陳 尚，邵苠峰，李 輝，尹 晶，陳江波，杜 硯，邱 進(jìn)

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；2.電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)加快推進(jìn)，傳統(tǒng)的低壓配電臺(tái)區(qū)向低碳安全智能的方向發(fā)展，大量的新能源接入配電臺(tái)區(qū)，在提高配電網(wǎng)電力電子化程度的同時(shí)，也加大了運(yùn)行控制難度，因此，低壓配電臺(tái)區(qū)需具備感知能力和智能調(diào)控能力，相應(yīng)地對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別也提出了更高的要求。配電網(wǎng)拓?fù)涫菍?duì)配電網(wǎng)設(shè)備、線路以及連接關(guān)系的完整描述，是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。完整、一致、準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ图跋嚓P(guān)數(shù)據(jù)能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)調(diào)度運(yùn)行、檢修和提升供電服務(wù)提供關(guān)鍵支撐，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)主動(dòng)搶修、故障自愈等智能化應(yīng)用［1-6］。

早期，電網(wǎng)拓?fù)錂n案的定期校核工作主要依靠一線工作人員逐戶排查完成，校核方式為線變關(guān)系糾錯(cuò)方式，通常由工作人員手持載波通信儀逐戶校核，這種方式存在人力成本高、效率低、準(zhǔn)確率不高等問題［7-10］。隨著數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，眾多專家學(xué)者在配網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別方面開展了技術(shù)研究，提出載波通信法、脈沖電流法、大數(shù)據(jù)分析法這三類低壓配電臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法，并進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［11-13］基于載波通信技術(shù)的臺(tái)區(qū)用戶識(shí)別儀采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式來測(cè)試臺(tái)區(qū)用戶，利用電力線載波信號(hào)沿著線路傳播，在同一變壓器下更容易成功通信。集中器發(fā)送的載波信號(hào)可以被本臺(tái)區(qū)接收，但是通常不能被其他臺(tái)區(qū)接收，由此可判斷用戶智能電表是否屬于該臺(tái)區(qū)。文獻(xiàn)［14-16］采用脈沖電流技術(shù)時(shí)，須使用鉗形電流夾或者柔性線圈配合。采用拓?fù)渥R(shí)別儀進(jìn)行拓?fù)湫ｒ?yàn)需要增加設(shè)備投資，存在“共高壓串?dāng)_”“共地串?dāng)_”等問題，影響識(shí)別準(zhǔn)確率，識(shí)別工作量較大，識(shí)別工作效率較低。文獻(xiàn)［17-19］利用相關(guān)性分析方法、線性規(guī)劃、知識(shí)圖譜等大數(shù)據(jù)方法實(shí)現(xiàn)用戶所屬臺(tái)區(qū)及相別的辨識(shí)，但以上方法都是從仿真的角度出發(fā)，未對(duì)拓?fù)渥R(shí)別方法進(jìn)行真實(shí)的臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)。在目前實(shí)際工程中運(yùn)用最多的是載波通信法。本文在武漢特高壓交流試驗(yàn)基地建立了低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)平臺(tái)，提出了基于載波通信的低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)試驗(yàn)方案，通過多維度真型試驗(yàn)驗(yàn)證了載波通信的有效性以及該平臺(tái)的實(shí)用性。

1 新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)平臺(tái)

目前，國內(nèi)外高校以及各網(wǎng)省公司建立了多種真型試驗(yàn)平臺(tái)，但主要集中在中壓配電網(wǎng)真型試驗(yàn)平臺(tái)。文獻(xiàn)［20］構(gòu)建了包含物理模擬、數(shù)字模擬的多電源配電自動(dòng)化終端一體化檢測(cè)平臺(tái)，但無法涵蓋所有配網(wǎng)設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備較為單一。文獻(xiàn)［21］根據(jù)真實(shí)使用環(huán)境安裝了現(xiàn)場(chǎng)配網(wǎng)柱上開關(guān)設(shè)備及其控制器，進(jìn)而模擬真實(shí)的架空配電系統(tǒng)，但由于采用的是模擬系統(tǒng)，無法達(dá)到真實(shí)試驗(yàn)的效果?？梢?，當(dāng)前對(duì)于低壓臺(tái)區(qū)真型試驗(yàn)平臺(tái)仍處于空白階段。

在武漢特高壓交流試驗(yàn)基地建設(shè)的新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，主要由配電變壓器臺(tái)區(qū)、300 m 的0.4 kV 架空線/電纜、電纜分支箱、100 m的支線電纜、智能配變終端、智能開關(guān)、智能電表、低壓智能故障傳感器、用戶負(fù)荷、充電樁以及智慧安全用電實(shí)證測(cè)試艙組成，網(wǎng)架可通過臺(tái)區(qū)及開關(guān)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單輻射、樹狀等多種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有完整的配網(wǎng)低壓側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

本平臺(tái)能復(fù)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)正常運(yùn)行工況和三相負(fù)荷不平衡、低電壓、過負(fù)荷等異常工況，可靈活選取與接入故障點(diǎn)，在任意位置真實(shí)復(fù)現(xiàn)單相接地、短路、缺相、斷零等各類故障；可實(shí)現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別、低壓故障定位、電壓質(zhì)量治理及電動(dòng)汽車有序充電等高級(jí)功能的測(cè)試與驗(yàn)證；可有效檢驗(yàn)智能開關(guān)和智能融合終端等設(shè)備的高級(jí)應(yīng)用功能，滿足新型數(shù)字化配電網(wǎng)建設(shè)需求，對(duì)提升我國配電網(wǎng)用戶側(cè)供電可靠性具有重要意義。

2 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)方案

低壓配電網(wǎng)位于電網(wǎng)的末端，是電網(wǎng)與用戶連接的重要環(huán)節(jié)。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支較多，具有閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀的特點(diǎn)。針對(duì)低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)架特點(diǎn)以及新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)平臺(tái)的自動(dòng)化裝置布置情況，提出低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)試驗(yàn)方案。

本試驗(yàn)方案驗(yàn)證在典型網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下、多臺(tái)區(qū)擾動(dòng)、低壓故障跳閘時(shí)，載波通信的拓?fù)渥R(shí)別方法的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。如表1所示，試驗(yàn)主要分為網(wǎng)架變化拓?fù)渥R(shí)別、短路故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別、接地故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別、多臺(tái)區(qū)擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別4個(gè)項(xiàng)目，其中多臺(tái)區(qū)擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)包括多臺(tái)區(qū)接地故障擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)、多臺(tái)區(qū)短路故障擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)、多臺(tái)區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)、多臺(tái)區(qū)負(fù)荷擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)。

表1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)實(shí)證試驗(yàn)項(xiàng)目

通過對(duì)低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)的研究，針對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)實(shí)際運(yùn)行中最為常見的故障類型給出了試驗(yàn)方案，平臺(tái)采用低壓故障靈活復(fù)現(xiàn)技術(shù)，真實(shí)復(fù)現(xiàn)了低壓臺(tái)區(qū)中最普遍的短路故障和接地故障。

2.1 短路故障復(fù)現(xiàn)技術(shù)

如圖2所示，分別在第二級(jí)A2、第三級(jí)A3和第四級(jí)A4開關(guān)出線處復(fù)現(xiàn)短路故障，當(dāng)需要在某一級(jí)發(fā)生短路故障時(shí)，將對(duì)應(yīng)層級(jí)的短路開關(guān)合閘。同時(shí)，通過使用多個(gè)5 Ω大功率電阻串、并聯(lián)的方式獲取試驗(yàn)所需要的短路電流，可實(shí)現(xiàn)60～2 000 A 短路電流分級(jí)可調(diào)。連接電纜均采用240 mm2截面積單芯銅芯電纜。采用以上技術(shù)可實(shí)現(xiàn)靈活復(fù)現(xiàn)各級(jí)短路故障。

圖2 短路故障復(fù)現(xiàn)原理圖

2.2 接地故障復(fù)現(xiàn)技術(shù)

分別在圖3中第二級(jí)A2、第三級(jí)A3、第四級(jí)A4開關(guān)出線處復(fù)現(xiàn)接地故障，在第二、第三、第四級(jí)開關(guān)T 接接地故障過渡電阻。試驗(yàn)開始時(shí)，接地故障開關(guān)初始狀態(tài)均為分閘，需要開展單相接地故障試驗(yàn)時(shí)，將對(duì)應(yīng)層級(jí)的接地開關(guān)合閘實(shí)現(xiàn)接地故障觸發(fā)。采用以上技術(shù)可靈活復(fù)現(xiàn)各級(jí)短路故障。本次試驗(yàn)?zāi)M人體觸電、電纜進(jìn)水等真實(shí)故障，主要包括單相經(jīng)金屬和500 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω電阻接地。

圖3 接地故障復(fù)現(xiàn)原理圖

低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)試驗(yàn)方案可驗(yàn)證在典型網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下發(fā)生各種情況時(shí)，拓?fù)渥R(shí)別方法的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。

3 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)真型試驗(yàn)

本次試驗(yàn)進(jìn)行了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化拓?fù)渥R(shí)別、短路故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別、接地故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別和多臺(tái)區(qū)擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別4個(gè)項(xiàng)目。在真型試驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)架各節(jié)點(diǎn)位置安裝智能開關(guān)、智能電表、智能融合終端等網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拓?fù)渥R(shí)別所需裝置和設(shè)備接線，并進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。將平臺(tái)負(fù)載投入運(yùn)行，主站監(jiān)控界面中顯示各個(gè)設(shè)備的電壓電流值。正確讀取拓?fù)渚W(wǎng)架中的電壓電流值后，確認(rèn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定后識(shí)別0.4 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，上召完成后，低壓交流智能臺(tái)區(qū)試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口（以下簡稱“監(jiān)控窗口”）加載顯示拓?fù)潢P(guān)系圖形，正常運(yùn)行時(shí)網(wǎng)架拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 拓?fù)渥R(shí)別正常運(yùn)行時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?/p>

3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)

移除斷開圖3 中A2-2 的智能開關(guān)及下含分支，使臺(tái)區(qū)1只有1個(gè)分支接入，如圖5所示（紅色圓圈部分）。改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示為A2-2斷開時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?，即識(shí)別正確。

圖5 斷開A2-2智能開關(guān)

分別在A2-2、A3-2、A4-3、A4-4處進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)，4次試驗(yàn)均成功識(shí)別出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

3.2 短路故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)

1）臺(tái)區(qū)1的A2-2 短路故障復(fù)現(xiàn)后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示臺(tái)區(qū)1的A2-2短路故障時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?，識(shí)別正確。

2）切除臺(tái)區(qū)1的A2-2復(fù)現(xiàn)的短路故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)區(qū)1的A3-3復(fù)現(xiàn)短路故障后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示為臺(tái)區(qū)1 的A3-3短路故障時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?，即識(shí)別正確。

共進(jìn)行了4 次短路故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)，均成功識(shí)別網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

3.3 接地故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)

1）在臺(tái)區(qū)1的A1-2 接地故障后，進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，接地故障現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，監(jiān)控窗口顯示為臺(tái)區(qū)1的A1-2接地故障時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?，即識(shí)別正確。

圖6 接地故障現(xiàn)場(chǎng)接線

2）切除臺(tái)區(qū)1的A1-2 接地故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)區(qū)1的A2-1復(fù)現(xiàn)接地故障后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示為臺(tái)區(qū)1的A2-1短路故障時(shí)網(wǎng)架拓?fù)洌醋R(shí)別正確。

共進(jìn)行了4 次接地故障抗干擾拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)，均成功識(shí)別網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

3.4 多臺(tái)區(qū)擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)

1）低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)共有4個(gè)臺(tái)區(qū)，設(shè)置臺(tái)區(qū)運(yùn)行數(shù)量為2臺(tái)，確認(rèn)2個(gè)臺(tái)區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無誤，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)區(qū)2 的A1-2復(fù)現(xiàn)接地故障后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示臺(tái)區(qū)2（下文涉及的臺(tái)區(qū)2 均為此臺(tái)區(qū)）A1-2 發(fā)生接地時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?，即識(shí)別正確。

2）切除臺(tái)區(qū)2的A1-2接地故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)區(qū)2的A3-1復(fù)現(xiàn)短路后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示臺(tái)區(qū)2的A3-1發(fā)生短路故障時(shí)網(wǎng)架拓?fù)洌醋R(shí)別正確。

3）切除臺(tái)區(qū)2 的A3-1短路故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)臺(tái)區(qū)2 的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，斷開A2-2與臺(tái)區(qū)的連接后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示網(wǎng)架為斷開臺(tái)區(qū)2的A2-2時(shí)網(wǎng)架拓?fù)洌醋R(shí)別正確。

4）恢復(fù)臺(tái)區(qū)2 的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，將試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)區(qū)2 的負(fù)荷由0 MW 升至0.25 MW后進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，監(jiān)控窗口顯示為負(fù)荷為0.25 MW時(shí)網(wǎng)架拓?fù)?，即識(shí)別正確。

共進(jìn)行了4次多臺(tái)區(qū)擾動(dòng)拓?fù)渥R(shí)別試驗(yàn)，均成功識(shí)別網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

本次開展了4 個(gè)項(xiàng)目共計(jì)16 次試驗(yàn)，試驗(yàn)通過指標(biāo)設(shè)置，拓?fù)渥R(shí)別通過率為95%以上。通過本次試驗(yàn)的4個(gè)項(xiàng)目，驗(yàn)證了基于載波通信的拓?fù)渥R(shí)別方法均能正確識(shí)別拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

4 結(jié)語

本文歸納總結(jié)了目前臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別方法，并針對(duì)現(xiàn)有方法未在真實(shí)線路上進(jìn)行過實(shí)證的問題，搭建了新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別、低壓故障定位、電壓質(zhì)量治理及電動(dòng)汽車有序充電等高級(jí)功能的測(cè)試與驗(yàn)證，可有效檢驗(yàn)智能開關(guān)和智能融合終端等設(shè)備的高級(jí)應(yīng)用功能。本文提出了低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)試驗(yàn)方案，開展了低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)真型試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于載波通信的拓?fù)渥R(shí)別方法的有效性以及平臺(tái)的先進(jìn)性。下一步可開展配電臺(tái)區(qū)新型設(shè)備測(cè)試全覆蓋工作，使平臺(tái)功能對(duì)所有配電臺(tái)區(qū)設(shè)備具有普適性，進(jìn)而通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)配電新型設(shè)備試驗(yàn)規(guī)范化，促進(jìn)配電新型設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化。