低压台区拓扑辨识方法综述
2021-11-03马碧燕
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.021
摘 要：在对低压台区拓扑识别实现方法进行研究的基础上，文章分析了“基于用电信息的分析法”“电流注入法”“停复电分析法”“手机APP沿布图方法”4种拓扑辨识方法的原理及实现步骤，阐述了拓扑辨识CIM文件的标准及格式。从“建设成本、施工量、辨识精度、拓扑发生变化后是否能自动更新”4个角度总结对比了4种拓扑辨识方法的差异，施工单位可根据不同的需求和情境采用不同的方法。
关键词：低压台区;拓扑辨识;CIM文件
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：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
長期以来，配电房及低压台区存在户变连接关系不清晰的问题，尤其是新建台区，部分拓扑根本无法直接获取，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费。“户-变”关系的缺失导致无法为台区总线损提供精确数据源;“户-线”关系缺失导致无法进行分级线损的分析计算。当前线损精益化管理工作、故障定位、三相不平衡分析等高级应用亟须开展低压台区拓扑辨识，以支撑台区分布智能化监控工作，故障自动上报并能根据台区拓扑实现故障定位及故障分析，实现线损精细化分析、提高配电台区的电能质量、供电可靠性和自动化水平。
目前实现配电台区电气网络拓扑识别的方法有：
（1）基于用电信息的分析法。利用目前的低压线路电力线载波通信技术，包括窄带电力线载波或宽带电力线载波，通过用电信息采集的配电台区用户用电信息，使用电压数据相似性或相关性分析方法，不增加硬件成本，自动分析台区供电电源与用电设备间的连接关系。
（2）电流注入法。在低压配电线路（或母线）上，通过在工频信号中注入小电流信号，各级逐层捕获该电流信号实现拓扑辨识。
（3）停复电分析法。通过对低压台区的主干分支有序停复电，由网关抄读用户停复电数据，与主干分支的停复电信息进行比对，实现低成本的“户—线—变”拓扑自动辨识方案。
（4）手机APP沿布图方法。通过手机APP应用，完成低压建模业务的“建立台账、关联拓扑、终端配置、点图操作”全过程管理，供电所人员经授权后通过低压APP开展相关业务。
1 用电信息分析方法
应用该方法的台区，用户电表及分支电表需使用蓝牙及宽带载波通信双模模块方法与集中器通信，网关通过集中器抄读各分路及用户的停电信息、冻结电流、电压等电气量;并根据这些状态信息及电气量信息，使用算法实现拓扑识别，并最终形成拓扑文件，拓扑识别系统如图1所示。
基于用电信息的台区电网拓扑重构方案主要包含三个步骤：
（1）台区区分。
（2）相位识别。
（3）分支还原。
1.1 台区区分
台区区分基于宽带载波技术特有的时钟检测功能，根据每个用户的电压过零点来识别该用户是否属于本台区，并且识别该用户归属于台区的A、B、C相的哪一相，如果该用户的过零点离主节点ABC三相的过零点时钟偏差都较大，则认为该用户不是本台区的用户。
1.2 相位识别
相位识别的技术目前已经比较成熟，以从节点的极大似然结果为基础实现相位识别。具体做法是电力线载波通信主节点在某确定象限，例如A相过零点时定向发送相位识别命令至未知相位的从节点。从节点过零点若偏差在0±200 μs以内，则认为从节点是A相。当偏差等于6.7 ms±200 μs或13.3 ms±200 μs时，则认为目标从节点是B相或C相。
台区区分及相位识别的结果，目前宽带载波模组都已具备，由智能网关通过集中器抄读，报文遵循《计量自动化终端上行通信规约（2017版）》协议。
前两步后，能实现户变关系及相位识别，即拓扑结果如图2所示。
1.3 分支还原
1.3.1 数学求解法
分支还原可通过数据计算方法求解，首先将用户电表通过表箱的模式聚类，同一表箱的用户认为属于同一分支，然后通过求解“表箱总电流”与“分支电流”的电流和公式，得到表箱与分支的归属关系：
（1）表箱聚類。用户电表载波模块中含有蓝牙通信模块，距离相近的电表，蓝牙模块间能相互通信，通过电表间蓝牙通信成功次数聚类末端用户，通信成功次数多的电表聚类到同一表箱中，聚类结果由智能网关通过集中侧的载波汇聚单元抄读，抄读协议为内部通信规约。
末端表箱聚类能将分散的用户聚合成虚拟的表箱，末端拓扑由用户归属求解转化为表箱归属求解，由于虚拟表箱个数少、聚合电流大，可有效降低求解难度。
（2）表箱归属辨识。利用用电信息采集系统的瞬时冻结功能，可以获得各分支总表及用户电表在同一时刻的电流。然后通过对同相位内的分支总表电流使用尝试法或一些优化算法（如粒子群或羊群法）计算，确定各分支与表箱的连接关系。例如台区有三个分支，并聚类好20个表箱，将分支总表x，y，z的瞬时电流记为Ix，Iy，Iz，20个表箱的电流分别为Ib1、Ib2、…、Ib20，若满足Ix=Ib1+Ib5+Ib7+Ib12，则认为表箱1、5、7、12为分支x下属表箱。
2 小电流注入法
该方法通过在用户电表及各分支断路器（或低压分支监测单元）的载波模块中增加特征电流（小电流）注入电路，同时，分支断路器（或低压分支监测单元）上装有核心小板，通过依次控制用户电表及支路断路器（或低压分支监测单元）的载波模块注入特征电流，核心小板检测本断路器（或低压分支监测单元）上是否流过特征电流来判断用户电表及各分支的等级关系。
整体识别流程如下：
（1）发送台区识别信号。人工启动台区拓扑识别流程，台区侧智能网关通过工频畸变信号发送台区唯一标识，A＼B＼C相各一次，台区的分支断路器（或低压分支监测单元）即可收到并记录该标识。
（2）宽带载波组网。信号发送完成后，复位智能网关的载波CCO模块，删除CCO模块中白名单信息，等待CCO组网流程。待组网结束后，智能网关的载波CCO对入网的宽带载波STA节点信息进行注册。
（3）特征电流注入及识别。对注册到的分支断路器（或低压分支监测单元）及用户电表进行点名发送特征电流识别信号，同时各分支断路器（或低压分支监测单元）实时监测是否流过特征电流。
（4）拓扑分析。各分支断路器（或低压分支监测单元）将实时监测是否流过特征电流的结果上送到智能网关，由智能网关完成拓扑分析。
（5）上送主站。智能网关将变压器—分支断路器（或低压分支监测单元）—用户电表的拓扑关系文件信息上传至主站，用于主站完成高级应用分析。
电流注入法拓扑辨识流程如图3所示。
3 停电分析法
针对农网地区各用户距离较远，表箱聚类不理想的情况，可通过电表载波模块带超级电容，上报停电信息的方法，对台区的分支依次停电，收集分支电表及末端用户的停电信息，完成用户与分支的归属关系分析。
通过低压线路有序分合闸，生成分支线路的停复电时间，在台区全面复电后，由台区智能网关抄读停复电时间，完成拓扑辨识，该方法主要步骤为：
（1）有序停复电。在低压台区需发生主动停电时，如台区变压器检修、断路器维护等情况，各用户电表生成带时间戳的停电事件，保存在电表中，检修或维护完毕，台区复电时，可有序执行台区大分支的复电，如先闭合主干分支1的塑壳断路器，30 s后再闭合主干分支2的塑壳断路器，依次类推，错开一定的时间有序完成各主干大分支的复电。当主干分支复电时，该分支下的用户电表会生成带时间戳的复电信息，并保存在用户电表中。
（2）抄读用户电表信息。台区智能网关连接到集中器中，当各区全面复电后，智能网关通过集中器抄读台区所属用户电表的最近一次停复电信息，记录到智能网关数据库（或文件）中。由于拓扑辨识时效性要求不高，该抄读行为可以错开抄表高峰期进行。
（3）拓扑分析。台区智能网关根据各用户电表停复电起止时间（基于载波通信的低压台区，用户电表统一由集中器对时，电表的时间一致性好），停复电时间相近的用户电表归属于同一个主干分支，把所有用户电表归类存放，形成“户—线—变”关系。
4 手机APP生成沿布图方法
该方法通过移动端APP，逐一对现场的电能表进行建档，并勾选电表的上级开关/断路器/分支监测单元，同时记录下电表的地理位置，最终在手机APP上实现“户—线—变”完整的拓扑图，并在地图上绘制沿布图。
沿布图以台区为单位，先建立低压设备的台账，然后绘制出低压设备的连接关系，具体内容如下：
（1）低压设备台账维护。在移动端APP中，提供以低压台区为单位，对低压配网电气设备的建模功能。用户借助APP建模工具录入设备位置信息、台账参数等。目前模型主要包含以下元素：
1）台区类。
2）杆塔类和街码类。
3）低压分支箱类。
4）开关类。
5）电缆井类。
6）监测箱类（“刀闸+开关+刀闸”的容器类型）。
7）通讯装置类（属于二次设备，虚拟用来关联采集设备和真实拓扑设备）。
8）电表类。通过上述元素，建模出一个台区完整的参数台账，为其他应用提供基础的数据。
（2）低压设备连接关系管理。通过移动端APP采集低压设备真实地理经纬度数据，并在应用中选择其关联的父节点信息，在逻辑上创建低压设备的树形拓扑关系。
以台区为单位，生成拓扑CIM模型文件，并同步至智能网关，智能网关对拓扑文件解析入库，并以此为基础实现台区高级应用。
5 拓扑模型文件
拓扑CIM文件遵循IEC61970 501标准所描述的CIM RDF模式，一个低压配网电气拓扑模型CIM XML模型交换格式能被转换导出为一个XML文档。这个文档称为CIM XML文档。CIM RDF模式提供CIM XML文档所使用的资源描述格式。最终CIM XML模型交换文档能被解析。
5.1 CIM文件编码
编码统一采用GB18030编码，以下为示例：
<？xml version="1.0" encoding="GB18030"？>
5.2 配电变压器模型
配电变压器的保留“名字”属性，扩展“用户等级（标识重要用户、普通用户）”“用户属性（公变、专变）”“IP地址（TTU对应的IP地址）”属性，CIM文件建模示例为：
5.3 母线模型
母线保留“名字”属性，CIM文件建模示例如下：
5.4 支路开关模型
支路开关的保留“名字”属性，扩展“支路电表地址”属性，CIM文件建模示例为：
5.5 用户模型
用户保留“名字”属性，扩展“用户电表地址”、“用户住址”属性，CIM文件建模示例为：
5.6 关联关系
通过定义Terminal，并使用Node将各设备的相连关系进行表达，如下文所示，母线与分支开关通过同一个命名为“#Busbar_id_5512”的ConnectivityNode相连。
同理，用户与分支开关的相连关系通过同一个命名为“#Breaker_id_9177”的ConnectivityNode相连，CIM文件中定义为：
6 拓撲算法优劣势及适用情境对比
4种低压台区拓扑辨识的原理各不相同，实现的效果也稍有差异。下面从建设成本、施工量、辨识精度、拓扑发生变化后是否能自动更新4个角度对4种拓扑辨识方法进行对比，比较结果如表1所示。由表1可知，不同情境下可根据相关原则采取合适的辨识方法。
7 结 论
目前，还未找到一种施工简单、能100%精确识别“户—线—变”关系及分支层级关系，且拓扑发生变化后能自动完成拓扑辨识的方法，目前采用的各种方式均有其优缺点和适用情境。近年来，各研究院及自动化厂家仍在不断地创新，尝试各种针对低压台区的拓扑识别方法，因此，总结业界已实现的方法，对各种方法进行对比，有助于工程化的选型，并为多种方法融合提供参考及依据。
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作者简介：马碧燕（1982—），女，汉族，广东广州人，工程师，硕士，研究方向：电力系统自动化。
收稿日期：2021-03-07
