低壓配電網拓撲識別技術的真型試驗研究

陳 尚，邵苠峰，李 輝，尹 晶，陳江波，杜 硯，邱 進

（1.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074；2.電網環境保護國家重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

隨著新型電力系統建設加快推進，傳統的低壓配電臺區向低碳安全智能的方向發展，大量的新能源接入配電臺區，在提高配電網電力電子化程度的同時，也加大了運行控制難度，因此，低壓配電臺區需具備感知能力和智能調控能力，相應地對配電網拓撲識別也提出了更高的要求。配電網拓撲是對配電網設備、線路以及連接關系的完整描述，是實現配電網智能化應用的重要基礎。完整、一致、準確、及時、可靠的配電網拓撲模型及相關數據能夠為配電網調度運行、檢修和提升供電服務提供關鍵支撐，實現配電網主動搶修、故障自愈等智能化應用［1-6］。

早期，電網拓撲檔案的定期校核工作主要依靠一線工作人員逐戶排查完成，校核方式為線變關系糾錯方式，通常由工作人員手持載波通信儀逐戶校核，這種方式存在人力成本高、效率低、準確率不高等問題［7-10］。隨著數字化電網建設的推進，眾多專家學者在配網拓撲識別方面開展了技術研究，提出載波通信法、脈沖電流法、大數據分析法這三類低壓配電臺區拓撲結構辨識方法，并進行了深入研究。文獻［11-13］基于載波通信技術的臺區用戶識別儀采用點對點通信方式來測試臺區用戶，利用電力線載波信號沿著線路傳播，在同一變壓器下更容易成功通信。集中器發送的載波信號可以被本臺區接收，但是通常不能被其他臺區接收，由此可判斷用戶智能電表是否屬于該臺區。文獻［14-16］采用脈沖電流技術時，須使用鉗形電流夾或者柔性線圈配合。采用拓撲識別儀進行拓撲校驗需要增加設備投資，存在“共高壓串擾”“共地串擾”等問題，影響識別準確率，識別工作量較大，識別工作效率較低。文獻［17-19］利用相關性分析方法、線性規劃、知識圖譜等大數據方法實現用戶所屬臺區及相別的辨識，但以上方法都是從仿真的角度出發，未對拓撲識別方法進行真實的臺區拓撲識別試驗。在目前實際工程中運用最多的是載波通信法。本文在武漢特高壓交流試驗基地建立了低壓配電網安全真型試驗平臺，提出了基于載波通信的低壓配電網拓撲識別技術試驗方案，通過多維度真型試驗驗證了載波通信的有效性以及該平臺的實用性。

1 新一代低壓配電網安全真型試驗平臺

目前，國內外高校以及各網省公司建立了多種真型試驗平臺，但主要集中在中壓配電網真型試驗平臺。文獻［20］構建了包含物理模擬、數字模擬的多電源配電自動化終端一體化檢測平臺，但無法涵蓋所有配網設備，檢測設備較為單一。文獻［21］根據真實使用環境安裝了現場配網柱上開關設備及其控制器，進而模擬真實的架空配電系統，但由于采用的是模擬系統，無法達到真實試驗的效果。可見，當前對于低壓臺區真型試驗平臺仍處于空白階段。

在武漢特高壓交流試驗基地建設的新一代低壓配電網安全真型試驗現場如圖1所示，主要由配電變壓器臺區、300 m 的0.4 kV 架空線/電纜、電纜分支箱、100 m的支線電纜、智能配變終端、智能開關、智能電表、低壓智能故障傳感器、用戶負荷、充電樁以及智慧安全用電實證測試艙組成，網架可通過臺區及開關轉換，實現單輻射、樹狀等多種網架結構，具有完整的配網低壓側供電網絡。

圖1 新一代低壓配電網安全真型試驗現場

本平臺能復現低壓配電網正常運行工況和三相負荷不平衡、低電壓、過負荷等異常工況，可靈活選取與接入故障點，在任意位置真實復現單相接地、短路、缺相、斷零等各類故障；可實現低壓拓撲自動識別、低壓故障定位、電壓質量治理及電動汽車有序充電等高級功能的測試與驗證；可有效檢驗智能開關和智能融合終端等設備的高級應用功能，滿足新型數字化配電網建設需求，對提升我國配電網用戶側供電可靠性具有重要意義。

2 低壓配電網拓撲識別試驗方案

低壓配電網位于電網的末端，是電網與用戶連接的重要環節。低壓配電網結構復雜，分支較多，具有閉環設計、開環運行、網絡結構呈現輻射狀的特點。針對低壓配電網的網架特點以及新一代低壓配電網安全真型試驗平臺的自動化裝置布置情況，提出低壓配電網拓撲識別技術試驗方案。

本試驗方案驗證在典型網架拓撲結構下、多臺區擾動、低壓故障跳閘時，載波通信的拓撲識別方法的準確性和自適應性。如表1所示，試驗主要分為網架變化拓撲識別、短路故障抗干擾拓撲識別、接地故障抗干擾拓撲識別、多臺區擾動拓撲識別4個項目，其中多臺區擾動拓撲識別試驗包括多臺區接地故障擾動拓撲識別試驗、多臺區短路故障擾動拓撲識別試驗、多臺區網架結構變化擾動拓撲識別試驗、多臺區負荷擾動拓撲識別試驗。

表1 低壓配電網拓撲識別技術實證試驗項目

通過對低壓配電網拓撲識別技術的研究，針對低壓配電臺區實際運行中最為常見的故障類型給出了試驗方案，平臺采用低壓故障靈活復現技術，真實復現了低壓臺區中最普遍的短路故障和接地故障。

2.1 短路故障復現技術

如圖2所示，分別在第二級A2、第三級A3和第四級A4開關出線處復現短路故障，當需要在某一級發生短路故障時，將對應層級的短路開關合閘。同時，通過使用多個5 Ω大功率電阻串、并聯的方式獲取試驗所需要的短路電流，可實現60～2 000 A 短路電流分級可調。連接電纜均采用240 mm2截面積單芯銅芯電纜。采用以上技術可實現靈活復現各級短路故障。

圖2 短路故障復現原理圖

2.2 接地故障復現技術

分別在圖3中第二級A2、第三級A3、第四級A4開關出線處復現接地故障，在第二、第三、第四級開關T 接接地故障過渡電阻。試驗開始時，接地故障開關初始狀態均為分閘，需要開展單相接地故障試驗時，將對應層級的接地開關合閘實現接地故障觸發。采用以上技術可靈活復現各級短路故障。本次試驗模擬人體觸電、電纜進水等真實故障，主要包括單相經金屬和500 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω電阻接地。

圖3 接地故障復現原理圖

低壓配電網拓撲識別技術試驗方案可驗證在典型網架拓撲結構下發生各種情況時，拓撲識別方法的準確性和自適應性。

3 低壓配電網拓撲識別技術真型試驗

本次試驗進行了網架結構變化拓撲識別、短路故障抗干擾拓撲識別、接地故障抗干擾拓撲識別和多臺區擾動拓撲識別4個項目。在真型試驗平臺網架各節點位置安裝智能開關、智能電表、智能融合終端等網架結構拓撲識別所需裝置和設備接線，并進行設備調試。將平臺負載投入運行，主站監控界面中顯示各個設備的電壓電流值。正確讀取拓撲網架中的電壓電流值后，確認網架結構，待通電系統穩定后識別0.4 kV 網架結構，上召完成后，低壓交流智能臺區試驗系統數據監控窗口（以下簡稱“監控窗口”）加載顯示拓撲關系圖形，正常運行時網架拓撲如圖4所示。

圖4 拓撲識別正常運行時網架拓撲

3.1 網架結構變化拓撲識別試驗

移除斷開圖3 中A2-2 的智能開關及下含分支，使臺區1只有1個分支接入，如圖5所示（紅色圓圈部分）。改變網架結構后進行拓撲識別，監控窗口顯示為A2-2斷開時網架拓撲，即識別正確。

圖5 斷開A2-2智能開關

分別在A2-2、A3-2、A4-3、A4-4處進行網架結構變化拓撲識別試驗，4次試驗均成功識別出網架結構，正確率為100%。

3.2 短路故障抗干擾拓撲識別試驗

1）臺區1的A2-2 短路故障復現后進行拓撲識別，監控窗口顯示臺區1的A2-2短路故障時網架拓撲，識別正確。

2）切除臺區1的A2-2復現的短路故障，待通電系統穩定，在試驗系統臺區1的A3-3復現短路故障后進行拓撲識別，監控窗口顯示為臺區1 的A3-3短路故障時網架拓撲，即識別正確。

共進行了4 次短路故障抗干擾拓撲識別試驗，均成功識別網架結構，正確率為100%。

3.3 接地故障抗干擾拓撲識別試驗

1）在臺區1的A1-2 接地故障后，進行拓撲識別，接地故障現場如圖6所示，監控窗口顯示為臺區1的A1-2接地故障時網架拓撲，即識別正確。

圖6 接地故障現場接線

2）切除臺區1的A1-2 接地故障，待通電系統穩定，在試驗系統臺區1的A2-1復現接地故障后進行拓撲識別，監控窗口顯示為臺區1的A2-1短路故障時網架拓撲，即識別正確。

共進行了4 次接地故障抗干擾拓撲識別試驗，均成功識別網架結構，正確率為100%。

3.4 多臺區擾動拓撲識別試驗

1）低壓配電網安全真型試驗共有4個臺區，設置臺區運行數量為2臺，確認2個臺區網架結構無誤，待通電系統穩定，在試驗系統臺區2 的A1-2復現接地故障后進行拓撲識別，監控窗口顯示臺區2（下文涉及的臺區2 均為此臺區）A1-2 發生接地時網架拓撲，即識別正確。

2）切除臺區2的A1-2接地故障，待通電系統穩定，在試驗系統臺區2的A3-1復現短路后進行拓撲識別，監控窗口顯示臺區2的A3-1發生短路故障時網架拓撲，即識別正確。

3）切除臺區2 的A3-1短路故障，待通電系統穩定后，改變試驗系統臺區2 的網架結構，斷開A2-2與臺區的連接后進行拓撲識別，監控窗口顯示網架為斷開臺區2的A2-2時網架拓撲，即識別正確。

4）恢復臺區2 的網架結構，待通電系統穩定，將試驗系統臺區2 的負荷由0 MW 升至0.25 MW后進行拓撲識別，監控窗口顯示為負荷為0.25 MW時網架拓撲，即識別正確。

共進行了4次多臺區擾動拓撲識別試驗，均成功識別網架結構，正確率為100%。

本次開展了4 個項目共計16 次試驗，試驗通過指標設置，拓撲識別通過率為95%以上。通過本次試驗的4個項目，驗證了基于載波通信的拓撲識別方法均能正確識別拓撲網架結構，正確率為100%。

4 結語

本文歸納總結了目前臺區拓撲識別方法，并針對現有方法未在真實線路上進行過實證的問題，搭建了新一代低壓配電網安全真型試驗平臺。該平臺可實現低壓拓撲自動識別、低壓故障定位、電壓質量治理及電動汽車有序充電等高級功能的測試與驗證，可有效檢驗智能開關和智能融合終端等設備的高級應用功能。本文提出了低壓配電網拓撲識別技術試驗方案，開展了低壓配電網拓撲識別技術真型試驗，驗證了基于載波通信的拓撲識別方法的有效性以及平臺的先進性。下一步可開展配電臺區新型設備測試全覆蓋工作，使平臺功能對所有配電臺區設備具有普適性，進而通過試驗實現配電新型設備試驗規范化，促進配電新型設備標準化。