基于电力线宽带载波的配电网拓扑关系自动识别

牛威 王忠博 刘向宁

（国网大连供电公司 辽宁省大连市 116001）

当前，我国正在积极构建清洁低碳安全高效的能源体系，顺应能源革命和数字革命的融合发展。为了能够实现能源基地的集约式开发，满足分布式能源、分布式储能、新能源和交互用能设施等的大规模并网需要，构建新型城市能源互联网迫在眉睫[1,2]。

区别于传统电网，城市能源互联网的核心依然是电力，但却严重依赖智能电网的建设。低压配电网的拓扑准确性是智能电网建设的有力保障，但受低压配电用户数量多、入户拓扑结构庞杂、资金投入不足等约束，导致其出现难以准确维护、异常频发、故障点隐蔽、线损率较高等问题[3]。目前，最常用的配电网拓扑识别是采用人工手动维护，这种方式不但拓扑识别率不高，而且耗费大量人力物力。为此，配电网拓扑识别从传统粗放式维护向自动准确识别转变是非常有必要的[4]。

目前，低压配电网拓扑关系的识别方法主要以以下两大类为主：一类是在线辨识，如工频户变过零序列的相关性分析、停电方式自识别、以户变历史停电事件记录为基础的相关性分析、多维信息的相关性分析以及皮尔逊相关系数法等[5-7]。二是人工识别，人工识别主要采用相关识别设备进行台区识别[8]。常用的台区在线自动识别技术主要是脉冲电流法[9]和载波通信法[10]。相较于脉冲电流法，载波通信法实现更为简单，安全性更高，可控性更强。

综上，本文采用基于电力载波的户变识别方法，通过采用基于脉冲电流调制法辨识低压台区拓扑模型，判断发射端设备的相位及其分支线，完成台区拓扑识别，该方法可保证模型的准确辨识，减轻人工识别工作量，还可作为台区拓扑校验手段，为建设城市一流能源互联网奠定基础。

1 配电网台区系统的整体框架

1.1 配电网台区的拓扑结构

电力系统中，台区即为单一变压器的供电区域，变压器与用户电表的对应关系称为户变关系，低压配电网台区系统的拓扑即指台区内所有的户变关系。配电台区拓扑框架结构如图1所示，由低压出线柜（配变侧）、分支箱、电表箱组成的“台区-分支-用户”三级关系。配电变压器的出口端与低压出线柜的入口端连接，低压出线柜的出口端与分支箱的入口端连接，分支箱的出口端与电表箱的入口端连接，电表箱的出口端与用户连接。

图1：配电台区拓扑架构

1.2 配电网台区的通信结构

配电网台区的自动化通信体系架构如图2所示，通信体系架构是实现台区拓扑自动识别的重要基础。通信体系架构由自动化主站系统、智能配变终端（transformer terminal unit，TTU）、馈线层低压监测单元及混合通信系统等构成。

如图2，主站系统主要包括前端服务器、SCADA服务器、交换机、防火墙和物理加密隔离等装置。TTU通过电力线采用5G技术与主站进行通信，台区层与馈线层、馈线曾与用户层以电力线宽带载波方式进行通信。智能配变终端安装于变压器根部，馈线层低压监测单元安装在分支箱出线端或进线端，用户层低压监测单元安装在电表箱出线端或进线端。

图2：配电台区自动化通信体系

宽带电力线载波的通信方式是在传输时，先将数字信号（通信报文）调制成为高频信号，经功率放大后耦合至电力线，再通过电力线传输至接收端。接收端的耦合电路接收高频信号，最终通过解调电路将其解调为数字信号（通信报文）[11]。电力线宽带载波通信模块如图3所示[12]。

图3：载波模块通讯原理

表1：报文组成

电力线宽带载波通信模块由信号耦合电路、带通滤波器、信号发送单元、载波信号处理芯片、路由信息处理芯片，共5大部分构成。

信息传递用到的通讯报文，是户变关系自动辨识的重要手段。为减少对计时器精准性的依赖和方便配电网拓扑关系自动识别的实现，通讯报文的格式往往较为统一。

本文使用的通讯报文由6个部分构成[13]：同步头、报文长度、发送端地址、发送端相位、报文校验和结束符，各部分的大小如图3所示。

TTU和监测单元的处理器模块在收到结束符后将通过报文校验再次检查之前收到的字符。如果结果与先前接收到的报文校验结果一致，则可以判定已接收正确的报文内容，随即转入识别步骤。这种固化的报文结构，各字节职能明确，因此大大抑制了无用信号的干扰，准确性也得到了大幅提升。

2 拓扑识别

配电网低压拓扑识别基于电力线宽带载波通信，识别方法主要分为两个部分：首先是进行台区识别，获取台区低压设备的种类和数量；然后对设备拓扑关系进行识别和搭建。

2.1 台区识别

配变智能终端向台区内设备发送台区识别信号，通过电力线传输台区识别信息，确保地址信息能够被全台区低压设备检测单元接收和保存。

低压设备监测单元通过宽带载波链路向TTU注册设备型号和类别信息，TTU保存所有的注册节点信息，此时无法保证清晰的台区界面，极易出现跨台区注册的现象。

TTU通过宽带载波链路对各终端低压设备检测单元节点的台识信息进行轮询和校验，剔除信息不匹配的子节点，其余为本台区内的低压设备，并形成基础台区设备库。

台区识别将待识别台区内所有设备等级注册后，便可将设备信息上传至自动化主站，所有分支箱设备和电表箱设备均可被罗列出来，等待进一步的拓扑分支辨识，此时设备虽有层级关系但是没有分支关系。

2.2 分支拓扑识别

同一个台区内相同相位线路电力链路是相同的，因此电压信号的频率和相位基本一致。如果在台区内的任何位置对相线电压进行调制，使该处电压产生畸变，随着电力线，该畸变信号将出现在本台区内同相位的任一低压设备中，并被低压监测单元所捕捉。从而可以根据畸变信号出现设备，整理台区设备的完整链路轨迹。

完整的拓扑识别流程如图4所示。用户层低压监控单元发出高频畸变脉冲电流信号，通过宽带载波技术加载到电力线电流信号中。当畸变信号通过上级低压监测单元时，通过高速模拟采样实时监测电压的畸变电流信息。低压设备解码并存储畸变电流信息，控制各终端轮询并发送信号。

图4：拓扑识别流程

当所有电表箱设备均被轮询发出信号后，TTU通过收集每一节点记录的畸变信号并综合每一节点的电流和电压信息来分析链路拓扑。

由于变压器设备的感抗相对较大，对高次谐波具有很好的阻断效果，因此畸变信号不会随电力线上传至10千伏母线，故同母线其他变压器台区不会受到此畸变信号影响。同时，在电网正常运行时，畸变相与其他相位间不构成电气回路，因此也不会对其他相位产生影响。

3 拓扑校核

在分支箱和电表箱安装低压监测单元，通过拓扑辨识方法，可以实现低压配电网的拓扑、户变关系的在线自动识别。将辨识结果上传至主站自动化，并制定统一的数据格式标准，与主站系统进行对接，便可以开展拓扑关系对比工作，如图5所示。

图5：拓扑校验流程

将拓扑模型按照统一格式标准进行数据化处理，生成设备关系列表，建立拓扑校验工具，方便调用。根据对比结果，生成比对关系反馈表，供自动化运维人员进行人工查验。根据实际情况，运维人员决定是否修改PMS或GIS系统模型，如果修改了PMS或GIS系统的拓扑模型，运维人员还需要将修改后的拓扑模型导入配电自动化主站系统中，并通知其他高级应用程序。

4 自动拓扑识别应用

通过对低压配电网台区拓扑的识别、校核，可以得到准确的台区信息。台区识别可以有以下几个应用场景：

（1）新建台区拓扑自动成图。对于新建台区，以新建台区电力变压器为基点，识别变压器、低压-电缆分支箱、用电-计量箱、低压站内-开关之间的链路关系。无需人工手动维护，可自动成图，人工只需要开展再校验工作。

（2）智能感知设备变更。低压配电网用户繁多，拓扑更新速度快。可根据末端低压监测单元识别拓扑数据信息，实施准确感知台区内设备变动情况，支持台区数据更新工作。

（3）可以快速定位设备异常。当配电设备发生异常，在台区拓扑结构明确梳理的基础上，通过配电终端监测单元与TTU交互故障发生时刻，对异常设备进行快速定位。尤其当设备掉线、电路断线时，拓扑结构发生变化，为运行人员提供辅助判断和决策。

5 结论

本文针对目前新型配电网的发展趋势，研究了一种基于电力线宽带载波的台区拓扑识别技术。通过台区识别和拓扑识别，借助电流畸变识别技术，对台区内设备进行汇总并对链路关系进行明确，可以对台区拓扑进行精准识别：

（1）借助终端设备，在低压台区内设备变动的情况下可以进行主动识别更新，拜托人工配置，提高配电网智能感知度；

（2）拓扑生成后可上传主站进行汇总、校验，可直接与PMS或GIS系统互联传输，大大提高对配电网规模的掌控能力；

（3）为配电网智能化应用提供精确的拓扑信息支持，适用于网损管理、中低压故障定位、精准抢修等场景，为配电网智能化、精益运维提供基础支撑。