現短路、過電壓、過載等危險情況，利用掛網設備的拓撲識別功能構建的拓撲圖，再結合設備唯一的身份識別號，就可以做到第一時間鎖定故障源，及時切斷故障源，并通知維護人員精準定位故障源，迅速處理故障原因，解除故障隱患，確保電能高效供應。

5 結束語

戶變及分支關系是臺區內各個用電客戶與臺區供電變壓器的供電歸屬關系，其準確性在電力營銷業務運行中十分重要，作為臺區配電服務的基礎，戶變關系的明晰是配電方案規劃和臺區線損計算的依據。

臺區作為智能電網發展建設的末端層級，涉及營銷、運檢等多個專業，是電網管理工作的重點和難點，也是服務“最后一公里”落地實施的關鍵所在。戶變及分支關系不明確，會造成臺區及分相線損分析數據誤差大，業擴新增負荷安排不合理、影響負載均衡，降低遠程費控及遠程充值成功率等問題，影響這些基礎業務的開展實施，也進一步制約了深化應用業務的開展。

文中所提出的技術很好地解決了掛網產品分布混亂的問題，明晰掛網產品路由信息，提高了電網設備的故障定位效率，優化電網結構，降低電網線損率，提高配用電效率，為泛在電力能源互聯網的建設提供技術保證。