CN112421620B - 一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，包括：在变压器出线处和负荷节点处安装电力载波通信装置；依次从变压器出线处和各个负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离；整理变压器出线处和所有负荷节点的距离映射关系，建立距离关系三角矩阵；以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件；构建变压器出线处、分支节点和负荷节点的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构。本发明还公开了一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识系统，具有需求设备少、拓扑辨识准确度高、可靠性好的特点。

Description

一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法及系统

技术领域

本发明涉及配电网拓扑辨识领域，具体涉及一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法及系统。

背景技术

配电网是电网的重要组成部分，是连接输电网和用户、保障电力供应的关键环节，是现代社会的重要能源基础设施，其安全稳定运行对于确保用户的可靠供电具有重要意义。配电系统含有大量的馈线和节点，设备繁多，线路数目庞大，网络拓扑结构复杂，使得电力调度人员无法及时掌握正确的拓扑连接关系，而配电管理系统中的大部分功能，如状态估计、潮流计算和电压控制等，都基于网络当前的拓扑结构。因此，正确的配电网拓扑结构是保证配电网安全分析和控制决策有效性的重要基础，通过配电网拓扑分析可以为状态估计、故障定位、网络重构等奠定良好的基础。因此，为了提供更加优质的供电服务，有必要对配电网的拓扑辨识的问题进行深入探究。

通常使用的拓扑分析方法包括状态估计法、树搜索法和关联矩阵法，将配电网中的节点和支路与图模型的顶点和边对应起来，并使用图模型的分析方法来分析配电网的拓扑结构。在低压配电网中，量测数据冗余度较低，难以采用基于状态估计的方法进行拓扑辨识。树搜索法主要包括深度优先搜索法和广度优先搜索法，算法原理简单，容易理解且操作方便，搜索效率较高，在网络拓扑辨识中应用比较广泛，但无法辨识配电网中出现的复杂的接线方式。矩阵法的数据结构简单、计算过程易于理解，而且因为反映的是节点之间的连接关系，不受实际电气元件之间连接关系、接线方式的影响，可用于线路复杂的配电网，但是矩阵法由于形成的矩阵大，对存储空间要求较高，计算量大，拓扑辨识速度较慢。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法及系统，能够采用较少的设备实现对配电网复杂低压拓扑结构的准确辨识。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，用于辨识树状拓扑结构，包括：

在变压器出线处和负荷节点处安装电力载波通信装置；

依次从变压器出线处和各个负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离；

整理变压器出线处和所有负荷节点的距离映射关系，建立距离关系三角矩阵；

以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件；

构建变压器出线处、分支节点和负荷节点的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构。

进一步地，所述方法还包括：

安装电力载波通信装置后，从变压器出线处注入电力载波信号，根据负荷节点处是否能收到该电力载波信号，确定与该变压器相连的负荷节点。

进一步地，所述变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离通过测量发送端注入电力载波信号的时间和接收端收到电力载波信号的时间计算。

进一步地，所述依次从变压器出线处和各个负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离，包括：

从变压器出线处注入电力载波信号，测量与该变压器相连的每一负荷节点收到电力载波信号的时间，计算变压器出线处与负荷节点之间的距离；

从任一负荷节点处注入电力载波信号，测量剩余负荷节点收到电力载波信号的时间，计算该负荷节点与剩余负荷节点之间的距离。

进一步地，所述以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件，包括：

S41)以变压器出线处为起点，假设起点与后端相邻分支节点的距离为X1，令X1取值由0开始递增，当X1取值第一次使部分负荷节点间的距离满足距离关系三角矩阵的约束条件时，将与起点距离为X1处标记为分支节点；

S42)以新增分支节点为起点，假设起点与后端相邻分支节点的距离为X2，令X2取值由0开始递增，当X2取值第一次使部分负荷节点间的距离满足距离关系三角矩阵的约束条件时，将与起点距离为X2处标记为分支节点；

S43)判断当前拓扑结构下所有分支节点和负荷节点的连接关系是否满足距离关系三角矩阵的约束条件；

若存在不满足的负荷节点，重复步骤S42)；

若所有分支节点和负荷节点的连接关系均满足距离关系三角矩阵的约束条件，停止新增分支节点，分支节点标记完成。

本发明还提出了一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识系统，包括：

电力载波通信装置，所述电力载波通信装置安装在变压器出线处和负荷节点处，用于注入和接收电力载波信号；

距离测量模块，用于测量变压器出线处与负荷节点、各个负荷节点之间的距离；

距离映射关系建立模块，用于整理变压器出线处和所有负荷节点的距离映射关系，建立距离关系三角矩阵；

分支节点确认模块，用于以变压器出线处为根节点，确认拓扑分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件；

配电网拓扑构建模块，用于构建变压器出线处、分支节点和负荷节点的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构。

进一步地，所述系统还包括：

负荷节点判断模块，用于根据负荷节点处是否能收到从变压器出线处注入的电力载波信号，确定与变压器相连的负荷节点。

本发明的有益效果是：

本发明通过提出一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法及系统，利用电力载波通信来确定节点间的距离关系，进而推算线路分支节点，实现拓扑辨识，辨识准确度较高。与传统关联矩阵法和树搜索法相比，该方法具有需求设备少、拓扑辨识可靠性好等优势，在未来拓扑辨识领域中的应用具有较高潜力。

附图说明

图1是本发明实施例面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法流程示意图；

图2是本发明实施例搭建的仿真模型结构示意图；

图3是本发明实施例仿真模型分支节点标记流程示意图；

图4是本发明实施例面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识系统结构示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

电力线载波通信作为一种电网所特有的通信方式，经过若干年发展，在业务支撑能力、通信速率、传输距离等多个方面均取得了重大的突破，可以提供有关电线、负载、开关等原件的状态信息，使之在节点间稳定可靠传输。电力线载波通信把现有的电力线作为传输信号的媒介，成本低、覆盖的范围非常广、方便快捷，这些优势为运用电力线载波通信实现低压交流配电网拓扑辨识提供了可能性。

如图1所示，本发明实施例公开了一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，包括：

在变压器出线处和负荷节点处安装电力载波通信装置；

依次从变压器出线处和各个负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离；

整理变压器出线处和所有负荷节点的距离映射关系，建立距离关系三角矩阵；

以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件；

构建变压器出线处、分支节点和负荷节点的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构。

所述面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法具体介绍如下：

S1)在变压器出线处P1和负荷节点处安装电力载波通信装置。

安装电力载波通信装置后，先从变压器出线处P1向各负荷节点注入电力载波，记录能收到该载波信号的负荷节点记为L1-Ln，L1-Ln即为与该变压器相连的负荷节点。

S2)依次从变压器出线处P1和负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离。

从变压器出线处P1向各负荷节点注入电力载波信号，记录信号注入时间和各负荷节点收到信号的时间，从而通过电力线载波通信的信号传输时间来计算变压器出线处与各负荷节点之间的线路长度。

依次从负荷点L1开始，向网络注入电力载波信号，记录信号注入时间和剩余各负荷节点收到信号的时间，直到Ln-1节点注入完成，从而计算得到各负荷节点之间的线路长度。

S3)整理变压器出线处P1和所有负荷点(L1-Ln)的距离映射关系，允许较小的测量误差范围，构建距离关系三角矩阵H。

S4)以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件。

具体地，以距离关系三角矩阵H为已知条件，基于假设：所有负荷节点与变压器出线处辐射状相连，搜寻未知的线路分支节点。

S41)以变压器出线处为起点，假设起点与后端相邻分支节点的距离为X1，令X1取值由0开始递增，当X1取值第一次使部分负荷节点间的距离满足距离关系三角矩阵的约束条件时，将与起点距离为X1处标记为分支节点；

S42)以新增分支节点为起点，假设起点与后端相邻分支节点的距离为X2，令X2取值由0开始递增，当X2取值第一次使部分负荷节点间的距离满足距离关系三角矩阵的约束条件时，将与起点距离为X2处标记为分支节点；

S43)判断当前拓扑结构下所有分支节点和负荷节点的连接关系是否满足距离关系三角矩阵的约束条件；

若存在不满足的负荷节点，重复步骤S42)；

若所有分支节点和负荷节点的连接关系均满足距离关系三角矩阵的约束条件，停止新增分支节点，分支节点标记完成。

S5)记录新增分支节点A1-An的个数及位置，构建变压器出线处P1、分支节点A1-An与负荷节点L1-Ln间的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构。

具体步骤如下：

下面具体结合附图2-3对本发明实施例做进一步的验证说明。

图2为一个380kV的单相交流配电线路仿真模型，P1为变压器出线处，A1-A4为分支节点，T1-T13为线路长度，L5-L14为负荷节点。所述仿真模型的线路类型、长度及电阻参数如表1所示。

表1仿真模型的参数设置

在变压器出线处P1和所有负荷点处安装电力载波通信装置。先从变压器出线处P1向各负荷节点注入电力载波信号，测得L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13、L14能收到该载波信号，L5-L14即为与变压器相连的负荷节点。

从变压器出线处P1向各负荷节点注入电力载波信号，记录信号注入时间和各负荷节点收到信号的时间。再依次从负荷点L5开始，向网络注入电力载波信号，记录信号注入时间和剩余各负荷节点收到信号的时间。直到L13节点注入完成。

整理P1和所有负荷节点(L5-L14)的距离映射关系，忽略误差，得到的对角矩阵H如下：

对角矩阵H即为距离关系三角矩阵，以距离关系三角矩阵H为已知条件，做出假设：所有负荷点与变压器出线处辐射状相连。开始寻找未知的分支节点。

假设存在一分支节点A1，如图3所示，A1以变压器出线处节点P1为起点，向负荷处移动，建立A1与P1间由小到大的动态距离X。随着A1的移动，检测X，以及各负荷节点间距离，是否能够满足已经建立的距离关系对角矩阵H。当出现一个X，使得部分负荷节点间距离满足矩阵H的关系时，停止移动A1。将节点A1定为一个新增分支节点。

检查当前拓扑结构下，所有节点的连接关系是否满足距离关系对角矩阵H。若满足，则停止新增分支节点。若存在部分节点不满足，则新增假设存在一分支节点A2。A2以A1节点为起点，向负荷处移动。建立A2与P1的由小到大的动态距离X。随着A2的移动，检测X，以及各负荷节点间距离，是否能够满足已经建立的距离关系对角矩阵H。当出现一个X，使得部分负荷节点间距离满足矩阵H的关系时，停止移动A2。将节点A2定为一个新增节点。具体来说，本发明实施例所构建的仿真模型中，A1以P1节点为起点，两节点间的距离为X。X由0渐渐增大，检测到X＝50时能够满足P1与L5、L6、L7在矩阵H中的距离关系，停止移动A1，则该节点A1为一个新增分支节点。

重复上述步骤，直到找出了能够使所有负荷点间距离都能满足距离关系三角矩阵的约束的分支节点A2、A3及A4，停止新增分支节点。

上述搜索共找出A1(以P1为零点，X＝50)、A2(以P1为零点，X＝75)、A3(以P1为零点，X＝100)、A4(以P1为零点，X＝125)三个新增节点，构建变压器出线处P1、新增分支节点A1-A4与负荷节点L5-L14间的直接关联距离矩阵T，未直接相连的节点间矩阵参数为0：

根据矩阵T推导低压配电网拓扑结构，与所搭建的仿真模型吻合，说明了本拓扑辨识方法的准确性。

如图4所示，本发明实施例还公开了一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识系统，包括：

电力载波通信装置，所述电力载波通信装置安装在变压器出线处和负荷节点处，用于注入和接收电力载波信号；

距离测量模块，用于测量变压器出线处与负荷节点、各个负荷节点之间的距离；

距离映射关系建立模块，用于整理变压器出线处和所有负荷节点的距离映射关系，建立距离关系三角矩阵；

分支节点确认模块，用于以变压器出线处为根节点，确认拓扑分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件；

配电网拓扑构建模块，用于构建变压器出线处、分支节点和负荷节点的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构。

所述系统还可包括：

负荷节点判断模块，用于根据负荷节点处是否能收到从变压器出线处注入的电力载波信号，确定与变压器相连的负荷节点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，用于辨识树状拓扑结构，其特征在于，包括：

在变压器出线处和负荷节点处安装电力载波通信装置；

依次从变压器出线处和各个负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离；

整理变压器出线处和所有负荷节点的距离映射关系，建立距离关系三角矩阵；

以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件；

构建变压器出线处、分支节点和负荷节点的距离关系矩阵，形成低压配电网拓扑结构；

所述以变压器出线处为根节点，确认分支节点的数量和位置，使所有负荷节点满足距离关系三角矩阵的约束条件，包括：

S41)以变压器出线处为起点，假设起点与后端相邻分支节点的距离为X1，令X1取值由0开始递增，当X1取值第一次使部分负荷节点间的距离满足距离关系三角矩阵的约束条件时，将与起点距离为X1处标记为分支节点；

S42)以新增分支节点为起点，假设起点与后端相邻分支节点的距离为X2，令X2取值由0开始递增，当X2取值第一次使部分负荷节点间的距离满足距离关系三角矩阵的约束条件时，将与起点距离为X2处标记为分支节点；

S43)判断当前拓扑结构下所有分支节点和负荷节点的连接关系是否满足距离关系三角矩阵的约束条件；

若存在不满足的负荷节点，重复步骤S42)；

若所有分支节点和负荷节点的连接关系均满足距离关系三角矩阵的约束条件，停止新增分支节点，分支节点标记完成。

2.根据权利要求1所述的面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，其特征在于，所述方法还包括：

安装电力载波通信装置后，从变压器出线处注入电力载波信号，根据负荷节点处是否能收到该电力载波信号，确定与该变压器相连的负荷节点。

3.根据权利要求1所述的面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，其特征在于，所述变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离通过测量发送端注入电力载波信号的时间和接收端收到电力载波信号的时间计算。

4.根据权利要求3所述的面向配电能源互联网的复杂低压拓扑辨识方法，其特征在于，所述依次从变压器出线处和各个负荷节点处注入电力载波信号，测量变压器出线处与负荷节点、负荷节点与负荷节点之间的距离，包括：

从变压器出线处注入电力载波信号，测量与该变压器相连的每一负荷节点收到电力载波信号的时间，计算变压器出线处与负荷节点之间的距离；

从任一负荷节点处注入电力载波信号，测量剩余负荷节点收到电力载波信号的时间，计算该负荷节点与剩余负荷节点之间的距离。

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