牛威 王忠博 劉向?qū)?/p>

（國網(wǎng)大連供電公司 遼寧省大連市 116001）

當(dāng)前，我國正在積極構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，順應(yīng)能源革命和數(shù)字革命的融合發(fā)展。為了能夠?qū)崿F(xiàn)能源基地的集約式開發(fā)，滿足分布式能源、分布式儲(chǔ)能、新能源和交互用能設(shè)施等的大規(guī)模并網(wǎng)需要，構(gòu)建新型城市能源互聯(lián)網(wǎng)迫在眉睫[1,2]。

區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)，城市能源互聯(lián)網(wǎng)的核心依然是電力，但卻嚴(yán)重依賴智能電網(wǎng)的建設(shè)。低壓配電網(wǎng)的拓?fù)錅?zhǔn)確性是智能電網(wǎng)建設(shè)的有力保障，但受低壓配電用戶數(shù)量多、入戶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)龐雜、資金投入不足等約束，導(dǎo)致其出現(xiàn)難以準(zhǔn)確維護(hù)、異常頻發(fā)、故障點(diǎn)隱蔽、線損率較高等問題[3]。目前，最常用的配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別是采用人工手動(dòng)維護(hù)，這種方式不但拓?fù)渥R(shí)別率不高，而且耗費(fèi)大量人力物力。為此，配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別從傳統(tǒng)粗放式維護(hù)向自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別轉(zhuǎn)變是非常有必要的[4]。

目前，低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的識(shí)別方法主要以以下兩大類為主：一類是在線辨識(shí)，如工頻戶變過零序列的相關(guān)性分析、停電方式自識(shí)別、以戶變歷史停電事件記錄為基礎(chǔ)的相關(guān)性分析、多維信息的相關(guān)性分析以及皮爾遜相關(guān)系數(shù)法等[5-7]。二是人工識(shí)別，人工識(shí)別主要采用相關(guān)識(shí)別設(shè)備進(jìn)行臺(tái)區(qū)識(shí)別[8]。常用的臺(tái)區(qū)在線自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要是脈沖電流法[9]和載波通信法[10]。相較于脈沖電流法，載波通信法實(shí)現(xiàn)更為簡單，安全性更高，可控性更強(qiáng)。

綜上，本文采用基于電力載波的戶變識(shí)別方法，通過采用基于脈沖電流調(diào)制法辨識(shí)低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)淠Ｐ?，判斷發(fā)射端設(shè)備的相位及其分支線，完成臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別，該方法可保證模型的準(zhǔn)確辨識(shí)，減輕人工識(shí)別工作量，還可作為臺(tái)區(qū)拓?fù)湫ｒ?yàn)手段，為建設(shè)城市一流能源互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的整體框架

1.1 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)中，臺(tái)區(qū)即為單一變壓器的供電區(qū)域，變壓器與用戶電表的對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為戶變關(guān)系，低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的拓?fù)浼粗概_(tái)區(qū)內(nèi)所有的戶變關(guān)系。配電臺(tái)區(qū)拓?fù)淇蚣芙Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由低壓出線柜（配變側(cè)）、分支箱、電表箱組成的“臺(tái)區(qū)-分支-用戶”三級(jí)關(guān)系。配電變壓器的出口端與低壓出線柜的入口端連接，低壓出線柜的出口端與分支箱的入口端連接，分支箱的出口端與電表箱的入口端連接，電表箱的出口端與用戶連接。

圖1：配電臺(tái)區(qū)拓?fù)浼軜?gòu)

1.2 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的通信結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的自動(dòng)化通信體系架構(gòu)如圖2所示，通信體系架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別的重要基礎(chǔ)。通信體系架構(gòu)由自動(dòng)化主站系統(tǒng)、智能配變終端（transformer terminal unit，TTU）、饋線層低壓監(jiān)測(cè)單元及混合通信系統(tǒng)等構(gòu)成。

如圖2，主站系統(tǒng)主要包括前端服務(wù)器、SCADA服務(wù)器、交換機(jī)、防火墻和物理加密隔離等裝置。TTU通過電力線采用5G技術(shù)與主站進(jìn)行通信，臺(tái)區(qū)層與饋線層、饋線曾與用戶層以電力線寬帶載波方式進(jìn)行通信。智能配變終端安裝于變壓器根部，饋線層低壓監(jiān)測(cè)單元安裝在分支箱出線端或進(jìn)線端，用戶層低壓監(jiān)測(cè)單元安裝在電表箱出線端或進(jìn)線端。

圖2：配電臺(tái)區(qū)自動(dòng)化通信體系

寬帶電力線載波的通信方式是在傳輸時(shí)，先將數(shù)字信號(hào)（通信報(bào)文）調(diào)制成為高頻信號(hào)，經(jīng)功率放大后耦合至電力線，再通過電力線傳輸至接收端。接收端的耦合電路接收高頻信號(hào)，最終通過解調(diào)電路將其解調(diào)為數(shù)字信號(hào)（通信報(bào)文）[11]。電力線寬帶載波通信模塊如圖3所示[12]。

圖3：載波模塊通訊原理

表1：報(bào)文組成

電力線寬帶載波通信模塊由信號(hào)耦合電路、帶通濾波器、信號(hào)發(fā)送單元、載波信號(hào)處理芯片、路由信息處理芯片，共5大部分構(gòu)成。

信息傳遞用到的通訊報(bào)文，是戶變關(guān)系自動(dòng)辨識(shí)的重要手段。為減少對(duì)計(jì)時(shí)器精準(zhǔn)性的依賴和方便配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)，通訊報(bào)文的格式往往較為統(tǒng)一。

本文使用的通訊報(bào)文由6個(gè)部分構(gòu)成[13]：同步頭、報(bào)文長度、發(fā)送端地址、發(fā)送端相位、報(bào)文校驗(yàn)和結(jié)束符，各部分的大小如圖3所示。

TTU和監(jiān)測(cè)單元的處理器模塊在收到結(jié)束符后將通過報(bào)文校驗(yàn)再次檢查之前收到的字符。如果結(jié)果與先前接收到的報(bào)文校驗(yàn)結(jié)果一致，則可以判定已接收正確的報(bào)文內(nèi)容，隨即轉(zhuǎn)入識(shí)別步驟。這種固化的報(bào)文結(jié)構(gòu)，各字節(jié)職能明確，因此大大抑制了無用信號(hào)的干擾，準(zhǔn)確性也得到了大幅提升。

2 拓?fù)渥R(shí)別

配電網(wǎng)低壓拓?fù)渥R(shí)別基于電力線寬帶載波通信，識(shí)別方法主要分為兩個(gè)部分：首先是進(jìn)行臺(tái)區(qū)識(shí)別，獲取臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備的種類和數(shù)量；然后對(duì)設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行識(shí)別和搭建。

2.1 臺(tái)區(qū)識(shí)別

配變智能終端向臺(tái)區(qū)內(nèi)設(shè)備發(fā)送臺(tái)區(qū)識(shí)別信號(hào)，通過電力線傳輸臺(tái)區(qū)識(shí)別信息，確保地址信息能夠被全臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備檢測(cè)單元接收和保存。

低壓設(shè)備監(jiān)測(cè)單元通過寬帶載波鏈路向TTU注冊(cè)設(shè)備型號(hào)和類別信息，TTU保存所有的注冊(cè)節(jié)點(diǎn)信息，此時(shí)無法保證清晰的臺(tái)區(qū)界面，極易出現(xiàn)跨臺(tái)區(qū)注冊(cè)的現(xiàn)象。

TTU通過寬帶載波鏈路對(duì)各終端低壓設(shè)備檢測(cè)單元節(jié)點(diǎn)的臺(tái)識(shí)信息進(jìn)行輪詢和校驗(yàn)，剔除信息不匹配的子節(jié)點(diǎn)，其余為本臺(tái)區(qū)內(nèi)的低壓設(shè)備，并形成基礎(chǔ)臺(tái)區(qū)設(shè)備庫。

臺(tái)區(qū)識(shí)別將待識(shí)別臺(tái)區(qū)內(nèi)所有設(shè)備等級(jí)注冊(cè)后，便可將設(shè)備信息上傳至自動(dòng)化主站，所有分支箱設(shè)備和電表箱設(shè)備均可被羅列出來，等待進(jìn)一步的拓?fù)浞种П孀R(shí)，此時(shí)設(shè)備雖有層級(jí)關(guān)系但是沒有分支關(guān)系。

2.2 分支拓?fù)渥R(shí)別

同一個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)相同相位線路電力鏈路是相同的，因此電壓信號(hào)的頻率和相位基本一致。如果在臺(tái)區(qū)內(nèi)的任何位置對(duì)相線電壓進(jìn)行調(diào)制，使該處電壓產(chǎn)生畸變，隨著電力線，該畸變信號(hào)將出現(xiàn)在本臺(tái)區(qū)內(nèi)同相位的任一低壓設(shè)備中，并被低壓監(jiān)測(cè)單元所捕捉。從而可以根據(jù)畸變信號(hào)出現(xiàn)設(shè)備，整理臺(tái)區(qū)設(shè)備的完整鏈路軌跡。

完整的拓?fù)渥R(shí)別流程如圖4所示。用戶層低壓監(jiān)控單元發(fā)出高頻畸變脈沖電流信號(hào)，通過寬帶載波技術(shù)加載到電力線電流信號(hào)中。當(dāng)畸變信號(hào)通過上級(jí)低壓監(jiān)測(cè)單元時(shí)，通過高速模擬采樣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓的畸變電流信息。低壓設(shè)備解碼并存儲(chǔ)畸變電流信息，控制各終端輪詢并發(fā)送信號(hào)。

圖4：拓?fù)渥R(shí)別流程

當(dāng)所有電表箱設(shè)備均被輪詢發(fā)出信號(hào)后，TTU通過收集每一節(jié)點(diǎn)記錄的畸變信號(hào)并綜合每一節(jié)點(diǎn)的電流和電壓信息來分析鏈路拓?fù)洹?/p>

由于變壓器設(shè)備的感抗相對(duì)較大，對(duì)高次諧波具有很好的阻斷效果，因此畸變信號(hào)不會(huì)隨電力線上傳至10千伏母線，故同母線其他變壓器臺(tái)區(qū)不會(huì)受到此畸變信號(hào)影響。同時(shí)，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，畸變相與其他相位間不構(gòu)成電氣回路，因此也不會(huì)對(duì)其他相位產(chǎn)生影響。

3 拓?fù)湫：?/h2>

在分支箱和電表箱安裝低壓監(jiān)測(cè)單元，通過拓?fù)浔孀R(shí)方法，可以實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的拓?fù)?、戶變關(guān)系的在線自動(dòng)識(shí)別。將辨識(shí)結(jié)果上傳至主站自動(dòng)化，并制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，與主站系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，便可以開展拓?fù)潢P(guān)系對(duì)比工作，如圖5所示。

圖5：拓?fù)湫ｒ?yàn)流程

將拓?fù)淠Ｐ桶凑战y(tǒng)一格式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，生成設(shè)備關(guān)系列表，建立拓?fù)湫ｒ?yàn)工具，方便調(diào)用。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，生成比對(duì)關(guān)系反饋表，供自動(dòng)化運(yùn)維人員進(jìn)行人工查驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際情況，運(yùn)維人員決定是否修改PMS或GIS系統(tǒng)模型，如果修改了PMS或GIS系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?，運(yùn)維人員還需要將修改后的拓?fù)淠Ｐ蛯?dǎo)入配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)中，并通知其他高級(jí)應(yīng)用程序。

4 自動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別應(yīng)用

通過對(duì)低壓配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)拓?fù)涞淖R(shí)別、校核，可以得到準(zhǔn)確的臺(tái)區(qū)信息。臺(tái)區(qū)識(shí)別可以有以下幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）新建臺(tái)區(qū)拓?fù)渥詣?dòng)成圖。對(duì)于新建臺(tái)區(qū)，以新建臺(tái)區(qū)電力變壓器為基點(diǎn)，識(shí)別變壓器、低壓-電纜分支箱、用電-計(jì)量箱、低壓站內(nèi)-開關(guān)之間的鏈路關(guān)系。無需人工手動(dòng)維護(hù)，可自動(dòng)成圖，人工只需要開展再校驗(yàn)工作。

（2）智能感知設(shè)備變更。低壓配電網(wǎng)用戶繁多，拓?fù)涓滤俣瓤?。可根?jù)末端低壓監(jiān)測(cè)單元識(shí)別拓?fù)鋽?shù)據(jù)信息，實(shí)施準(zhǔn)確感知臺(tái)區(qū)內(nèi)設(shè)備變動(dòng)情況，支持臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)更新工作。

（3）可以快速定位設(shè)備異常。當(dāng)配電設(shè)備發(fā)生異常，在臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明確梳理的基礎(chǔ)上，通過配電終端監(jiān)測(cè)單元與TTU交互故障發(fā)生時(shí)刻，對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行快速定位。尤其當(dāng)設(shè)備掉線、電路斷線時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為運(yùn)行人員提供輔助判斷和決策。

5 結(jié)論

本文針對(duì)目前新型配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，研究了一種基于電力線寬帶載波的臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)。通過臺(tái)區(qū)識(shí)別和拓?fù)渥R(shí)別，借助電流畸變識(shí)別技術(shù)，對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)設(shè)備進(jìn)行匯總并對(duì)鏈路關(guān)系進(jìn)行明確，可以對(duì)臺(tái)區(qū)拓?fù)溥M(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別：

（1）借助終端設(shè)備，在低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)設(shè)備變動(dòng)的情況下可以進(jìn)行主動(dòng)識(shí)別更新，拜托人工配置，提高配電網(wǎng)智能感知度；

（2）拓?fù)渖珊罂缮蟼髦髡具M(jìn)行匯總、校驗(yàn)，可直接與PMS或GIS系統(tǒng)互聯(lián)傳輸，大大提高對(duì)配電網(wǎng)規(guī)模的掌控能力；

（3）為配電網(wǎng)智能化應(yīng)用提供精確的拓?fù)湫畔⒅С?，適用于網(wǎng)損管理、中低壓故障定位、精準(zhǔn)搶修等場(chǎng)景，為配電網(wǎng)智能化、精益運(yùn)維提供基礎(chǔ)支撐。