夏小晴，李軒

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

低壓配電系統(tǒng)處于整個(gè)電力系統(tǒng)的末端，其任務(wù)在于對(duì)用戶供電。隨著居民生活用電需求的急劇增加，用戶違約用電、私自搭接線路等問(wèn)題在低壓配電系統(tǒng)中頻繁發(fā)生，不僅增加了電能表客戶歸屬的辨識(shí)難度，還嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)營(yíng)與安全風(fēng)險(xiǎn)并存[1-6]。

在日常的配電運(yùn)維管理工作中，往往存在戶變連接關(guān)系不清晰的問(wèn)題[7-12]。尤其是老舊臺(tái)區(qū)，部分拓?fù)涓緹o(wú)法直接獲取，需要進(jìn)行人工摸查，工作量巨大，造成了人力、物力的浪費(fèi)。而且人工摸查也存在獲取臺(tái)區(qū)拓?fù)洳粶?zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)臺(tái)區(qū)拓?fù)浒l(fā)生變動(dòng)時(shí)，往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，造成臺(tái)區(qū)拓?fù)浣泳€圖、單線圖質(zhì)量下降，臺(tái)區(qū)線損不正確，停電定位準(zhǔn)確率降低等諸多問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，研發(fā)了基于高速電力線載波通 信（High Speed Power Line Communication，HPLC）組網(wǎng)的低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)，旨在建設(shè)基于電力物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)智慧臺(tái)區(qū)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)側(cè)、低壓線路側(cè)、用戶側(cè)等感知信息的自動(dòng)采集，通過(guò)部署臺(tái)區(qū)總監(jiān)測(cè)終端、分支監(jiān)測(cè)終端、分支監(jiān)測(cè)單元等端設(shè)備實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)狀態(tài)的感知，由集中器、邊緣代理等邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息邊緣計(jì)算，采用無(wú)線專網(wǎng)/公網(wǎng)等通信方式將采集數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)管理平臺(tái)或智慧臺(tái)區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和算法研究，自動(dòng)識(shí)別臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系。

1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)平臺(tái)重點(diǎn)建設(shè)物聯(lián)管理平臺(tái)和邊緣網(wǎng)關(guān)，對(duì)下實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)采集終端、傳感器、智能終端的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，對(duì)上向第三方應(yīng)用、業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與服務(wù)[13-18]。在臺(tái)區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，生成臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D，同時(shí)可在拓?fù)鋱D上延伸數(shù)據(jù)分析，具有線損精準(zhǔn)分析、故障精準(zhǔn)定位和主動(dòng)巡檢等優(yōu)點(diǎn)，其總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu)

臺(tái)區(qū)總監(jiān)測(cè)終端、分支監(jiān)測(cè)終端、分支監(jiān)測(cè)單元等將數(shù)據(jù)通過(guò)HPLC傳送至邊緣網(wǎng)關(guān)。邊緣網(wǎng)關(guān)不僅具備傳統(tǒng)終端的接入、設(shè)備協(xié)議及模型轉(zhuǎn)換、設(shè)備數(shù)據(jù)分析處理等功能，還可通過(guò)MQTT（Mes?sage Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議將數(shù)據(jù)上報(bào)至智慧臺(tái)區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)功能

2.1 終端智慧物聯(lián)

智慧物聯(lián)體系采用經(jīng)濟(jì)合理的方式實(shí)現(xiàn)終端深度感知、邊緣智能分析和物聯(lián)接入。邊緣設(shè)備具備通用化、平臺(tái)化及可擴(kuò)展化特點(diǎn)，通過(guò)APP平滑升級(jí)實(shí)現(xiàn)軟件功能擴(kuò)展。物聯(lián)管理平臺(tái)支持智能終端直接接入、邊緣設(shè)備匯聚接入、業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入等多種接入模式，對(duì)多源多類型數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一模型進(jìn)行處理，統(tǒng)一在線管理多種接入方式和多類型終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)貫通以及生態(tài)開(kāi)放。

2.2 HPLC技術(shù)

窄帶電力線載波通信與HPLC的通信性能及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比如表1所示。對(duì)表1進(jìn)行分析可知，窄帶電力線載波通信方式采集效率低，無(wú)法實(shí)時(shí)在線抄表，不支持并發(fā)抄讀；數(shù)據(jù)通信量和通信速率低，只能抄收少量數(shù)據(jù)項(xiàng)，帶寬資源有限，不能實(shí)現(xiàn)智能電能表事件主動(dòng)上報(bào)。HPLC通信方式通信速率高，可在極短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，從而降低突發(fā)干擾的影響；HPLC通信可實(shí)現(xiàn)海量用電信息數(shù)據(jù)24 h實(shí)時(shí)傳輸、采集，以及臺(tái)區(qū)識(shí)別和相位識(shí)別等功能。

表1 窄帶電力線載波通信與HPLC通信參數(shù)對(duì)比表

2.3 邊緣設(shè)備

邊緣設(shè)備是一種可以提供決策和服務(wù)的智能代理，可實(shí)現(xiàn)終端側(cè)硬件資源與軟件應(yīng)用的深度解耦，滿足配電臺(tái)區(qū)不斷變化的應(yīng)用需求，大幅拓展各類終端功能的應(yīng)用范圍。此外，邊緣設(shè)備還具備本地處理感知數(shù)據(jù)的能力，使得邊緣計(jì)算與大數(shù)據(jù)應(yīng)用協(xié)同配合，保證配電網(wǎng)整體計(jì)算高效準(zhǔn)確。

2.4 拓?fù)渥R(shí)別

低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)通過(guò)臺(tái)區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的發(fā)送和回傳。系統(tǒng)終端存儲(chǔ)和描述組網(wǎng)內(nèi)部的拓?fù)鋽?shù)據(jù)，并自動(dòng)上傳最新的拓?fù)鋽?shù)據(jù)至系統(tǒng)主站；系統(tǒng)主站利用組網(wǎng)測(cè)量點(diǎn)屬性配置表和組網(wǎng)路由關(guān)系表處理和存儲(chǔ)終端上傳的原始拓?fù)鋽?shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)電能表拓?fù)涞淖兏闆r，及時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的原始拓?fù)鋽?shù)據(jù)。

3 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別算法及識(shí)別

3.1 基于隨機(jī)森林算法的單相電能表相別識(shí)別

隨機(jī)森林（Random Forest，RF）算法是Breiman在2001年提出的一種分類和預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。RF算法分為RF分類和RF回歸兩類，本文采用后者進(jìn)行單相電能表相別識(shí)別。與其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法相比，RF算法可以高效處理多變量和大數(shù)據(jù)量，具有模型參數(shù)少、運(yùn)算效率高、數(shù)據(jù)挖掘能力強(qiáng)以及預(yù)測(cè)精度高等特點(diǎn)。具體過(guò)程如下：

（1）對(duì)于t=1，2，…，T，對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行第t次隨機(jī)采樣，從訓(xùn)練集中隨機(jī)抽取m個(gè)采樣點(diǎn)，得到包含m個(gè)樣本的子采樣集Dt；

（2）一共進(jìn)行了T次隨機(jī)采樣，即有T個(gè)子采樣集，對(duì)每一個(gè)子采樣集訓(xùn)練一個(gè)弱學(xué)習(xí)器（回歸樹(shù)），回歸樹(shù)的訓(xùn)練采用最小均方差原則。算法學(xué)習(xí)見(jiàn)圖2。

圖2 算法學(xué)習(xí)

由于電流互感器采集電流為有效值，而電網(wǎng)中電流為矢量值，二者無(wú)法進(jìn)行直接相加計(jì)算，因此在一進(jìn)多出的分支箱中進(jìn)線電流不等于出線電流有效值之和。若簡(jiǎn)單考慮家庭用戶中家用電器功率因數(shù)（0.9~1.0），可將出線電流有效值相加作為進(jìn)線電流有效值的近似參考值，但與真實(shí)值存在一定誤差。為解決該不足，可結(jié)合電能表采集的單用戶功率因數(shù)、電流值以及電表箱與電能表拓?fù)潢P(guān)系，計(jì)算出該時(shí)刻用戶電流的矢量值，進(jìn)而逐步推算分支箱出線電流矢量值，通過(guò)各出線電流矢量值獲取更精確的分支箱進(jìn)線電流有效值，利用該值與出線柜出線電流進(jìn)行比較，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行修正。

3.2 基于大數(shù)據(jù)算法的分段拓?fù)渥R(shí)別

分別在變壓器出線、分支箱出線和電表箱進(jìn)線位置進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)，從而逐級(jí)算出父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，其低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別圖如圖3所示。

圖3 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別圖

3.2.1 出線柜與分支箱拓?fù)渥R(shí)別

設(shè)臺(tái)區(qū)下所有采集電流的合集為S={I1,I2,I3,…,Ik}，對(duì)每個(gè)分支箱采集的電流進(jìn)行求和，形成合集S′=，其中最小值記為。在合集S中刪除分支箱分項(xiàng)采集電流值以及所 有 小 于的電流值，形成新的合集S″={I1,I2,I3,…,Im}。將S″中每個(gè)值與進(jìn)行求差，根據(jù)差值大小取出其中最小3個(gè)值記為。再將S″中每個(gè)值與進(jìn)行求差，根據(jù)差值大小取出其中最小的3個(gè)值記為。依次反復(fù)，獲取,。

根據(jù)上下級(jí)關(guān)系，取某一時(shí)刻該分支箱進(jìn)線電流值和對(duì)應(yīng)上級(jí)電流值，若上級(jí)電流值為某分支箱分項(xiàng)電流值，則判定兩個(gè)分支箱級(jí)聯(lián)；若上級(jí)電流值不屬于任一分支箱分項(xiàng)電流值，則判定上級(jí)為出線柜。

3.2.2 分支箱與電表箱拓?fù)渥R(shí)別

根據(jù)上述判斷出的分支箱與出線柜上下級(jí)關(guān)系，在合集S中刪除所有分支箱對(duì)應(yīng)的上級(jí)出線柜（或分支箱）電流值，形成合集S0={I1,I2,I3,…,Ik}。取任意兩個(gè)值的差值，形成合集S1={I12,I13,I14,…,I1k}，I1k=I1-Ik,S2={I21,I23,I24,I25,…,I2k},…，Sk={Ik1,Ik2,Ik3,…，Ikk-1}。按15 min采集頻率，每天可采集96個(gè)點(diǎn)，求Sn中每個(gè)值的均方差，根據(jù)均方差中最小值確定分支箱出線與電表箱的上下級(jí)關(guān)系。

3.2.3 拓?fù)涑尸F(xiàn)

通過(guò)臺(tái)區(qū)的總監(jiān)測(cè)終端、分支監(jiān)測(cè)終端和分支監(jiān)測(cè)單元，分別獲取臺(tái)區(qū)總表、分支箱和電表箱側(cè)的電量、電流和電壓?；谏鲜鏊惴?，根據(jù)子節(jié)點(diǎn)的電流、電壓和父節(jié)點(diǎn)的電流、電壓之間的關(guān)系，逐步判別出子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)一定量的數(shù)據(jù)積累驗(yàn)證，厘清臺(tái)區(qū)到分支箱、分支箱到表箱之間的關(guān)系，分段拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 分段拓?fù)鋱D

3.2.4 基于臺(tái)區(qū)實(shí)時(shí)拓?fù)涞臄?shù)據(jù)應(yīng)用

3.2.4.1 故障自動(dòng)定位和輔助運(yùn)維

低壓配電臺(tái)區(qū)區(qū)域往往缺乏有效的監(jiān)控能力及快速定位故障的方法，大多依靠分析用戶投訴信息來(lái)獲取故障信息。低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)采用分級(jí)監(jiān)控方式縮小停電區(qū)段判別范圍，通過(guò)低壓配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系快速定位發(fā)生故障的具體位置，有助于對(duì)用戶停電報(bào)修的責(zé)任界定，可有效避免糾紛，為用戶提供用電安全方面的診斷意見(jiàn)，提高用戶滿意度。

3.2.4.2 線損分析和異常研判

拓?fù)渥R(shí)別圖形成后，低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)描繪出分支線損曲線，不僅實(shí)現(xiàn)了分支線路級(jí)別的線損計(jì)算，還能通過(guò)線損異常情況進(jìn)行線損分析和異常研判，并在拓?fù)渥R(shí)別圖上進(jìn)行異?？梢暬故?，從而提升電網(wǎng)治理線損異常水平的能力。

4 應(yīng)用案例

4.1 試點(diǎn)概況及存在的問(wèn)題

選取某220 kV變電站，812東園Ⅰ回主干下的新源小區(qū)2號(hào)公用箱式變壓器（以下簡(jiǎn)稱箱變）作為試點(diǎn)應(yīng)用臺(tái)區(qū)。新源小區(qū)共有3個(gè)箱變，其中3號(hào)公用箱變覆蓋新源小區(qū)5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)居民樓及相應(yīng)的公共用電。該臺(tái)區(qū)下有3個(gè)分支箱，但分支箱下覆蓋的具體居民樓資料缺失，存在以下問(wèn)題：

（1）小區(qū)內(nèi)戶變關(guān)系不清晰，臺(tái)區(qū)到分支箱、分支箱到戶表的圖紙缺失，無(wú)法判斷各分支對(duì)應(yīng)的樓棟和戶表；

（2）現(xiàn)有低壓臺(tái)區(qū)的采集數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)，難以實(shí)現(xiàn)故障的精確定位，不利于故障的及時(shí)排查。

4.2 試點(diǎn)應(yīng)用臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D

依托低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)出線側(cè)、分支箱出線側(cè)、表箱進(jìn)線側(cè)進(jìn)行分別監(jiān)控，分段監(jiān)測(cè)示意圖如圖5所示。

圖5 分段監(jiān)測(cè)示意圖

分別在出線柜出線、分支箱出線和電表箱進(jìn)線位置安裝電流傳感器，以15 min頻率采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)HPLC通信模塊將相關(guān)信息上傳至邊緣代理裝置。傳感器分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)，隨著層級(jí)增加，傳感器級(jí)別分類也隨之增加，目的是為了輔助確認(rèn)傳感器的父節(jié)點(diǎn)。通過(guò)分段監(jiān)測(cè)采集臺(tái)區(qū)側(cè)、分支箱側(cè)、表箱側(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和拓?fù)渌惴Ｐ吞幚砼_(tái)區(qū)各節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，從而繪制出臺(tái)區(qū)拓?fù)潢P(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 10 kV 812東園Ⅰ回主干下新源小區(qū)2號(hào)公用箱拓?fù)鋱D

4.3 試點(diǎn)應(yīng)用臺(tái)區(qū)總體線損分布

通過(guò)布置在不同位置出線側(cè)的電流互感器，獲得每一個(gè)分支電量的線損值及相應(yīng)的線損率，臺(tái)區(qū)總體線損圖如圖7所示。

圖7 10 kV 812東園Ⅰ回主干下新源小區(qū)2號(hào)公用箱臺(tái)區(qū)線損圖

4.4 試點(diǎn)應(yīng)用臺(tái)區(qū)故障監(jiān)測(cè)

依托低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)，該試點(diǎn)小區(qū)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)的故障情況和故障位置。圖8和圖9為臺(tái)區(qū)電表箱7號(hào)樓1單元2戶發(fā)生故障的情況。

圖8 試點(diǎn)小區(qū)故障提示圖

圖9 試點(diǎn)小區(qū)故障記錄

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

（1）低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別系統(tǒng)主體監(jiān)測(cè)模塊于2021-05-20正式投入試掛測(cè)試運(yùn)行，其中兩臺(tái)出線柜、兩臺(tái)分支箱（共含5臺(tái)斷路器）、25臺(tái)表箱、49臺(tái)電能表的監(jiān)測(cè)模塊在5月21日第一次與主站系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)通信，并完成96條數(shù)據(jù)入庫(kù)；在算法模型剔除樣本特征類似的7條無(wú)效數(shù)據(jù)后，初步繪制出臺(tái)區(qū)拓?fù)潢P(guān)系圖。

（2）該系統(tǒng)正式投入試掛測(cè)試運(yùn)行至2021-06-30，經(jīng)過(guò)41個(gè)自然日的運(yùn)行，共處理3936筆包括拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別、拓?fù)洚惓１O(jiān)控、分段線損分析、故障分析等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，其中出現(xiàn)的拓?fù)洚惓，F(xiàn)象是由軟件原因造成，已驗(yàn)證恢復(fù)，臺(tái)區(qū)無(wú)故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生。由人工模擬1條數(shù)據(jù)用以演示故障分析模塊業(yè)務(wù)功能，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。

（3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊平均回傳時(shí)間≤3 s。

（4）實(shí)現(xiàn)了對(duì)試掛臺(tái)區(qū)設(shè)備6類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即臺(tái)區(qū)出線柜和分支箱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括采集時(shí)間、設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)、三相電流、零序電流、三相不平衡度、三相電壓、有功功率（kW）、無(wú)功功率（kvar）、視在功率（kVA）、功率因數(shù)、用電量（kWh）；電表箱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括采集時(shí)間、臺(tái)區(qū)名稱、U相電流、三相不平衡度、U相電壓、有功功率（kW）、用電量（kWh）；出線柜—分支箱和分支箱—電表箱監(jiān)測(cè)線損數(shù)據(jù)，包括線段、線損電量，線損率等；故障情況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括故障時(shí)間、影響范圍、影響用戶數(shù)（用戶編號(hào)、電表編號(hào)、用戶位置）、影響設(shè)備數(shù)（臺(tái)區(qū)編號(hào)、設(shè)備類型、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備位置）等。

通過(guò)大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、HPLC通信技術(shù)、智能傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)全景監(jiān)測(cè)與智能調(diào)配技術(shù)的實(shí)施和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)低壓設(shè)備和電能表的本地組網(wǎng)，高頻采集低壓智能終端、電能表等數(shù)據(jù)，支撐臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別、故障精確定位、線損分段計(jì)算等功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于HPLC研發(fā)了低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)，不僅可以明確臺(tái)區(qū)中的戶變關(guān)系，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)不同線路的線損電量和線損率，還能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)故障情況和故障位置，促進(jìn)和加強(qiáng)運(yùn)用智慧大數(shù)據(jù)技術(shù)、全景監(jiān)測(cè)及智能調(diào)配技術(shù)在電力通信系統(tǒng)運(yùn)行管理方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)警、全程調(diào)配、閉環(huán)管理，在更廣層面、更深層次上提升電力通信運(yùn)維能力，為內(nèi)蒙古電網(wǎng)低壓配電網(wǎng)精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐。