基于信號識別的臺區拓撲監測技術

鄭國權，阿遼沙·葉，李 然，李 媛，章江銘

(1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192； 2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310000)

0 引言

新型電力系統是能源互聯網雙碳目標下現階段發展的核心形態，未來在智能化、自動化和精細化等方面面臨著的要求。低壓臺區處于電力系統的末端，承擔著直接向用戶供電的任務。近年來，隨著低壓配電網的發展，臺區的智能化、信息化水平得到了極大提高[1-2]。然而，在低壓配電網絡的建設過程中，用電負荷的增加導致配電線路和電力設施經常發生調整和變動，而電網公司因為管理、技術等原因無法對臺區擋案作出及時調整，從而導致了臺區的拓撲檔案與實際不符[3-5]。錯誤的拓撲檔案會影響臺區的線損治理、防竊電排查工作的開展，為臺區的精細化管理工作帶來了諸多不便[6-7]。因此，進行低壓臺區拓撲識別技術的研究具有重要意義。

臺區拓撲識別是指識別臺區戶變關系，通過特征信息分析、特殊事件分析、手工排查等技術手段，對用戶電表和臺區變壓器之間的歸屬關系進行識別。戶變關系的準確性對臺區線損管理[8]、數據采集成功率、三相不平衡治理、停電區域預判等精細化臺區管理有重要意義。實際應用中經常會遇到因臺區擴容低壓配電線路改造、用戶私自接電、負荷投切、相鄰臺區載波信號串擾組網，以及人為失誤引入的臺區檔案錯誤等情況，導致戶變關系不準確[9-11]。

目前，臺區拓撲識別的研究仍處于起步階段。當前工作主要是對臺區拓撲檔案的校驗和修正，尤其是對臺區戶-變關系的識別，手段主要分為兩種[12-15]：一種方法是使用專用的臺區識別設備，這里主要是指臺區識別儀。臺區識別儀基于脈沖電流技術和載波通信技術，其工作原理是臺區識別儀發送脈沖電流信號，如果臺區內的信號接收裝置能接收到該信號并正確識別，則可以判斷該用戶屬于該臺區，同時，根據所接收到的脈沖電流信號所處的相線可以判斷用戶的相別[16-18]。另外一種方法是基于用電信息采集系統，使用大數據的方法，對采集到的用戶用電信息進行相關性分析，同一臺區內用戶的用電信息相關性強，不同臺區用戶用電信息相關性弱，由此來判斷用戶的臺區歸屬[19]。

這兩類方法目前都存在或多或少的問題。基于臺區識別儀的方法需要在低壓配電網中搭配額外裝置使用，而且只適用于少量用戶的臺區識別，這就使得在量大而面廣的臺區中使用臺區識別儀進行拓撲信息的識別是十分困難的[20]。基于用戶用電信息相關性的臺區識別，需要采集用戶大量的電壓數據，然后對這些數據進行相關處理和計算，這就要求算法性能足夠強，才能實現臺區拓撲的實時在線校驗[21]。

針對以上方法存在的問題，文章基于脈沖電流技術，采用模塊化、智能化的思想，設計了一種線路監測系統，實現了包括線路分支、電表拓撲等臺區拓撲信息的在線識別，并通過在試驗園區進行現場測試，驗證了該技術方案的可行性。

1 系統結構及識別原理

文章基于脈沖電流技術，提出了一種臺區拓撲識別技術，并基于此技術設計了線路監測終端用于硬件實現。

線路監測終端兼具信號接收和發射功能，將監測終端分別安裝在臺區低壓分支箱、電表箱等線路上即可實現智能配變終端、低壓分支箱以及電表箱之間的可靠通信，從而完成臺區拓撲信息的識別。低壓臺區拓撲識別系統整體框架如圖1所示。

圖1 整體系統結構

拓撲信號識別基于脈沖電流技術，在工頻電壓過零點附近加入特征序列信號，利用這一調制的電壓或電流波形來攜帶信息，通過拓撲信號的調制、發送和接收識別來實現臺區拓撲識別。本文綜合使用過零電路電壓畸變序列識別法和電流畸變信號直接采集識別法兩種方法，并提出了一種饋線層次關系識別方法，來實現臺區拓撲的可靠識別。

1.1 過零電路電壓畸變序列識別原理

由低壓配電網線路結構可知，臺區內相同相位的線路構成回路，不同相位的線路不構成回路。由于同臺區的同相位線路是直連的，電壓信號除了具有一定的衰減外，波形是幾乎完全一樣的，故可以在臺區內的任何位置對相線電壓進行調制，使得其產生畸變。

當線路某處的電壓發生畸變時，同相位其他位置都能檢測到該畸變，即使畸變信號變小，也可以可靠識別，且當某一相電壓出現畸變時，因與其他相位無回路關系，所以不會影響其他相位線路。

本文的線路監測終端發送端處對相線電壓進行調制使其產生畸變，這一電壓畸變信號除了具有一定的衰減外，所攜帶的信息是不變的，而且因為與其他相沒有回路，也不存在跨相通信的問題。配電變壓器本身的大感抗特性，對此類畸變信號具有很好的抑制作用，決定了電壓畸變信號不易通過變壓器，所以，跨臺區通信的問題也無需考慮。

因此，在線路監測終端的發送端，拓撲信號發送模塊對過零點附近的電壓進行調制，使得電壓波形發生畸變。接收端只需要利用過零檢測電路即可實現可靠的識別，設計電壓硬件過零檢測模塊，通過提取整組電壓過零特征，然后識別過零點附近電壓畸變與相鄰電壓畸變之間的非調制周期個數，完成電壓畸變序列解調識別，從而實現對拓撲信號所帶信息的提取。

1.2 電流畸變信號直接采集識別原理

同過零電路電壓畸變序列識別法類似，線路監測終端發送端在過零點附近調制電流信號使其發生畸變。接收端直接采集原始的電流畸變信號，利用ADC轉換器對原始的電流工頻信號進行離散化處理，然后通過分析計算，識別出電壓過零點附近的電流畸變信號。

相鄰電流畸變之間的非調制周期個數也能反映電流畸變信號所攜帶的信息，通過識別過零點附近電流畸變與相鄰電流畸變之間的非調制工期個數，來判別發送的數據。

基于此，線路監測終端接收端完成電流畸變序列解調識別，從而實現對拓撲信號所帶信息的提取。

1.3 饋線層次關系識原理

臺區拓撲信息識別原理如圖2所示。圖中B1為臺區箱式變壓器，智能配變終端安裝在該位置附近，主要負責與表計的數據交互，實現對臺區的綜合監控和統一管理。D11等為臺變開關柜出線開關，F11等為分支箱，B1111等為用戶電能表。

圖2 拓撲識別原理圖

將線路監測終端安裝在低壓配電網低壓分支箱、電表箱等處線路上，當智能配變終端與D11通信時，要求其監測終端發生脈沖電流信號。安裝在K11n、B11nn 處的監測終端都能檢測到脈沖電流信號并告知智能配變終端，智能配變終端據此可判斷 D11 是 K11n 和 B11nn 的上層節點。

智能配變終端依次通知各節點的監測終端發送脈沖電流信號。當安裝在K111的線路監測終端發出脈沖電流信號后， B111n 處安裝的監測終端都能檢測到脈沖電流信號并告知智能配變終端，智能配變終端據此可判斷K111、B111n的上層節點。當安裝在B1111 的監測終端發出脈沖電流信號后，沒有低壓智能設備能夠接受到脈沖電流信號，智能配變終端據此可判斷B1111是末端設備。

通過以上方式，智能配變終端就識別了低壓線路的層次關系，形成智能配變終端-D11-K111-B111的拓撲層次結構。經過多條線路的層次識別，便能生成整個配電網的拓撲結構。

2 硬件設計

線路監測終端是實現系統拓撲識別的主要硬件設備。為實現拓撲識別的功能，文章設計了線路監測終端硬件設備，包含拓撲發送模塊，采用單相發送方式，通過插針與電源板連接，其控制信號由接口板提供。線路監測終端安裝于低壓配電網低壓分支箱、電表箱等處線路上，是用于實現各節點裝置與智能配變終端之間通信的二次設備。

根據前文所述的臺區拓撲識別原理，采用過零電路電壓畸變序列識別法判斷電壓畸變信號，采用電流畸變信號直接采集識別法來識別電流畸變信號，獲取特征電流信號編碼序列，同時明確畸變電流發生在哪一相上。通過線路監測終端通過發送和識別脈沖電流信號就可以判斷低壓配電網絡包括分支、電表等之間的拓撲關系。

線路監測終端采取模塊化思想，主要設計了拓撲信號發送模塊、電壓硬件過零檢測模塊、電流畸變信號處理采樣模塊，各模塊協同工作，共同實現臺區拓撲信息的識別。線路監測終端拓撲識別硬件原理如圖3所示。

圖3 硬件原理框圖

2.1 差分信號轉換設計

線路監測終端備有計量采樣功能和拓撲識別功能。這兩種功能是通過計量采樣電路和MCU采樣電路兩個功能模塊來實現的。外部電壓、電流的二次采樣信號轉為標準的正負差分信號后，一分為二：1路給MCU的采樣輸入，實現拓撲識別功能；1路給計量芯片的采樣輸入，實現計量數據監測功能。

由于現有MCU的AD輸入引腳絕大部分都是單端輸入，不支持差分輸入，所以需要把這一路的差分信號轉為單端信號再進AD轉換器。差分信號轉單端信號是通過雙電源運放實現的，且必須經過兩級運放實現，否則信號輸入端的電壓會發生變化，導致另一路的計量信號出錯。通常的處理方法是：第一級運放用來實現差分信號的反向放大，第二級實現信號的抬升后放大。由于第一級和第二級的高阻抗作用，使得第一級輸入信號不受影響。這種設計的局限性時電路較為繁瑣，會增加電路復雜度。

本文設計一種差分信號轉單端信號的方法，用單電源的單運放實現對差分信號的無缺損放大，同時不改變前端信號的幅值特性，不影響前端信號的使用。

如圖4所示，當外部電壓、電流的二次采樣信號轉為標準的正負差分信號、并且一分為二后，對進入MCU的差分信號進行處理。引入1個單運放的負、正端，負端做反向放大，正端加直流正偏電壓，同時對信號進行抬升、反向放大。處理后輸出的信號為正、且波形不變，可直接進入MCU的AD采樣引腳。

圖4 差分轉單端信號原理框圖

同時通過串連30 K級的電阻，阻值遠大于采樣電路電阻，根據電壓均分原理，在采樣電阻上的偏置電壓遠小于采樣電壓，影響可忽略不計。由于差分信號在輸出端做了抬升處理，進入運放的信號為正，所以運放不需要負電源支持，則電路相應減少了負電源的器件。通過降低電路復雜度，用單個運放來實現差分信號轉換成單端的雙采樣信號，即只用一個運放和單電源就能實現計量采樣和拓撲識別雙采樣的功能。

2.2 電壓硬件過零檢測模塊

電壓硬件過零檢測模塊的設計目的有兩方面：一是交采電壓信號過零檢測，用于輔助拓撲信號發送模塊發送拓撲信號；二是交采電壓畸變信號識別，用于識別電壓畸變序列編碼。

電壓硬件過零檢測模塊的基本功能是完成交采電壓信號的過零檢測，輔助其他兩模塊實現拓撲信號的發送和識別。電壓硬件過零檢測電路如圖5所示。

圖5 電壓過零檢測電路

另外，電壓硬件過零檢測模塊能夠識別交采電壓畸變信號，通過電壓信號過零特征的識別，實現電壓畸變序列編碼的識別。 前端電壓信號采樣電路如圖6所示。

圖6 電壓信號采樣電路

2.3 拓撲信號發送模塊

拓撲信號發送模塊用于發送拓撲識別信號，通過控制可控硅在電壓過零點附近導通，開啟畸變電流回路，從而產生畸變電流。畸變信號發生回路主要由可控硅、限流電感、保險絲組成。

拓撲信號發送模塊采用模塊化設計，模塊與電源板通過插針連接，由電源板提供兩組接口：

1)提供兩個IO口對拓撲發送模塊光耦進行互斥控制

2)提供火線和零線接口，用于將調制信號加入到電力線上。

2.4 電流畸變信號處理采樣模塊

電流畸變信號處理采樣模塊主要用于識別電流畸變信號，直接采集電流畸變信號，ADC轉換器對原始的電壓電流工頻信號進行離散化處理，通過識別過零點附近電壓電流畸變與相鄰電壓電流畸變之間的非調制工期個數，來判別發送的數據。從中處理后的接受信號中提取信息，從而實現電流編碼序列的識別。前端電流信號采樣電路如圖7所示。

圖7 電流信號采樣電路

3 拓撲識別策略

使用線路監測終端進行臺區拓撲信息的識別，需要建立通信鏈路后應用拓撲識別原理開展信號識別。

智能配變終端與各線路監測終端建立通信鏈路，記錄通信地址等基礎檔案。

3.1 特征信號生成

3.2 信號識別策略

1)若m=0，即集合S(k)內其他線路監測終端都沒有檢測到拓撲識別信號，則認為該節點屬于末端設備，保存識別結果。

集合S(k)內所有線路監測終端依次進行上述操作，直至所有節點完成識別。

智能配變終端綜合以上識別結果，分析得出配變出線開關-分支箱-表箱-用戶表的層級線路關系，更新拓撲檔案，完成臺區拓撲識別。

4 測試結果與分析

4.1 測試條件

為了滿足現場應用的需要，對本文技術方法的測試驗證應符合低壓臺區線路和設備安裝的實際情況。

根據前述章節分析的系統結構和饋線層次關系，為驗證臺區拓撲識別技術的可行性，選擇合適的低壓臺區，開展實際情況下的現場測試。現場測試環境如圖8所示。

圖8 測試環境

其中，分支終端也使用多表位終端樣機，只是未接電表，當做一個分支終端使用。

集中器到表箱終端的具體接線方式如圖9所示。

圖9 接線方式

4.2 測試方法

4.2.1 測試流程指令

在表箱終端B1側發送拓撲識別指令，用于開啟整個拓撲識別流程，具體指令如下：

指令1：toprxd 2—開啟拓撲識別指令，識別2個字節的編碼，支持2～6個字節；

指令2：toptxd 01 02—拓撲觸發指令，2個字節，編碼為0102，支持6個字節，每個字節之間空格隔開。

需要注意的是，表箱終端B1發出的toprxd 0102拓撲觸發命令，其自身可以收到，分支終端也能收到；分支終端發出的toprxd 0102拓撲觸發命令，表箱終端是不能收到的，只有上級終端能收到。在測試中成功收到編碼后會生成以下日志：

[2020-01-05 14:16:57.0555 TopDevice]: Phase: 3,RightNum:7,07,01,08,00,00,00,00,max:23.0,min:20.7[2020-01-05 14:16:57.0838 SysManage]: 1578233817 從3相接收到拓撲識別編碼: 0107

一般情況下開角越大，觸發電流就會越大，但是觸發電流達到能識別的電流后，再增大并不會幫助提高成功率，如開角到700 μs時成功率和600 μs是差不多的。為安全考慮，開角一般不允許超過800 μs。開角相關指令如下：

指令1：查看開角命令 show angle；

指令2：設置開角命令set angle 650。

另外，系統也支持報文的設置和抄讀，具體如下：

讀取拓撲開角參數: 68 AA AA AA AA AA AA 68 00 02 63 33 64 16；

設置拓撲開角參數: 68 AA AA AA AA AA AA 68 00 06 33 63 D0 D1 D2 D3 CS 16。

4.2.2 識別成功率測試

為驗證該拓撲識別方案的正確性，進行拓撲成功率測試。測試過程中使用testtop命令進行拓撲識別測試，該命令能夠通過設置起始地址、執行次數、間隔時間等實現拓撲觸發的重復執行，避免了手動輸入不方便的問題。其中起始地址和執行次數需要人為設置，間隔時間在不設置的情況下默認為9 s，即每一個拓撲識別命令間隔9 s發送。需要注意的是，若間隔時間小于5 s，拓撲觸發會被攔截，所以為保證拓撲識別測試實驗的嚴謹性，硬件要求拓撲觸發間隔至少5 s。

具體測試命令舉例如下：

testtop 0101 100 10

表示測試編碼從0101開始，測試100次，間隔為10 s。

4.3 測試結果分析

使用不同變比的電流互感器進行對比測試，在開角為600 μs，觸發電流24～29 A的條件下經過100次重復驗證，測試成功率結果如表1所示。

表1 實驗結果

測試結果基本與現場實際拓撲關系基本相符，識別準確率較高，表明本文基于信號識別的拓撲監測技術能夠進行準確、有效地拓撲識別。即使在不同的電流互感器變比情況下，也能夠滿足現場實際工程應用的需要。

5 結束語

本文針對低壓臺區拓撲檔案混亂、無法準確監管的問題，研究了特征信序列號識別方法和策略，提出了一種基于信號識別的臺區拓撲監測系統和技術，能夠有效解決臺區拓撲檔案帶來的管理失能。通過現場測試驗證，證明了該方法的有效性和實用性，能夠準確、快速地識別臺區實際線路拓撲關系，實現運行中的拓撲監測，為臺區精細化管理提供必要的技術支撐。