一種低壓電力線物理拓撲識別方法的研究

王祥 陸欣 冷安輝

（深圳市國電科技通信有限公司 廣東省深圳市 518019）

低壓配電臺區是智能配電網的重要組成部分，準確可靠的配電臺區物理拓撲識別，即通過技術手段自動識別配電臺區內電表和開關的物理連接關系。可有效提升配電臺區的精益化管理水平，為配電臺區電路故障定位與診斷、臺區/居民樓用電情況分析及布線優化、電路損耗定位及分析等方面的精益化管理提供基礎數據支撐。目前基于載波通信技術，加裝外置臺區識別儀[1]，可實現臺區歸屬關系以及電能表的相位自動識別，但該臺區歸屬關系識別僅限于判別電能表是否歸屬于本臺區，無法判定該臺區內電能表的物理關系拓撲，如哪些電能表在同一個表箱，哪些電能表在同一條分支線路，哪些電能表在同一個分支開關下等。目前物理拓撲識別的方法，主要是在各分支開關處新增設備，將載波通信技術的邏輯拓撲關系近似為臺區的物理拓撲關系[2]，但該方法在電表模塊不以開關處設備作為中繼的應用場景可能存在誤判，因邏輯拓撲與實際的物理拓撲不一致導致物理拓撲識別錯誤。

1 基于載波通信的SNR值對比分析技術的物理拓撲識別方法

基于載波通信的SNR 值對比分析技術的物理拓撲識別方法，是由集中器載波主模塊(central coordinator, CCO)根據邏輯拓撲相似性原則或節點序號原則，隨機指定一塊電表發起，為了避免信道沖突，網絡內所有節點依次進行識別，節點包括若干電表中的載波節點和開關監控裝置的載波節點。

集中器CCO 依次選取臺區電表節點，向電力線上發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，其他電表節點或者開關監控裝置監聽到此信號后，記錄并存儲該信號每個子載波的SNR 值以及平均SNR 值，然后CCO 獲取這些電表或者開關監控裝置的地址信息和存儲的SNR 值以及平均SNR 值，并進行對比分析。根據電表之間的SNR 特性以及電表與開關監控裝置之間的SNR 特性歸類劃分為高相似性、低相似性、中等相似性三個區間。CCO 對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，電表與開關監控裝置的SNR 特性高相似性劃分為該簇所屬的分支開關關系。對于電表多次識別與其他設備相似性均無法達到高相似性的區間，則在中等相似性的區間內選擇相似性最高的電表或開關監控裝置，將其歸至該電表的簇或該開關監控裝置歸屬關系；若電表與其他相似性均為低相似性區間，則置為單獨為一簇或該電表的前置開關處未安裝開關監控裝置。所有電表按此流程依次完成分簇識別后，CCO 獲取初步的分簇識別結果以及該簇歸屬的開關監控裝置的歸屬關系。同理，再根據開關監控裝置的邏輯層級關系，從末端開始進行開關監控裝置的識別，識別物理拓撲中的末端的開關監控裝置與前端開關監控裝置的分簇關系。直至本次通信網絡中所有設備完成分簇識別，集中器獲取本次整個通信網絡中所有設備的分簇信息，得到本次的物理拓撲結構。

文中所述遞歸算法是基于載波通信的SNR 值對比分析技術的物理拓撲識別方法，對通信網絡中的電表和開關監控裝置依次迭代，完成整個通信網絡中所有設備的分簇判斷，最終得到整個網絡的物理拓撲結構。

2 基于載波通信的SNR值對比分析技術的分簇遞歸識別過程

圖1：低壓配電網系統

圖2：基于載波通信的SNR 值對比分析技術的物理線路電表識別判斷流程圖

圖3：臺區線路連接示意圖

如圖1 所示，該網絡為基于載波通信技術的低壓配電網系統，該網絡中集中器、電能表、采集器為現有或新裝設備，皆具備載波通信功能。當網絡中所有設備組網成功，由集中器載波主模塊CCO，通過比對載波節點所屬相位的過零時刻進行相位識別和臺區識別，獲取整個臺區的設備所屬的相位信息以及臺區歸屬信息。然后集中器根據臺區拓撲識別指令，通過CCO 啟動物理拓撲識別流程。

載波主模塊CCO 發起的基于載波通信的SNR 值對比分析技術的分簇遞歸物理拓撲識別過程為：

2.1 臺區電表分簇識別步驟

（1）集中器CCO 根據邏輯拓撲相似性原則或節點序號原則，隨機選取一塊電表，如圖1 中的電表A 至電表F，從電表A 開始，依次進行電能表分簇識別，CCO 單播指示電表A 在自己的識別時隙中，往電力線中發送特定信號；

（2）其他電表及開關監控裝置若無法監聽到該特定信號，則表明其不在電能表A 的通信范圍內，則返回，選取另一個電表重復步驟（1）；

（3）若其他電表及開關監控裝置監聽到該特定信號，則記錄該信號的每個子載波的SNR 值以及平均SNR 值；

（4）CCO 獲取載波通信網絡內電能表及開關監控裝置記錄的SNR 值和地址信息；

（5）CCO 根據獲取的信息，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），電表與開關監控裝置的SNR 特性高相似性劃分為該簇所屬的開關關系（如圖1 中的表A 和開關監控設備B），若沒有明確的歸簇信息就將其他的電表或開關監控裝置則不歸入該簇或所屬分支開關關系，但記錄本次相似性特征；

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

（7）對于多次識別仍與其他設備無法歸到相似性高的區間的電表，則單獨為一簇，且認為該電表前置開關處未安裝開關監控設備；

2.2 開關監控裝置的識別步驟

（1）CCO 根據2.1 初步的分簇結果和開關監控裝置的邏輯層級關系，從末端開始開關監控裝置的識別，選取開關監控裝置（如圖1 中的開關監控設備B）在自己的識別時隙中，往電力線中發送特定信號；

（2）若其他的開關監控裝置及電表無法監聽到該開關監控裝置的特定信號，則表明其不在該開關監控裝置的通信范圍內，則返回選取另一個開關監控裝置重復步驟（1）；

（3）若其他的開關監控裝置及電表監聽到該特定信號，則記錄該信號的每個子載波的SNR 值以及平均SNR 值；

（4）載波主模塊CCO 獲取載波通信網絡內所有的電表及開關監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 根據獲取到的開關監控裝置信息及SNR值，按照邏輯拓撲相似性原則，來判斷該開關監控裝置是否有明確的歸簇信息，若是，則將開關監控裝置之間SNR 值高相似性的分為相同的簇，將SNR 值最大的開關監控裝置劃分為該簇所屬的上級分支開關（如圖1 中的開關監控裝置B 和A），若否，則單獨為一簇，不歸入分支開關，則認為該開關的前置開關處未安裝開關監控設備；

（6）然后依次選取剩余自下而上的開關監控裝置重復以上步驟，經依次迭代，直至所有開關監控裝置完成本次分簇識別；

（7）對于多次識別仍與其他設備無法歸到相似性高的區間的開關監控裝置，則單獨為一簇，且認為該開關監控裝置前置開關處未安裝開關監控設備。

表1：不同樣本數量下的拓撲識別準確率

圖4：電表節點返回的SNR 值（單位：dB）

圖5：開關節點返回的SNR 值（單位：dB）

圖6：基于SNR 值分析計算的臺區拓撲結構圖

2.3 物理拓撲結構

經過多輪迭代，直至網絡中所有設備完成分簇識別，集中器CCO根據整網絡中所有設備的分簇信息，得出最終的物理拓撲結構。如圖2 所示。

3 驗證結果

按照基于載波通信的SNR 值對比分析技術的物理拓撲識別方法，選擇在某臺區進行了驗證，該臺區屬于典型的輻射狀結構，圖3 是該臺區電力線路連接示意圖。我們選擇進行驗證的臺區一共有28 個載波節點，包括11 個開關節點和17 個電表節點。

集中器主模塊CCO 指定電表M01 往電力線上發送帶有功能碼和地址信息的特定信號，其他電表和開關監控裝置接收到該信號后記錄SNR 值和地址信息，然后CCO 獲取這些記錄下來的SNR 值和地址信息，圖4 展示了返回地址為電表類型的SNR 值大小對比曲線。按照SNR 值大小和相似性對電表進行分簇，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類型的SNR 值大小對比曲線，以此找到SNR 值最大的開關監控裝置K02，即M01 和M02 組的上級開關。而后CCO 再選擇除表M01 和M02 外的其他電表發送特定信號，進行電表分簇和找到上級開關。

經依次迭代得到初步的拓撲結構。完成電表分簇識別后，CCO再按照邏輯拓撲關系，指定底層開關監控裝置K11 發送特定信號，找到SNR 值最大的開關監控裝置K09，即為他的上級開關。然后再選擇除K11 以外的開關監控裝置發送特定信號，進行開關分簇識別，經過依次迭代，直至找到各自的上級開關。

經多輪迭代，將電表分簇和開關分族結合起來，最終得到整個網絡的物理拓撲，如圖6。通過跟實際臺區連接線路對比，準確率為100%。

如表1 所示，我們還分別對50 個、100 個、200 個載波節點的低壓配電臺區進行了驗證，利用基于載波通信的SNR 值對比分析技術的物理線路識別的方法，對臺區進行物理拓撲識別，準確率均在95%以上。準確率未能達到100%的原因主要是由于線路上各類開關等裝置對信號的衰減程度不一致，因此如果再結合電物理量（如電流、電壓、相角等）特征進行分析，通過計算兩者之間的特征差異與閾值比較，確定開關監控設備與其中電能表的相似性，進行拓撲識別，準確率將會更高。

4 結論

相對于現有的載波通信技術，依靠邏輯拓撲的物理線路識別方法，在完成相位識別和臺區識別的基礎上，通過分簇識別技術，遞歸算法，實現從單供電分支識別，遞歸至識別出整個網絡的物理拓撲，更有利于提高物理拓撲識別準確率，可準確獲取低壓電力線的物理線路關系，為基于該物理線路關系的應用提供依據。