一种低压电力线物理拓扑识别方法的研究

王祥 陆欣 冷安辉

（深圳市国电科技通信有限公司 广东省深圳市 518019）

低压配电台区是智能配电网的重要组成部分，准确可靠的配电台区物理拓扑识别，即通过技术手段自动识别配电台区内电表和开关的物理连接关系。可有效提升配电台区的精益化管理水平，为配电台区电路故障定位与诊断、台区/居民楼用电情况分析及布线优化、电路损耗定位及分析等方面的精益化管理提供基础数据支撑。目前基于载波通信技术，加装外置台区识别仪[1]，可实现台区归属关系以及电能表的相位自动识别，但该台区归属关系识别仅限于判别电能表是否归属于本台区，无法判定该台区内电能表的物理关系拓扑，如哪些电能表在同一个表箱，哪些电能表在同一条分支线路，哪些电能表在同一个分支开关下等。目前物理拓扑识别的方法，主要是在各分支开关处新增设备，将载波通信技术的逻辑拓扑关系近似为台区的物理拓扑关系[2]，但该方法在电表模块不以开关处设备作为中继的应用场景可能存在误判，因逻辑拓扑与实际的物理拓扑不一致导致物理拓扑识别错误。

1 基于载波通信的SNR值对比分析技术的物理拓扑识别方法

基于载波通信的SNR 值对比分析技术的物理拓扑识别方法，是由集中器载波主模块(central coordinator, CCO)根据逻辑拓扑相似性原则或节点序号原则，随机指定一块电表发起，为了避免信道冲突，网络内所有节点依次进行识别，节点包括若干电表中的载波节点和开关监控装置的载波节点。

集中器CCO 依次选取台区电表节点，向电力线上发送载有功能码和地址信息的幅值、频谱范围固定的特定信号，其他电表节点或者开关监控装置监听到此信号后，记录并存储该信号每个子载波的SNR 值以及平均SNR 值，然后CCO 获取这些电表或者开关监控装置的地址信息和存储的SNR 值以及平均SNR 值，并进行对比分析。根据电表之间的SNR 特性以及电表与开关监控装置之间的SNR 特性归类划分为高相似性、低相似性、中等相似性三个区间。CCO 对获取查询到的电表信息及SNR 值，将电表之间SNR 特性高相似性的分为相同的簇，电表与开关监控装置的SNR 特性高相似性划分为该簇所属的分支开关关系。对于电表多次识别与其他设备相似性均无法达到高相似性的区间，则在中等相似性的区间内选择相似性最高的电表或开关监控装置，将其归至该电表的簇或该开关监控装置归属关系；若电表与其他相似性均为低相似性区间，则置为单独为一簇或该电表的前置开关处未安装开关监控装置。所有电表按此流程依次完成分簇识别后，CCO 获取初步的分簇识别结果以及该簇归属的开关监控装置的归属关系。同理，再根据开关监控装置的逻辑层级关系，从末端开始进行开关监控装置的识别，识别物理拓扑中的末端的开关监控装置与前端开关监控装置的分簇关系。直至本次通信网络中所有设备完成分簇识别，集中器获取本次整个通信网络中所有设备的分簇信息，得到本次的物理拓扑结构。

文中所述递归算法是基于载波通信的SNR 值对比分析技术的物理拓扑识别方法，对通信网络中的电表和开关监控装置依次迭代，完成整个通信网络中所有设备的分簇判断，最终得到整个网络的物理拓扑结构。

2 基于载波通信的SNR值对比分析技术的分簇递归识别过程

图1：低压配电网系统

图2：基于载波通信的SNR 值对比分析技术的物理线路电表识别判断流程图

图3：台区线路连接示意图

如图1 所示，该网络为基于载波通信技术的低压配电网系统，该网络中集中器、电能表、采集器为现有或新装设备，皆具备载波通信功能。当网络中所有设备组网成功，由集中器载波主模块CCO，通过比对载波节点所属相位的过零时刻进行相位识别和台区识别，获取整个台区的设备所属的相位信息以及台区归属信息。然后集中器根据台区拓扑识别指令，通过CCO 启动物理拓扑识别流程。

载波主模块CCO 发起的基于载波通信的SNR 值对比分析技术的分簇递归物理拓扑识别过程为：

2.1 台区电表分簇识别步骤

（1）集中器CCO 根据逻辑拓扑相似性原则或节点序号原则，随机选取一块电表，如图1 中的电表A 至电表F，从电表A 开始，依次进行电能表分簇识别，CCO 单播指示电表A 在自己的识别时隙中，往电力线中发送特定信号；

（2）其他电表及开关监控装置若无法监听到该特定信号，则表明其不在电能表A 的通信范围内，则返回，选取另一个电表重复步骤（1）；

（3）若其他电表及开关监控装置监听到该特定信号，则记录该信号的每个子载波的SNR 值以及平均SNR 值；

（4）CCO 获取载波通信网络内电能表及开关监控装置记录的SNR 值和地址信息；

（5）CCO 根据获取的信息，将电表之间SNR 特性高相似性的分为相同的簇（如图1 中的表A 和表B），电表与开关监控装置的SNR 特性高相似性划分为该簇所属的开关关系（如图1 中的表A 和开关监控设备B），若没有明确的归簇信息就将其他的电表或开关监控装置则不归入该簇或所属分支开关关系，但记录本次相似性特征；

（6）然后依次选取剩余电表重复以上步骤，经依次迭代，直至所有电表完成本次分簇识别；

（7）对于多次识别仍与其他设备无法归到相似性高的区间的电表，则单独为一簇，且认为该电表前置开关处未安装开关监控设备；

2.2 开关监控装置的识别步骤

（1）CCO 根据2.1 初步的分簇结果和开关监控装置的逻辑层级关系，从末端开始开关监控装置的识别，选取开关监控装置（如图1 中的开关监控设备B）在自己的识别时隙中，往电力线中发送特定信号；

（2）若其他的开关监控装置及电表无法监听到该开关监控装置的特定信号，则表明其不在该开关监控装置的通信范围内，则返回选取另一个开关监控装置重复步骤（1）；

（3）若其他的开关监控装置及电表监听到该特定信号，则记录该信号的每个子载波的SNR 值以及平均SNR 值；

（4）载波主模块CCO 获取载波通信网络内所有的电表及开关监控装置在分簇流程中记录的SNR 值和地址信息；

（5）载波主模块CCO 根据获取到的开关监控装置信息及SNR值，按照逻辑拓扑相似性原则，来判断该开关监控装置是否有明确的归簇信息，若是，则将开关监控装置之间SNR 值高相似性的分为相同的簇，将SNR 值最大的开关监控装置划分为该簇所属的上级分支开关（如图1 中的开关监控装置B 和A），若否，则单独为一簇，不归入分支开关，则认为该开关的前置开关处未安装开关监控设备；

（6）然后依次选取剩余自下而上的开关监控装置重复以上步骤，经依次迭代，直至所有开关监控装置完成本次分簇识别；

（7）对于多次识别仍与其他设备无法归到相似性高的区间的开关监控装置，则单独为一簇，且认为该开关监控装置前置开关处未安装开关监控设备。

表1：不同样本数量下的拓扑识别准确率

图4：电表节点返回的SNR 值（单位：dB）

图5：开关节点返回的SNR 值（单位：dB）

图6：基于SNR 值分析计算的台区拓扑结构图

2.3 物理拓扑结构

经过多轮迭代，直至网络中所有设备完成分簇识别，集中器CCO根据整网络中所有设备的分簇信息，得出最终的物理拓扑结构。如图2 所示。

3 验证结果

按照基于载波通信的SNR 值对比分析技术的物理拓扑识别方法，选择在某台区进行了验证，该台区属于典型的辐射状结构，图3 是该台区电力线路连接示意图。我们选择进行验证的台区一共有28 个载波节点，包括11 个开关节点和17 个电表节点。

集中器主模块CCO 指定电表M01 往电力线上发送带有功能码和地址信息的特定信号，其他电表和开关监控装置接收到该信号后记录SNR 值和地址信息，然后CCO 获取这些记录下来的SNR 值和地址信息，图4 展示了返回地址为电表类型的SNR 值大小对比曲线。按照SNR 值大小和相似性对电表进行分簇，本次分簇得到电表M01 和M02 分为同一组。

而图5 则展示了返回地址为开关类型的SNR 值大小对比曲线，以此找到SNR 值最大的开关监控装置K02，即M01 和M02 组的上级开关。而后CCO 再选择除表M01 和M02 外的其他电表发送特定信号，进行电表分簇和找到上级开关。

经依次迭代得到初步的拓扑结构。完成电表分簇识别后，CCO再按照逻辑拓扑关系，指定底层开关监控装置K11 发送特定信号，找到SNR 值最大的开关监控装置K09，即为他的上级开关。然后再选择除K11 以外的开关监控装置发送特定信号，进行开关分簇识别，经过依次迭代，直至找到各自的上级开关。

经多轮迭代，将电表分簇和开关分族结合起来，最终得到整个网络的物理拓扑，如图6。通过跟实际台区连接线路对比，准确率为100%。

如表1 所示，我们还分别对50 个、100 个、200 个载波节点的低压配电台区进行了验证，利用基于载波通信的SNR 值对比分析技术的物理线路识别的方法，对台区进行物理拓扑识别，准确率均在95%以上。准确率未能达到100%的原因主要是由于线路上各类开关等装置对信号的衰减程度不一致，因此如果再结合电物理量（如电流、电压、相角等）特征进行分析，通过计算两者之间的特征差异与阈值比较，确定开关监控设备与其中电能表的相似性，进行拓扑识别，准确率将会更高。

4 结论

相对于现有的载波通信技术，依靠逻辑拓扑的物理线路识别方法，在完成相位识别和台区识别的基础上，通过分簇识别技术，递归算法，实现从单供电分支识别，递归至识别出整个网络的物理拓扑，更有利于提高物理拓扑识别准确率，可准确获取低压电力线的物理线路关系，为基于该物理线路关系的应用提供依据。