CN117996938A - 一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，本发明采用“云、管、边、端”顶层架构，以智能融合终端为边缘计算核心，实现边设备到云主站的注册和低压设备到边设备进行即插即用注册，采用动态规划方法分为节点归属识别、设备类型识别和连接设备识别三个阶段，完成了设备的拓扑连接识别。采用基于冻结数据的阻抗计算和校核分析识别设备连接关系。本发明方法在设备注册流程中自动完成设备拓扑辨识，实现了设备并网的即插即用，提升接入效率，满足低压配电网精益化管理需求；提升配电台区区域能源管理能力，满足分布式能源接入、多元化负荷管控需求。

Description

一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法

技术领域

本发明涉及一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，属于配电网设备的即插即用技术领域。

背景技术

低压配电网处于整个电网的末端，具有分布广、供用电环境复杂和运行维护难度大等特点，长期以来缺乏有效的运行监测和运维管理手段，现有监测管控手段不足且人力资源无法匹配，无法满足低压配电网精益化管理要求，无法满足快速变化的业务服务需求。近年来，分布式可再生能源发电、电动汽车得到了快速发展，传统的电源、电网和负荷关系发生了深刻变化，配电网正面临着大规模分布式发电、充电站(桩)设备及数据接入等带来的巨大挑战。配电主站对配电网的调度管理，由中压扩展到低压用户侧，接入设备数量呈现几何式增长。配网智能终端设备种类多、数量巨大，且生产厂家众多，存在数据量大、设备模型不统一和接入调试工作量大等问题，这为设备管理和生产运维都带来了巨大挑战。另一方面，低压配电网精益化管理需求，需要进行故障定位、分段线损计算、功率调度、智能分析和辅助决策等高级应用，需要获取设备间的连接关系，单一设备数据无法支撑业务需求。

目前实现配电台区电气网络拓扑关系识别的方法主要有：

第一信号注入法，在传统智能设备上增加硬件发射电路，用于注入工频信号，在台区出线和分支节点处注入工频信号，通过对工频信号的获取，实现台区拓扑的识别，该方法的优点是准确性较高，但是现场需增加或更换设备，涉及人工选点、安装和测试等工作，增加硬件和人工成本；

第二数据识别分析，根据低压台区的电量守恒关系构建约束与多目标函数模型，并利用遗传算法进行优化，解析最优解得到台区拓扑关系。该方法需要获取数据量大，拓扑关系识别时需要感知所有计量点，无法实现快速连接关系识别，不适用于设备即插即用并网注册流程中应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，采用“云、管、边、端”顶层架构，以智能融合终端为边缘计算核心，提升配电台区区域能源管理能力，满足分布式能源接入、多元化负荷管控需求。

为达到上述目的，本发明提供一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，

包括云主站、智能融合终端和低压设备，

智能融合终端实现边设备到云主站的注册和低压设备到边设备进行即插即用注册。

优先地，边设备到云主站的注册，通过以下步骤实现：

边设备向云主站上送边设备的唯一标识；

边设备向云主站上送设备信息模型。

优先地，低压设备到边设备即插即用注册，通过以下步骤实现：

端设备采用载波通信自组网功能，自动识别低压设备入网，获得台区低压设备的地址信息；

端设备向边设备发送注册信息；

根据注册信息和内部预置的端设备信息模型库，边设备获取端设备模型；

利用基于频率的瞬时变化的同步对时方法，实现边设备与端设备时标同步；

根据端设备模型及注册信息，边设备识别端设备拓扑关系；

边设备上送端设备的注册信息及端设备拓扑关系到云主站。

优先地，利用基于频率的瞬时变化的同步对时方法，实现边设备与端设备时标同步，通过以下步骤实现：

台区智能融合终端与低压设备通过载波方式通信，台区智能融合终端获取低压设备的标识；

台区智能融合终端设置t2时间为对时时标，并向低压设备发送对时时标；

低压设备收到对时时标后，向台区智能融合终端回复确认消息，低压设备开始监测电网频率的瞬时变化；

当计时等于t2时间时，台区智能融合终端改变某相位的瞬时频率；

若低压设备监测到电网频率的瞬时变化，则将低压设备的时钟设置为对时时标。

优先地，边设备识别端设备拓扑关系，通过以下步骤实现：

判断端设备的节点归属台区，获得判定为本台区节点的端设备；

根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系。

优先地，判断端设备的节点归属台区，获得判定为本台区节点的端设备，通过以下步骤实现：

若注册端设备电压与台区电压的协方差是正值，则端设备电压与台区电压正相关，判定端设备为本台区节点；若端设备电压与台区电压的协方差是负值，则端设备电压与台区电压负相关，判定端设备为非台区内节点；

端设备电压与台区电压的协方差的计算公式为：

式中，cov(X,Y)为端设备电压与台区电压的协方差，n为端设备数量；X_i为计算周期内台区低压侧电压的冻结数据，X_ave为计算周期内台区低压侧电压的冻结数据的平均值；Y_i为计算周期内端设备的冻结电压数据，Y_ave为计算周期内端设备的冻结电压数据的平均值。

优先地，根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系，通过以下步骤实现：

若本台区节点的端设备节点类型为分支设备，则判断该分支设备是否为已注册分支设备的同位置连接节点；

若该分支设备和已注册分支设备的电流值相等，该分支设备和已注册分支设备的冻结电量偏差小于线路损耗，且该分支设备和已注册分支设备的电流偏差小于预先获取的电流采样误差，则判定该分支设备为已注册分支设备的同位置连接节点，否则判定该分支设备不是已注册分支设备的同位置连接节点，判定该分支设备为台区新增的分支节点。

优先地，根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系，还包括：

若本台区节点的端设备节点类型为末端设备，则查找与末端设备连接的分支节点；

查找与末端设备连接的分支节点，包括以下步骤：

利用与末端设备连接的分支节点和末端设备的冻结电压和冻结电流，计算分支设备与末端设备的计算阻抗值；

基于预设的置信区间，判断计算阻抗值的阻抗合理度，并通过与末端设备连接的分支节点和末端设备的电流、电量进行约束校验，选择连接的分支设备；

计算分支设备与末端设备的计算阻抗值：

式中，为分支设备冻结电压，/>为末端设备的冻结电压，/>为分支设备与末端设备间的计算阻抗，/>为注册末端节点的冻结电流。

优先地，基于预设的置信区间，判断计算阻抗值的阻抗合理度，通过以下步骤实现：

等时间间隔测量已注册分支设备的阻抗估计值样本；

利用统计原理得到阻抗估计值样本的中位数，并作为阻抗估计值；

通过Student’s-t分布获取用于检验阻抗估计值的置信区间Z：

A＝t(0.05,n-1)，

式中，μ为阻抗的合理基准值，A为95％的置信度的t分布，S_n为样本方差，n为样本个数，R_i为台区不同设备的计算阻抗分布；

若计算阻抗值在置信区间Z的范围内，则判定计算阻抗值合理，否则判定计算阻抗值不合理。

优先地，通过与末端设备连接的分支节点和末端设备的电流、电量进行约束校验，选择连接的分支设备，通过以下步骤实现：

若分支设备的电流大于已接入该分支设备的末端节点电流与待接入节点的末端电流之和，且分支设备的冻结电量大于已接入的该分支设备的末端冻结电量与待接入节点的末端冻结电量之和，则判定该末端设备为分支设备的连接末端设备。

本发明所达到的有益效果：

本发明采用“云、管、边、端”顶层架构，以智能融合终端为边缘计算核心，实现边设备到云主站的注册和低压设备到边设备进行即插即用注册，采用动态规划方法分为节点归属识别、设备类型识别和连接设备识别三个阶段，完成了设备的拓扑连接识别。采用基于冻结数据的阻抗计算和校核分析识别设备连接关系。本发明方法在设备注册流程中自动完成设备拓扑辨识，实现了设备并网的即插即用，提升接入效率，满足低压配电网精益化管理需求；提升配电台区区域能源管理能力，满足分布式能源接入、多元化负荷管控需求。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明低压设备同步对时的流程图；

图3是本发明的拓扑关系识别流程图。

具体实施方式

以下实施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。

如图1所示，本发明所采用边、端层次化组测流程，低压配电物联网系统由云主站、智能融合终端、低压设备及通信通道构成；

智能融合终端软件采用APP(应用程序)模块化设计，实现配电台区低压设备数据汇聚、边

缘计算、应用集成等功能；智能融合终端部署即插即用APP，实现边设备到云主站的注册；

低压设备包括低压开关、故障指示器、电表、分布式电源和充电桩；

低压设备即插即用注册由智能融合终端即插即用APP、HPLC(宽带载波)模块、低压设备共同完成；

端设备到边设备的注册，端设备拓扑关系识别，端设备到云主站的注册等流程。

本发明提供一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，

智能融合终端实现边设备到云主站的注册和低压设备到边设备进行即插即用注册。

进一步地，本实施例中边设备到云主站的注册，通过以下步骤实现：

边设备向云主站上送边设备的唯一标识；

边设备向云主站上送设备信息模型。

进一步地，本实施例中低压设备到边设备即插即用注册，通过以下步骤实现：

端设备采用载波通信自组网功能，自动识别低压设备入网，获取载波网络的从节点数量和从节点信息，获得台区低压设备的地址信息；

端设备向边设备发送注册信息；

根据注册信息和内部预置的端设备信息模型库，边设备获取端设备模型；

利用基于频率的瞬时变化的同步对时方法，实现边设备与端设备时标同步；

根据端设备模型及注册信息，边设备识别端设备拓扑关系；

边设备上送端设备的注册信息及端设备拓扑关系到云主站。

注册信息见表1：

表1

字段	类型	描述
			nodeId	string	子设备唯一标识
name	string	子设备名称
			description	string	子设备描述
mfgInfo	string	子设备厂商信息
			nodeModel	string	子设备型号
modelId	string	子设备模型编号
			parentNodeId	string	上级设备唯一标识

进一步地，如图2所示，为保证计算数据为同一时间断面数据，对低压设备进行同步对时，本实施例中利用基于频率的瞬时变化的同步对时方法，实现边设备与端设备时标同步，通过以下步骤实现：

台区智能融合终端与低压设备通过载波方式通信，台区智能融合终端获取低压设备的标识；

台区智能融合终端设置t2时间为对时时标，并向低压设备发送对时时标；

低压设备收到对时时标后，向台区智能融合终端回复确认消息，低压设备开始监测电网频率的瞬时变化；

当计时等于t2时间时，台区智能融合终端改变某相位的瞬时频率；

若低压设备监测到电网频率的瞬时变化，则将低压设备的时钟设置为对时时标。

进一步地，端设备拓扑关系识别，采用动态规划方法将拓扑关系设别分为三个阶段：

第一步骤为节点归属判断，由于通信组网的干扰问题，可能存在不署于台区的端设备被边设备发现；

第二步为设备类型判断；

第三步针对不同节点类型完成连接设备识别，如图3所示。详细的步骤及方法如下：本实施例中边设备识别端设备拓扑关系，通过以下步骤实现：

判断端设备的节点归属台区，获得判定为本台区节点的端设备；

根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系。

进一步地，本实施例中判断端设备的节点归属台区，获得判定为本台区节点的端设备通过以下步骤实现：

采用协方差来衡量注册端设备电压与台区电压相关性关系，若注册端设备电压与台区电压的协方差是正值，则端设备电压与台区电压正相关，判定端设备为本台区节点；若端设备电压与台区电压的协方差是负值，则端设备电压与台区电压负相关，判定端设备为非台区内节点；端设备电压与台区电压的协方差的计算公式为：

式中，cov(X,Y)为端设备电压与台区电压的协方差，n为端设备数量；X_i为计算周期内台区低压侧电压的冻结数据，X_ave为计算周期内台区低压侧电压的冻结数据的平均值；Y_i为计算周期内端设备的冻结电压数据，Y_ave为计算周期内端设备的冻结电压数据的平均值。

进一步地，本实施例中根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系，通过以下步骤实现：

若本台区节点的端设备节点类型为分支设备，则判断该分支设备是否为已注册分支设备的同位置连接节点；

若该分支设备和已注册分支设备的电流值相等，该分支设备和已注册分支设备的冻结电量偏差小于线路损耗，且该分支设备和已注册分支设备的电流偏差小于预先获取的电流采样误差，则判定该分支设备为已注册分支设备的同位置连接节点，否则判定该分支设备不是已注册分支设备的同位置连接节点，判定该分支设备为台区新增的分支节点。

进一步地，本实施例中根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系，还包括：

若本台区节点的端设备节点类型为末端设备，则查找与末端设备连接的分支节点；

查找与末端设备连接的分支节点，包括以下步骤：

利用与末端设备连接的分支节点和末端设备的冻结电压和冻结电流，计算分支设备与末端设备的计算阻抗值；

基于预设的置信区间，判断计算阻抗值的阻抗合理度，并通过与末端设备连接的分支节点和末端设备的电流、电量进行约束校验，选择连接的分支设备；

对于任何一条末端支路，比如从注册末端节点B到中间节点n的线路，根据欧姆定律，计算分支设备与末端设备的计算阻抗值：

式中，为分支设备冻结电压，/>为末端设备的冻结电压，/>为分支设备与末端设备间的计算阻抗，/>为注册末端节点的冻结电流。

进一步地，本实施例中基于预设的置信区间，判断计算阻抗值的阻抗合理度，通过以下步骤实现：

等时间间隔测量已注册分支设备的阻抗估计值样本；

利用统计原理得到阻抗估计值样本的中位数，并作为阻抗估计值；

在估计数样本的大数据背景下，通过Student’s-t分布获取用于检验阻抗估计值的置信区间Z：

A＝t(0.05,n-1)，

式中，μ为阻抗的合理基准值，A为95％的置信度的t分布，S_n为样本方差，n为样本个数，R_i为台区不同设备的计算阻抗分布；

若计算阻抗值在置信区间Z的范围内，则判定计算阻抗值合理，否则判定计算阻抗值不合理。

优先地，通过与末端设备连接的分支节点和末端设备的电流、电量进行约束校验，选择连接的分支设备，通过以下步骤实现：

若分支设备的电流大于已接入该分支设备的末端节点电流与待接入节点的末端电流之和，且分支设备的冻结电量大于已接入的该分支设备的末端冻结电量与待接入节点的末端冻结电量之和，则判定该末端设备为分支设备的连接末端设备：

i_v>i_b+i_m1+i_m2…i_mn，

W_v>W_b+W_m1+W_m2…W_mn，

式中，i_v为分支设备的冻结电流，i_b为末端设备的冻结电流，i_mn为已注册在该分支设备下的末端设备的冻结电流；

W_v为分设备的冻结电量，W_b为末端设备的冻结电量，W_mn为已注册在该分支下的末端设备冻结电量。

边设备上送端设备的设备类型、分支设备连接关系或识别末端设备连接关系以及模型文件到云主站，完成端设备的到云主站的注册。

云主站、智能融合终端和低压设备上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。

节点类型包括分支设备和末端设备的两种设备类型；

设备类型包括开关、负荷、分布式电源、充电桩和储能。

注册信息包括节点类型和设备类型；

设备注册是有先后顺序，已注册分支设备是指之前前面已经接入的设备。

端设备信息模型库包括分布式电源、开关和充电桩。

冻结数据包括冻结电压、电流和电量。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，

包括云主站、智能融合终端和低压设备，

智能融合终端实现边设备到云主站的注册和低压设备到边设备进行即插即用注册。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，

边设备到云主站的注册，通过以下步骤实现：

边设备向云主站上送边设备的唯一标识；

边设备向云主站上送设备信息模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，

低压设备到边设备即插即用注册，通过以下步骤实现：

端设备采用载波通信自组网功能，自动识别低压设备入网，获得台区低压设备的地址信息；

端设备向边设备发送注册信息；

根据注册信息和内部预置的端设备信息模型库，边设备获取端设备模型；

利用基于频率的瞬时变化的同步对时方法，实现边设备与端设备时标同步；

根据端设备模型及注册信息，边设备识别端设备拓扑关系；

边设备上送端设备的注册信息及端设备拓扑关系到云主站。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，利用基于频率的瞬时变化的同步对时方法，实现边设备与端设备时标同步，通过以下步骤实现：

台区智能融合终端与低压设备通过载波方式通信，台区智能融合终端获取低压设备的标识；

台区智能融合终端设置t2时间为对时时标，并向低压设备发送对时时标；

低压设备收到对时时标后，向台区智能融合终端回复确认消息，低压设备开始监测电网频率的瞬时变化；

当计时等于t2时间时，台区智能融合终端改变某相位的瞬时频率；

若低压设备监测到电网频率的瞬时变化，则将低压设备的时钟设置为对时时标。

5.根据权利要求3所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，边设备识别端设备拓扑关系，通过以下步骤实现：

判断端设备的节点归属台区，获得判定为本台区节点的端设备；

根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系。

6.根据权利要求5所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，判断端设备的节点归属台区，获得判定为本台区节点的端设备，通过以下步骤实现：

若注册端设备电压与台区电压的协方差是正值，则端设备电压与台区电压正相关，判定端设备为本台区节点；若端设备电压与台区电压的协方差是负值，则端设备电压与台区电压负相关，判定端设备为非台区内节点；

端设备电压与台区电压的协方差的计算公式为：

式中，cov(X,Y)为端设备电压与台区电压的协方差，n为端设备数量；X_i为计算周期内台区低压侧电压的冻结数据，X_ave为计算周期内台区低压侧电压的冻结数据的平均值；Y_i为计算周期内端设备的冻结电压数据，Y_ave为计算周期内端设备的冻结电压数据的平均值。

7.根据权利要求5所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，

根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系，通过以下步骤实现：

若本台区节点的端设备节点类型为分支设备，则判断该分支设备是否为已注册分支设备的同位置连接节点；

若该分支设备和已注册分支设备的电流值相等，该分支设备和已注册分支设备的冻结电量偏差小于线路损耗，且该分支设备和已注册分支设备的电流偏差小于预先获取的电流采样误差，则判定该分支设备为已注册分支设备的同位置连接节点，否则判定该分支设备不是已注册分支设备的同位置连接节点，判定该分支设备为台区新增的分支节点。

8.根据权利要求7所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，根据判定为本台区节点的端设备节点类型，识别分支设备连接关系或识别末端设备连接关系，还包括：

若本台区节点的端设备节点类型为末端设备，则查找与末端设备连接的分支节点；

查找与末端设备连接的分支节点，包括以下步骤：

利用与末端设备连接的分支节点和末端设备的冻结电压和冻结电流，计算分支设备与末端设备的计算阻抗值；

基于预设的置信区间，判断计算阻抗值的阻抗合理度，并通过与末端设备连接的分支节点和末端设备的电流、电量进行约束校验，选择连接的分支设备；

计算分支设备与末端设备的计算阻抗值：

式中，为分支设备冻结电压，/>为末端设备的冻结电压，/>为分支设备与末端设备间的计算阻抗，/>为注册末端节点的冻结电流。

9.根据权利要求7所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，基于预设的置信区间，判断计算阻抗值的阻抗合理度，通过以下步骤实现：

等时间间隔测量已注册分支设备的阻抗估计值样本；

利用统计原理得到阻抗估计值样本的中位数，并作为阻抗估计值；

通过Student’s-t分布获取用于检验阻抗估计值的置信区间Z：

A＝t(0.05,n-1)，

式中，μ为阻抗的合理基准值，A为95％的置信度的t分布，S_n为样本方差，n为样本个数，R_i为台区不同设备的计算阻抗分布；

若计算阻抗值在置信区间Z的范围内，则判定计算阻抗值合理，否则判定计算阻抗值不合理。

10.根据权利要求7所述的一种基于动态规划的配电网智能设备层次化注册方法，其特征在于，

通过与末端设备连接的分支节点和末端设备的电流、电量进行约束校验，选择连接的分支设备，通过以下步骤实现：

若分支设备的电流大于已接入该分支设备的末端节点电流与待接入节点的末端电流之和，且分支设备的冻结电量大于已接入的该分支设备的末端冻结电量与待接入节点的末端冻结电量之和，则判定该末端设备为分支设备的连接末端设备。