CN111835006B - 一种基于电压曲线和最小二乘的低压台区拓扑识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压曲线和最小二乘的低压台区拓扑识别方法，通过计算电压相似性和关于有功功率的最小二乘模型完成台区拓扑识别。本发明首先利用主站对集中器校时，利用集中器广播校时对电表校时，在台区分支出线安装分支数据监测单元，利用智能配变终端定时召读分支数据监测单元和电表的电压、有功功率数据。利用电压相似性进行虚拟表箱聚类，再根据最小二乘模型计算虚拟表箱和分支的所属关系。本发明实现简单，只需测量分支和电表的电压、有功功率信号，无需添加过多额外设备。与信号注入方式相比，对电网无任何危害。另外，无需上传到主站，可本地进行分析，实现低压台区的拓扑识别。

Description

一种基于电压曲线和最小二乘的低压台区拓扑识别方法

技术领域

本发明涉及配电网自动化系统领域，涉及一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法。

背景技术

用电信息系统由主站、集中器、采集器、电能表组成，电力公司通过主站将台区(变压器)档案下发给集中器作为采集电表用电信息的依据。因此台区档案是否与实际变压器-电表的拓扑关系对应将直接影响营销管理水平。近年来，为了响应国家大力推动智能电网的号召，各地逐步开展低压集抄的改造项目。然而，由于对现场施工质量的管控不严，经常出现线路接错现象，使得台区档案出现错误。另外，一些老旧小区线路错综复杂，台区档案维护不完善、换表信息没有更新等原因，也使得拓扑关系难以识别。上述问题使得无法精确获取电能表与变压器的一一对应关系，会引起抄表错误现象，降低台区线损的管理水平，严重损坏供电公司的形象。

现有的台区识别仪一般是使用电力线载波(PLC)技术或者电流脉冲技术，通过发送并接收信号来判断变压器与电表的对应关系。但是在实际应用过程中，这种通过信号判断的方式会由于信号不准而误判。对于PLC技术，当变压器侧无法完全隔离信号向外泄露，会使得载波信号耦合到其他台区，造成信号的可信度较低。对于脉冲电流技术，需要由用户侧的从机发送脉冲电流信号，位于变压器低压侧的主机接收改信号，通过谐波分析判断用户归属。但是在变压器出线侧安装电流互感器的方式具有一定的危险性。另外，设备类的排查方法虽能节省人力成本，但是需要布置大量的现场设备或者需要操作人员逐户排查，工作量也非常巨大。因此，需要研究一种安全、可靠、经济的低压拓扑识别方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，本发明采取如下技术方案：

一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，所述低压台区包括主站、集中器、分支监测单元、电表和智能配变终端，该方法包括以下步骤：

步骤一，主站下发时钟对集中器进行校时，利用集中器广播校时命令对电表进行校时，确保所有电表的时钟同步；

步骤二，分支监测单元安装在所述低压台区的分支，采集分支监测单元每15分钟间隔的电压、有功功率数据；

步骤三，智能配变终端定时召读分支监测单元汇总的电压、有功功率数据、电表地址数据、电表电压数据与电表有功功率数据；

步骤四，计算所有电表电压之间的余弦相似系数，按照平均相似最大原则自动聚类，获取多个虚拟表箱；

电表电压之间的余弦相似系数的计算公式为：

其中，w_i表示第i个电表的电压，w_j表示第j个电表的电压，借助该余弦相似系数，划分虚拟表箱的具体步骤为：

步骤A1：任取一个电表构成第一个虚拟表箱，并初始化迭代次数j＝1和虚拟表箱数目B＝1；

步骤A2：进行下一次迭代j＝j+1，并计算第j个电表的电压w_j与已存在的B个虚拟表箱中每个虚拟表箱内电表电压的平均相似系数：

其中，b表示已存在的第b个虚拟表箱，1≤b≤B，n^b表示第b个虚拟表箱中的电表个数，

表示第b个虚拟表箱中第l个电表的电压；

步骤A3：确定最大的

若其值超过阈值γ，则第j个电表被归入第b个虚拟表箱中；反之，第j个电表构成一个新的虚拟表箱,即B＝B+1；

步骤A4：重复步骤A2、步骤A3，直到所有电表划分完毕；

步骤五，根据虚拟表箱和电表的归属关系计算虚拟表箱的有功功率数据；

步骤六，根据分支和虚拟表箱的有功功率满足功率恒等原则，建立二者的最小二乘模型，求解虚拟表箱的系数矩阵，取最大数值对应的分支为虚拟表箱所属分支，最终得到台区拓扑结果；

虚拟表箱的系数矩阵β∈R^B×C的求解公式为：

β＝(X^TX)^-1X^TY

其中，X∈R^N×B表示虚拟表箱有功功率矩阵，Y∈R^N×C表示分支有功功率矩阵，B表示虚拟表箱数目，N表示数据点数，C表示分支个数；

根据系数最大原则确定虚拟表箱的所属分支，即分支归属标号为：

其中，x_b为步骤五中计算的第b个虚拟表箱的有功功率。

进一步地，步骤一中时钟同步误差小于1秒。

进一步地，步骤二中数据采集类型为冻结数据。

进一步地，步骤五中第b个虚拟表箱的有功功率x_b的计算公式为：

其中，

表示第b个虚拟表箱中的第i个电表的有功功率，n^b表示第b个虚拟表箱中的电表个数。

本发明的有益效果是：本发明根据电压相似性进行虚拟表箱聚合，进而建立虚拟表箱和分支之间有功功率的最小二乘模型，取系数解中对应分支最大数值的位置为虚拟表箱分支所属，梳理分支与虚拟表箱的归属关系，最终得到台区拓扑结果。本发明实现简单，只需测量出变压器分支和电表的15分钟间隔电压、有功功率信号，就能够实现台区拓扑识别。另外，本发明无需加装信号注入设备且对电网安全友好，计算量小，测量信号无需上传到主站，在本地设备即可进行分析，具有很强的工程实用性。

附图说明

图1为本发明基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法总体流程图。

图2本发明分支与虚拟表箱的归属示意图。

图3发明实施示例中虚拟表箱间的电压平均相似系数示意图。

图4本发明实施示例中虚拟表箱内电表的电压曲线示意图。

图5本发明实施示例中基于电压平均相似聚类的虚拟表箱划分结果示意图。

图6本发明实施示例中基于最小二乘模型的虚拟表箱系数分布示意图。

图7本发明实施示例中基于最小二乘模型的虚拟表箱与分支的归属示意图。

图8本发明实施示例中分支有功功率和虚拟表箱拟合有功功率曲线示意图。

其中VB代表虚拟表箱。

具体实施方式

下面结合附图1-8实施示例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。以下实施示例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

结合附图1，本发明的一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，包括以下步骤：

步骤一，主站下发时钟对集中器进行校时，利用集中器广播校时命令对电表进行校时，确保所有电表的时钟同步；其中时钟同步误差小于1秒；

步骤二，分支监测单元安装在所述低压台区的分支，采集分支监测单元每15分钟间隔的电压、有功功率数据；其中数据采集类型为冻结数据；

步骤三，智能配变终端定时召读分支监测单元汇总的电压、有功功率数据、电表地址数据、电表电压数据与电表有功功率数据；

步骤四，计算所有电表电压之间的余弦相似系数，按照平均相似最大原则自动聚类，获取多个虚拟表箱；效果示意图如图2所示；

计算电表电压之间的余弦相似系数，其计算公式为：

其中，w_i表示第i个电表的电压，w_j表示第j个电表的电压，借助该余弦相似系数，划分虚拟表箱的具体步骤为：

步骤A1：任取一个电表构成第一个虚拟表箱，并初始化迭代次数j＝1和虚拟表箱数目B＝1；

步骤A2：进行下一次迭代j＝j+1，并计算第j个电表的电压w_j与已存在的B个虚拟表箱中每个虚拟表箱内电表电压的平均相似系数：

其中，b表示已存在的第b个虚拟表箱，1≤b≤B，n^b表示第b个虚拟表箱中的电表个数，

表示第b个虚拟表箱中第l个电表的电压；

步骤A3：确定最大的

若其值超过阈值γ，则第j个电表被归入第b个虚拟表箱中；反之，第j个电表构成一个新的虚拟表箱,即B＝B+1；

步骤A4：重复步骤A2、步骤A3，直到所有电表划分完毕。

图3为本发明实施示例中虚拟表箱间的电压平均相似系数示意图，可以看出虚拟表箱内电表的平均电压相似性接近于1，而不同虚拟表箱间的平均电压相似性略低。图4为本发明实施示例中虚拟表箱内电表的电压曲线示意图，可看出同一虚拟表箱内电压曲线基本重合。图5为本发明实施示例中基于电压平均相似聚类的虚拟表箱划分结果示意图，可看出对于该实施示例，所有电表共聚合出15个虚拟表箱。

步骤五，根据虚拟表箱和电表的归属关系计算虚拟表箱的有功功率数据；其中第b个虚拟表箱的有功功率x_b的计算公式为：

其中，

表示第b个虚拟表箱中的第i个电表的有功功率，n^b表示第b个虚拟表箱中的电表个数。

步骤六，根据分支和虚拟表箱的有功功率满足功率恒等原则，建立二者的最小二乘模型，求解虚拟表箱的系数矩阵，取最大数值对应的分支为虚拟表箱所属分支，最终得到台区拓扑结果；虚拟表箱的系数矩阵β∈R^B×C的求解公式为：

β＝(X^TX)^-1X^TY

其中，X∈R^N×B表示虚拟表箱有功功率矩阵，Y∈R^N×C表示分支有功功率矩阵，B表示虚拟表箱数目，N表示数据点数，C表示分支个数；

根据系数最大原则确定虚拟表箱的所属分支，即分支归属标号为：

其中，x_b为步骤五中计算的第b个虚拟表箱的有功功率。

图6为本发明实施示例中基于最小二乘模型的虚拟表箱系数分布示意图，可看出对应所属分支的系数接近于1，而对应非所属分支的系数在零附近。具体地，图7为本发明实施示例中基于最小二乘模型的虚拟表箱与分支的归属示意图。另外，图8为本发明实施示例中分支有功功率和虚拟表箱拟合有功功率曲线示意图，可看出两者曲线基本重合，说明虚拟表箱到分支的归属判定是正确的。

本实施例中：利用实际的现场数据对本发明中的基于电压平均相似聚类和最小二乘的低压台区拓扑识别方法进行了测试验证。其中根据电压距离相关性聚合成15个虚拟表箱，利用最小二乘模型，计算15个虚拟表箱到4条分支的归属关系，计算结果与真实拓扑结构一致。

综上所述，本发明根据电压相关性进行虚拟表箱聚合，进而利用虚拟表箱数据，根据最小二乘模型求解虚拟表箱系数矩阵，取最大的数值位置为虚拟表箱分支所属，梳理分支与虚拟表箱的归属关系，最终得到电表——虚拟表箱——分支的台区拓扑结果。本发明实现简单，只需测量出变压器分支和电表的15分钟间隔电压、有功功率信号，就能够实现台区拓扑识别。另外，本发明无需加装信号注入设备且对电网安全友好，计算量小，测量信号无需上传到主站，在本地设备即可进行分析，具有很强的工程实用性。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，其特征在于：所述低压台区包括主站、集中器、分支监测单元、电表和智能配变终端，该方法包括以下步骤：

步骤一，主站下发时钟对集中器进行校时，利用集中器广播校时命令对电表进行校时，确保所有电表的时钟同步；

步骤二，分支监测单元安装在所述低压台区的分支，采集分支监测单元每15分钟间隔的电压、有功功率数据；

步骤三，智能配变终端定时召读分支监测单元汇总的电压、有功功率数据、电表地址数据、电表电压数据与电表有功功率数据；

步骤四，计算所有电表电压之间的余弦相似系数，按照平均相似最大原则自动聚类，获取多个虚拟表箱；

电表电压之间的余弦相似系数的计算公式为：

其中，w_i表示第i个电表的电压，w_j表示第j个电表的电压，借助该余弦相似系数，划分虚拟表箱的具体步骤为：

步骤A1：任取一个电表构成第一个虚拟表箱，并初始化迭代次数j＝1和虚拟表箱数目B＝1；

步骤A2：进行下一次迭代j＝j+1，并计算第j个电表的电压w_j与已存在的B个虚拟表箱中每个虚拟表箱内电表电压的平均相似系数：

其中，b表示已存在的第b个虚拟表箱，1≤b≤B，n^b表示第b个虚拟表箱中的电表个数，

表示第b个虚拟表箱中第l个电表的电压；

步骤A3：确定最大的

若其值超过阈值γ，则第j个电表被归入第b个虚拟表箱中；反之，第j个电表构成一个新的虚拟表箱,即B＝B+1；

步骤A4：重复步骤A2、步骤A3，直到所有电表划分完毕；

步骤五，根据虚拟表箱和电表的归属关系计算虚拟表箱的有功功率数据；

步骤六，根据分支和虚拟表箱的有功功率满足功率恒等原则，建立二者的最小二乘模型，求解虚拟表箱的系数矩阵，取最大数值对应的分支为虚拟表箱所属分支，最终得到台区拓扑结果；

虚拟表箱的系数矩阵β∈R^B×C的求解公式为：

β＝(X^TX)^-1X^TY

其中，X∈R^N×B表示虚拟表箱有功功率矩阵，Y∈R^N×C表示分支有功功率矩阵，B表示虚拟表箱数目，N表示数据点数，C表示分支个数；

根据系数最大原则确定虚拟表箱的所属分支，即分支归属标号为：

其中，x_b为步骤五中计算的第b个虚拟表箱的有功功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，其特征在于：步骤一中时钟同步误差小于1秒。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，其特征在于：步骤二中数据采集类型为冻结数据。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于电压曲线和最小二乘模型的低压台区拓扑识别方法，其特征在于：步骤五中第b个虚拟表箱的有功功率x_b的计算公式为：

其中，

表示第b个虚拟表箱中的第i个电表的有功功率，n^b表示第b个虚拟表箱中的电表个数。

Images