刘家齐，刘浩军，童 力，周金辉，任广振，马振宇

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；
2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

大力发展可再生能源、提高电能在终端消费中的占比是新型电力系统推动“双碳”目标实现的重要手段［1-3］。随着电能占终端能源消费的比例持续提升，新能源、电动汽车、储能、柔性可控负荷发展迅速，配电系统无疑是新型电力系统建设主战场之一［4-5］。通过十余年的建设发展，我国配电网已经取得了跨越式的发展［6］。其中，低压配电台区作为连接用户需求的最后一公里，是电网企业的最小运营管理单元，呈现出直接面向用户、设备种类繁多且规模庞大、业务需求快速变化的显著特征，而传统配电网信息化、自动化的建设模式显然已难以适应其在新时代下的高速发展及转型需求［7-8］。自2019年起，国家电网公司与南方电网公司不断探索将传统工业物联网技术与配电技术深度融合，通过配电设备间的全面互联、互通、互操作，实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用，围绕低压配电台区构建了透明化、智能化的新型低压配电系统——配电物联网，以支撑低压配电网精益化管理能力的不断提升，显著提高了配电网运营管理和客户服务水平。相比于传统低压配电网，配电物联网从单纯的物理网络升维成电力物联网和信息物理融合的系统，以实现从能源一维连接发展成为能源与数据的两维价值传导［9-11］。

配电物联网的建设目标是以台区为最小管理单元，构建营配融合一体下的全景透明感知和源网荷储协同能力，实现台区侧海量资源的可观、可测、可控、可调，自下而上支撑能源互联网的建设。随着配电物联网建设工作的不断深入，各类智能终端设备及业务应用快速发展迭代［12-14］。其中，台区拓扑自动识别技术是实现台区由其物理形态向数字形态和价值形态映射的关键纽带。一直以来，围绕拓扑自动辨识技术的应用需求主要集中于营销专业“变-户”对应关系的获取，以辅助实现如线损计算、设备台账维护等业务［15-18］。伴随着大规模分布式光伏建设、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。因此，全新的配电物联网建设对拓扑自动识别技术的功能和性能提出了更高的要求。

在这一应用需求背景下，如何设计并制定相应的拓扑自动识别技术测试体系，快速、有效地对拓扑识别技术及其相关终端设备的功能以及性能进行评估至关重要。本文围绕建设“全景透明感知”与“源网荷储协同”能力需求下的配电物联网台区，提出了一套综合考虑“识别可靠性、识别准确率高与识别抗扰能力”的拓扑自动识别技术测试方案，并研制专用的配电物联网台区“边-端”交互试验平台，一键生成多台区、多分支、多层级复杂拓扑网架结构以及多种运行工况，实现对台区拓扑识别技术的综合有效测评。最后，基于本文所提出的测试方案和测试平台，按照浙江省电力有限公司（以下简称“浙江公司”）配电物联网台区建设应用需求选取了最优拓扑识别技术方案，并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、互用，为提升配电物联网的建设与应用水平、推动配电网数字化的转型发展奠定应用基础。

1.1 拓扑识别技术发展现状

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输电网络存在较大差距。配电台区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其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；
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。因此，初期的拓扑识别应用主要集中于解决“变-户”关系的识别问题（“户”专指低压用户）。围绕这一主要应用需求，涌现了许多技术方法，具体如表1所示。

表1 “变-户”型拓扑自动识别技术对比分析

上述方法虽然能较好的实现“变-户”识别，但是方法2至方法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信设备的限制；
方法5至方法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电网的稳定运行，并且难以实现相关设备小型化，推广成本高。

此外，大数据方法也是研究比较多的技术方案，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［19-20］，得到“变-户”关系。这类方法无需增加投资成本，但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，在实际应用中无法保证准确率，难以实现大范围推广。

1.2 基于特征电流注入的拓扑识别技术原理

随着拓扑自动识别技术研究的持续深入，基于特征电流注入的拓扑识别方法逐步得到认可和广泛采用，其基本原理如图1所示，通过在设备零火线之间加装负载通断模块，控制负载通断方式，在台区内所有节点设备产生特定规律的特征电流，变压器总出线、线路各级位置的设备检测特定频点电流信号，并进行频域特性分析（处于末端的设备无需进行特征电流检测）。根据设备的电流信号发送记录及检测结果，综合分析计算，即可实现台区拓扑关系的识别。

图1 基于特征电流的拓扑识别技术原理

将基于特征电流的拓扑识别功能（包括发送模块和识别模块）搭载于各类配电物联网智能感知终端设备上，如台区智能融合终端、LTU（配电线路自动化远方终端）低压监测单元、智能断路器、智能电表等，并通过在台区关键节点处进行合理部署，将可实现低压台区由物理形态向数字形态的映射，如图2所示。

图2 全景透明感知的配电物联网台区

特征电流法在具体的实现方式主要有“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。实现方式上存在差异，因此将造成向下延伸各类智能终端设备所搭载的拓扑识别功能及其模块差异性显著，进而导致配电物联网建设中各类“边”和“端”设备间的交互难以实现互联、互通、互操作，极大地限制了全景透明感知台区的实现。为此，有必要采取有效的试验方式对拓扑识别技术进行测试，进而实现互联、互通、互操作、互用。

为提供一个贴近真实并兼具灵活性的低压配电台区环境，实现台区环境的拓扑结构、运行工况与接入负荷的灵活调整和模拟，满足“边-端”设备接入适应性和功能性，以及“边-端”设备互联、互通、互换、互用的测试需求，本文所设计的配电物联网“边-端”交互试验平台由两个部分组成，分别是“组态式的拓扑网络架构”与“试验拓扑组态管理系统”。

2.1 组态式拓扑网络架构设计

试验平台按照多层级、多分支和多台区的原则进行设计，每个台区拓扑网架由配变侧、线路侧和用户侧组成，网架结构如图3所示。

图3 配电物联网“边-端”交互功能试验配电台区拓扑网架

配变侧由电源（电源模拟器或市电）输出，通过漏保开关连接至线路侧进行分流；
线路侧根据设计需求，可设置多层级与多路出线输出，连接塑壳断路器、换相开关、动态无功补偿装置、分支故障模拟装置等线路侧设备；
用户侧经线路侧输出，连接单相或三相模拟负荷、充电桩、户用储能、分布式光伏。台区拓扑网架间，在线路侧输入节点处通过智能开关连接；
台区拓扑网架内，在配变侧、线路侧和用户侧，设置插槽式接线端子，以实现多台区的串联或并联，实现台区拓扑网架与层级的灵活调节。

为了实现整个实验系统台区拓扑结构及运行工况的一键生成与控制，专门设计了基于PLC（可编程逻辑控制器）与微型断路器的台区拓扑组态控制系统；
将微型断路器以串联或并联方式接入配电台区拓扑网架的层级、分支、末端以及其他类型的拓扑接入节点；
通过PLC 实现台区内网架结构调整以及充电桩、储能、光伏、低压监测单元等各类新型智能设备和感知装置接入、切除的远程一键设置与自动调节。

如图4 所示，通过PLC 与可控微型断路器的应用，整个试验平台形成相应的拓扑结构（包括分支、层级），接入相应的元素（光伏、储能、充电桩）并运行于相应的工况，将变得非常快捷，可以极大地提升试验测试效率。

图4 基于PLC与微型断路器的台区拓扑组态控制系统架构

2.2 试验拓扑组态管理系统设计

最后，针对已经构建起的试验平台拓扑网架和PLC 微型断路器组态系统，通过通信转换接口模块连接V2G（电动汽车入网）充电桩模拟器、户用储能模拟器、分布式光伏模拟器电源模拟器以及分支故障模拟终端，基于.NET平台、C/S软件架构和Access 数据库，采用多线程、多任务并发机制与GDI+绘图技术，实现对配电物联网“边-端”交互功能试验台区的平台可视化操作管理与控制。如图5所示，管理系统功能由服务器主机、集线器、串口服务器组成。

图5 “边-端”交互功能试验台区管理系统架构

利用实验室部署形式搭建专用的配电物联网台区“边-端”交互功能试验平台，如图6所示，通过构建多台区、多分支、多层级复杂配电台区拓扑结构，接入充电桩、储能、光伏、低压监测单元等各类新型智能装备和感知装置，灵活构造浙江配电网典型台区场景，并从设备即插即用、拓扑识别准确性、相位识别准确性、拓扑识别时间、识别抗扰能力等5个维度，对台区拓扑自动识别技术进行全方位测试验证。

图6 配电物联网“边-端”交互功能试验平台

基于配电物联网“边-端”交互功能试验平台为被测试的拓扑识别技术方案设置4 种拓扑结构（如图7 所示），基于4 个拓扑结构所能开展的所有测试内容列出15个测试项目（如表2所示），对应4个试验拓扑，以及每个拓扑对应的台区接入设备（如光伏、无功补偿以及充电桩）变化而设置。15种测试运行工况（如表3所示），通过多节点、多层级、多元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。

表2 台区拓扑识别测试项目

表3 台区拓扑识别测试运行工况

图7 配电物联网“边-端”交互功能试验拓扑

目前，配电物联网台区试验拓扑自动辨识功能实现主要依靠于软、硬件结合；
其中，所需的硬件设备载体包括台区智能融合终端与LTU低压监测单元。选取浙江公司主要技术供应商，包括硬件终端与内嵌算法APP，如图8 所示，并将相关设备提前部署与图7所示试验拓扑中进行功能与性能的测试验证。

图8 不同拓扑识别技术方案配套的LTU低压监测单元

4.1 测试方案

1）测试方案A：无功电流注入+频域信号检测，测试工况完成率为2/15；
仅能够完成1号、2号运行工况的相关试验测试，拓扑识别功能及性能无法满足实际应用需求。

2）测试方案B：有功电流注入+频域信号检测，测试工况完成率为3/15；
仅能够完成1—3号运行工况的相关试验，该测试方案在试验拓扑中加入分布式光伏设备运行后，LTU 拓扑识别功能出现异常，无法准确获取试验拓扑相关信息，拓扑识别功能及性能不能满足实际应用需求。

3）测试方案C：有功电流注入+频域信号检测，测试工况完成率为13/15，能够完成1—13 号运行工况的相关试验测试，相关工况下的拓扑识别功能均正常；
但14号、15号测试工况下，由于存在双台区并行运行的情况，因为台区侧HPLC（高速电力线载波）本地通信的串扰，造成向下延伸的LTU设备与首端融合终端设备间的对应关系出现错配，导致拓扑识别结果错误。

4）测试方案D：有功电流注入+频域信号检测，测试工况完成率为15/15，能够完成表2和表3中所有试验项目和试验工况的测试，拓扑识别结果均正常。在双台区运行情况下，拓扑识别并不会受到干扰，依旧能够准确实现“变-户”关系、拓扑网络以及相位信息的准确获取。

4.2 方案对比

最终，通过对以上4个测试方案进行全方位对比，可以得到以下结论：

1）拓扑识别技术是实现低压配电网透明化与智能化的重要基础应用，对于拓扑信息的精准获取（包括网络结构、节点信息、相位关系）是构建台区侧全景透明感知能力和源网荷储协同能力的技术底座，是连接高级应用算法和海量智能感知终端的关键桥梁。

2）随着拓扑节点、拓扑层级规模的增加，拓扑识别所需时间同步增加；
但考虑到实际台区拓扑结构的变化周期（通常并不会出现过频繁的拓扑异动），因此，现有拓扑识别算法的响应速度能够满足实际生产业务应用需求。

3）随着新型配电系统的建设，分布式光伏、电动汽车充电桩、SVG 无功补偿以及台区侧储能等设备大量接入，深度电力电子化带来的谐波注入对于拓扑识别功能的正常使用存在显著影响，因此，拓扑识别解决方案需充分考虑对这些干扰因素的鲁棒性，以适应复杂的实际工况。

4）本地通信技术是实现配电物联网台区下“边-端”设备互联、互通、互操作的重要技术支撑，但是，当多个台区同时存在时，台区间的相互干扰会对“边-端”设备间的关联对应产生影响，继而影响互联、互通、互操作。因此，拓扑识别算法还须充分考虑对通信频段的鲁棒性，以适应复杂的实际工况。

基于上述评价结果，“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。

4.3 特征电流技术规范

从实现配电物联网“边-端”设备互联、互通、互用的目标出发，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，如表4 中所示。

表4 浙江公司基于特征电流注入的拓扑识别物理特征

本文围绕配电物联网台区拓扑自动识别技术功能与性能的测试需求，提出了一种综合考虑识别可靠性、识别准确率高与识别抗扰能力的拓扑自动识别技术测试方案，并研制专用的配电物联网台区“边-端”交互试验平台，一键生成多台区、多分支、多层级复杂拓扑网架结构以及多种运行工况，实现对台区拓扑识别技术的综合有效测评。最后，基于本文所提出的测试方案和测试平台，为浙江公司配电物联网台区建设应用需求，选取了最优拓扑识别技术方案，提升配电物联网的建设与应用水平，推动配电网数字化的转型发展。

猜你喜欢 低压配电台区配电 配电台区变-户拓扑关系异常辨识方法河北电力技术(2022年1期)2022-03-2510KV变压器配电安装柜中常见问题分析商品与质量(2021年43期)2022-01-18建筑电气工程中低压配电系统的安装与调试建材发展导向(2021年9期)2021-07-16高层建筑电气设计中低压配电系统的安全性浅析建材发展导向(2021年9期)2021-07-16高层建筑电气设计中低压配电系统安全性分析建材发展导向(2021年7期)2021-07-16低压配电网接地方式及与剩余电流保护的配置探究电子制作(2019年22期)2020-01-14关于10KV配电线路运行维护措施探索活力(2019年19期)2020-01-0610kV及以下配电线路运行维护电子制作(2018年18期)2018-11-14试论电力系统配电自动化及其对故障的处理电子制作(2018年10期)2018-08-04降低台区实时线损整治工作方法电子制作(2017年2期)2017-05-17