基于智能傳感器的電氣網絡拓撲識別方法

劉嘉文 王皓

摘要：本文提出一種使用低壓分路智能傳感器分布在配電臺區(qū)各個支線上，由所連接的采集單元完成就地自激短路、波形錄波和波形特征量提取，再將各采集單元得到的波形特征量匯總到數(shù)據(jù)集中器，再集中進行全網絡拓撲計算。該算法綜合了以往方法的優(yōu)點，簡單可靠，準確度高，易于實現(xiàn)。

關鍵詞：智能傳感器 自激短路 特征量提取 矩陣運算 拓撲圖

0? 引言

電氣網絡拓撲關系自動識別可以將配電臺區(qū)所連接的園區(qū)、小區(qū)、樓宇等電氣連接關系描繪出來，這對電力公司提高供電可靠性管理水平和供電服務能力至關重要。

目前比較常見的實現(xiàn)配電臺區(qū)電氣網絡拓撲識別的方法都有些缺點：比如利用電力線載波通信技術[2]，通過用電信息采集系統(tǒng)的集中器和采集器實現(xiàn)載波信號的發(fā)送和回傳，但是受配電臺區(qū)負載影響大，且存在傳送死區(qū);又如工頻信號注入法，在低壓配電母線短路，用移動采集設備在用電設備或電能計量設備處測量注入的工頻信號，但是現(xiàn)場測試接線麻煩，還存在一定的安全隱患。

1? 配電臺區(qū)監(jiān)測和通信

圖1.1為配電臺區(qū)電氣及監(jiān)測和通信設備連接圖。網絡拓撲計算依賴于高精度帶錄波和自激短路功能的智能傳感器，圖中監(jiān)測設備將監(jiān)測得到的電壓、電流、有功、無功、頻率以及自激短路錄波信息上送到所連接的采集單元，進行波形分析和特征量提取，匯集到集中器，進行配電臺區(qū)全網絡拓撲計算，最后形成臺區(qū)電氣連接關系圖。

1.1低壓分路智能傳感器

低壓分路智能傳感器具有0.1%級的高測量精度，具備定時錄波功能，可自激電流信號，它是配電臺區(qū)電氣網絡拓撲關系自動識別的基礎。

傳感器具備自激電流信號的能力，由于體積和功率的限制，電流信號最大5安培，需要0.1S級精度的測量才能滿足。常規(guī)工頻大電流傳感器產品精度低、測量范圍小、非線性、易飽和的問題，應該使用開合式開環(huán)霍爾傳感器進行高精度工頻大電流測量。

定時錄波要求該傳感器具備串口軟報文對時功能，使得錄波波形包涵自激電流信號，對時精度為秒。

傳感器按照規(guī)定時間進行3秒錄波，采樣電流信號，以方便后臺進行波形特征分析，確定是否為自激電流信號。

1.2小波分析錄波數(shù)據(jù)

錄波的數(shù)據(jù)，一般為16位，不小于10K的采樣數(shù)率和不低于2.5秒的錄波時間，使得足以判斷是否為自激電流信號。

對該錄波數(shù)據(jù)使用小波分析得到波形相似度，從而確定是同一種拓撲電流信號，文獻[3]詳細介紹了小波特征提取算法。

1.3數(shù)據(jù)傳輸通信單元

數(shù)據(jù)傳輸通信單元是連接各個低壓分路智能傳感器的數(shù)據(jù)集中器，進行計算形成波形特征量提取，并將數(shù)據(jù)傳送到后端服務器，形成總拓撲圖。

2建立配網專有關聯(lián)矩陣

2.1監(jiān)測和通信設備連接圖

如圖1-1所示的配電臺區(qū)電氣接線圖， 把各個匯總節(jié)點作為拓撲圖的節(jié)點;把低壓分路智能傳感器所監(jiān)測的支路作為拓撲圖的支路，當監(jiān)測到有電流時該支路連通， 無電流時該支路斷開;數(shù)據(jù)通信單元所連接的低壓分路智能傳感器組成一塊區(qū)域。

配電臺區(qū)變壓器低壓側母線節(jié)點①為電源側，監(jiān)測支路⑴負荷為最大;在通信區(qū)域（A）變電柜節(jié)點⑤分出三條支路⑵⑶⑷到小區(qū)配電間三個節(jié)點②③④;配電間②分出兩條支路⑸⑹通過通信區(qū)域（B）到樓宇間⑥⑦⑧，其中支路⑹又分出⑺⑻兩條支路，分別到樓宇節(jié)點⑦⑧;配電間③④分別通過支路⑼⑽通過通信區(qū)域 （C）、（D）區(qū)域分別連接節(jié)點⑨和⑩。

2.2節(jié)點-支路布爾有向矩陣

對于一個任意的電力系統(tǒng)配網拓撲圖，一般為電源輻射型網絡，其中變壓器低壓側為根節(jié)點，可以用節(jié)點-支路布爾有向矩陣來描述其拓撲結構。假設節(jié)點-支路布爾有向矩陣ij，行為節(jié)點，列為支路，方向為實際負荷有功功率方向，每個元素表示意義如下：

如果某支路的有功為0，即支路跳閘或無負荷運行狀態(tài)，這時對應的支路布爾值為0，對應的矩陣為A。

由公式（1）知節(jié)點可以與相關支路形成有功功率流向鏈路，按照從大到小樹狀排布，顯然最大值，即是根節(jié)點。

由公式（2）知節(jié)點-支路布爾有向矩陣為上三角矩陣，且有以下特殊的結構和特性：

（1）鏈狀網絡的節(jié)點-支路布爾有向矩陣就是一個上三角矩陣;

（2）樹狀網絡的節(jié)點-支路布爾有向矩陣第一行和對角元素為“1”，其余元素均為“0”同樣具有上三角矩陣的特征。

鏈狀和樹狀網絡形成最簡單的拓撲結構，任何A矩陣都是由最簡單的鏈狀和樹狀的集合體。

2.3 節(jié)點-節(jié)點布爾關聯(lián)矩陣

假設節(jié)點-支路布爾有向矩陣ij，支路-節(jié)點布爾有向矩陣ji，有B= AT;節(jié)點-節(jié)點布爾矩陣ik，可以得到

同理可得N′= ·T，該矩陣為排序后的初始節(jié)點-節(jié)點布爾關聯(lián)矩陣，按照各節(jié)點升序，即節(jié)點有功從大到小的樹狀順序排列。

拓撲結構中點與點間的連通關系是可以通過支路傳遞的。例如點①與點⑤相連，同時點⑤又與點②相連，則無論點①與點②是否直接相連點，①與點②也一定是相連的。

設N′為一級初始節(jié)點-節(jié)點布爾關聯(lián)矩陣進行矩陣乘法運算，則有：

3網絡拓撲結構識別步驟

圖1.1中首先找出拓撲圖根節(jié)點。各個通信區(qū)域將監(jiān)測點采集的有功功率匯總在后臺服務器，按從大到小排序，顯然節(jié)點①處支路⑴監(jiān)測點有功功率最大，為拓撲圖根節(jié)點。

（C）（D）由于各監(jiān)測點無有功功率，則為斷開或稱無效區(qū)域;

（A）區(qū)域有8個監(jiān)測點，分別是⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑼⑽，其中⑵⑼⑽有功功率為0 ，支路斷開，不參與計算。假設⑴⑶⑷⑸⑹按照負荷大小降序排列得到：⑴⑶⑷⑸⑹，假設它們對應的安裝處節(jié)點分別為a1，a2，a3，a4，a5，連接關系未知。

（B）區(qū)域有2個監(jiān)測點，其中⑺斷開，⑻有效， 假設⑻對應的安裝處節(jié)點b1。結合（A）區(qū)域按照負荷大小降序排列得到：⑴⑶⑷⑸⑹⑻，對應的安裝處節(jié)點分別為a1，a2，a3，a4，a5， b1連接關系未知。

依次將節(jié)點按照負荷大小升序，做自激發(fā)短路電流信號，通過小波分析得到一組電流特征量相同的支路，做節(jié)點-支路布爾有向矩陣。如圖2.1連接關系生成圖（a），即按照負荷大小降序排序后支路節(jié)點集合。

矩陣乘以6維全“l(fā)”列向量S，并排序得到圖2.1 （b）終端支路區(qū)域矩陣，從中可以看出⑶⑷⑻為終端支路，其節(jié)點 a2，a4， b1分別連接支路⑴、⑷、⑹的節(jié)點a1，a3， a5。

分析其余區(qū)域為標準的樹狀區(qū)域，如圖3.1（c） 樹狀區(qū)域。⑴⑷⑹為樹連接。

根據(jù)公式（3） （4）得到類似（5）的節(jié)點關聯(lián)矩陣，至此，網絡拓撲完成。

4結束語

具備自激短路、波形錄波和軟報文校時的低壓分路智能傳感器分布在配電臺區(qū)各個支線上，波形特征量提取后進行關聯(lián)支路的識別，按照負荷大小進行節(jié)點排序，按照關聯(lián)的支路數(shù)目排序，通過矩陣運算后分解成基本的鏈狀結構和數(shù)狀結構，從而繪制網絡拓撲圖。該算法簡單明了，現(xiàn)場易于實施，具備推廣性。

參考文獻

[1]李明維等;低壓配電臺區(qū)網絡拓撲和相別自動辨識技術研究;《電氣時代》2018年10期

[2]張鳳翱，李國平，基于載波通信技術的低壓配電網設備自動化識別系統(tǒng) 《浙江電力》 2017年

[3]陳霄，嚴永輝，王黎明，小波變換在供電網絡拓撲辨識波形特征提取中的應用 《電子設計工程》 2019年