張藝瓊，胡楊，王東亮，肖群英 〔南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106〕

摘 要： 拓撲模型對于智能配電網的建設至關重要。為了降低拓撲模型的維護工作量和提高拓撲模型的可靠性，提出了一種基于電力線通信的配電網拓撲自動建模方法。通過采用電力線通信的方式，建立含距離標識的配電網拓撲模型，將其作為拓撲分析、拓撲校核和故障自愈等智能化應用的參考依據(jù)。工程試點應用表明，所提方法能夠提高拓撲建模效率，具有較好的實用性。

0 引 言

配電網作為電力系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié)，承載著直接向用戶供電的重要使命[1]。打造堅強智能配電網是提高供電可靠性的一項重要舉措。完整、一致、準確、及時和可靠的拓撲模型是實現(xiàn)配電網智能化建設的基礎，能夠為配電網調度運行、檢修以及供電服務優(yōu)化提供關鍵支撐。

當前，針對配電網拓撲模型的研究可分為四類：第一類是基于IEC61968/IEC61970[2-3]等重要國際標準的配電網拓撲模型描述規(guī)則；第二類是適用于拓撲模型存儲與分析的高級應用算法，類似于鄰接表[4-5]、鄰接矩陣[6-7]、深度優(yōu)先遍歷算法和廣度優(yōu)先遍歷算法等；第三類是拓撲模型的具體用途，例如作為主站集中式饋線自動化(feeder automation, FA)、智能分布式FA和潮流計算等技術或者功能實現(xiàn)的模型依據(jù)；第四類是拓撲建模方法。相對于前三類研究而言，針對第四類的研究雖然不多，但其具有重要的研究價值。目前，拓撲建模工作主要依賴于人工維護完成，即模型維護人員在生產管理系統(tǒng)(product management system, PMS)或者地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)中提前將拓撲模型維護好，然后將其導入配電自動化主站系統(tǒng)，或者直接在配電自動化主站系統(tǒng)中將拓撲圖繪制出來。在配電網拓撲頻繁變更的背景下，該方式工作量巨大，以致常出現(xiàn)模型維護不及時和模型準確性偏低等問題。

鑒于當前基于人工維護的拓撲建模方法工作量大、準確性不高以及基于智能分布式FA的拓撲建模方法性價比低等問題，文中提出一種基于電力線通信(power line communication, PLC)的配電網拓撲自動建模方法，將電力線作為信息傳輸媒介，采用基于相對時鐘的節(jié)點測距算法與基于距離信息的拓撲重構算法，建立含距離標識的配電網拓撲模型，從而為拓撲分析、拓撲校核以及故障處理等功能奠定模型基礎。

1 總體方案設計

圖1為基于PLC的配電網拓撲自動建模系統(tǒng)架構。該配電網絡含有#1和#2兩條饋線，兩條線路上共有9個開關，其中，S0與S8為變電站出口斷路器，S1～S3、S5～S7為普通分段開關，S4為聯(lián)絡開關。每個開關處均安裝1個饋線終端單元(feeder terminal unit, FTU)和1個電力線通信與傳感一體化(power line communication and sensing, PLSN)設備。PLSN-M1與PLSN-M2分別為#1線、#2線的主設備，其對應的終端稱之為邊緣終端。PLSN10～PLSN12、PLSN20～PLSN22分別為#1線與#2線的從設備。聯(lián)絡開關處的PLSN-C12既是#1線的從設備，也是#2線的從設備，主設備含有所屬線路上其他從設備的地址。下面以配電主站進行拓撲召喚為例，對拓撲建模總體方案加以說明。

主站向邊緣終端發(fā)出拓撲召喚命令，邊緣終端獲取并解析指令信息，由其對應的主設備負責具體的命令執(zhí)行工作；主設備依次向所有從設備發(fā)出讀開關設備ID、類型和狀態(tài)，待從設備返回上述信息后，主設備依次控制線路上所有從設備進行兩兩測距；邊緣終端將由主設備所獲取的測距、設備類型和設備ID等信息打包上送給主站；主站根據(jù)邊緣終端上送的信息，調用拓撲重構

圖1 系統(tǒng)架構

算法，建立拓撲模型，作為其他高級應用參考的模型依據(jù)。除了主站向邊緣終端下發(fā)拓撲召喚命令以外，邊緣終端亦可根據(jù)所設置的時間參數(shù)，定期開展建模工作，實現(xiàn)信息的主動上送 。

2 節(jié)點測距

圖2 測距原理圖

如圖2所示，為測量節(jié)點A、B之間的距離，節(jié)點A與節(jié)點B之間需先進行信息交互，再根據(jù)交互中的時間尺度特征，計算兩者之間的距離。節(jié)點A于t1時刻向節(jié)點B發(fā)出信息；節(jié)點B于t2時刻收到節(jié)點A的信息；節(jié)點B于t3時刻向節(jié)點A返回確認信息；節(jié)點A于t4時刻收到節(jié)點B的確認信息。節(jié)點A與節(jié)點B之間的距離設為d，節(jié)點B從獲取信號到回復確認的延遲時間設為TB，PLC信號的傳輸速率為v，兩點之間的傳輸延時設為τ。

2.1 基于絕對時鐘的節(jié)點測距算法

倘若節(jié)點A與節(jié)點B的時鐘精確同步，t1、t2、t3、t4與v為已知量，d為未知量，結合PLC信號傳輸速率v，可求出節(jié)點A與節(jié)點B的近似距離d。

d≈v×(t2-t1)=v×(t4-t3)

(1)

式中：t1為節(jié)點A信號發(fā)送時刻;t2為節(jié)點B收到節(jié)點A的信號的時刻；t3為節(jié)點B向節(jié)點A的返回確認信號的時刻；t4為節(jié)點A收到節(jié)點B的確認信號的時刻；τ為兩點之間的傳輸延時；d為節(jié)點A與節(jié)點B的近似距離。

2.2 基于相對時鐘的節(jié)點測距算法

倘若節(jié)點A與節(jié)點B時間不同步，無法直接求出傳輸延時，但可以通過以下步驟，間接求出傳輸延時:① 求出節(jié)點B的轉發(fā)延時；② 求出節(jié)點A與節(jié)點B之間的傳輸延時τ；③ 求出節(jié)點A與節(jié)點B之間的近似距離d。

(2)

綜上所述，基于絕對時鐘的節(jié)點測距算法是以時鐘精確同步為前提，然而線路節(jié)點眾多，對時工作量大，實現(xiàn)困難。與前者不同的是，基于相對時鐘的節(jié)點測距算法無需對時，更容易實現(xiàn)，因此采用基于相對時鐘的節(jié)點測距算法。

3 拓撲重構

3.1 共線判定原則

如圖3(a)所示，在配電網中將開關等設備抽象為節(jié)點，倘若A、B和C三點不共線，A點與C點之間距離最長，則有如下關系:

dAC

(3)

式中:dAC為A點與C點之間的距離;dAB為A點與B點之間的距離;dBC為B點與C點之間的距離。

如圖3(b)所示，倘若A、B、C三點共線，A點與C點之間距離最長，則有如下關系:

dAC=dAB+dBC

(4)

圖3 共線判定原理圖

3.2 基于距離信息的拓撲重構算法

設配電網網絡上含有n個節(jié)點，編號次序為1至n，將邊緣節(jié)點的編號設置為1，其位置已知。按基于相對時鐘的節(jié)點測距算法，測量任意兩個節(jié)點之間的距離，構建集合w。

w={d12,d13,...dij,...d(n-1)n}

(5)

式中:w為任意兩個節(jié)點之間的距離集合;d12為節(jié)點1與節(jié)點2之間的距離;d13為節(jié)點1與節(jié)點3之間的距離;dij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的距離;d(n-1)n為節(jié)點n-1與節(jié)點n之間的距離。

從集合w中抽取節(jié)點1與其他節(jié)點之間的距離值，構建集合α，并求出該集合中的最小元素值d1t。

(6)

式中:α為節(jié)點1與其他節(jié)點之間的距離的集合;w為任意兩個節(jié)點之間的距離集合;d1t為α集合中的最小元素。

由于網絡具有連通性，因此可判定節(jié)點t與1具有鄰接關系，再結合共線原則，可求出與節(jié)點1、t共線的所有節(jié)點。從集合α中抽取這些節(jié)點到節(jié)點1的距離值，構建集合β。

(7)

式中：β為符合共線原則的距離值集合；d1j為節(jié)點1與節(jié)點j之間的距離；d1t為節(jié)點1與節(jié)點t之間的距離；dtj為節(jié)點t與節(jié)點j之間的距離；α為節(jié)點1與其他節(jié)點之間的距離的集合，其中節(jié)點j與節(jié)點1、t共線。

同時，亦可求出不與節(jié)點1、節(jié)點t共線的所有節(jié)點，從集合α中抽取這些節(jié)點到節(jié)點1的距離值，構建集合γ。倘若γ不為空集，則節(jié)點1與節(jié)點t之間存在分支，且該集合中的最小元素對應的兩個節(jié)點，即節(jié)點1與距離最近的分支節(jié)點，具有鄰接關系；反之，則節(jié)點1與節(jié)點t之間不存在分支。

(8)

式中：β為符合共線原則的距離值集合；α為節(jié)點1與其他節(jié)點之間的距離的集合；γ為不與節(jié)點1、節(jié)點t共線的所有節(jié)點到節(jié)點1的距離值集合。

依此類推，結合共線判定原則和鄰接關系的判定方法，實現(xiàn)整個配電網的拓撲重構。

4 試驗與分析

試驗采用了全球能源互聯(lián)網研究院研發(fā)的PLSN設備、國電南瑞研發(fā)的PDZ800系列配電終端以及D5200配電主站。PLSN設備與終端具有相同的接口方式，拓撲重構算法程序采用了C++進行編程。如圖4所示，為了方便分析，將變電站名稱與開關名稱進行了簡化：CB為變電站出口斷路器；FS1～FS3為負荷開關；LS1與LS2為聯(lián)絡開關；1～6分別是將各開關節(jié)點抽象化后的編號，每個開關均裝設一個FTU與一個PLSN設備。

圖4 試驗原理圖

為實現(xiàn)拓撲模型的重構，盡可能減小測距過程中所帶來的誤差，故在線路上任意兩個節(jié)點之間進行了多次測量，剔除其中的離群點并求取平均值。算法程序執(zhí)行結果表明，結合所獲取的試驗數(shù)據(jù)，在遵循共線判定原則和鄰接關系判定方法的前提下，能夠建立與圖4一致的拓撲模型。

5 結束語

針對傳統(tǒng)配電網拓撲建模工作量較大和基于智能分布式FA的拓撲自動建模方法性價比低、尚無法反映一次設備間的實際線路距離等問題，設計基于PLC的配電網拓撲自動建?？傮w方案，為拓撲建模提供了一種新思路。基于相對時鐘的節(jié)點測距算法無需對時，容易實現(xiàn)，與基于距離信息的拓撲重構算法相配合在理論上能夠實現(xiàn)整個配電網的拓撲重構。試驗結果表明，該方法在拓撲重構過程中，能夠進一步提高建模準確性，具有一定的工程實用價值。