低壓配電網(wǎng)拓撲自動識別系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

夏小晴，李軒

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

低壓配電系統(tǒng)處于整個電力系統(tǒng)的末端，其任務(wù)在于對用戶供電。隨著居民生活用電需求的急劇增加，用戶違約用電、私自搭接線路等問題在低壓配電系統(tǒng)中頻繁發(fā)生，不僅增加了電能表客戶歸屬的辨識難度，還嚴(yán)重影響了經(jīng)濟效益，經(jīng)營與安全風(fēng)險并存[1-6]。

在日常的配電運維管理工作中，往往存在戶變連接關(guān)系不清晰的問題[7-12]。尤其是老舊臺區(qū)，部分拓撲根本無法直接獲取，需要進行人工摸查，工作量巨大，造成了人力、物力的浪費。而且人工摸查也存在獲取臺區(qū)拓撲不準(zhǔn)確的風(fēng)險，當(dāng)臺區(qū)拓撲發(fā)生變動時，往往不能及時發(fā)現(xiàn)問題，造成臺區(qū)拓撲接線圖、單線圖質(zhì)量下降，臺區(qū)線損不正確，停電定位準(zhǔn)確率降低等諸多問題。

為解決上述問題，研發(fā)了基于高速電力線載波通 信（High Speed Power Line Communication，HPLC）組網(wǎng)的低壓配電網(wǎng)拓撲自動識別系統(tǒng)，旨在建設(shè)基于電力物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)智慧臺區(qū)，實現(xiàn)臺區(qū)側(cè)、低壓線路側(cè)、用戶側(cè)等感知信息的自動采集，通過部署臺區(qū)總監(jiān)測終端、分支監(jiān)測終端、分支監(jiān)測單元等端設(shè)備實現(xiàn)臺區(qū)狀態(tài)的感知，由集中器、邊緣代理等邊設(shè)備實現(xiàn)信息邊緣計算，采用無線專網(wǎng)/公網(wǎng)等通信方式將采集數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)管理平臺或智慧臺區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)，進行大數(shù)據(jù)分析和算法研究，自動識別臺區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)，解決臺區(qū)戶變關(guān)系。

1 低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)平臺重點建設(shè)物聯(lián)管理平臺和邊緣網(wǎng)關(guān)，對下實現(xiàn)各業(yè)務(wù)采集終端、傳感器、智能終端的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，對上向第三方應(yīng)用、業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與服務(wù)[13-18]。在臺區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)進行分析和建模，生成臺區(qū)拓撲圖，同時可在拓撲圖上延伸數(shù)據(jù)分析，具有線損精準(zhǔn)分析、故障精準(zhǔn)定位和主動巡檢等優(yōu)點，其總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體技術(shù)架構(gòu)

臺區(qū)總監(jiān)測終端、分支監(jiān)測終端、分支監(jiān)測單元等將數(shù)據(jù)通過HPLC傳送至邊緣網(wǎng)關(guān)。邊緣網(wǎng)關(guān)不僅具備傳統(tǒng)終端的接入、設(shè)備協(xié)議及模型轉(zhuǎn)換、設(shè)備數(shù)據(jù)分析處理等功能，還可通過MQTT（Mes?sage Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議將數(shù)據(jù)上報至智慧臺區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)功能

2.1 終端智慧物聯(lián)

智慧物聯(lián)體系采用經(jīng)濟合理的方式實現(xiàn)終端深度感知、邊緣智能分析和物聯(lián)接入。邊緣設(shè)備具備通用化、平臺化及可擴展化特點，通過APP平滑升級實現(xiàn)軟件功能擴展。物聯(lián)管理平臺支持智能終端直接接入、邊緣設(shè)備匯聚接入、業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入等多種接入模式，對多源多類型數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一模型進行處理，統(tǒng)一在線管理多種接入方式和多類型終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)貫通以及生態(tài)開放。

2.2 HPLC技術(shù)

窄帶電力線載波通信與HPLC的通信性能及現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)傳輸速率對比如表1所示。對表1進行分析可知，窄帶電力線載波通信方式采集效率低，無法實時在線抄表，不支持并發(fā)抄讀；數(shù)據(jù)通信量和通信速率低，只能抄收少量數(shù)據(jù)項，帶寬資源有限，不能實現(xiàn)智能電能表事件主動上報。HPLC通信方式通信速率高，可在極短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，從而降低突發(fā)干擾的影響；HPLC通信可實現(xiàn)海量用電信息數(shù)據(jù)24 h實時傳輸、采集，以及臺區(qū)識別和相位識別等功能。

表1 窄帶電力線載波通信與HPLC通信參數(shù)對比表

2.3 邊緣設(shè)備

邊緣設(shè)備是一種可以提供決策和服務(wù)的智能代理，可實現(xiàn)終端側(cè)硬件資源與軟件應(yīng)用的深度解耦，滿足配電臺區(qū)不斷變化的應(yīng)用需求，大幅拓展各類終端功能的應(yīng)用范圍。此外，邊緣設(shè)備還具備本地處理感知數(shù)據(jù)的能力，使得邊緣計算與大數(shù)據(jù)應(yīng)用協(xié)同配合，保證配電網(wǎng)整體計算高效準(zhǔn)確。

2.4 拓撲識別

低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)通過臺區(qū)監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)載波信號的發(fā)送和回傳。系統(tǒng)終端存儲和描述組網(wǎng)內(nèi)部的拓撲數(shù)據(jù)，并自動上傳最新的拓撲數(shù)據(jù)至系統(tǒng)主站；系統(tǒng)主站利用組網(wǎng)測量點屬性配置表和組網(wǎng)路由關(guān)系表處理和存儲終端上傳的原始拓撲數(shù)據(jù)，并自動計算、統(tǒng)計電能表拓撲的變更情況，及時更新數(shù)據(jù)庫中存儲的原始拓撲數(shù)據(jù)。

3 低壓配電網(wǎng)拓撲識別算法及識別

3.1 基于隨機森林算法的單相電能表相別識別

隨機森林（Random Forest，RF）算法是Breiman在2001年提出的一種分類和預(yù)測的機器學(xué)習(xí)算法。RF算法分為RF分類和RF回歸兩類，本文采用后者進行單相電能表相別識別。與其他機器學(xué)習(xí)算法相比，RF算法可以高效處理多變量和大數(shù)據(jù)量，具有模型參數(shù)少、運算效率高、數(shù)據(jù)挖掘能力強以及預(yù)測精度高等特點。具體過程如下：

（1）對于t=1，2，…，T，對訓(xùn)練集進行第t次隨機采樣，從訓(xùn)練集中隨機抽取m個采樣點，得到包含m個樣本的子采樣集Dt；

（2）一共進行了T次隨機采樣，即有T個子采樣集，對每一個子采樣集訓(xùn)練一個弱學(xué)習(xí)器（回歸樹），回歸樹的訓(xùn)練采用最小均方差原則。算法學(xué)習(xí)見圖2。

圖2 算法學(xué)習(xí)

由于電流互感器采集電流為有效值，而電網(wǎng)中電流為矢量值，二者無法進行直接相加計算，因此在一進多出的分支箱中進線電流不等于出線電流有效值之和。若簡單考慮家庭用戶中家用電器功率因數(shù)（0.9~1.0），可將出線電流有效值相加作為進線電流有效值的近似參考值，但與真實值存在一定誤差。為解決該不足，可結(jié)合電能表采集的單用戶功率因數(shù)、電流值以及電表箱與電能表拓撲關(guān)系，計算出該時刻用戶電流的矢量值，進而逐步推算分支箱出線電流矢量值，通過各出線電流矢量值獲取更精確的分支箱進線電流有效值，利用該值與出線柜出線電流進行比較，對拓撲結(jié)果進行修正。

3.2 基于大數(shù)據(jù)算法的分段拓撲識別

分別在變壓器出線、分支箱出線和電表箱進線位置進行電流監(jiān)測，從而逐級算出父節(jié)點和子節(jié)點，其低壓配電網(wǎng)拓撲識別圖如圖3所示。

圖3 低壓配電網(wǎng)拓撲識別圖

3.2.1 出線柜與分支箱拓撲識別

設(shè)臺區(qū)下所有采集電流的合集為S={I1,I2,I3,…,Ik}，對每個分支箱采集的電流進行求和，形成合集S′=，其中最小值記為。在合集S中刪除分支箱分項采集電流值以及所 有 小 于的電流值，形成新的合集S″={I1,I2,I3,…,Im}。將S″中每個值與進行求差，根據(jù)差值大小取出其中最小3個值記為。再將S″中每個值與進行求差，根據(jù)差值大小取出其中最小的3個值記為。依次反復(fù)，獲取,。

根據(jù)上下級關(guān)系，取某一時刻該分支箱進線電流值和對應(yīng)上級電流值，若上級電流值為某分支箱分項電流值，則判定兩個分支箱級聯(lián)；若上級電流值不屬于任一分支箱分項電流值，則判定上級為出線柜。

3.2.2 分支箱與電表箱拓撲識別

根據(jù)上述判斷出的分支箱與出線柜上下級關(guān)系，在合集S中刪除所有分支箱對應(yīng)的上級出線柜（或分支箱）電流值，形成合集S0={I1,I2,I3,…,Ik}。取任意兩個值的差值，形成合集S1={I12,I13,I14,…,I1k}，I1k=I1-Ik,S2={I21,I23,I24,I25,…,I2k},…，Sk={Ik1,Ik2,Ik3,…，Ikk-1}。按15 min采集頻率，每天可采集96個點，求Sn中每個值的均方差，根據(jù)均方差中最小值確定分支箱出線與電表箱的上下級關(guān)系。

3.2.3 拓撲呈現(xiàn)

通過臺區(qū)的總監(jiān)測終端、分支監(jiān)測終端和分支監(jiān)測單元，分別獲取臺區(qū)總表、分支箱和電表箱側(cè)的電量、電流和電壓?；谏鲜鏊惴ǎ鶕?jù)子節(jié)點的電流、電壓和父節(jié)點的電流、電壓之間的關(guān)系，逐步判別出子節(jié)點和父節(jié)點，并通過一定量的數(shù)據(jù)積累驗證，厘清臺區(qū)到分支箱、分支箱到表箱之間的關(guān)系，分段拓撲圖如圖4所示。

圖4 分段拓撲圖

3.2.4 基于臺區(qū)實時拓撲的數(shù)據(jù)應(yīng)用

3.2.4.1 故障自動定位和輔助運維

低壓配電臺區(qū)區(qū)域往往缺乏有效的監(jiān)控能力及快速定位故障的方法，大多依靠分析用戶投訴信息來獲取故障信息。低壓配電網(wǎng)拓撲自動識別系統(tǒng)采用分級監(jiān)控方式縮小停電區(qū)段判別范圍，通過低壓配電網(wǎng)拓撲關(guān)系快速定位發(fā)生故障的具體位置，有助于對用戶停電報修的責(zé)任界定，可有效避免糾紛，為用戶提供用電安全方面的診斷意見，提高用戶滿意度。

3.2.4.2 線損分析和異常研判

拓撲識別圖形成后，低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)會自動描繪出分支線損曲線，不僅實現(xiàn)了分支線路級別的線損計算，還能通過線損異常情況進行線損分析和異常研判，并在拓撲識別圖上進行異?？梢暬故荆瑥亩嵘娋W(wǎng)治理線損異常水平的能力。

4 應(yīng)用案例

4.1 試點概況及存在的問題

選取某220 kV變電站，812東園Ⅰ回主干下的新源小區(qū)2號公用箱式變壓器（以下簡稱箱變）作為試點應(yīng)用臺區(qū)。新源小區(qū)共有3個箱變，其中3號公用箱變覆蓋新源小區(qū)5號、6號、7號居民樓及相應(yīng)的公共用電。該臺區(qū)下有3個分支箱，但分支箱下覆蓋的具體居民樓資料缺失，存在以下問題：

（1）小區(qū)內(nèi)戶變關(guān)系不清晰，臺區(qū)到分支箱、分支箱到戶表的圖紙缺失，無法判斷各分支對應(yīng)的樓棟和戶表；

（2）現(xiàn)有低壓臺區(qū)的采集數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)拓撲自動發(fā)現(xiàn)，難以實現(xiàn)故障的精確定位，不利于故障的及時排查。

4.2 試點應(yīng)用臺區(qū)拓撲圖

依托低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)，對低壓臺區(qū)出線側(cè)、分支箱出線側(cè)、表箱進線側(cè)進行分別監(jiān)控，分段監(jiān)測示意圖如圖5所示。

圖5 分段監(jiān)測示意圖

分別在出線柜出線、分支箱出線和電表箱進線位置安裝電流傳感器，以15 min頻率采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過HPLC通信模塊將相關(guān)信息上傳至邊緣代理裝置。傳感器分為一級、二級和三級，隨著層級增加，傳感器級別分類也隨之增加，目的是為了輔助確認傳感器的父節(jié)點。通過分段監(jiān)測采集臺區(qū)側(cè)、分支箱側(cè)、表箱側(cè)數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析和拓撲算法模型處理臺區(qū)各節(jié)點的關(guān)系，從而繪制出臺區(qū)拓撲關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 10 kV 812東園Ⅰ回主干下新源小區(qū)2號公用箱拓撲圖

4.3 試點應(yīng)用臺區(qū)總體線損分布

通過布置在不同位置出線側(cè)的電流互感器，獲得每一個分支電量的線損值及相應(yīng)的線損率，臺區(qū)總體線損圖如圖7所示。

圖7 10 kV 812東園Ⅰ回主干下新源小區(qū)2號公用箱臺區(qū)線損圖

4.4 試點應(yīng)用臺區(qū)故障監(jiān)測

依托低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)，該試點小區(qū)可實現(xiàn)實時監(jiān)測臺區(qū)的故障情況和故障位置。圖8和圖9為臺區(qū)電表箱7號樓1單元2戶發(fā)生故障的情況。

圖8 試點小區(qū)故障提示圖

圖9 試點小區(qū)故障記錄

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

（1）低壓配電網(wǎng)拓撲識別系統(tǒng)主體監(jiān)測模塊于2021-05-20正式投入試掛測試運行，其中兩臺出線柜、兩臺分支箱（共含5臺斷路器）、25臺表箱、49臺電能表的監(jiān)測模塊在5月21日第一次與主站系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)通信，并完成96條數(shù)據(jù)入庫；在算法模型剔除樣本特征類似的7條無效數(shù)據(jù)后，初步繪制出臺區(qū)拓撲關(guān)系圖。

（2）該系統(tǒng)正式投入試掛測試運行至2021-06-30，經(jīng)過41個自然日的運行，共處理3936筆包括拓撲自動識別、拓撲異常監(jiān)控、分段線損分析、故障分析等數(shù)據(jù)監(jiān)測業(yè)務(wù)，其中出現(xiàn)的拓撲異?，F(xiàn)象是由軟件原因造成，已驗證恢復(fù)，臺區(qū)無故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生。由人工模擬1條數(shù)據(jù)用以演示故障分析模塊業(yè)務(wù)功能，與現(xiàn)場實際情況一致。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊平均回傳時間≤3 s。

（4）實現(xiàn)了對試掛臺區(qū)設(shè)備6類數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，即臺區(qū)出線柜和分支箱監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括采集時間、設(shè)備名稱、設(shè)備編號、三相電流、零序電流、三相不平衡度、三相電壓、有功功率（kW）、無功功率（kvar）、視在功率（kVA）、功率因數(shù)、用電量（kWh）；電表箱監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括采集時間、臺區(qū)名稱、U相電流、三相不平衡度、U相電壓、有功功率（kW）、用電量（kWh）；出線柜—分支箱和分支箱—電表箱監(jiān)測線損數(shù)據(jù)，包括線段、線損電量，線損率等；故障情況監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括故障時間、影響范圍、影響用戶數(shù)（用戶編號、電表編號、用戶位置）、影響設(shè)備數(shù)（臺區(qū)編號、設(shè)備類型、設(shè)備編號、設(shè)備位置）等。

通過大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、HPLC通信技術(shù)、智能傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)全景監(jiān)測與智能調(diào)配技術(shù)的實施和應(yīng)用，實現(xiàn)了臺區(qū)低壓設(shè)備和電能表的本地組網(wǎng)，高頻采集低壓智能終端、電能表等數(shù)據(jù)，支撐臺區(qū)拓撲識別、故障精確定位、線損分段計算等功能。

6 結(jié)束語

本文基于HPLC研發(fā)了低壓配電網(wǎng)拓撲自動識別系統(tǒng)，不僅可以明確臺區(qū)中的戶變關(guān)系，實時監(jiān)測臺區(qū)不同線路的線損電量和線損率，還能精準(zhǔn)監(jiān)測故障情況和故障位置，促進和加強運用智慧大數(shù)據(jù)技術(shù)、全景監(jiān)測及智能調(diào)配技術(shù)在電力通信系統(tǒng)運行管理方面的應(yīng)用，實現(xiàn)主動預(yù)警、全程調(diào)配、閉環(huán)管理，在更廣層面、更深層次上提升電力通信運維能力，為內(nèi)蒙古電網(wǎng)低壓配電網(wǎng)精細化管理提供技術(shù)支撐。