CN111509859B - 基于负荷时空特征的低压配网***及物理拓扑识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于负荷时空特征的低压配网***及物理拓扑识别方法，利用各节点负荷功率的时空特征，及其受电路原理约束的关联关系，无需向电网注入大功率或高频信号，也无需投入大量的人力物力，即可实现低压配网物理拓扑识别。

Description

基于负荷时空特征的低压配网***及物理拓扑识别方法

技术领域

本发明涉及低压配电网运行管理技术领域，特别是涉及一种基于负荷时空特征的低压配网***及物理拓扑识别方法。

背景技术

目前，随着城镇建设的不断加速，低压配电网的规模日趋庞大，结构更加复杂，居民和工业的用电需求也呈现大幅度的增长，低压配电台区的线损和供能质量问题也逐渐暴露出来。

在智能电网建设的大背景下，通过物联网在智能电网中的应用，利用其在信息的获取与处理能力促进信息间的互动与融合，进而提升供电可靠性和配网运行管理水平，已经成为智能电网建设的趋势。低压配电用电环节是智能电网极为重要的一个环节，也是目前管理比较薄弱的环节，具体表现在：1、因低压配电网络大多埋在管道中，现场进行户变关系核查困难；而传统的台区识别技术需要安排人员到现场进行数据采集，同样需要持续的投入人力到现场进行户变关系的采集；2、台区串户现象比较常见，传统靠人工方式进行数据质量提升投入大，但收效不理想。

目前，电力营销部门大都采用人工现场逐户排查与用电信息采集***相配合的方式来核查与纠正台区的户-变隶属关系。这种方法一是逐户排查的效率低，需要耗费大量的人力、物力，二是依赖于核查人员及手段，准确性难以保证。

现有的低压拓扑识别技术，包括：

1)断电鉴别法。通过依次切断配电组合开关，来监察停止供电的设备、线缆、区域和相关配置，进而确定线缆的连接关系，固定配送的信息。但该方案是以断电为前提手段的，所以供电可靠性会受损，也会给用户实际生活带来不便，有扰民之嫌。同时因为需要断电，也会给正在使用的电器设备或者产品造成损害，从而造成用户投诉率增加。按照流程规定，供电部门停电须下发相应的停电通知，且需消耗大量人力。另外停电也或许会造成难预测的或然性断电，所以必须制定科学的断电方案，准备意外预案。

2)单相大功率负荷测变法。该方法需要采用单相大功率负荷设备，诸如电焊机、风机等。同时需要安装电流变化监测挂接设备和电流钳表。该方法首先要把大功率单相负荷设备接入线路末端，通过对该设备进行启动、暂停的操作，观察电流钳表所显示的电流的变化，从而确定线接关系。但此方法的缺点为单相大功率负荷设备的暂停、启动操作不能一次结束，需要至少反复操作两三次，由此产生的电流巨大落差变，可能使用户的电器设备损害，引发用电安全事故。

3)电缆识别仪检测法。此方法通过检测特定的信号来确定线路线接关系。目前主要有两种实现方式，一种是将特殊信号加入到需要鉴别的低压线缆的一端线芯，将配套的信号接收仪安装在需要识别的目标线缆的另一端，检测其能否接收到特殊信号，从而实现识别；另外一种是基于电磁感应原理的，在需要识别的目标线缆外部安装信号发射器，因为电磁感应，电缆金属铠装层上则可感应出一个特殊信号，在目标线缆的另一端安装配套的信号接收仪，检测其能否接受到此特殊信号，则可实现识别，然而该方法中仪器设备价格过高，一次性投入非常大，不易规模化使用。

目前低压配网运行管理中存在的问题：低压配网基础资料不全，造成资料和实际线路拓扑不匹配；用户私自搭接用电线路，尤其是在低压配网台区交界处，容易造成交叉现象，加重了低压配网线路混乱程度；台区切割或负荷异动等没有及时更新记录资料。现有的低压拓扑识别技术需要依靠复杂的大功率设备、昂贵的仪器以及大量的人力来完成，会对电网的正常运行产生一定的影响，并且经济成本较高。

因此，需要提供一种基于负荷时空特征的低压配网***及物理拓扑识别方法以解决上述技术问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于负荷时空特征的低压配网***及物理拓扑识别方法，利用各节点负荷功率的时空特征，及其受电路原理约束的关联关系，无需向电网注入大功率或高频信号，也无需投入大量的人力物力，即可实现低压配网物理拓扑识别。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，

包括步骤：

1)台区智能终端通过电力载波发出拓扑识别指令；

2)同台区内各节点拓扑识别装置计算并记录电压过零点时间，并上传至对应的台区智能终端；

3)台区智能终端记录并分析各节点的过零点时间阵列[t1，t2，t3…]，过零点时间相同的节点判定为同相节点，基于三相供电将各台区内各节点分为三组；

4)台区智能终端向各组节点发送功率信息采集指令，各节点拓扑识别装置计算并上传功率数据信息至台区智能终端，功率数据信息包含有功和无功功率数值信息以及对应时间信息；

5)台区智能终端根据负荷时空特征分别对各组节点进行物理连接关系判别；

6)台区智能终端确定所有分组的物理拓扑，完成台区拓扑识别，生成低压台区拓扑描述文件并上传到配电主站***；

各台区节点处安装有台区智能终端，各台区节点、各级分支箱节点和/或用户表箱节点处分别安装有节点拓扑识别装置，台区智能终端和节点拓扑识别装置具有唯一的辨识码，并与各自安装处节点位置信息绑定。

作为优选：

所述步骤5)包括步骤：

51)台区智能终端对各节点的有功功率和无功功率数据进行关联度计算，表示为(Ra，Rr)，R用来描述两个固定变量X、Y之间的联系的紧密程度，介于-1和1之间，N是样本数，R绝对值越大，相关性越强，R计算公式如式(4)所示：

当节点之间有功和无功关联度均大于各自的预设阈值，即可判定两节点之间直接物理相连；

52)台区智能终端默认依次对若干个节点有功功率和无功功率进行线性叠加，并将叠加结果分别与剩余节点进行关联度分析，分析方法与步骤51)中关联度分析方法相同，当叠加结果与某个节点x的关联度(Ra，Rr)分别大于各自预设阈值，则可判定这些节点之间直接相连，并且功率由节点x流入该若干个节点，以此类推，遍历所有节点。

作为优选：

默认直接物理相连的两节点之间有功功率关联度大于0.9，无功功率大于0.95，并且两节点间，功率流向为从有功功率大的节点流向有功功率小的节点。

作为优选：

所述步骤3)包括：台区智能终端记录并分析各节点的过零点时间阵列[t1，t2，t3…]，若节点时间阵列之间时间偏差均在预设范围内，即可认为节点的过零点时间相同，则认为这些节点为同相节点，基于采用三相供电，将台区内节点分为三组。

作为优选：

步骤4)包括：台区智能终端向各组节点发送功率信息采集指令，各节点拓扑识别装置以一定频率计算并上传功率数据信息至台区智能终端，功率数据信息包含有功和无功功率数值信息以及对应时间信息，其中采集时间设置为一天。

作为优选：

所述步骤2)包括：台区智能终端通过电力载波发出识别指令，台区内各节点处拓扑装置开始计算并记录电压过零点时间，各节点拓扑识别装置记录多个周波过零点时间，并上传到台区智能终端。

作为优选：

同一台区内各装置通过电力载波线路进行组网，各台区之间通过但不局限于光纤/4G/等方式进行组网。

作为优选：

所述节点位置信息包括节点安装位置的经纬度信息、各台区、分支箱、用户信息。

本发明采用的另一个技术方案是提供一种基于负荷时空特征的低压配网***，包括：

配电主站***；

台区智能终端，接于配电主站***低压台区变压器出线处，能够与配电主站***以及节点拓扑识别装置相互通信；能够自动识别低压台区拓扑关系，并生成拓扑关系文件上传到配电主站***；

节点拓扑识别装置，位于台区内各分支节点和或用户电表处，能够与台区智能终端相互通信，接收并执行台区智能终端发出的指令；能够以一定频率采集安装处的节点电压，并计算电压过零点时间；能够以一定频率采集节点处的功率信息。

本发明的有益效果是：

1)利用不同节点负荷功率时空特征进行节点间物理连接关系的自动判定；

2)能够自动检测出用户私自搭接用电线路的位置，检测效率高，成本低；

3)无需搭接大功率检测设备到电网中，保证电网的稳定有序运行；

4)无需再向电网注入大功率或高频信号，也无需投入大量的人力物力，即可实现低压配电网物理拓扑识别。

附图说明

图1是本发明的一种基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法的第一优选实施例的流程示意图；

图2是图1所示的方法的原理框图；

图3是本发明的基于负荷时空特征的低压配网***的结构原理图。

说明书附图中的数字标识对应的部件名称分别如下：

MO-台区一；M1-低压台区变压器；M2-台区智能终端；M3-节点拓扑识别装置；一级分支箱-S1；二级分支箱-S2；用户表箱-S3。

具体实施方式

下面结合图示对本发明的技术方案进行详述。

在理解本发明的技术方案的之前，需要了解一下本发明的原理基础，请参看图2所示：

首先、基于电力载波台区的划分

在台区特定频率的载波信号不能穿过变压器绕组耦合一次侧，台区之间载波信号相互隔离，能够相互通信的节点必然属于同一台变的特点，以此可以确定各节点所在台区；

其次、基于过零点时间的相线节点划分

根据三相电路三相电压互差120°的特点，以A相电压过零点为基准，在时间上与B相、C相依次相差约为6.7ms和13.3ms。以此为判别依据，进一步可以确定各台区内各节点所属相位关系，这就为同台区内各节点的分组提供了依据；

再者、基于负荷时空特征的节点连接关系识别

根据基尔霍夫电流定律，流入节点之和等于流出节点电流相量之和，节点电压保持不变。因此，即流入节点的有功功率之和等与流出节点有功功率之和，流入节点的无功功率之和就等于流出节点的无功功率之和，对于一个台区而言，功率将从台区节点流入逐级沿着物理线路流向下级分支节点，直到用户负荷侧。如流入节点功率为(P0,Q0)，流出节点分别为(P1,Q1)、(P2,Q2)和(P3,Q3)，此时有P0＝P1+P2+P3；Q0＝Q1+Q2+Q3。

根据用户空间分布不同以及用电时间的差异，使得负荷具有显著的时空特征，每一个节点具备两重特性，空间和时间特性，空间属性代表着节点在物理拓扑结构中的实际位置，时间属性代表着节点本身性质随时间的变化。显然任何负荷的时空特性是唯一的。因此，任意时刻流入节点的功率和流出节点功率都在动态变化，可以表示为：

P0(t)＝P1(t)+P2(t)+P3(t)；Q0(t)＝Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)。

一个台区一般具备多级节点。如图3所示台区包含有四层，分别为台区节点、一级分支箱节点、二级分支箱节点和用户表箱节点。台区处节点设置在出线端如图3中节点

线端节点(如图3节点⑧、

)以及多个出线端节点(如图3节点⑤⑥⑦⑨⑩

等)。

综上，对于图3中各节点，存在以下负荷时空关系：

(P4(t),Q4(t))＝(P1(t)+P2(t)+P3(t),Q1(t)+Q2(t)+Q3(t))＝(P5(t)-ΔP4-5(t),Q5(t)) (1)

(P8(t),Q8(t))＝(P5(t)+P6(t)+P7(t),Q5(t)+Q6(t)+Q7(t))＝(P10(t)-ΔP8-10(t),Q10(t)) (2)

(P12(t),Q12(t))＝(P9(t)+P10(t)+P11(t),Q9(t)+Q10(t)+Q11(t))＝(P14(t)-ΔP12-14(t),Q14(t)) (3)

其中(ΔP(t)，ΔQ(t))为相邻两节点间的线路功率损耗，由于低压电力线路的电阻值远大于电抗值，其中主要为有功损耗，无功功率损耗可以忽略不计，故在上式中不再加以体现。对于同一层级的线路损耗，由于线路非常短，可以忽略。

因此，在不知道各节点物理拓扑的情况下，如果节点之间满足上述时空关系，我们仍可以确定它们之间的连接关系，即节点①、②、③与节点④相连。

请参见图1所示，本实施例的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，

包括步骤：

1)台区智能终端通过电力载波发出拓扑识别指令；

2)同台区内各节点拓扑识别装置接收该拓扑识别指令，然后根据该拓扑识别指令计算并记录电压过零点时间，并上传至对应的台区智能终端；

为了得到准确结果，可以设定各节点拓扑识别装置记录多个周波过零点时间，并上传到台区智能终端；

3)台区过零点时间相同的节点判定为同相节点，基于三相供电将各台区内各节点分为三组，台区智能终端记录并分析各节点的过零点时间阵列[t1，t2，t3…]；

进一步优选：若节点时间阵列之间时间偏差均在预设范围内，即可认为节点的过零点时间相同，则认为这些节点为同相节点，基于采用三相供电，将台区内节点分为三组；

4)台区智能终端向各组节点发送功率信息采集指令，各节点拓扑识别装置计算并上传功率数据信息至台区智能终端，功率数据信息包含有功和无功功率数值信息以及对应时间信息；

采集时间设置以能够准确反映出来用户负荷功率的差异为准，时间越长，负荷的时空差异性就越明显，但是数据量也越大，对台区智能终端硬件要求也就越高，综合考虑识别准确度和装置硬件需求，优选设置为一天。

5)台区智能终端根据负荷时空特征分别对各组节点进行物理连接关系判别；

对于负荷时空特征解释为：由于用户负荷在空间分布的不同，以及各用户用电时间的差异，每一个用户节点负荷表现出两种特性，即空间特性和时间特性。空间特性代表着节点在物理拓扑结构中的实际位置，时间特性代表着用户节点负荷在时间尺度上的特征。我们把用户节点负荷在空间和时间的特性，称为负荷时空特征；

上述的对各组节点进行物理连接关系判别，具体优选为：

所述步骤5)包括步骤：

51)台区智能终端对各节点的有功功率和无功功率数据进行关联度计算，表示为(Ra，Rr)，R用来描述两个固定变量X、Y之间的联系的紧密程度，介于-1和1之间，N是样本数，R绝对值越大，相关性越强，R计算公式如式(4)所示：

当节点之间有功和无功关联度均大于各自的预设阈值，即可判定两节点之间直接物理相连；

52)台区智能终端默认依次对若干个节点有功功率和无功功率进行线性叠加，并将叠加结果分别与剩余节点进行关联度分析，分析方法与步骤51)中关联度分析方法相同，当叠加结果与某个节点x的关联度(Ra，Rr)分别大于各自预设阈值，则可判定这些节点之间直接相连，并且功率由节点x流入该若干个节点，以此类推，遍历所有节点；

进一步优选：默认直接物理相连的两节点之间有功功率关联度大于0.9，无功功率大于0.95，并且两节点间，功率流向为从有功功率大的节点流向有功功率小的节点；

6)台区智能终端确定所有分组的物理拓扑，完成台区拓扑识别，生成低压台区拓扑描述文件并上传到配电主站***；

各台区节点处安装有所述台区智能终端，各台区节点、各级分支箱节点和/或用户表箱节点处分别安装有所述节点拓扑识别装置，台区智能终端和节点拓扑识别装置具有唯一的辨识码，并与各自安装处节点位置信息绑定；

优选：所述节点位置信息包括节点安装位置的经纬度信息、各台区、分支箱、用户信息，当然，在本发明的实施实例中，所述的节点位置信息包括但不限于经纬度信息、各台区、分支箱、用户信息。

本发明的实施例中，同一台区内各装置通过电力载波线路进行组网，各台区之间通过但不局限于光纤/4G/等方式进行组网。

本发明还提供一种用于上述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法的基于负荷时空特征的低压配网***，包括：配电主站***(未图示)；台区智能终端M2，接于配电主站***低压台区变压器M1出线处，能够与配电主站***以及节点拓扑识别装置M3相互通信；能够自动识别低压台区拓扑关系，并生成拓扑关系文件上传到配电主站***；

节点拓扑识别装置M3，位于台区内各分支节点和或用户电表处，能够与台区智能终端M2相互通信，接收并执行台区智能终端M2发出的指令；能够以一定频率采集安装处的节点电压，并计算电压过零点时间；能够以一定频率采集节点处的功率信息。

以图3所示为例，本发明的基于负荷时空特征的低压配网的一个实施例的工作原理如下：

台区一MO的台区智能终端M2通过电力载波发出拓扑识别指令，台区内各节点拓扑识别装置M3开始计算并记录电压过零点时间，节点

的电压过零点时间相同，则可判定节点

为同相节点。同相节点判定完成后，台区智能终端M2将再次向各组节点发送功率信息采集指令，各节点拓扑识别装置M3以一定频率计算并上传功率数据信息至台区智能终端M2。

台区智能终端M2对各节点之间的关联度进行判别，如图3所示，节点④和节点⑤、节点⑧和节点⑩、节点

和节点

之间的有功功率和无功功率关联度均满足设定值(有功功率关联度大于0.9，且无功功率大于0.95)，并且节点⑤、节点⑩、和节点

的有功功率分别大于节点④、节点⑧和节点

则可判定节点④和节点⑤、节点⑧和节点⑩、节点

和节点

之间物理相连及其连接顺序。然后，台区智能终端M2依次对若干个节点有功功率和无功功率进行线性叠加，并将叠加结果分别与剩余节点进行关联度分析，其中节点①、②、③的线性叠加结果与节点④的有功功率和无功功率关联度均满足设定值(有功功率关联度大于0.9且无功功率大于0.95)，则可判定节点①、②、③与节点④物理相连及其连接顺需。依次类推，可以判断出来节点⑤、⑥、⑦与节点⑧相连；节点⑨、⑩、

与节点

相连。由此我们可以得出节点

物理拓扑。

以此类推确定所有分组的物理拓扑，完成台区拓扑识别，生成低压台区拓扑描述文件。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于，包括步骤：

1)台区智能终端通过电力载波发出拓扑识别指令；

2)同台区内各节点拓扑识别装置计算并记录电压过零点时间，并上传至对应的台区智能终端；

3)台区智能终端记录并分析各节点的过零点时间阵列[t1，t2，t3…]，过零点时间相同的节点判定为同相节点，基于三相供电将各台区内各节点分为三组；

4)台区智能终端向各组节点发送功率信息采集指令，各节点拓扑识别装置计算并上传功率数据信息至台区智能终端，功率数据信息包含有功和无功功率数值信息以及对应时间信息；

5)台区智能终端根据负荷时空特征分别对各组节点进行物理连接关系判别；

6))台区智能终端确定所有分组的物理拓扑，完成台区拓扑识别，生成低压台区拓扑描述文件并上传到配电主站***；

各台区节点处安装有台区智能终端，各台区节点、各级分支箱节点和/或用户表箱节点处分别安装有节点拓扑识别装置，台区智能终端和节点拓扑识别装置具有唯一的辨识码，并与各自安装处节点位置信息绑定； 所述步骤5)包括步骤：

51)台区智能终端对各节点的有功功率和无功功率数据进行关联度计算，表示为(Ra，Rr)，R用来描述两个固定变量X、Y之间的联系的紧密程度，介于-1和1之间，N是样本数，R绝对值越大，相关性越强，R计算公式如式(4)所示：

当节点之间有功和无功关联度均大于各自的预设阈值，即可判定两节点之间直接物理相连；

52)台区智能终端默认依次对若干个节点有功功率和无功功率进行线性叠加，并将叠加结果分别与剩余节点进行关联度分析，分析方法与步骤51)中关联度分析方法相同，当叠加结果与某个节点x的关联度(Ra，Rr)分别大于各自预设阈值，则可判定这些节点之间直接相连，并且功率由节点x流入该若干个节点，以此类推，遍历所有节点。

2.根据权利要求1所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于：

默认直接物理相连的两节点之间有功功率关联度大于0.9，无功功率大于0.95，并且两节点间，功率流向为从有功功率大的节点流向有功功率小的节点。

3.根据权利要求1所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于：

所述步骤3)包括：台区智能终端记录并分析各节点的过零点时间阵列[t1，t2，t3…]，若节点时间阵列之间时间偏差均在预设范围内，即可认为节点的过零点时间相同，则认为这些节点为同相节点，基于采用三相供电，将台区内节点分为三组。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于：

步骤4)包括：台区智能终端向各组节点发送功率信息采集指令，各节点拓扑识别装置以一定频率计算并上传功率数据信息至台区智能终端，功率数据信息包含有功和无功功率数值信息以及对应时间信息，其中采集时间设置为一天。

5.根据权利要求4所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于：

所述步骤2)包括：台区智能终端通过电力载波发出识别指令，台区内各节点处拓扑装置开始计算并记录电压过零点时间，各节点拓扑识别装置记录多个周波过零点时间，并上传到台区智能终端。

6.根据权利要求1所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于：

同一台区内各装置通过电力载波线路进行组网，各台区之间通过但不局限于光纤/4G/等方式进行组网。

7.根据权利要求1所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法，其特征在于：

所述节点位置信息包括节点安装位置的经纬度信息、各台区、分支箱、用户信息。

8.一种用于实现权利要求1所述的基于负荷时空特征的低压配网物理拓扑识别方法的基于负荷时空特征的低压配网***，其特征在于：

包括：

配电主站***；

台区智能终端，接于配电主站***低压台区变压器出线处，能够与配电主站***以及节点拓扑识别装置相互通信；能够自动识别低压台区拓扑关系，并生成拓扑关系文件上传到配电主站***；

节点拓扑识别装置，位于台区内各分支节点和或用户电表处，能够与台区智能终端相互通信，接收并执行台区智能终端发出的指令；能够以一定频率采集安装处的节点电压，并计算电压过零点时间；能够以一定频率采集节点处的功率信息。

Images