CN110838758B - 一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，在不大规模进行停复电操作的情况下，不依靠于电力载波，使用注入信号的手段产生电流方波信号，信号幅度为正负3A，发生频率同节点采集频率相同，由于注入的为电流信号，所以影响的只是本支路中的点流量数值，并且产生的信号只会向上层节点传播而不会影响到下层的接受节点，并用采集算法通过离散点差值相减求导法可以对注入的波形进行提取分离。本发明通过注入信号可实现识别成功率高，识别速度快，可在1s内完成节点的检测，而且不受用电情况干扰，可随时进行拓扑识别。

Description

一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法

技术领域

本发明涉及配网自动化技术领域，具体涉及一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法。

背景技术

智能电网的发展战略对配网精益化提出更高的要求，配电台区是智能配网的重要组成部分，低压配电网络拓扑关系是实现配电智能化的基础。在智能变电站的新建、改扩建及运维检修过程中，配电网络中配电设备的变动会导致台区配电网络拓扑结构的改变。为了提高供电质量，有必要实时掌握整个台区网络系统“配变-线路-用户”的低压拓扑关系。目前配变台区电低压拓扑关系的建立，主要依赖台区建设时留下来的拓扑资料，这种方式，初始安装时需要人工录入档案，工作量巨大，后期如果出现设备更换或线路变化也需要人工录入更新。实际使用时也经常会出现录入错误或者更新档案不及时，导致现场实际配电网拓扑和主站显示的不一致。而人工摸排又会耗费大量的人力物力资源，识别准确性也得不到保障。

现有与本发明类似技术：一种是：通过开关的停复电技术，通过网络中各节点在不同时刻停电复电的手段，检测其余节点状态来实现检测各节点的上下级拓扑的关系。这种方法缺点十分明显，在停电复电的过程中会对用电设备造成影响

另一种通过低压量测终端和分支箱智能监测终端长时间、高频的发送载波信号至配电变压器。各分支节点之间通过自动组网技术主动组建通信网络，自主协商通信信道类型和频点等，实现智能配变终端与低压台区监测设备(台区电能表、智能传感器、分支箱智能监测单元、表端智能监测单元)的互联，实现信息自动中继和传输。利用特定频率的载波信号不能穿过变压器绕组耦合至10kV线路，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，得到部分用户节点与台区变压器的从属关系。再通过所组建的通信网络实现路由中继，利用智能识别算法，得到整个台区的各个用户节点与台区变压器间的对应关系，进而自动建立准确的“台区配变—智能电能表”的户变对应关系，完成对“台区配变—低压线路—智能电能表(用户)”中户变关系的识别。这种方式的缺点是依赖于电力载波技术。从属关系依靠节点上报的电气量算法实现，计算数据庞大、算法复杂、计算时间长、准确率不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，能够解决现有的计算数据庞大、算法复杂、计算时间长、准确率不高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，包括以下步骤：

S1：变压器处智慧能源网关，向台区所有信号接收终端逐一发送命令，要求上报ID，形成信号接收终端设备清单；

S2：变压器处智慧能源网关根据上报ID区分出安装在尾端点表箱处的低压监测单元设备；

S3：智慧能源网关逐一向末端节点的低压检测单元发送拓扑识别命令，末端节点逐一执行以下操作；

所述步骤S3包括以下步骤：

S3-1：末端节点装置通过CPU控制信号发送装置，注入一种频率固定的电流型信号；

S3-2:此时未收到拓扑命令的节点通过传感器采集电气量数值；

S3-3：未收到拓扑指令的节点通过算法分析此时间段是否有收到注入的信号波形；

所述步骤S3-3通过算法分析此时间段是否有收到注入的信号波形具体为：

通过离散点差值相减求导法可以对注入的波形进行提取分离，通过b[i]＝a[n]-a[n-1](n＝1 2 3……)进行差值求导计算，在没有注入波形的情况下b[i]值是按照正弦波的差值进行变化，也就是变化规律是由正值变化到0再变化到负值，以此循环；当有注入波形时由于波形是按照注入信号频率变化，差值也是正负变化；当b[i]有连续正负数值变化，记录下变化组数r；注入信号每个周期加载信号半个周波，每个周波注入点数为n,则r<＝n，除去噪声干扰和采集不到的影响，当r>＝n*0.7,为采集到一组信号值；连续发送m组信号，当判断收到的信号组数>m*0.7，则判断为收到注入的信号；

S3-4：所有信号接收端完成步骤S3-1、S3-2和S-3后将分析结果发送给顶端智慧能源网关；

各节点可选多种通信方式，可根据实际使用情况进行配置，不依赖于任何一种单独通信方式，可使用无源光纤以太网(EPON)、电力载波(HPLC)、4G网络通信、和无线射频。

S4：智慧能源网关根据步骤S3的结果汇总各节点信息，区分出对应末端节点注入信号时识别出拓扑信号的节点、判断为在同一条支路上；

S5：当所有支路节点全部得出后，进行判断是否有重复节点，如果有重复节点则舍弃判断结果重新跳到步骤S3开始识别；

S6：当各支路节点得出后，在各支路节点上逐一进行以下动作；

S7：以上步骤完成后，智慧能源网关就能得出各支路上的节点层级关系和总体拓扑结构；

S8：为保证结果准确性可逐一对拓扑结果节点电气量进行加和比较，计算结果应符合上层节点电气量能够等于下层各节点电气量相加总和，电气量误差不超过百分之一。

上层节点电气量能够等于下层各节点电气量相加总和，节点A的下层节点为a1、a2、a3，则电流量IA＝Ia1+Ia2+Ia3,误差值小于百分之一，判断为数值加和相等。判断为下层节点判断正确。若节点a3节点判断过程中丢失，或者是误判断a4节点为A下层节点，电流量相加偏差肯定超过A节点数值。

进一步地，所述注入信号在1.6Khz~5.12Khz可调，注入信号为正负3A的电流脉冲信号，注入信号持续时间为k*20ms。

进一步地，所述采集节点的采集频率同末端节点的注入信号的发生频率相同，所述末端节点通过采集频率在1.6khz~5.12khz之间，为n*50hz的频率。

注入特定频率的电流量信号的装置，产生电流方波信号，信号幅度为正负3A，发生频率同节点采集频率相同，由于注入的为电流信号，所以影响的只是本支路中的节点流量数值，并且产生的信号只会向上层节点传播而不会影响到下层的接受节点，能够区别于台区线路的电气噪声，并且能够被节点的电流互感器成功识别。

信号注入装置产生的电流脉冲信号只会被同一支路的节点装置识别，不会影响到其他支路节点和处于本节点的下层节点。

进一步地，对所述采集点通过Savitzky-Golay多项式进行波形平滑处理，公式如下：

设滤波窗口的宽度为n＝2m+1，各测量点为x＝(-m，-m+1，0，1，…m-1，m)采用k-1次多项式对窗口内的数据点进行拟合：

y＝a₀+a₁X+a₂X²+...+a_k-1X^k-1

于是就有了n个这样的方程，构成了k元线性方程组，要使方程组有解则n应大于等于k，一般选择n＞k，通过最小二乘法拟合确定拟合参数A；由此得到

用矩阵表示为

Y_(2m+1)×1＝X_(2m+1)×k·A_K×1+E_(2m+1)×1

A的最小二乘解

为

Y的模型预测值或滤波值

为

B＝X·(X^T·X)^-1·X^T

经过以上算法可滤除高频次噪声，对基波波形进行继续处理。

节点识别方法通过电流互感器采集电流信号，采集频率和注入的电流脉冲频率相同，通过采集电流数值的两两相减，进行判断采集节点的微分值，通过判断微分值的剧烈变化可以分离出注入的信号，通过采集100个周期以下的数值能够判断出信号的注入。

拓扑识别可在全时段进行，不区分用电时段。

拓扑识别方法能够将同一支路中的上下级关系进行区分，并在电流量，用电有功功率，用电无功功率的加和校验上进行应用。

图1描述了一个台区内实际的设备层级连接关系，普遍的一个台区包含一个智慧能源网关，作为主控制装置和信息收集装置用来接收下层节点，下层节点安装我们的装置为信号发生及回路故障指示器。安装位置为低压线路及智能电表箱处用来检测低压电网电气量并上报智慧能源网关。低压电网层级可能会有多级连接，每一级下挂1～若干支路或节点。低压拓扑就是为了在没有拓扑信息的情况下，判断出层级和节点间的连接关系，以便云端服务器对故障判断提供信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

优点1：不需要对电网各开关进行停复电操作，对电网没有冲击，不影响电网中设备的运行，拓扑过程速度迅速。整体识别过程只需要几分钟内完成，而停复电操作则需要几个小时甚至几天的时间。停复电不能在用电高峰期进行，而此种方式不分时间段可以随时进行识别操作。

优点2：不依赖于通信方式，而本方法使用的注入信号，识别成功率高，识别速度快，可在1s内完成节点的检测，而且不受用电情况干扰，可随时进行拓扑识别。

优点3：拓扑识别可在全时段进行，不区分用电时段。

附图说明

图1为本发明的物理连接图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，包括以下步骤：

S1：变压器处智慧能源网关，向台区所有信号接收终端发送广播命令，要求上报ID，形成信号接收终端设备清单；

S2：变压器处智慧能源网关根据上报ID区分出安装在尾端点表箱处的低压监测单元设备；

S3：智慧能源网关逐一向末端节点的低压检测单元发送拓扑识别命令，末端节点逐一执行以下操作；

所述步骤S3包括以下步骤：

S3-1：末端节点装置通过CPU控制信号发送装置，注入一种频率固定的电流型信号；

S3-2:此时未收到拓扑命令的节点通过传感器采集电气量数值；

S3-3：未收到拓扑指令的节点通过算法分析此时间段是否有收到注入的信号波形；

所述步骤S3-3通过算法分析此时间段是否有收到注入的信号波形具体为：

通过离散点差值相减求导法可以对注入的波形进行提取分离，通过b[i]＝a[n]-a[n-1](n＝1 2 3……)进行差值求导计算，在没有注入波形的情况下b[i]值是按照正弦波的差值进行变化，也就是变化规律是由正值变化到0再变化到负值，以此循环；当有注入波形时由于波形是按照注入信号频率变化，差值也是正负变化；当b[i]有连续正负数值变化，记录下变化组数r；注入信号每个周期加载信号半个周波，每个周波注入点数为n,则r<＝n，除去噪声干扰和采集不到的影响，当r>＝n*0.7,为采集到一组信号值；连续发送m组信号，当判断收到的信号组数>m*0.7，则判断为收到注入的信号；

S3-4：所有信号接收端完成步骤S3-1、S3-2和S-3后将分析结果发送给顶端智慧能源网关；

S4：智慧能源网关根据步骤S3的结果汇总各节点信息，区分出对应末端节点注入信号时识别出拓扑信号的节点、判断为在同一条支路上；

S5：当所有支路节点全部得出后，进行判断是否有重复节点,如果有重复节点则舍弃判断结果重新跳到步骤S3开始识别；

S6：当各支路节点得出后，在各支路节点上逐一进行一下动作；

S7：以上步骤完成后，智慧能源网关就能得出各支路上的节点层级关系和总体拓扑结构；

S8：为保证结果准确性可逐一对拓扑结果节点电气量进行加和比较，计算结果应符合上层节点电气量能够等于下层各节点电气量相加总和，电气量误差不超过百分之一。

节点通信方式可以有多种方式可选，并且不受限制，可使用无源光纤以太网(EPON)、电力载波(HPLC)、4G网络通信、和无线射频。

具体而言，所述注入信号在1.6Khz～5.12Khz可调,注入信号为正负3A的电流脉冲信号,注入信号持续时间为k*20ms。

具体而言，所述采集节点的采集频率同末端节点的注入信号的发生频率相同，所述末端节点通过采集频率在1.6khz~5.12khz之间，为n*50hz的频率。

注入特定频率的电流量信号的装置，产生电流方波信号，信号幅度为正负3A，发生频率同节点采集频率相同，由于注入的为电流信号，所以影响的只是本支路中的节点流量数值，并且产生的信号只会向上层节点传播而不会影响到下层的接受节点，能够区别于台区线路的电气噪声，并且能够被节点的电流互感器成功识别。

信号注入装置产生的电流脉冲信号只会被同一支路的节点装置识别，不会影响到其他支路节点和处于本节点的下层节点。

具体而言，对所述采集点通过Savitzky-Golay多项式进行波形平滑处理，公式如下：

设滤波窗口的宽度为n＝2m+1，各测量点为x＝(-m，-m+1，0，1，…m-1，m)采用k-1次多项式对窗口内的数据点进行拟合：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_k-1x^k-1

于是就有了n个这样的方程，构成了k元线性方程组，要使方程组有解则n应大于等于k，一般选择n＞k，通过最小二乘法拟合确定拟合参数A；由此得到

用矩阵表示为

Y(_2m+1)×1＝X_(2m+1)×k·A_k×1+E_(2m+1)×1

A的最小二乘解

为

Y的模型预测值或滤波值

为

B＝X·(X^T·X)^-1·X^T

经过以上算法可得到滤除高频次噪声的波形进行处理。

节点识别方法通过电流互感器采集电流信号，采集频率和注入的电流脉冲频率相同，通过采集电流数值的两两相减，进行判断采集节点的微分值，通过判断微分值的剧烈变化可以分离出注入的信号，通过采集100个周期以下的数值能够判断出信号的注入。

在日间用电高峰和夜晚用电低谷的情况下都可以进行拓扑识别。

拓扑识别方法能够将同一支路中的上下级关系进行区分，并在电流量，用电有功功率，用电无功功率的加和校验上进行应用。

发明原理：通过注入信号的方式，同时能够使本支路节点有效的检测到信号而不至于影响到其他支路的节点。通过注入电流信号产生连续的电流波动脉冲可以实现。同时检测方式要使计算尽量简便，计算数据量小以使得节点故障指示器的低成本处理器不至于有太大计算负荷能够快速识别出结果。这样通过离散点求导，判断导数的正负值连续变化就可以将同频率注入信号分离出来从而使得能够有效检测出注入的信号。由于此电流信号有向上传播的特点，就是只影响上层节点信号，而不会影响下层节点信号，这样通过同一支路节点不断分时发送信号可以保证判断出节点层级关系。最终智慧能源网关通过判断节点是否接收到信号的消息来形成拓扑数据，然后上传给云端服务器。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (4)

1.一种基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：变压器处智慧能源网关，向台区所有信号接收终端逐一发送命令，要求上报ID，形成信号接收终端设备清单；

S2：变压器处智慧能源网关根据上报ID区分出安装在尾端点表箱处的低压监测单元设备；

S3：智慧能源网关逐一向末端节点的低压检测单元发送拓扑识别命令，末端节点逐一执行以下操作；

所述步骤S3包括以下步骤：

S3-1：末端节点装置通过CPU控制信号发送装置，注入一种频率固定的电流型信号；

S3-2:此时未收到拓扑命令的节点通过传感器采集电气量数值；

S3-3：未收到拓扑指令的节点通过算法分析此时间段是否有收到注入的信号波形；

所述步骤S3-3通过算法分析此时间段是否有收到注入的信号波形具体为：

通过离散点差值相减求导法可以对注入的波形进行提取分离，通过b[i]＝a[n]-a[n-1](n＝1、2、3……)，b[i]代表前后相邻周波数据的差值，即前后相邻周波做差，是一个一维n项序列，a[n]代表当前周波录波信息，a[n-1]代表前一周波录波信息；进行差值求导计算，在没有注入波形的情况下b[i]值是按照正弦波的差值进行变化，也就是变化规律是由正值变化到0再变化到负值，以此循环；当有注入波形时由于波形是按照注入信号频率变化，差值也是正负变化；当b[i]有连续正负数值变化，记录下变化组数r；注入信号每个周期加载信号半个周波，每个周波注入点数为n,则r<＝n，除去噪声干扰和采集不到的影响，当r>＝n*0.7,为采集到一组信号值；连续发送m组信号，当判断收到的信号组数>m*0.7，则判断为收到注入的信号；

S3-4：所有信号接收端完成步骤S3-1、S3-2和S3-3后将分析结果发送给顶端智慧能源网关；

S4：智慧能源网关根据步骤S3的结果汇总各节点信息，区分出对应末端节点注入信号时识别出拓扑信号的节点、判断为在同一条支路上；

S5：当所有支路节点全部得出后，进行判断是否有重复节点，如果有重复节点则舍弃判断结果重新跳到步骤S3开始识别；

S6：当各支路节点得出后，在各支路节点上逐一进行一下动作；

S7：以上步骤完成后，智慧能源网关就能得出各支路上的节点层级关系和总体拓扑结构；

S8：为保证结果准确性可逐一对拓扑结果节点电气量进行加和比较，计算结果应符合上层节点电气量能够等于下层各节点电气量相加总和，电气量误差不超过百分之一。

2.根据权利要求1所述的基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，其特征在于，所述注入信号在1.6Khz～5.12Khz可调,注入信号为正负3A的电流脉冲信号,注入信号持续时间为k*20ms。

3.根据权利要求1所述的基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，其特征在于，采集节点的采集频率同末端节点的注入信号的发生频率相同，所述末端节点通过采集频率在1.6khz～5.12khz之间，为n*50hz的频率。

4.根据权利要求3所述的基于信号注入方式的台区低压拓扑方法，其特征在于，对所述采集节点通过Savitzky-Golay多项式进行波形平滑处理，公式如下：

设滤波窗口的宽度为n＝2m+1，各测量点为x＝(-m，-m+1，0，1，…m-1，m)采用k-1次多项式对窗口内的数据点进行拟合：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_k-1x^k-1

于是就有了n个这样的方程，构成了k元线性方程组，要使方程组有解则n应大于等于k，选择n＞k，通过最小二乘法拟合确定拟合参数A；由此得到

用矩阵表示为Y_(2m+1)×1＝X_(2m+1)×k·A_K×1+E_(2m+1)×1

A的最小二乘解

为

Y的模型预测值或滤波值

为

B＝X·(X^T·X)^-1·X^T

其中，y代表a[n]经过Savitzky-Golay卷积平滑之后的一维n项序列的数据；x代表一维n项录波信息数据，共n项；k代表任取整数小于2m+1即可，Y代表用矩阵计算的模型预测值，中间变量；a₁，....a_(k-1)，是需要求解的系数；

经过以上算法可滤除高频次噪声，对得到的基波进行进一步处理。

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