王祥 陸欣 冷安輝

（深圳市國(guó)電科技通信有限公司 廣東省深圳市 518019）

低壓配電臺(tái)區(qū)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分，準(zhǔn)確可靠的配電臺(tái)區(qū)物理拓?fù)渥R(shí)別，即通過(guò)技術(shù)手段自動(dòng)識(shí)別配電臺(tái)區(qū)內(nèi)電表和開關(guān)的物理連接關(guān)系?？捎行嵘潆娕_(tái)區(qū)的精益化管理水平，為配電臺(tái)區(qū)電路故障定位與診斷、臺(tái)區(qū)/居民樓用電情況分析及布線優(yōu)化、電路損耗定位及分析等方面的精益化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。目前基于載波通信技術(shù)，加裝外置臺(tái)區(qū)識(shí)別儀[1]，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)歸屬關(guān)系以及電能表的相位自動(dòng)識(shí)別，但該臺(tái)區(qū)歸屬關(guān)系識(shí)別僅限于判別電能表是否歸屬于本臺(tái)區(qū)，無(wú)法判定該臺(tái)區(qū)內(nèi)電能表的物理關(guān)系拓?fù)洌缒男╇娔鼙碓谕粋€(gè)表箱，哪些電能表在同一條分支線路，哪些電能表在同一個(gè)分支開關(guān)下等。目前物理拓?fù)渥R(shí)別的方法，主要是在各分支開關(guān)處新增設(shè)備，將載波通信技術(shù)的邏輯拓?fù)潢P(guān)系近似為臺(tái)區(qū)的物理拓?fù)潢P(guān)系[2]，但該方法在電表模塊不以開關(guān)處設(shè)備作為中繼的應(yīng)用場(chǎng)景可能存在誤判，因邏輯拓?fù)渑c實(shí)際的物理拓?fù)洳灰恢聦?dǎo)致物理拓?fù)渥R(shí)別錯(cuò)誤。

1 基于載波通信的SNR值對(duì)比分析技術(shù)的物理拓?fù)渥R(shí)別方法

基于載波通信的SNR 值對(duì)比分析技術(shù)的物理拓?fù)渥R(shí)別方法，是由集中器載波主模塊(central coordinator, CCO)根據(jù)邏輯拓?fù)湎嗨菩栽瓌t或節(jié)點(diǎn)序號(hào)原則，隨機(jī)指定一塊電表發(fā)起，為了避免信道沖突，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行識(shí)別，節(jié)點(diǎn)包括若干電表中的載波節(jié)點(diǎn)和開關(guān)監(jiān)控裝置的載波節(jié)點(diǎn)。

集中器CCO 依次選取臺(tái)區(qū)電表節(jié)點(diǎn)，向電力線上發(fā)送載有功能碼和地址信息的幅值、頻譜范圍固定的特定信號(hào)，其他電表節(jié)點(diǎn)或者開關(guān)監(jiān)控裝置監(jiān)聽到此信號(hào)后，記錄并存儲(chǔ)該信號(hào)每個(gè)子載波的SNR 值以及平均SNR 值，然后CCO 獲取這些電表或者開關(guān)監(jiān)控裝置的地址信息和存儲(chǔ)的SNR 值以及平均SNR 值，并進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)電表之間的SNR 特性以及電表與開關(guān)監(jiān)控裝置之間的SNR 特性歸類劃分為高相似性、低相似性、中等相似性三個(gè)區(qū)間。CCO 對(duì)獲取查詢到的電表信息及SNR 值，將電表之間SNR 特性高相似性的分為相同的簇，電表與開關(guān)監(jiān)控裝置的SNR 特性高相似性劃分為該簇所屬的分支開關(guān)關(guān)系。對(duì)于電表多次識(shí)別與其他設(shè)備相似性均無(wú)法達(dá)到高相似性的區(qū)間，則在中等相似性的區(qū)間內(nèi)選擇相似性最高的電表或開關(guān)監(jiān)控裝置，將其歸至該電表的簇或該開關(guān)監(jiān)控裝置歸屬關(guān)系；若電表與其他相似性均為低相似性區(qū)間，則置為單獨(dú)為一簇或該電表的前置開關(guān)處未安裝開關(guān)監(jiān)控裝置。所有電表按此流程依次完成分簇識(shí)別后，CCO 獲取初步的分簇識(shí)別結(jié)果以及該簇歸屬的開關(guān)監(jiān)控裝置的歸屬關(guān)系。同理，再根據(jù)開關(guān)監(jiān)控裝置的邏輯層級(jí)關(guān)系，從末端開始進(jìn)行開關(guān)監(jiān)控裝置的識(shí)別，識(shí)別物理拓?fù)渲械哪┒说拈_關(guān)監(jiān)控裝置與前端開關(guān)監(jiān)控裝置的分簇關(guān)系。直至本次通信網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備完成分簇識(shí)別，集中器獲取本次整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的分簇信息，得到本次的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

文中所述遞歸算法是基于載波通信的SNR 值對(duì)比分析技術(shù)的物理拓?fù)渥R(shí)別方法，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的電表和開關(guān)監(jiān)控裝置依次迭代，完成整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的分簇判斷，最終得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 基于載波通信的SNR值對(duì)比分析技術(shù)的分簇遞歸識(shí)別過(guò)程

圖1：低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)

圖2：基于載波通信的SNR 值對(duì)比分析技術(shù)的物理線路電表識(shí)別判斷流程圖

圖3：臺(tái)區(qū)線路連接示意圖

如圖1 所示，該網(wǎng)絡(luò)為基于載波通信技術(shù)的低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)中集中器、電能表、采集器為現(xiàn)有或新裝設(shè)備，皆具備載波通信功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備組網(wǎng)成功，由集中器載波主模塊CCO，通過(guò)比對(duì)載波節(jié)點(diǎn)所屬相位的過(guò)零時(shí)刻進(jìn)行相位識(shí)別和臺(tái)區(qū)識(shí)別，獲取整個(gè)臺(tái)區(qū)的設(shè)備所屬的相位信息以及臺(tái)區(qū)歸屬信息。然后集中器根據(jù)臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別指令，通過(guò)CCO 啟動(dòng)物理拓?fù)渥R(shí)別流程。

載波主模塊CCO 發(fā)起的基于載波通信的SNR 值對(duì)比分析技術(shù)的分簇遞歸物理拓?fù)渥R(shí)別過(guò)程為：

2.1 臺(tái)區(qū)電表分簇識(shí)別步驟

（1）集中器CCO 根據(jù)邏輯拓?fù)湎嗨菩栽瓌t或節(jié)點(diǎn)序號(hào)原則，隨機(jī)選取一塊電表，如圖1 中的電表A 至電表F，從電表A 開始，依次進(jìn)行電能表分簇識(shí)別，CCO 單播指示電表A 在自己的識(shí)別時(shí)隙中，往電力線中發(fā)送特定信號(hào)；

（2）其他電表及開關(guān)監(jiān)控裝置若無(wú)法監(jiān)聽到該特定信號(hào)，則表明其不在電能表A 的通信范圍內(nèi)，則返回，選取另一個(gè)電表重復(fù)步驟（1）；

（3）若其他電表及開關(guān)監(jiān)控裝置監(jiān)聽到該特定信號(hào)，則記錄該信號(hào)的每個(gè)子載波的SNR 值以及平均SNR 值；

（4）CCO 獲取載波通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電能表及開關(guān)監(jiān)控裝置記錄的SNR 值和地址信息；

（5）CCO 根據(jù)獲取的信息，將電表之間SNR 特性高相似性的分為相同的簇（如圖1 中的表A 和表B），電表與開關(guān)監(jiān)控裝置的SNR 特性高相似性劃分為該簇所屬的開關(guān)關(guān)系（如圖1 中的表A 和開關(guān)監(jiān)控設(shè)備B），若沒(méi)有明確的歸簇信息就將其他的電表或開關(guān)監(jiān)控裝置則不歸入該簇或所屬分支開關(guān)關(guān)系，但記錄本次相似性特征；

（6）然后依次選取剩余電表重復(fù)以上步驟，經(jīng)依次迭代，直至所有電表完成本次分簇識(shí)別；

（7）對(duì)于多次識(shí)別仍與其他設(shè)備無(wú)法歸到相似性高的區(qū)間的電表，則單獨(dú)為一簇，且認(rèn)為該電表前置開關(guān)處未安裝開關(guān)監(jiān)控設(shè)備；

2.2 開關(guān)監(jiān)控裝置的識(shí)別步驟

（1）CCO 根據(jù)2.1 初步的分簇結(jié)果和開關(guān)監(jiān)控裝置的邏輯層級(jí)關(guān)系，從末端開始開關(guān)監(jiān)控裝置的識(shí)別，選取開關(guān)監(jiān)控裝置（如圖1 中的開關(guān)監(jiān)控設(shè)備B）在自己的識(shí)別時(shí)隙中，往電力線中發(fā)送特定信號(hào)；

（2）若其他的開關(guān)監(jiān)控裝置及電表無(wú)法監(jiān)聽到該開關(guān)監(jiān)控裝置的特定信號(hào)，則表明其不在該開關(guān)監(jiān)控裝置的通信范圍內(nèi)，則返回選取另一個(gè)開關(guān)監(jiān)控裝置重復(fù)步驟（1）；

（3）若其他的開關(guān)監(jiān)控裝置及電表監(jiān)聽到該特定信號(hào)，則記錄該信號(hào)的每個(gè)子載波的SNR 值以及平均SNR 值；

（4）載波主模塊CCO 獲取載波通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的電表及開關(guān)監(jiān)控裝置在分簇流程中記錄的SNR 值和地址信息；

（5）載波主模塊CCO 根據(jù)獲取到的開關(guān)監(jiān)控裝置信息及SNR值，按照邏輯拓?fù)湎嗨菩栽瓌t，來(lái)判斷該開關(guān)監(jiān)控裝置是否有明確的歸簇信息，若是，則將開關(guān)監(jiān)控裝置之間SNR 值高相似性的分為相同的簇，將SNR 值最大的開關(guān)監(jiān)控裝置劃分為該簇所屬的上級(jí)分支開關(guān)（如圖1 中的開關(guān)監(jiān)控裝置B 和A），若否，則單獨(dú)為一簇，不歸入分支開關(guān)，則認(rèn)為該開關(guān)的前置開關(guān)處未安裝開關(guān)監(jiān)控設(shè)備；

（6）然后依次選取剩余自下而上的開關(guān)監(jiān)控裝置重復(fù)以上步驟，經(jīng)依次迭代，直至所有開關(guān)監(jiān)控裝置完成本次分簇識(shí)別；

（7）對(duì)于多次識(shí)別仍與其他設(shè)備無(wú)法歸到相似性高的區(qū)間的開關(guān)監(jiān)控裝置，則單獨(dú)為一簇，且認(rèn)為該開關(guān)監(jiān)控裝置前置開關(guān)處未安裝開關(guān)監(jiān)控設(shè)備。

表1：不同樣本數(shù)量下的拓?fù)渥R(shí)別準(zhǔn)確率

圖4：電表節(jié)點(diǎn)返回的SNR 值（單位：dB）

圖5：開關(guān)節(jié)點(diǎn)返回的SNR 值（單位：dB）

圖6：基于SNR 值分析計(jì)算的臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.3 物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)多輪迭代，直至網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備完成分簇識(shí)別，集中器CCO根據(jù)整網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的分簇信息，得出最終的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖2 所示。

3 驗(yàn)證結(jié)果

按照基于載波通信的SNR 值對(duì)比分析技術(shù)的物理拓?fù)渥R(shí)別方法，選擇在某臺(tái)區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，該臺(tái)區(qū)屬于典型的輻射狀結(jié)構(gòu)，圖3 是該臺(tái)區(qū)電力線路連接示意圖。我們選擇進(jìn)行驗(yàn)證的臺(tái)區(qū)一共有28 個(gè)載波節(jié)點(diǎn)，包括11 個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)和17 個(gè)電表節(jié)點(diǎn)。

集中器主模塊CCO 指定電表M01 往電力線上發(fā)送帶有功能碼和地址信息的特定信號(hào)，其他電表和開關(guān)監(jiān)控裝置接收到該信號(hào)后記錄SNR 值和地址信息，然后CCO 獲取這些記錄下來(lái)的SNR 值和地址信息，圖4 展示了返回地址為電表類型的SNR 值大小對(duì)比曲線。按照SNR 值大小和相似性對(duì)電表進(jìn)行分簇，本次分簇得到電表M01 和M02 分為同一組。

而圖5 則展示了返回地址為開關(guān)類型的SNR 值大小對(duì)比曲線，以此找到SNR 值最大的開關(guān)監(jiān)控裝置K02，即M01 和M02 組的上級(jí)開關(guān)。而后CCO 再選擇除表M01 和M02 外的其他電表發(fā)送特定信號(hào)，進(jìn)行電表分簇和找到上級(jí)開關(guān)。

經(jīng)依次迭代得到初步的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。完成電表分簇識(shí)別后，CCO再按照邏輯拓?fù)潢P(guān)系，指定底層開關(guān)監(jiān)控裝置K11 發(fā)送特定信號(hào)，找到SNR 值最大的開關(guān)監(jiān)控裝置K09，即為他的上級(jí)開關(guān)。然后再選擇除K11 以外的開關(guān)監(jiān)控裝置發(fā)送特定信號(hào)，進(jìn)行開關(guān)分簇識(shí)別，經(jīng)過(guò)依次迭代，直至找到各自的上級(jí)開關(guān)。

經(jīng)多輪迭代，將電表分簇和開關(guān)分族結(jié)合起來(lái)，最終得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?，如圖6。通過(guò)跟實(shí)際臺(tái)區(qū)連接線路對(duì)比，準(zhǔn)確率為100%。

如表1 所示，我們還分別對(duì)50 個(gè)、100 個(gè)、200 個(gè)載波節(jié)點(diǎn)的低壓配電臺(tái)區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，利用基于載波通信的SNR 值對(duì)比分析技術(shù)的物理線路識(shí)別的方法，對(duì)臺(tái)區(qū)進(jìn)行物理拓?fù)渥R(shí)別，準(zhǔn)確率均在95%以上。準(zhǔn)確率未能達(dá)到100%的原因主要是由于線路上各類開關(guān)等裝置對(duì)信號(hào)的衰減程度不一致，因此如果再結(jié)合電物理量（如電流、電壓、相角等）特征進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算兩者之間的特征差異與閾值比較，確定開關(guān)監(jiān)控設(shè)備與其中電能表的相似性，進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，準(zhǔn)確率將會(huì)更高。

4 結(jié)論

相對(duì)于現(xiàn)有的載波通信技術(shù)，依靠邏輯拓?fù)涞奈锢砭€路識(shí)別方法，在完成相位識(shí)別和臺(tái)區(qū)識(shí)別的基礎(chǔ)上，通過(guò)分簇識(shí)別技術(shù)，遞歸算法，實(shí)現(xiàn)從單供電分支識(shí)別，遞歸至識(shí)別出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?，更有利于提高物理拓?fù)渥R(shí)別準(zhǔn)確率，可準(zhǔn)確獲取低壓電力線的物理線路關(guān)系，為基于該物理線路關(guān)系的應(yīng)用提供依據(jù)。