配电物联网台区拓扑自动识别：技术解析与实践应用

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工作背景 

在国家“3060战略”建设以新能源为主体的新型电力系统的新时代背景下，浙江省响应国家能源局整县屋顶分布式光伏建设试点工作，选取30个县（市、区）进行试点示范。在支撑整县屋顶分布式光伏试点建设工作中，低压配电网已然成为实践国网公司“建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业”和浙江公司“建设能源互联网形态下多元融合高弹性电网”战略的主战场。依据国网公司总部下发的《国网设备部关于印发2021年台区智能融合建设应用提升工作方案的通知》（设备配电﹝2021﹞37号）相关工作指导思想，通过建设配电物联网台区，利用核心技术装备——台区智能融合终端实现对接入设备和分布式电源（光伏）的全景监控，从而支撑公司对分布式电源大规模消纳与精益化运行运维及运营管理的业务应用需求。

近期，国网公司召开整县光伏建设推进工作会指出，对于已接入分布式光伏的台区，要求完成台区智能融合终端全覆盖。到2021年底，全省将完成全省9万个台区的智能终端部署工作。为有力支撑整县屋顶光伏建设工作，浙江公司计划于2022年在全省11个地市公司开展配电物联网台区向下延伸组网及应用规模化示范建设工作（每个地市公司选取1个供电所实现全覆盖建设）。为了更好地支撑整县屋顶低压分布式光伏接入后的台区精益运行运维运营管理，需要实现基于台区智能融合终端的全景状态感知配电物联网台区；其中，拓扑自动辨识技术则是实现配电物联网台区全景状态感知的最核心基础应用，其重要性不言而喻。

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拓扑自动辨识技术概述

配电网电压等级分为高压配电电压(110kV、63kV、35kV)，中压配电电压(10kV)和低压配电电压(0.4kV)，低压配电台区指10kV/0.4kV 配电变压器的供电范围或区域。因此，配电台区拓扑主要聚焦于0.4kV 电压等级的拓扑关系识别，即“变-户”关系的识别（这里的“户”可以专指低压用户）。由于技术和管理水平落后，低压配电网在建设和维护方面较之于输电网络存在较大差距。配电台区内涉及资产较多且连接关系复杂，变压器、表箱、电能表等资产信息及相互间拓扑连接关系都需要准确录入信息化系统，以往常常采用人工手动录入，消耗时间多且难以保证工作质量；且随着时间的推移，农网改造、表箱更换等施工项目的实施，使得台区内设备及拓扑图变更频繁。

低压拓扑错误

主要表现

● “户-变”对应关系错误，即档案划分错误，将不是本台区(一般为邻近台区)的电表号加载到本台区集中器中，影响台区线损计算的准确性；

● “户-线”即用户与分支线关系缺失，缺少用户与配变之间线路连接信息，当台区出现故障，无法快速准确判断故障区间和停电区间。

导致低压台区拓扑错误的原因

1

由于低压台区建设期间用户电表档案错误，造成低压配电拓扑错误；

2

对台区重视不足，建设过程中只记录部分台区信息，造成低压台区拓扑信息缺失；

3

低压台区出现故障时，在巡检抢修中调整接线时没有记录或记录错误造成低压台区拓扑错误。

近年来，围绕台区拓扑识别的技术研究工作，涌现了许多技术方法，具体如表1所示。

表1 拓扑识别“户-变”识别方法比对分析

 

序号	方法	识别成功率	技术缺陷	适用场景
1	停电识别分析	较高	影响供电可靠性、识别周期长	可停电的台区
2	工频过零序列相关性分析	较高	识别周期长、受时钟误差影响	谐波分量少、负荷差异大、接电合规性好台区
3	停电记录相关性分析	较高	数据通信量大、时标需同步	有停电事件的台区
4	整点电压曲线相关性分析	较高	数据通信量大、时标需同步、 识别周期长	台区内时钟同步性较好的台区
5	工频畸变设备介入增强台区特征分析	高	影响供电质量、长期在线不安全、长台区效果差、设备无法小型化	在线识别困难的 台区
6	工频电压畸变分析	高	影响供电可靠、设备无法小型化	供电半径短的台区
7	工频电流畸变分析	高	影响供电可靠性、难以识别负荷较大台区、设备无法小型化	供电半径短、负荷较轻的台区

 

上述方法虽然能较好的实现户变识别，但是方法2-4基于载波通信原理，受时钟同步性、采样误差、台区串扰等因素影响，识别准确率相对较低，且适用场景受载波通讯设备的限制，方法5-7需要造成瞬间短路在电压、电流上产生巨大脉冲，才能实现识别，会引起电网电压、电流的巨大波动，可能会危害用户设备和配网的稳定运行，并且难以实现相关设备的小型化，推广成本高。

另外，大数据方法也是研究比较多的一类技术方案，这类方案主要是基于电表的电气量数据（电压、电流、电量、瞬时功率等）进行分析求解，基于一系列启发式优化算法、随机模拟算法、最小二乘、回归优化等算法，得到户变关系。这类方法无需增加投资成本，但是，受限于电气量采集的同步性、精度、小表和零表、线路窃电、线损、采集和通信等因素的影响，在实际应用中准确率无法保证，难以实现大范围推广。

伴随着整县屋顶光伏建设、电动汽车以及分布式储能、微电网的普及推广，低压配电网络已逐步由无源发展成为有源的网络结构，继而对于低压配电台区的拓扑信息提出了更高的要求：一方面，“户”发展成为广义的“用户”，包括分布式光伏、充电桩、分布式储能等其他新增类型的末端节点；另一方面，低压网络拓扑的关键分支节点，包括分支箱、表箱等，也成为了拓扑识别的对象。而在配电物联网建设中，台区拓扑自动辨识是最核心的基础应用，有了它就好比为配网运维检修人员提供了“地图导航”，可呈现直观、实时的台区结构及运行、故障情况，促进抢修效率提升，有效缩短停电时间。因此，在满足浙江公司实际业务需求的基础上，如何设计出可靠性好、准确率高、抗扰能力强的拓扑识别技术方案，将是推动配电物联网建设与能源互联网应用的关键所在。

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拓扑识别技术测试

1、技术平台研发

为了能够更加全面、高效地对拓扑识别技术进行测试和验证，国网浙江电科院自主研发了国内首套配电物联网台区“边-端”交互功能测试平台，如图1中所示。

该平台根据测试需求，可接入充电桩、储能、光伏、低压监测单元等各类新型智能设备和感知装置，验证接入装置与智能融合终端之间的“边-端”交互能力。通过半真型方式模拟实际台区的物理特征，平台可一键生成多台区、多分支、多层级的复杂拓扑结构，能够灵活构造浙江配电网典型台区场景，并据此开展电能质量治理、智能自治等应用的功能测试。与传统的实验室原理性测试或现场运行测试相比，该平台既高度还原了真实低压台区运行环境，又具备实验室检测平台的灵活性和可定制化，能更好地量化评估被测设备的功能和性能，可满足配电物联网新技术、新业务的测试与研究需求。

2、测试工作开展情况

现阶段，最为主流的拓扑识别技术类别为微电流注入法，较之于其他类别的方案（如大数据分析法或信号相关性法）在拓扑识别的有效性与可靠性方面具有显著优势。针对微电流注入法，其实现方案上也存在一定的差异性，主要包括“有功电流注入+时域信号检测”、“有功电流注入+频域信号检测”、“无功电流注入+时域信号检测”、“无功电流注入+频域信号检测”4种实现方式。目前，在浙江省内尚未有统一的技术路线，使得拓扑识别技术及其配套低压延伸感知终端（如LTU低压监测单元）硬件存在显著差异化，直接导致边-端设备交互应用存在强耦合（即同一台区下，所有TTU与LTU必须使用同一家设备，如图2中所示），不利于全省的推广建设与应用。

针对这一情况，为选取满足浙江公司配电物联网台区建设应用需求的最优拓扑识别技术方案、实现拓扑识别配套终端设备（低压监测单元）的功能规范统一与互联互通兼容应用，2021年9月1日至15日期间，电科院对省内四个主要技术供应商的拓扑识别方案进行了专项测试，各供应商相关专业技术人员参与并确认最终检测结果。参与测评的技术方案如表2所示。

表2 参与专项测试的拓扑识别技术方案比对分析

 

序号	技术方案	技术优点	技术缺点
厂商A	有功电流注入+ 频域信号检测	配套设备体积小，便于对存量设备进行改造，识别准确度较高。	算法实现较为复杂，对电网带来一定程度的谐波污染。
厂商B
厂商C	有功电流注入+ 时域信号检测	响应速度快（特征信号自带通讯地址），识别准确度较高。	注入电流较大，需3-5A，易发热；对采样率要求高，需100kHz;对电网有一定冲击电流影响。
厂商D	无功电流注入+ 时域信号检测	可靠性较高，对硬件无特殊要求，信号检测简单，对电网无污染，对线损统计无影响，无发热。	占用空间稍大，导致设备体积略偏大，台区无功功率波动频繁时会导致无法识别。

 

基于配电物联网“边-端”交互功能试验平台，省电科院从“设备即插即用、拓扑识别准确性、相位识别准确性、拓扑识别时间、识别抗扰能力“5个维度，对参评的台区拓扑识别技术进行全方位测评。测试过程中，为被测试的拓扑识别技术方案设置了“4种拓扑结构、15个测试项目和15种测试运行工况”，通过多节点、多层级、多元素接入下的多种运行工况，对拓扑识别技术方案进行全方位评估测试，以更加高效、快捷、有效的方式掌握拓扑识别技术的优势和不足。

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测试结果分析与建议

通过大量的测试和比对工作，对4个参评的方案进行了全方位的比对，得到了以下几个方面的结论：

（1）分布式光伏接入、SVG无功补偿、充电桩接入以及谐波电流注入与电源相位突变等工况，会影响拓扑识别算法的准确性；

（2）随着拓扑节点、拓扑层级规模的增加，拓扑世界所需时间同步增加；但考虑到实际台区拓扑结构的变化周期，现有拓扑识别算法的响应速度能够满足业务应用需求；

（3）基于HPLC构建本地通讯网络时，相邻台区存在着串台区干扰（即出现交叉组网的情况），会对拓扑识别算法产生影响；

（4）“有功电流注入+频域检测”技术路线在整个拓扑识别测试中所呈现出的表现最优，识别准确率和适应性最好。

基于上述评价结果，省电科院从实现“配电物联网边-端设备互联互通应用”的目标出发，对应用于浙江公司的拓扑辨识技术（特征电流物理特征）、拓扑识别交互数据项及相关功能进行了优化和统一标准化，见表3。

表3 浙江公司基于特征电流注入的拓扑识别物理特征

拓扑识别	技术标准
调制频率	833.3Hz
占空比 可设	默认1/3, ≤50%
单脉冲周期时间	1.2ms
位宽时间	600ms
特征电流发送时长	9.6s
特征码 主站设置可设	0xAAE9
发送间隔时间	默认3分钟，≥180s
幅值(峰值)		0.8Un(额定)	1.0Un	1.2Un
	恒阻	≥0.42A	0.50A~0.65A	≤0.75A
	恒流	≥0.35A	0.38A~0.45A	≤0.50A
发送相位	A相
拓扑识别结果存储	≥300条

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总结          

台区拓扑识别技术作为基于台区智能融合终端的配电物联网建设的最核心基础应用，也是后续开展更多云-边-端协同下的配电网精益化运维管理和能源互联网业务应用基础。通过此次专项测评工作，为后续更多全省各地市计划部署的配电物联网新技术、新装备应用奠定了基础，有利的推动了我省配电网数字化发展，满足更安全、更可靠、更清洁、更多元化的用电需求，全力支撑新型电力系统建设。

审核编辑：黄飞