低压电网拓扑实时生成平台产品化研究

方鹏 徐世泽 沈春林 滕晓兵

摘  要：现阶段，低压配电网的自动化和智能化管理水平相对于输电网较为落后，低压配电网成为了智能电网建设最薄弱的环节。低压配电台区迫切需要能够实现可观可测、支持整体运维的管理平台。因此，文章立足于当前低压电网拓扑识别技术的发展现状，设计了低压电网拓扑实时生成平台及其配套的低压电网拓扑实时生成系统。希望通过该系统能够加强对配电台区内电能质量、供电可靠性、经济运行等方面的管理，提高低压配网的管理水平。

关键词：低压电网;拓扑识别;平台设计

中图分类号：TM726         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0063-03

Abstract： At present， compared with the transmission grid and medium voltage distribution network， the automation and intelligent management level of low-voltage distribution network is backward， which is the weak link of smart grid construction. The low-voltage distribution network urgently needs a management platform that can support overall operation and maintenance. Therefore， based on the current development status of low-voltage grid topology recognition technology， this paper designs a low-voltage grid topology real-time generation platform and its associated system. It is hoped that the system can strengthen the management of power supply and improve the management level of the low-voltage distribution network.

Keywords： low voltage power grid; topology identification; platform design

引言

低压配电系统处于电力系统的末端，是电能输送的最后环节，承担着对用户直接供电的任务。近年来，城市化进程的不断推进，居民小区数量快速增加。随着城市居民生活用电需求的激增，低压配电系统中用户违约用电、私自搭接线路等问题频繁出现。这些问题的出现不仅增加了供电企业对电能表和客户档案归属判断的难度，还在一定程度上影响了供电企业的效益和形象，加重了企业的经营风险。此外，低压配电系统的运行水平还直接影响着对用户的供电质量。据国外电力公司统计，由低压配电系统故障造成的停电事故约占事故总数的80%[1]。并且，随着智能电网发展战略的提出，电力公司迫切需要提高低压供电可靠性以满足用户对持续供电的需求。低压配电台区迫切需要一种能实现可观可测、支撑整体运维管理的新平台，因此，建设低压电网拓扑实时生成平台是提高配电网供电可靠性的必然要求。

1 低压拓扑节点感知技术的国内外研究现状

随着配电网络的不断发展，台区布线情况日益复杂，这对低压拓扑实时生成平台的建设提出了更高的要求。目前，台区识别方法包括传统台区识别法、专用设备法和自动测试法三种。传统台区识别方法主要通过人工观察下火线走向，从表箱沿着下火线，寻找变压器，并查看变压器标识牌，记录台区名称及编号[2]。该方法多适用于小区用户供电是架空线路的情景，但是随着电力建設，走线方式越来越复杂，许多台区甚至采用地下电缆传输电能。地下电缆大多埋在地下被建筑物所遮挡，特别是在多个台区的交界处，存在复杂的交叉现象，无法通过人工观察确定接进用户线所属变压器台区，只能通过“拉闸验电”的方法来确定，这给居民、企业和市政部门带来了严重影响，开发新的台区识别方法变得极为重要。

台区识别专用设备主要是指台区识别仪。配变台区用户识别仪是一台经大量用户实际使用认可的高性能、高可靠性的台区用户识别装置。配变台区用户识别仪由主机和手持终端两部分组成。通过其独特的技术方法，配变台区用户识别仪能充分满足电力管理部门准确、快速查清各类台区用户资料的要求，可大大减轻基层人员的工作量和劳动强度，从而为实现台区精细化管理，降耗减损提供真实准确的基础数据。

通信技术不断发展给低压台区识别带来了新的方法，基于通信技术的自动测试识别技术开始在国内外出现。目前，自动测试法主要基于载波通信技术和脉冲电流技术。载波通信技术的载波信号容易受到电力线的电容和外部因素等的干扰，其在电力线上的传输时会出现一定程度的衰减;并且当载波信号遇到变压器时，受变压器感抗影响，高频载波信号无法通过变压器传输，因此载波信号只能在相同台区的相同相线内进行传播。与载波信号一样，脉冲电流信号也只能在相同台区的相同相线内传播，由于脉冲电流信号不能产生交变磁场，其同样无法通过变压器传输。

2 低压电网拓扑实时生成平台方案设计

2.1 实时生成平台的基本构想

低压电网拓扑实时生成平台主要由工频感知技术、拓扑生成平台以及设备装置组成。它们相互作用，共同构建起实时生成平台。

2.1.1 工频感知技术

工频通信技术是在50Hz工频电压过零点附近，通过人为产生电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息的一种电力线通信技术[3]。美国的Reed H.Johnston最早开始了关于工频通信技术的研究。该方法通过调制电压波形完成数据在电网的传输，它在电网电压达到波谷时将一个与电网基波等周期的调制电压波形注入其中，且在两个相邻的电压波形中只注入一个调制电压波形。在未进行调制时相邻两个波形相同，注入的调制信号明显改变了电网电压波形，工频通信技术可以根据调制信号的位置实现信息的传输。

上世纪80年代美国的Ma K S.T.对工频通信技术进行了发展，提出了双向工频通信技术。双向工频通信技术可利用电网电缆实现数据的双向传输，其下行信号可以利用调制电压波形传输信息，上行信号则可以通过调制电流波形实现信息传输。该方法改进了原有的电压调制方法，通过调制电网电压零点附近信号，降低了信号的调制功率，奠定了工频通信的实用化基础。

相对原有的电力载波技术，电力线工频通信技术成本低廉，抗干扰能力强，实现简单，适用于小信道容量场，实用价值较高。目前，该技术已经有实际的应用案例，美国和加拿大等国家已经将该技术应用到了水、电、气表的远程抄送，野外作业设备的监控以及电力设备的控制和检测。

2.1.2 拓扑生成平台

当前，配电网络规模持续扩大，配电网络结构日趋复杂，需要一个具有完善数据存储融合分发功能的实时动态监测体系实现对配电网络的管理，因此，拓扑实时生成平台应具备以下功能：（1）能够实时动态的监测低压配网的各个节点的运行状况和拓扑变化情况。（2）能够实时的动态扫描低压配网的各个节点并完成与原有信息的对比。（3）能够实现低压配网拓扑数据的存储、融合和分发。（4）能够支持低压配网拓扑节点档案的更新与组织。

2.1.3 装置设计

现场识别装置和信息发生装置是构成低压配网台区识别的两大主要装置。现场识别装置是一种手持传感器，检测人员通过现场识别装置来检测用户区信息;信息发生装置则担负着台区和相线信号的发生和加载任务，是安装在变压器侧的重要装置。工频负荷传输通讯、数据处理、电源管理、显示及触屏控制、数据及信息存储和数据通讯六个部分共同构成完整的信息发生装置[4]。电力线信息通道、信息发生装置以及现场识别装置共同构成完整的单相低压电力用户变压器台区相线识别系统。

工频负荷传输通讯部分的调制控制电路能够使负荷信号有效的在电力线上传输;数据处理部分则多采用高速多通道A/D和DSP，能够有效完成电力线上的数据采集和处理;电源管理采用高抗扰性开关电源，在保持电压稳定的同时不影响通讯性能，减少了设备的功耗和重量;数据通讯部分多采用蓝牙、USB等数据通信口直接与后台系统或者个人电脑相连，将获得的文字或者数据信息传输到系统中。

2.2 抗台区干扰技术分析

在台区识别过程中，增强传感信号，降低周围环境对信号的影响极为重要。用于抵抗台区干扰的技术包括工频通信技术、载波通信技术。

2.2.1 工频通信技术分析

工频通信技术是一种特殊的电力线通信技术，具有独特的通信机理和实现机制。与传统的电力线载波技术相比，最大的优势在于信号能够直接穿透输配电变压器，实现跨变压器台区的通信而无需中继辅助，具有通信距离远、抗干扰性能强的特点[5]。配电网络的工频通信系统主要由用户终端和主站装置两部分构成，工频信号可以在终端和主站之间进行双向传导。在一般情况下，主站装置都安装在变电所内，通过调制变压器主站装置可以直接将信号输送到主变压器母线上，并通过向外辐射的低压配电网络完成信息的发布。主站装置的主要任务是发布指令给用户终端，并接收从用户终端传来的信息。而用户终端在大多数情况下安装在用户处，主要作用是反馈用户信息给主站并执行主站发布的指令。从用户终端传输到主站的上行信号和从主站传输到终端的下行信号共同组成了工频传输的信号。由于工频畸变信号可以穿过变压器传输，一个变电所下有多少个变压器都不会影响信号的传输，因此，通常情况下，一个变电所的辐射范围内只需要安装一个主站。

2.2.2 载波通信技术分析

低压配网系统中终端数量多，且分布不均匀，因此载波通信系统多采用一个主机控制多个终端的分布式结构。以远程自动抄表系统为例，载波通信系统的结构可以划分为电表、集中器以及采集器三级。采集器则需发挥中继转发功能，与电表通过RS485进行通信;集中器都连接到变压器的低压三相出线端，作为路由源节点，其与采集器之间借助电力线载波实现通信，并且在汇总台区的所有用电信息后，集中器通过GPRS远程无线通信将信息发送给控制中心。

通过对载波通信网络拓扑结构的分析，可以发现载波通信网络具有以下特点。

（1）时变性。在确定的物理拓扑线路中，各节点之间的实际可接收传输距离是实时变化的，各相的负载和噪声情况会影响节点间的传输距离。（2）复杂性。三相電源和通信链路极容易影响电力线信道，拓扑节点随时可能减少或增加，因此载波通信网络拓扑结构具有复杂性。（3）未知性。在采集用户用电信息时，每个节点之间的网络和物理连接情况是不清楚的，因此载波通信网络拓扑结构具有未知性。

3 低压配网拓扑实时生成系统的构成

电网系统网络拓扑结构实际上指的是电力系统网络内的各级设备布局，以及各级电压电力线路的连接方式。合理的电网拓扑结构是电力系统安全稳定运行的基本保证，在实际运行中，拓扑结构容易受到设备维护、负荷变化、故障跳闸、主动优化等的影响，主要表现为系统元件及开关的运行方式变化，如线路、变压器、发电机等元件的投入或退出以及母联投切、开关倒闸等[6]。

3.1 低压配网拓扑实时生成系统架构

低压配网拓扑检测系统主要包括拓扑识别从终端、拓扑识别主终端、拓扑分析手持机三部分。系统接入测试现场的示意图如图1所示，其中A表示分支开关或表箱，“检测终端”即是拓扑识别从终端，“拓扑识别主终端”可以放置在台区内相对比较中心位置的地点，以便获得最佳通讯成功率。

检测终端挂装在分支开关处，拓扑识别主终端通过载波或无线通讯发起拓扑识别，并收集拓扑终端的反馈的拓扑信息，最终形成拓扑图并显示出来，也可通过蓝牙传输拓扑信息给手持机显示，以便现场观看和分析。

3.2 低压配网拓扑实时生成系统工作原理

根据目前低压配网的运营现状，参考国网各地区的智能運检技术发展趋势，针对铺设电缆的低压台区，有必要开发一套低压配网拓扑节点在线感知装置和系统，实现实时、准确、在线化的拓扑节点感知，实现国家电网公司“深化智能电表在配网设备运行状态管控监测故障研判指挥等方面的应用”。

低压配网线拓扑节点感知系统主要包括两种现场感知装置，一是布置在台区配变侧的主终端，二是布置在电缆分支箱和计量箱侧的从终端，从终端配置电流互感器。该装置通过工频通信技术，载波通信技术，节点动态感知算法实现低压配网拓扑节点连接关系的识别和校验。其基本原理是利用工频通信信号在台区间难以串扰的性质，从机通过接收主机发送的台区特征码，判定是否为同一台区。台区节点识别亦采用相同的思路，通过主终端向台区广播特征码，从终端接收到特征码后经判断是否属于本台区，若属于本台区则会注册到主终端的网络里，从而得到台区所有节点的列表。其中主从终端的通信使用电力线载波技术。

该方案的创新点是无需预先了解当前台区的节点拓扑情况，如分支箱、计量箱的隶属关系等，只需保证在配电工区内所有变压器侧安装主终端，在分支箱和计量箱配置从终端，维护主终端与台区编号的对应关系，即可实现工区内拓扑连接关系的在线自动识别。当更换主终端或从终端时，仍然可以重现自动识别拓扑连接关系，无需做额外的配置或初始化工作。从而改变了原来低压普查无法脱离人工的现状，节约人力投入，提高了数据的时效性、准确性。

4 低压配网拓扑实时生成平台的应用建议

智能电网发展战略对配网精益化管理提出了更高的要求。目前，低压配网管理手段比较单一，缺乏智能化手段实现对低压配网的整体性、有效性、精准性的管理。低压运维管理迫切需要一种能实现低压配电台区可观可测、能支撑整体运维管理需求的技术。因此，需要加强对配电台区内电能质量、供电可靠性、经济运行等方面的全面监控，提高整个电网系统的管理水平。

4.1 加快拓扑感知系统的创新性研究

受城市化进程的影响，城市低压台区布线混乱，为提高供电企业供电事故抢修效率，研究一种快捷高效的台区识别系统就变得极为重要。传统的台区的识别方法存在着手续复杂，影响用户正常用电的情况。近年来国内外的台区识别技术发展迅速，但是目前研究应多集中在利用电力线载波通信、脉冲电流方法的研究上，很少有研究全面的对工频通信技术的系统构成、信号的调制、信号的编码以及信号的检查等方面进行研究。因此，亟需从工频通信技术入手对低压台区的拓扑识别系统进行深入研究，从系统设计、功能实现和实际效能的角度进行超前设计，实现低压拓扑识别系统核心关键技术的创新性突破。

4.2 提高拓扑感知系统的应用水平

目前，低压拓扑感知设备的设计大多采用电力线载波通信方式，通过扩频，调频等多种方法完成信号传输，该方式极易受到电网中的电容和电感的影响，造成信号的传输不稳。在实际应用中，为解决信号不稳的问题，需要投入中继设备、阻波器和滤波器等大量设备，因此该方法的应用范围十分有限。工频通信传输技术借助电力线完成信号的双向传递，能够在复杂的电力环境中实现高效率通信和高稳定性的传输，比电力线载波通信在台区识别领域中更有优势。但目前关于工频通信低压拓扑感知的研究有限，低压台区识别系统的应用中仍然在识别设备等方面存在着诸多问题，因此，关于拓扑感知系统的研究不仅要关注传输信号的稳定性和准确性，还要关注拓扑识别产品的工作效率等应用性。总体看来，拓扑感知系统正在不断进步和创新，逐渐呈现出自动化、合成化、体系化的趋势。

参考文献：

[1]卢颖.基于FMEA法的简单配电网可靠性评估算法研究和程序设计[J].中国电业（技术版），2015（11）：63-67.

[2]袁超.低压配电网络台区识别技术的研究与开发[D].大连理工大学，2014.

[3]李建岐，黄毕尧，王智慧.配电网工频通信技术及其应用[J].电力系统通信，2009，30（3）：74-80.

[4]李建，赵汉昌.多功能低压台区识别设备的研制[J].电测与仪表，2014，51（13）：107-111.

[5]韩素卓.配电网工频通信技术及其应用[J].工程技术：全文版，2016，07（08）：00042-00042.

[6]曹艳美，刘世磊.电力调度调控安全运行体系研究[J].决策与信息旬刊，2013（6）：226-226.