CN114646829A - 一种低压台区的电气拓扑识别方法及其系统和终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种低压台区的电气拓扑识别方法及其系统和终端。电气拓扑识别方法包括如下过程：S1：在电能表相线和零线上加装负载电阻通断模块。S2：通过负载电阻通断模块向电网馈送满足目标频率和编码规则的谐波电流信号。S3：采集电网上产生的特征电流信号，并进行初步去噪。S4：提取上步骤的特征电流信号在目标频率上的频域特征信息。S5：对上步骤提取的特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理。S6：对频域特征信息进行帧同步计算，确定解码起始点。S7：对特征电流信息进行解码得到解码信号。S8：根据解码信号和谐波电流信号判定电能表与变压器的台区归属关系。本发明解决了电力用户和变压器间归属关系的识别问题。

Description

一种低压台区的电气拓扑识别方法及其系统和终端

技术领域

本发明属于电力设备领域，具体涉及一种低压台区的电气拓扑识别方法及其系统和终端。

背景技术

台区线损分析、拓扑识别、故障研判均依赖明确户变关系，户变关系是台区内各个用电客户与台区供电变压器的供电归属关系。户变关系不明确，会造成台区线损分析数据误差大、业扩新增负荷安排不合理、影响负载均衡、降低抢修效率等问题影响基础业务的实施。

现有的户变关系的识别主要依靠人工巡线，目前巡线场景主要包括两类：1)架空线台区，多见于农网台区，由于架空线线路清晰可见，可通过人力巡线方式理清户变关系。2)地埋电缆台区，多见于经济发达、人口密集的城网台区，由于电缆长埋地下导致人工巡线困难。

除了人工巡线之外，对整个台区进行停电也能够准确识别户变关系。但是这种识别方式会影响供电可靠性，因而只适用于可以停电的台区，例如对于工业电力用户就非常不适合采用。因而这种方式的应用场景受限，无法大范围推广。

近年来,随着电力线载波通信技术的发展和用电信息采集系统的建设，为户变关系识别提供了海量数据资源，涌现了一些新方法，主要包括以下三类：1、基于台区信息相关性的方法，包括工频过零序列相关性、整点电压曲线相关性等。2、基于电信号畸变的方法，包括工频电压畸变、工频电流畸变、工频畸变设备介入增强台区特征等。3、基于大数据的方法，通过对采集的电能表电压、电流、电量等数据，从聚类、随机模拟、优化求解等角度入手，分析获取台区户变关系结果。以上三种方法各有优缺点，其中，方法1对时钟同步、采样误差要求较高，数据通信量大、识别周期长，且识别效果受负荷波动影响较大，对于共零和存在信号耦合的台区无法准确识别。方法2适合供电半径短、负荷相对稳定的台区，识别准确率高。但是设备难以实现小型化，信号畸变存在影响供电质量和供电可靠性的风险。方法3无需外加设备，但是对数据同步性、数据采集完整性要求较高，识别效果不稳定。

综上所述，针对分布广泛、环境复杂的低压台区，亟需一种识别准确率高且效果稳定可靠，又不影响用户用电的户变关系识别方法，进而建立电能表和变压器间的拓扑结构。

发明内容

为了解决现有户变关系识别方法无法快速、准确地在分布广泛、环境复杂的低压台区内识别出电力用户和变压器间的归属关系的问题，本发明提供一种低压台区的电气拓扑识别方法及其系统和终端。

本发明采用以下技术方案实现：

一种低压台区的电气拓扑识别方法，该方法用于分析各个电力用户与不同台区供电变压器之间的供电归属关系。该电气拓扑识别方法包括如下过程：

S1：在台区中的电力用户的电能表相线和零线上加装用于发送谐波电流信号的负载电阻通断模块。

S2：根据信号在电网上的传输特性确定谐波电流信号的目标频率，并设置待发送的谐波电流信号的编码规则，通过负载电阻通断模块向电网馈送满足目标频率和编码规则的谐波电流信号。

S3：在每个供电变压器的台区采集电网上产生的特征电流信号，并通过相邻周波相减去负荷方法对特征电路信号进行初步去噪，降低负荷噪声并增强信号强度。

S4：对上步骤降噪后的特征电流信号进行信息提取，获取特征电流信号在目标频率上的频域特征信息。

S5：对上步骤提取的特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理。

S6：根据预先设置的编码规则对均值滤波后的特征电流信号的频域特征信息进行帧同步计算；根据帧同步计算起始点得到解码起始点。

S7：计算解码起始点后八位的信号强度的均值，并以均值作为阈值对采集到的特征信息进行解码，得到所需的解码信号。

S8：判断解码信号是否与预设的谐波电流信号的特征信息一致：是则判定当前电力用户属于本台区，否则判定当前电力用户不属于本台区。

作为本发明进一步地改进，步骤S1中，谐波电流信号通控制负载电阻通断模块按照预设的通断规律进行周期性通断而产生。选取负载通断中心频率fc＝833.3Hz，即负载通断周期为1200μs。每个负载通断周期内的占空比设置为1∶3。馈入到电网中的谐波电流的目标频率设置为f₁＝783.3Hz和f₂＝883.3Hz。

假设负载电阻通断模块的阻值为R；则电网中的电压U(t)和馈线电流I(t)分别如下：

U(t)＝311×sin(2πf₀t+θ)

I(t)＝311/Rsin(2πf₀t+θ)

上式中，f₀表示基波频率，f₀＝50Hz，t表示时间，θ为初始相位。

信号发送过程中，负载电阻通断模块在每个通断周期内可产生6个采样点，将采样率转化为离散域后，第k个采样点的时间t＝kdt，其中dt＝1/Fs；因而可得负载电阻通断模块上的负载电流I(k)为：

上式中，k表示采样点序号，mod(k，6)表示k对6取余。

作为本发明进一步的改进，步骤S2的谐波电流信号的编码过程中，采用一个16位二进制编码作为所述电流谐波信号的编码。16位二进制编码的前八位设置为起始段，用于作为寻找信号的解码起始点；后八位设置为区分端，用于区分背景噪声和真实信息。

负载电阻通断模块的信号发送间隔设置为0.6s，当具有特征电流时表示二进制特征值1，无特征电流时表示二进制特征值0。

作为本发明进一步的改进，步骤S3中，采集到的特征电路信号即为负载电阻通断模块上的负载电流I(k)。信号采样过程中，总采样点数为

初步降噪过程中，在去负荷时对初始值置为0，使得第一个周波和0作差，处理后总采样点的数量不变；针对预设的采样频率F_s，一个工频上的周波采样点数为

因而得到去负荷后的特征电流信号

如下：

(1)当

时，

(2)当

时，

作为本发明进一步的改进，步骤S4中，特征电路信号的频域特征信息的获取方法如下：

(1)将去负荷后的特征电流信号

展开为如下的三角函数形式的傅里叶级数：

(2)根据上步骤的傅里叶级数，得到如下的去负荷后的特征电流信号

的直流分量a₀、各次谐波余弦分量a_n，以及正弦分量bn：

(3)设置滑动DFT信号解码算法中滑动窗的大小T，连续对于时域信号进行滑动提取，采用下式计算出去负荷后的特征电流信号

的频域电流值：

(4)根据两个目标频率出的分信号分量，确定解提取的特征电流信号I_n(k)在目标频率上的频域特征信息如下：

上式中，

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₁处的频域特征信息；

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₂处的频域特征信息。

作为本发明进一步的改进，步骤S5中，均值滤波处理的公式如下：

上式中，N_s表示特征电流信号的频率采样点数量，N_s＝600；

表示均值滤波前的信号特征；

表示均值滤波后的信号特征。

作为本发明进一步的改进，步骤S6中，帧同步起始点

通过下式如确定：

上式中，S_h表示特征电流信号中每个采样点的位置，H表示采样点在预设的16位二进制编码的前8位中的序号。

考虑到计算出的帧同步起始点

可能为小数，因而将其取整处理后确定最终的解码起始点S’如下：

上式中，round()表示四舍五入运算。

作为本发明进一步的改进，步骤S7中，解码信号的生成过程如下：

(1)采用下式计算帧同步后的特征电流信号的起始点后8位的信号强度的均值

上式中，N_H表示解码信号的点位单元数量，N_H＝40；

(2)根据计算出的信号强度的均值将电流特征信号各位上的阈值分别设置为

(3)以16个二进制位对所有80个点位单元进行滑动解码，解码过程中，依次判定各位是否满足：

其中，

ω＝S'+5λ；

上式中，λ表示一个预设的信号阈值，λ＝0...1；

a)若判定符合，则该位设置为1，

b)若判定不符合，则该位设置为0；

最后根据置位结果得到解码出的16位的解码信号。

步骤S8中，将上步骤得到的解码信号与本台区中预设的谐波电流信号进行对比，若解码信号与预设的谐波电流信号相符，则判定当前电能表对应的电力用户属于本台区，否则判定该电力用户不属于本台区。

本发明还包括一种低压台区的电气拓扑识别系统，该系统用于采用如前述的低压台区的电气拓扑识别方法判定各个电力用户与供电变压器台区之间的归属关系，进而确定电能表与变压器之间的拓扑结构。该电气拓扑识别系统包括：负载电阻通断模块、特征信息提取模块、降噪处理模块、滑动DFT提取模块、滤波处理模块、信号解码模块，以及台区判定模块。

其中，负载电阻通断模块安装在每个电能表的相线和零线上，用于向电网发送预设的谐波电流信号。

特征信息提取模块用于任意采集变压器台区电网上的特征电流信号。

降噪处理模块用于采用相邻周波相减的去负荷方法对采集到的特性电流信号进行降噪处理，进而增强信号强度。

滑动DFT提取模块用于对降噪处理模块输出的降噪后的特征电流信号进行信息提取，获取特征电流信号在目标频率上的频域特征信息。

滤波处理模块用于对特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理。

信号解码模块用于获取对均值滤波处理后的特征电流信号的频域特征信息进行帧同步，确定解码起始点，然后得到所需的解码信号。

台区判定模块用于将得到的解码信号与预设的谐波电流信号对比，当二者相符，则判定当前电能表对应的电力用户属于本台区，否则判定当前电力用户不属于本台区。

本发明还包括一种低压台区的电气拓扑识别装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。该处理器执行程序时实现如前述的低压台区的电气拓扑识别方法的步骤。

本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

本发明设计了一种新的低压台区的电气拓扑结构的识别方法。该方法以电能表侧作为信号发送端，通过控制负载进行周期性通断的的方式产生特定频率的谐波电流，谐波电流信号馈送到电网上。然后在变压器低压侧接收相应的特征电流信号。最后采用滑动离散傅里叶变换(DFT)进行实时信号提取、信号预处理，以及信号解码。最后通过对比解码信号和预设的谐波电流信号的关系来确定发送端的电能表和接收端的变压器负责的台区之间的所属关系；并通过三相电流信号幅值对比确定所属相位。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中提供的一种低压台区的电气拓扑识别方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例1中负载电阻通断模块上的负载电阻为R＝311Ω时的特征电流频谱图。

图3为本发明实施例2中提供的一种低压台区的电气拓扑识别系统的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种低压台区的电气拓扑识别方法，该方法用于分析各个电力用户与不同台区供电变压器之间的供电归属关系。如图1所示，该电气拓扑识别方法包括如下过程：

S1：在台区中的电力用户的电能表相线和零线上加装用于发送谐波电流信号的负载电阻通断模块。

谐波电流信号通控制负载电阻通断模块按照预设的通断规律进行周期性通断而产生。选取负载通断中心频率fc＝833.3Hz，即负载通断周期为1200μs。每个负载通断周期内的占空比设置为1∶3。馈入到电网中的谐波电流的目标频率设置为f₁＝783.3Hz和f₂＝883.3Hz。

假设负载电阻通断模块的阻值为R；则电网中的电压U(t)和馈线电流I(t)分别如下：

U(t)＝311×sin(2πf₀t+θ)

I(t)＝311/Rsin(2πf₀t+θ)

上式中，f₀表示基波频率，f₀＝50Hz，t表示时间，θ为初始相位。

信号发送过程中，负载电阻通断模块在每个通断周期内可产生6个采样点，将采样率转化为离散域后，第k个采样点的时间t＝kdt，其中dt＝1/Fs；因而可得负载电阻通断模块上的负载电流I(k)为：

上式中，k表示采样点序号，mod(k，6)表示k对6取余。

S2：根据信号在电网上的传输特性确定谐波电流信号的目标频率，并设置待发送的谐波电流信号的编码规则，通过负载电阻通断模块向电网馈送满足目标频率和编码规则的谐波电流信号。

谐波电流信号的编码过程中，采用一个16位二进制编码作为所述电流谐波信号的编码。16位二进制编码的前八位设置为起始段，用于作为寻找信号的解码起始点；后八位设置为区分端，用于区分背景噪声和真实信息。

负载电阻通断模块的信号发送间隔设置为0.6s，当具有特征电流时表示二进制特征值1，无特征电流时表示二进制特征值0。

S3：在每个供电变压器的台区采集电网上产生的特征电流信号，并通过相邻周波相减去负荷方法对特征电路信号进行初步去噪，降低负荷噪声并增强信号强度。

采集到的特征电路信号即为负载电阻通断模块上的负载电流I(k)。信号采样过程中，总采样点数为

初步降噪过程中，在去负荷时对初始值置为0，使得第一个周波和0作差，处理后总采样点的数量不变；针对预设的采样频率F_s，一个工频上的周波采样点数为

因而得到去负荷后的特征电流信号

如下：

(1)当

时，

(2)当

时，

S4：对上步骤降噪后的特征电流信号进行信息提取，获取特征电流信号在目标频率上的频域特征信息。

特征电路信号的频域特征信息的获取方法如下：

(1)将去负荷后的特征电流信号

展开为如下的三角函数形式的傅里叶级数：

(2)根据上步骤的傅里叶级数，得到如下的去负荷后的特征电流信号

的直流分量a₀、各次谐波余弦分量a_n，以及正弦分量b_n：

(3)设置滑动DFT信号解码算法中滑动窗的大小T，连续对于时域信号进行滑动提取，采用下式计算出去负荷后的特征电流信号

的频域电流值：

(4)根据两个目标频率出的分信号分量，确定解提取的特征电流信号I_n(k)在目标频率上的频域特征信息如下：

上式中，

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₁处的频域特征信息；

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₂处的频域特征信息。

S5：对上步骤提取的特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理。

均值滤波处理的公式如下：

上式中，N_s表示特征电流信号的频率采样点数量，N_s＝600；

表示均值滤波前的信号特征；

表示均值滤波后的信号特征。

S6：根据预先设置的编码规则对均值滤波后的特征电流信号的频域特征信息进行帧同步计算；根据帧同步计算起始点得到解码起始点。

帧同步起始点

通过下式如确定：

上式中，S_h表示特征电流信号中每个采样点的位置，H表示采样点在预设的16位二进制编码的前8位中的序号。

考虑到计算出的帧同步起始点

可能为小数，因而将其取整处理后确定最终的解码起始点S’如下：

上式中，round()表示四舍五入运算。

S7：计算解码起始点后八位的信号强度的均值，并以均值作为阈值对采集到的特征信息进行解码，得到所需的解码信号。

解码信号的生成过程如下：

(1)采用下式计算帧同步后的特征电流信号的起始点后8位的信号强度的均值

上式中，N_H表示解码信号的点位单元数量，N_H＝40；

(2)根据计算出的信号强度的均值将电流特征信号各位上的阈值分别设置为

(3)以16个二进制位对所有80个点位单元进行滑动解码，解码过程中，依次判定各位是否满足：

其中，

ω＝S’+5λ；

上式中，λ表示一个预设的信号阈值，λ＝0…1；

a)若判定符合，则该位设置为1，

b)若判定不符合，则该位设置为0；

最后根据置位结果得到解码出的16位的解码信号。

S8：判断解码信号是否与预设的谐波电流信号的特征信息一致：是则判定当前电力用户属于本台区，否则判定当前电力用户不属于本台区。

本发明提供的方法可以在任意复杂的台区环境中进行应用，只需要在台区中的待识别的电能表终端上安装一个简单的负载电阻通断模块即可。识别处理任务整体上大致包括“谐波电流信号发送-电网信号采集-采集信号的处理(信号的降噪与增强、信号的时频域转换、信号的滤波处理、信号解码)-台区识别”共四个内容。

该方法以电能表侧作为信号发送端，通过控制负载进行周期性通断的的方式产生特定频率的谐波电流，谐波电流信号馈送到电网上。然后在变压器低压侧接收相应的特征电流信号。最后采用滑动离散傅里叶变换(DFT)进行实时信号提取、信号预处理，以及信号解码。最后通过对比解码信号和预设的谐波电流信号的关系来确定发送端的电能表和接收端的变压器负责的台区之间的所属关系；并通过三相电流信号幅值对比确定所属相位。

为了使得本实施的方法的处理过程和优势更加清楚，以下结合详细的处理过程对该方法进行进一步地说明。

一、分析电网是可用的目标频率

本实施例拟在电能表的相线与零线之间加装负载电阻通断模块，通过控制负载电阻通断模块的通断状态，在电网中馈送具有特定频率的谐波电流信号。

用负载通断周期采样点数表示5000Hz采样频率下负载通断一次对应的采样点数，总周期表示负载通断周期和工频周期的最小周期。通过计算可以发现，当总周期为一个周波和两个周波时，馈线电流谐波均在奇偶次谐波和575Hz、675Hz之类的间谐波上。

由于电网背景噪声较大，干扰严重，不适合作负载通断频点。因此，当负载通断周期采样点数越多，相同时间内包含的谐波周期越少，接收侧提取的精度相应越低(考虑噪声干扰)，为保证相同精度需要负载通断的时间越长，会降低识别效率。当负载通断周期采样点数变少时，会使得馈线谐波电流频率增高，线路分流和衰减变大，且每个负载通断周期内采样信息越少，引入的采样误差也会越大。

因此，本实施例选取负载通断中心频率fc＝833.3Hz，即负载通断周期为1200μs，馈入到电网中的谐波电流频率为f1＝783.3Hz和f2＝883.3Hz。在采样频率Fs和通断频率fc下，一个通断周期可采样6个点。

二、特征电流信号的生成

本实施例中，当负载电阻通断模块上的负载电阻为R，则电网中的电压U(t)和馈线电流I(t)的计算公式如下：

U(t)＝311×sin(2πf₀t+θ)

I(t)＝311/Rsin(2πf₀t+θ)

其中，f₀为基波频率50Hz，t表示时间，θ为初始相位。

对于上述电压和电流信号，根据采样率转化为离散域，可得第k个采样点的时间t＝kdt，其中dt＝1/Fs。

由于负载电阻具有热效应会产热，为了降低信号发射的功耗，本实施例还通过调整负载通断占空比的方式降低负载电阻的发热，本实施例中采用的占空比为1:3，即一个负载通断周期内通400μs断800μs。

此时，负载电流I(k)为：

其中，mod(k,6)表示k对6取余。

具体地，在本实施例中，当R＝311Ω时，相应的特征电流频谱图如图2所示，分析该频谱图可以发现，在中心频率两侧出现两个偏移50Hz的谐波信号，在2500Hz范围内只有50Hz、783.3Hz、883.3Hz、1616.7Hz、1716.7Hz共5个频域信号。其中1000Hz以上信号线路分流和衰减严重，50Hz信号和基波重合，无法用于提取。

这证明了本实施例中通过提取783.3Hz和883.3Hz两个频点进行信号进行传输，是最优化的频率选择方案。

三、谐波电流信号的编码

本实施例发送的中谐波电流信号发送到电网上之后，会受到背景噪声的干扰。为了尽可能减弱电网背景噪声的干扰，准确提取特征电流信号的能量，需要适当延长发送1位二进制编码的时间，使得在接收侧解码过程中让各周波提取的误差能互相抵消。

具体地，本实施例中设计发送1位二进制编码的时间为0.6秒，在Fs采样频率下可采样3000个点，对于有特征电流信号采用二进制1表示，无特征电流信号采用二进制0表示。本实施例电流信号编码采用16位二进制信息，前8位为[1 0 1 0 1 0 1 0]，该部分设计为用于寻找解码起始点。由于电网背景噪声在提取过程中会有很多[1 0]这种循环的信息，后8位设计为[1 1 1 0 1 0 0 1]，主要用于区分背景噪声，避免因噪声引起的误识别。

四、特征电流信号的解码

接收端可以从电网上采集到特征电流信号，考虑到信号中可能包含背景噪声，为了准确提取其中包含的特征信息，还需要对采集到的信号进行预处理。为了准确提取特征电流信号中的特征信息，本实施例创新地提出了一种新的基于滑动DFT(Discrete FourierTransform，离散傅里叶变换)的信号解码算法，先通过去负荷和均值滤波减少背景噪声干扰和频谱泄漏，然后通过帧同步算法确定解码起始点，最后进行解码处理。该方法可以在保证准确识别的前提下降低噪声影响。

电网背景电流十分复杂，噪声和负荷波动的影响导致直接用DFT提取存在频谱泄漏、提取不准的现象，从而干扰特征电流信号的提取效果，由于电网设备的负荷电流基本都是工频的整数倍，这里通过相邻周波相减去负荷进行初步去噪。

总采样点数为

去负荷后总点数减小，频率识别精度降低。为避免频率精度

变化，在去负荷时对初始值置为0，使得第一个周波和0作差，处理后总点数不变。

此时，对于5000Hz的采样频率，一个工频(f₀＝50Hz)周波采样点数为

因此采集到的特征电流信号，去负荷后可得：

(1)当

时，

(2)当

时，

上式归纳如下：

其中，

表示特征电流信号与工频信号的最小周期点数。

由于本实施例中负载通断信号的中心频率f_c＝833.3Hz，与工频的最小公共周期为3个工频周波，且负载通断信号占空比为1∶3，相邻周波的对应点特征电流信号刚好有和无交替，因此在相邻周波相减的处理后将原来的断开部分按照通路部分补齐，可见去负荷不仅可以减弱负荷噪声干扰，还能增强特征电流信号强度。

对于任何一个满足狄里赫利条件的周期信号都可展开为傅里叶级数。而在电网中的电流信号通常都为周期信号，因此都满足狄里赫利条件。

对于一个离散采样得到的电网电流

其三角函数形式的傅里叶级数为：

该信号可以写作直流分量a₀与各次谐波余弦分量a_n正弦分量b_n，具体如下：

本实施例中选用矩形窗，取滑动窗大小为T＝3000，连续对时域信号进行滑动提取，通过下式计算f₁和f₂的频域电流值：

为了充分利用特征电流信息保证提取效果，取两个频点的分量和进行解码，即：

上式中，

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₁处的频域特征信息；

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₂处的频域特征信息。

由于低压台区的用电设备多，电流波动频繁，为减少电流波动对同步的影响，采用如下公式进行均值滤波：

上式中，N_s表示特征电流信号的频率采样点数量，N_s＝600；

表示均值滤波前的信号特征；

表示均值滤波后的信号特征。

对每一个二进制为的3000个采样点进行分段取均值，若分段数过多，滤波效果不明显，则噪声干扰易导致同步不准，从而发生解码错误。若分段过少，则信号的0和1相对差异会减小，特征不明显。考虑这两方面因素，本实施例选取N_s＝600进行均值滤波，即每个二进制位用5个点进行描述。

针对8位二进制信息[1 0 1 0 1 0 1 0]。在滑动DFT提取过程中，当信息为1时，随着滑动窗推移，覆盖的特征电流信号越来越长，提取的信号强度也逐渐变大，直至累积3000个点后信号强度达到最大。当信息由1变0时，随着窗推移，窗内覆盖的特征电流信号越来越少，提取的信号强度也随之减弱，直至累积3000个点后信号强度最弱。根据此规律，可对信号前8位进行帧同步处理，取均值滤波后的前40个点，在[10m+1，10m+5]和[(2m+1)*5+5]内分别寻找最大值和最小值，其中m＝0，1，2，3。通过这种方式总共寻找H＝8个点，每个点的位置为S_h，则帧同步计算起始点如下式所示：

由此得到的

可能是小数，需要进行取整处理，因此最终确定的解码的起始点如下：

其中，round()表示四舍五入运算。

信号解码前首先需要计算前8位信号强度的均值，即设置N_H＝40；均值计算公式如下：

该阈值计算方法能根据电网电流信号自适应调整，不受接收侧电流互感器变比的影响，具有很好的适用性。

根据计算出的信号强度的均值将电流特征信号各位上的阈值分别设置为

然后以16个二进制位对所有80个点位单元进行滑动解码，解码过程中，依次判定各位是否满足：

其中，

ω＝S’+5λ；

上式中，λ表示一个预设的信号阈值，λ＝0…1；

a)若判定符合，则该位设置为1，

b)若判定不符合，则该位设置为0；

最后根据置位结果得到解码出的16位的解码信号。

五、拓扑关系判定

基于上步骤求解出的解码信号，以及预设的谐波电流信号，将解码信号与本台区中预设的谐波电流信号进行对比，若解码信号与预设的谐波电流信号相符，则判定当前电能表对应的电力用户属于本台区，否则判定该电力用户不属于本台区。

此外，由于负载通断过程可以产生谐波电流信号，这相当于在线路中加了一个电流源。变压器侧的等效阻抗为电能表及电能表上级整个电网的等效阻抗；相对于低压侧每一个分支的阻抗来讲都非常小，绝大部分电流均向变压器侧流。但是在其它支路、其它相上也会有微弱的分流，因此在其它两相也能检测到特征电流信号，但是幅值非常小，通过比较提取的三相特征电流幅值大小即可确定电能表所在相位。因此该方法可以准确识别出低压台区中准确电气拓扑结构。

实施例2

本实施例提供一种低压台区的电气拓扑识别系统，该系统用于采用如实施例1的低压台区的电气拓扑识别方法，判定各个电力用户与供电变压器台区之间的归属关系，进而确定电能表与变压器之间的拓扑结构。如图3所示，该电气拓扑识别系统包括：负载电阻通断模块、特征信息提取模块、降噪处理模块、滑动DFT提取模块、滤波处理模块、信号解码模块，以及台区判定模块。

其中，负载电阻通断模块安装在每个电能表的相线和零线上，用于向电网发送预设的谐波电流信号。

特征信息提取模块用于任意采集变压器台区电网上的特征电流信号。

降噪处理模块用于采用相邻周波相减的去负荷方法对采集到的特性电流信号进行降噪处理，进而增强信号强度。

滑动DFT提取模块用于对降噪处理模块输出的降噪后的特征电流信号进行信息提取，获取特征电流信号在目标频率上的频域特征信息。

滤波处理模块用于对特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理。

信号解码模块用于获取对均值滤波处理后的特征电流信号的频域特征信息进行帧同步，确定解码起始点，然后得到所需的解码信号。

台区判定模块用于将得到的解码信号与预设的谐波电流信号对比，当二者相符，则判定当前电能表对应的电力用户属于本台区，否则判定当前电力用户不属于本台区。

实施例3

本实施例提供,一种低压台区的电气拓扑识别装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。该处理器执行程序时实现如实施例1中的低压台区的电气拓扑识别方法的步骤。

该计算机设备可以是可以执行程序的智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器(包括独立的服务器，或者多个服务器所组成的服务器集群)等。本实施例的计算机设备至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信连接的存储器、处理器。

本实施例中，存储器(即可读存储介质)包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器可以是计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器也可以是计算机设备的外部存储设备，例如该计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。当然，存储器还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器通常用于存储安装于计算机设备的操作系统和各类应用软件等。此外，存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。

处理器在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制计算机设备的总体操作。本实施例中，处理器用于运行存储器中存储的程序代码或者处理数据，以实现前述实施例1中低压台区的电气拓扑识别方法的处理过程，从而根据发送得到谐波电流信号以及采集到的特征电流信号之间的关系，判定特定电能表与某个供电变压器负责的台区之间的归属关系。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于，其用于分析各个电力用户与不同台区供电变压器之间的供电归属关系；所述电气拓扑识别方法包括如下过程：

S1：在台区中的电力用户的电能表相线和零线上加装用于发送谐波电流信号的负载电阻通断模块；

S2：根据信号在电网上的传输特性确定谐波电流信号的目标频率，并设置待发送的谐波电流信号的编码规则；通过所述负载电阻通断模块向电网馈送满足目标频率和编码规则的谐波电流信号；

S3：在每个供电变压器的台区采集电网上产生的特征电流信号，并通过相邻周波相减去负荷方法对所述特征电路信号进行初步去噪，降低负荷噪声并增强信号强度；

S4：对上步骤降噪后的特征电流信号进行信息提取，获取特征电流信号在目标频率上的频域特征信息；

S5：对上步骤提取的特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理；

S6：根据预先设置的编码规则对均值滤波后的特征电流信号的频域特征信息进行帧同步计算，根据帧同步计算起始点得到解码起始点；

S7：计算解码起始点后八位的信号强度的均值，并以所述均值作为阈值对采集到的特征信息进行解码，得到所需的解码信号；

S8：判断所述解码信号是否与预设的谐波电流信号的特征信息一致：是则判定当前电力用户属于本台区，否则判定当前电力用户不属于本台区。

2.如权利要求1所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S1中，所述谐波电流信号通控制负载电阻通断模块按照预设的通断规律进行周期性通断而产生；选取负载通断中心频率fc＝833.3Hz，即负载通断周期为1200μs；每个负载通断周期内的占空比设置为1∶3；馈入到电网中的谐波电流的目标频率设置为f₁＝783.3Hz和f₂＝883.3Hz；

假设负载电阻通断模块的阻值为R；则电网中的电压U(t)和馈线电流I(t)分别如下：

U(t)＝311×sin(2πf₀t+θ)

I(t)＝311/Rsin(2πf₀t+θ)

上式中，f₀表示基波频率，f₀＝50Hz，t表示时间，θ为初始相位；

信号发送过程中，负载电阻通断模块在每个通断周期内可产生6个采样点，将采样率转化为离散域后，第k个采样点的时间t＝kdt，其中dt＝1/Fs；因而可得负载电阻通断模块上的负载电流I(k)为：

上式中，k表示采样点序号，mod(k，6)表示k对6取余。

3.如权利要求2所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S2的所述谐波电流信号的编码过程中，采用一个16位二进制编码作为所述电流谐波信号的编码；16位二进制编码的前八位设置为起始段，用于作为寻找信号的解码起始点；后八位设置为区分端，用于区分背景噪声和真实信息；

负载电阻通断模块的信号发送间隔设置为0.6s，当具有特征电流时表示二进制特征值1，无特征电流时表示二进制特征值0。

4.如权利要求3所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S3中，采集到的特征电路信号即为负载电阻通断模块上的负载电流I(k)；信号采样过程中，总采样点数为

初步降噪过程中，在去负荷时对初始值置为0，使得第一个周波和0作差，处理后总采样点的数量不变；针对预设的采样频率F_s，一个工频上的周波采样点数为

因而得到去负荷后的特征电流信号

如下：

(1)当

时，

(2)当

时，

5.如权利要求4所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S4中，特征电路信号的频域特征信息的获取方法如下：

(1)将去负荷后的特征电流信号

展开为如下的三角函数形式的傅里叶级数：

(2)根据上步骤的傅里叶级数，得到如下的去负荷后的特征电流信号

的直流分量a₀、各次谐波余弦分量a_n，以及正弦分量b_n：

(3)设置滑动DFT信号解码算法中滑动窗的大小T，连续对于时域信号进行滑动提取，采用下式计算出去负荷后的特征电流信号

的频域电流值：

(4)根据两个目标频率出的分信号分量，确定解提取的特征电流信号I_n(k)在目标频率上的频域特征信息如下：

上式中，

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₁处的频域特征信息；

为原始特征电流信号I(k)在目标频率f₂处的频域特征信息。

6.如权利要求5所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S5中，均值滤波处理的公式如下：

上式中，N_s表示特征电流信号的频率采样点数量，N_s＝600；

表示均值滤波前的信号特征；

表示均值滤波后的信号特征。

7.如权利要求6所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S6中，帧同步起始点

通过下式如确定：

上式中，S_h表示特征电流信号中每个采样点的位置，H表示采样点在预设的16位二进制编码的前8位中的序号；

考虑到计算出的帧同步起始点

可能为小数，因而将其取整处理后确定最终的解码起始点S’如下：

上式中，round()表示四舍五入运算。

8.如权利要求7所述的低压台区的电气拓扑识别方法，其特征在于：步骤S7中，解码信号的生成过程如下：

(1)采用下式计算帧同步后的特征电流信号的起始点后8位的信号强度的均值

上式中，N_H表示解码信号的点位单元数量，N_H＝40；

(2)根据计算出的信号强度的均值将电流特征信号各位上的阈值分别设置为

(3)以16个二进制位对所有80个点位单元进行滑动解码，解码过程中，依次判定各位是否满足：

其中，

ω＝S+5λ；

上式中，λ表示一个预设的信号阈值，λ＝0…1；

a)若判定符合，则该位设置为1，

b)若判定不符合，则该位设置为0；

最后根据置位结果得到解码出的16位的解码信号。

9.一种低压台区的电气拓扑识别系统，其特征在于：其用于采用如权利要求1-8中任意一项所述的低压台区的电气拓扑识别方法判定各个电力用户与供电变压器台区之间的归属关系，进而确定电能表与变压器之间的拓扑结构；所述电气拓扑识别系统包括：

负载电阻通断模块，其安装在每个电能表的相线和零线上，用于向电网发送预设的谐波电流信号；

特征信息提取模块，其用于任意采集变压器台区电网上的特征电流信号；

降噪处理模块，其用于采用相邻周波相减的去负荷方法对采集到的特性电流信号进行降噪处理，进而增强信号强度；

滑动DFT提取模块，其用于对降噪处理模块输出的降噪后的特征电流信号进行信息提取，获取特征电流信号在目标频率上的频域特征信息；

滤波处理模块，其用于对特征电流信号的频域特征信息进行均值滤波处理；

信号解码模块，其用于获取对均值滤波处理后的特征电流信号的频域特征信息进行帧同步，确定解码起始点，然后得到所需的解码信号；以及

台区判定模块，其用于将得到的解码信号与预设的谐波电流信号对比，当二者相符，则判定当前电能表对应的电力用户属于本台区，否则判定当前电力用户不属于本台区。

10.一种低压台区的电气拓扑识别装置，其特征在于：其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8中任意一项所述的低压台区的电气拓扑识别方法的步骤。

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