配電物聯網臺區拓撲自動識別：技術解析與實踐應用

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工作背景?

在國家“3060戰略”建設以新能源為主體的新型電力系統的新時代背景下，浙江省響應國家能源局整縣屋頂分布式光伏建設試點工作，選取30個縣（市、區）進行試點示范。在支撐整縣屋頂分布式光伏試點建設工作中，低壓配電網已然成為實踐國網公司“建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業”和浙江公司“建設能源互聯網形態下多元融合高彈性電網”戰略的主戰場。依據國網公司總部下發的《國網設備部關于印發2021年臺區智能融合建設應用提升工作方案的通知》（設備配電﹝2021﹞37號）相關工作指導思想，通過建設配電物聯網臺區，利用核心技術裝備——臺區智能融合終端實現對接入設備和分布式電源（光伏）的全景監控，從而支撐公司對分布式電源大規模消納與精益化運行運維及運營管理的業務應用需求。

近期，國網公司召開整縣光伏建設推進工作會指出，對于已接入分布式光伏的臺區，要求完成臺區智能融合終端全覆蓋。到2021年底，全省將完成全省9萬個臺區的智能終端部署工作。為有力支撐整縣屋頂光伏建設工作，浙江公司計劃于2022年在全省11個地市公司開展配電物聯網臺區向下延伸組網及應用規?；痉督ㄔO工作（每個地市公司選取1個供電所實現全覆蓋建設）。為了更好地支撐整縣屋頂低壓分布式光伏接入后的臺區精益運行運維運營管理，需要實現基于臺區智能融合終端的全景狀態感知配電物聯網臺區；其中，拓撲自動辨識技術則是實現配電物聯網臺區全景狀態感知的最核心基礎應用，其重要性不言而喻。

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拓撲自動辨識技術概述

配電網電壓等級分為高壓配電電壓(110kV、63kV、35kV)，中壓配電電壓(10kV)和低壓配電電壓(0.4kV)，低壓配電臺區指10kV/0.4kV 配電變壓器的供電范圍或區域。因此，配電臺區拓撲主要聚焦于0.4kV 電壓等級的拓撲關系識別，即“變-戶”關系的識別（這里的“戶”可以專指低壓用戶）。由于技術和管理水平落后，低壓配電網在建設和維護方面較之于輸電網絡存在較大差距。配電臺區內涉及資產較多且連接關系復雜，變壓器、表箱、電能表等資產信息及相互間拓撲連接關系都需要準確錄入信息化系統，以往常常采用人工手動錄入，消耗時間多且難以保證工作質量；且隨著時間的推移，農網改造、表箱更換等施工項目的實施，使得臺區內設備及拓撲圖變更頻繁。

低壓拓撲錯誤

主要表現

●?“戶-變”對應關系錯誤，即檔案劃分錯誤，將不是本臺區(一般為鄰近臺區)的電表號加載到本臺區集中器中，影響臺區線損計算的準確性；

●?“戶-線”即用戶與分支線關系缺失，缺少用戶與配變之間線路連接信息，當臺區出現故障，無法快速準確判斷故障區間和停電區間。

導致低壓臺區拓撲錯誤的原因

1

由于低壓臺區建設期間用戶電表檔案錯誤，造成低壓配電拓撲錯誤；

2

對臺區重視不足，建設過程中只記錄部分臺區信息，造成低壓臺區拓撲信息缺失；

3

低壓臺區出現故障時，在巡檢搶修中調整接線時沒有記錄或記錄錯誤造成低壓臺區拓撲錯誤。

近年來，圍繞臺區拓撲識別的技術研究工作，涌現了許多技術方法，具體如表1所示。

表1 拓撲識別“戶-變”識別方法比對分析

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上述方法雖然能較好的實現戶變識別，但是方法2-4基于載波通信原理，受時鐘同步性、采樣誤差、臺區串擾等因素影響，識別準確率相對較低，且適用場景受載波通訊設備的限制，方法5-7需要造成瞬間短路在電壓、電流上產生巨大脈沖，才能實現識別，會引起電網電壓、電流的巨大波動，可能會危害用戶設備和配網的穩定運行，并且難以實現相關設備的小型化，推廣成本高。

另外，大數據方法也是研究比較多的一類技術方案，這類方案主要是基于電表的電氣量數據（電壓、電流、電量、瞬時功率等）進行分析求解，基于一系列啟發式優化算法、隨機模擬算法、最小二乘、回歸優化等算法，得到戶變關系。這類方法無需增加投資成本，但是，受限于電氣量采集的同步性、精度、小表和零表、線路竊電、線損、采集和通信等因素的影響，在實際應用中準確率無法保證，難以實現大范圍推廣。

伴隨著整縣屋頂光伏建設、電動汽車以及分布式儲能、微電網的普及推廣，低壓配電網絡已逐步由無源發展成為有源的網絡結構，繼而對于低壓配電臺區的拓撲信息提出了更高的要求：一方面，“戶”發展成為廣義的“用戶”，包括分布式光伏、充電樁、分布式儲能等其他新增類型的末端節點；另一方面，低壓網絡拓撲的關鍵分支節點，包括分支箱、表箱等，也成為了拓撲識別的對象。而在配電物聯網建設中，臺區拓撲自動辨識是最核心的基礎應用，有了它就好比為配網運維檢修人員提供了“地圖導航”，可呈現直觀、實時的臺區結構及運行、故障情況，促進搶修效率提升，有效縮短停電時間。因此，在滿足浙江公司實際業務需求的基礎上，如何設計出可靠性好、準確率高、抗擾能力強的拓撲識別技術方案，將是推動配電物聯網建設與能源互聯網應用的關鍵所在。

03

拓撲識別技術測試

1、技術平臺研發

為了能夠更加全面、高效地對拓撲識別技術進行測試和驗證，國網浙江電科院自主研發了國內首套配電物聯網臺區“邊-端”交互功能測試平臺，如圖1中所示。

該平臺根據測試需求，可接入充電樁、儲能、光伏、低壓監測單元等各類新型智能設備和感知裝置，驗證接入裝置與智能融合終端之間的“邊-端”交互能力。通過半真型方式模擬實際臺區的物理特征，平臺可一鍵生成多臺區、多分支、多層級的復雜拓撲結構，能夠靈活構造浙江配電網典型臺區場景，并據此開展電能質量治理、智能自治等應用的功能測試。與傳統的實驗室原理性測試或現場運行測試相比，該平臺既高度還原了真實低壓臺區運行環境，又具備實驗室檢測平臺的靈活性和可定制化，能更好地量化評估被測設備的功能和性能，可滿足配電物聯網新技術、新業務的測試與研究需求。

2、測試工作開展情況

現階段，最為主流的拓撲識別技術類別為微電流注入法，較之于其他類別的方案（如大數據分析法或信號相關性法）在拓撲識別的有效性與可靠性方面具有顯著優勢。針對微電流注入法，其實現方案上也存在一定的差異性，主要包括“有功電流注入+時域信號檢測”、“有功電流注入+頻域信號檢測”、“無功電流注入+時域信號檢測”、“無功電流注入+頻域信號檢測”4種實現方式。目前，在浙江省內尚未有統一的技術路線，使得拓撲識別技術及其配套低壓延伸感知終端（如LTU低壓監測單元）硬件存在顯著差異化，直接導致邊-端設備交互應用存在強耦合（即同一臺區下，所有TTU與LTU必須使用同一家設備，如圖2中所示），不利于全省的推廣建設與應用。

針對這一情況，為選取滿足浙江公司配電物聯網臺區建設應用需求的最優拓撲識別技術方案、實現拓撲識別配套終端設備（低壓監測單元）的功能規范統一與互聯互通兼容應用，2021年9月1日至15日期間，電科院對省內四個主要技術供應商的拓撲識別方案進行了專項測試，各供應商相關專業技術人員參與并確認最終檢測結果。參與測評的技術方案如表2所示。

表2 參與專項測試的拓撲識別技術方案比對分析

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基于配電物聯網“邊-端”交互功能試驗平臺，省電科院從“設備即插即用、拓撲識別準確性、相位識別準確性、拓撲識別時間、識別抗擾能力“5個維度，對參評的臺區拓撲識別技術進行全方位測評。測試過程中，為被測試的拓撲識別技術方案設置了“4種拓撲結構、15個測試項目和15種測試運行工況”，通過多節點、多層級、多元素接入下的多種運行工況，對拓撲識別技術方案進行全方位評估測試，以更加高效、快捷、有效的方式掌握拓撲識別技術的優勢和不足。

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測試結果分析與建議

通過大量的測試和比對工作，對4個參評的方案進行了全方位的比對，得到了以下幾個方面的結論：

（1）分布式光伏接入、SVG無功補償、充電樁接入以及諧波電流注入與電源相位突變等工況，會影響拓撲識別算法的準確性；

（2）隨著拓撲節點、拓撲層級規模的增加，拓撲世界所需時間同步增加；但考慮到實際臺區拓撲結構的變化周期，現有拓撲識別算法的響應速度能夠滿足業務應用需求；

（3）基于HPLC構建本地通訊網絡時，相鄰臺區存在著串臺區干擾（即出現交叉組網的情況），會對拓撲識別算法產生影響；

（4）“有功電流注入+頻域檢測”技術路線在整個拓撲識別測試中所呈現出的表現最優，識別準確率和適應性最好。

基于上述評價結果，省電科院從實現“配電物聯網邊-端設備互聯互通應用”的目標出發，對應用于浙江公司的拓撲辨識技術（特征電流物理特征）、拓撲識別交互數據項及相關功能進行了優化和統一標準化，見表3。

表3 浙江公司基于特征電流注入的拓撲識別物理特征

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總結? ? ? ? ??

臺區拓撲識別技術作為基于臺區智能融合終端的配電物聯網建設的最核心基礎應用，也是后續開展更多云-邊-端協同下的配電網精益化運維管理和能源互聯網業務應用基礎。通過此次專項測評工作，為后續更多全省各地市計劃部署的配電物聯網新技術、新裝備應用奠定了基礎，有利的推動了我省配電網數字化發展，滿足更安全、更可靠、更清潔、更多元化的用電需求，全力支撐新型電力系統建設。

審核編輯：黃飛

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