摘 要：隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和進步，人們對電力系統(tǒng)運行質量的要求越來越高，老舊小區(qū)、城鄉(xiāng)結合部、偏遠農(nóng)村等電力線路老舊、臺區(qū)關系交叉復雜的問題越來越突出，其不僅影響了臺區(qū)、線路歸屬關系的劃分，而且嚴重影響了臺區(qū)線損治理、臺區(qū)低壓治理、三相不平衡治理、臺區(qū)重（過）載治理。根據(jù)攜帶特征碼并且具有特定頻率的特征電流流經(jīng)整個回路（變壓器、分支箱、表箱等）這一特性，在臺區(qū)特定點安裝具有捕捉特征電流功能的識別設備，設計了一整套低壓臺區(qū)拓撲自動識別系統(tǒng)。系統(tǒng)設計完成后，依托于云平臺，通過擴展376.2和645-07規(guī)約，建設了基于B/S構架的臺區(qū)自動識別系統(tǒng)，并且選取了兩個試點進行測試，不但能夠較為準確地識別臺區(qū)拓撲結構，而且為精品臺區(qū)建設提供了經(jīng)驗，具有一定的經(jīng)濟效益和示范作用。

關鍵詞：特征電流；臺區(qū)拓撲；B/S構架；分支箱；自動識別；云平臺

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.004

0 引 言

由于時代和技術發(fā)展的限制，我國電力系統(tǒng)在早期建設階段遺留了不少問題，老舊小區(qū)、城鄉(xiāng)結合部、偏遠農(nóng)村等地區(qū)的臺區(qū)拓撲結構和線路歸屬關系混亂，造成了線路損耗管理、臺區(qū)低壓治理的困難。特別是地埋線路臺區(qū)，更難以確定臺區(qū)拓撲和戶變關系，以往情況下，可以通過停電來確定拓撲關系，但是停電不但影響用電體驗，而且在某些特定場合停電很難推進，比如云南昆明某發(fā)動機制造廠，重要產(chǎn)線（鑄工）需要全年運行，由于前期廠家電力系統(tǒng)設計粗糙，后期某些工藝產(chǎn)線搬遷和重新規(guī)劃，相應CAD圖紙沒有及時更新改進，廠家能源部也無法確定動力柜、表箱之間的關系，造成諸多不便。所以通過安全、可靠、高效的方法快速清理識別拓撲結構變得尤為重要。近年來，隨著電力載波技術的發(fā)展，為低壓臺區(qū)拓撲識別提供了一種簡單有效的方法。特征電流作為一種攜帶特征碼的特定頻率的電流信號，具有流經(jīng)整個回路（變壓器、分支箱、表箱等）的特性，根據(jù)此特性來識別確定拓撲關系，具體識別模型如圖1所示。

發(fā)射設備產(chǎn)生的特征電流向著低阻抗線路流動，電力線路上安裝的識別設備采集電流信號，通過識別特定頻點的特征值來獲取采集時間點，通過對比時間點來確定電氣拓撲結構，通過對比三相信號強度來確定上下級關系[1-2]。

1 特征電流發(fā)送和識別

1.1 特征電流發(fā)送

特征電流是通過發(fā)送設備產(chǎn)生的攜帶特征碼的特定頻率的電流信號，通常發(fā)射設備包括但不限于電能表、采集終端（采集器、集中器）、子終端（智能斷路器、分支箱監(jiān)測終端、表箱智能子終端），其采用脈寬調制技術，通過隔離電路、驅動電路、負載電路形成特征電流。本系統(tǒng)采用的調制信號如圖2所示。

如圖2所示，為了減少電網(wǎng)諧波和高頻率諧波衰減的影響，信號頻率f0設為833.3 Hz，位寬時間Tw默認為600 ms，調制周期Ts與高電平脈寬Th比值為3∶1，電流峰值Tmaxlt;0.7 A，發(fā)送特征碼碼位為1的電流有效值不應該小于0.25 A[3]。特征電流的特征碼主要是為了區(qū)分背景噪音，減少誤識別，因此可以根據(jù)現(xiàn)場情況設置，通常不超過16字節(jié)，默認為0xAAE9，即[1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1]，由此可以得出特征電流參數(shù)信息，見表1。

1.2 特征電流識別

特征電流識別解碼需要在保證識別準確率的前提下降低噪音影響，其采樣頻率fs不應該低于5 kHz，即采樣頻率fs與電網(wǎng)基波頻率fb比值不應該小于100。識別頻點選取兩點，其計算公式為：

式中：f0為特征電流頻率（833.3 Hz）；fb為電網(wǎng)基波頻率（50 Hz）；f1為883.3 Hz，f2為783.3 Hz。

采用滑動離散傅里葉變換算法，分別提取識別點的電流信號并且進行解碼處理，識別設備記錄信號識別時間、識別相位、信號強度、背景噪音和特征碼，通過電力載波搜集對比不同識別設備存儲的信息，自動實現(xiàn)表箱和表計之間的拓撲關系[4]?；瑒与x散傅里葉變換提取第k次頻率fk的頻域分量計算公式為：

式中：ak、bk、ck分別代表頻率為fk的諧波電流的實部、虛部和模值；N表示參與離散傅里葉變換運算的采樣點數(shù)；n表示采樣點序號；（n）表示第n個采樣點的采樣值。

2 臺區(qū)拓撲識別流程

前文已詳細介紹了特征電流發(fā)送和識別的理論基礎，按照理論基礎設計研發(fā)相應硬件設備。一次臺區(qū)拓撲識別過程需要集中器、表箱智能子終端、分支箱監(jiān)測終端、特征信號發(fā)生器配合實現(xiàn)，流程如圖3所示。

從圖3可以看出，整個拓撲識別流程可以分為6步。

第一步，集中器根據(jù)檔案配置以廣播的形式通過載波發(fā)起啟動物理拓撲識別命令，表箱智能子終端和分支箱監(jiān)測終端均會收到該命令并進入相應的處理流程。臺區(qū)拓撲識別和用電環(huán)境有直接關系，負荷較大時，線路環(huán)境比較復雜，會降低識別成功率，所以應根據(jù)歷史負荷情況（負荷最低時），發(fā)起拓撲識別。

發(fā)送不同等級的識別指令，集中器最多發(fā)送3等級物理拓撲識別指令，當本等級識別成功后，不會發(fā)起更高等級識別指令。發(fā)送同等級識別命令，首先要根據(jù)檔案確定表箱數(shù)量，以30 s的時間間隔逐個點名發(fā)起物理識別指令。

第二步，表箱智能子終端發(fā)起啟動脈沖輸出命令，表箱智能子終端與特征信號發(fā)生器通過 RS 485-I口相連，表箱智能子終端收到集中器發(fā)起的啟動物理拓撲識別命令后發(fā)起啟動脈沖輸出命令。

第三步，特征信號發(fā)生器收到表箱智能子終端的啟動脈沖輸出命令后，根據(jù)命令中的延時時間T1、T2、T3觸發(fā)特征信號，共產(chǎn)生三次特征信號。延時時間會直接影響特征信號的強度，時間越短，特征信號幅值越大，越有利于分支箱監(jiān)測終端錄波時對特征信號的監(jiān)測，但是特征信號過大會導致空氣開關動作。經(jīng)過多次測試，選取T1=20 ms，T2=30 ms，T3=40 ms。

第四步，分支箱監(jiān)測終端啟動錄波需要具備如下3個條件：

（1）分支箱收到的地址非自身地址；

（2）特征數(shù)據(jù)標識為0xAAE9；

（3）沒有處于錄波狀態(tài)。

如果識別不到特征信號，分支箱監(jiān)測終端會持續(xù)10 s處于頻點采集狀態(tài)，若識別到特征信號，則立即更新拓撲檔案并退出本次錄波。

第五步，集中器查詢拓撲檔案，集中器在發(fā)起所有的啟動物理拓撲識別命令后延時等待 30 s后開始點名查詢分支箱監(jiān)測終端識別到的拓撲檔案并生成物理拓撲識別結果文件。

第六步，主站根據(jù)376.2規(guī)約擴展集中器采集命令，通過召測或者上報的方式獲取臺區(qū)拓撲檔案文件，并與主站系統(tǒng)中的檔案進行對比，自動實現(xiàn)拓撲結構展示。

3 低壓臺區(qū)拓撲識別系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)依托于服務器，使用B/S構架，采用SpringBoot+Vue技術創(chuàng)建了一套可視化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)建設過程中應用專利《一種用能信息采集系統(tǒng)臺區(qū)拓撲畫像繪制方法與系統(tǒng)》，實現(xiàn)了臺區(qū)拓撲的自動展示[5-6]。系統(tǒng)整體框架如圖4所示。

系統(tǒng)可以分為三層：主站管理層、網(wǎng)絡通信層、現(xiàn)場采集設備層。其中，主站管理層包括阿里云服務器和低壓臺區(qū)拓撲自動識別系統(tǒng)，是系統(tǒng)管理與控制的中心，具備管理系統(tǒng)檔案、數(shù)據(jù)傳輸處理、權限控制等功能。網(wǎng)絡通信層采用GSM/GPRS無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場采集設備層包括采集設備和計量設備，本系統(tǒng)主要包括集中器、分支箱監(jiān)測終端、表箱和電表。

3.2 拓撲繪圖

主站管理層通過定時任務編輯，可以實現(xiàn)臺區(qū)拓撲定時召測識別，為了提高臺區(qū)拓撲響應速度，也可以通過主動召測來識別拓撲結構，解析集中器上報的拓撲源碼，更新檔案拓撲結構[7]。

借鑒電力系統(tǒng)常用圖例標準和色彩習慣，本系統(tǒng)由于其特殊性和獨特性，并不合適沿襲電力系統(tǒng)圖例，比如分支箱監(jiān)測子終端，并無標準圖例。出于使用方便性和專利切合度方面的考慮，系統(tǒng)圖標示例見表2。

本司申請的《一種用能信息采集系統(tǒng)臺區(qū)拓撲畫像繪制方法與系統(tǒng)》專利，可以根據(jù)檔案關系直接“畫”出整個系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖，展示在瀏覽器上。此發(fā)明通過解析數(shù)據(jù)庫中臺區(qū)裝置的關聯(lián)關系，生成具有父子級關聯(lián)并且?guī)в兴饕腏SON對象列表，計算列表對象坐標，通過調用CanvasAPI實現(xiàn)臺區(qū)拓撲自動繪圖[6]。拓撲繪圖流程如圖5所示。

4 實例應用

4.1 港塘村23號公用變臺區(qū)試點

港塘村位于福建省石獅市靈秀鎮(zhèn)，由于地理位置較為敏感，供電系統(tǒng)老舊，線路混亂，外加村民私自搭接電線情況比較嚴重，導致23號臺區(qū)拓撲混亂，變壓器常年處于過載狀態(tài)運行，造成三相不平衡和臺區(qū)低壓，即便相關部門有意進行臺區(qū)治理，也無從下手。

通過現(xiàn)場實地勘察和走訪了解，相關工作人員選定特定地點（變壓器二次側、表箱上側）安裝集中器和分支箱監(jiān)測子終端?，F(xiàn)場安裝施工圖如圖6所示。

設備安裝成功后，低壓拓撲關系自動更新成圖，自動拓撲準確率高達100%，實現(xiàn)了低壓配電自動拓撲動態(tài)管理，可實時監(jiān)測“變-箱-戶”關系，臺區(qū)新增負荷或負荷割接后能夠實現(xiàn)拓撲關系自動更新功能[8-10]。低壓網(wǎng)絡拓撲關系識別全程無需人工參與，解決了傳統(tǒng)的基于電力線載波技術的臺區(qū)識別技術存在的“共高壓”“共地”“共電纜溝”等串擾問題，識別準確率高。此外，集中器和分支箱監(jiān)測子終端自身具備采集計量功能，采集計算得出各個節(jié)點的功率、電流，為臺區(qū)治理提供理論和數(shù)據(jù)支持。港塘村23號公用變臺區(qū)拓撲識別圖如圖7所示。

4.2 古宅4臺區(qū)試點

古宅4臺區(qū)試點是在港塘村23號公用變臺區(qū)試點成功之后的又一次改進升級，不但實現(xiàn)了臺區(qū)拓撲自動識別，而且進行了以下3點改進：

（1）臺區(qū)線損精細化管理，精確定位高線損原因（線損閾值暫定3%，原臺區(qū)月線損大于5%）；

（2）引入北斗定位功能（古宅4臺區(qū)表箱多露天這一前提條件），實現(xiàn)了表箱地理位置自動定位；

（3）低壓配電網(wǎng)智能APP可準確定位臺區(qū)、分支箱、電表箱，將低壓拓撲圖與地理圖“二合一”，實現(xiàn)智能導航。

古宅4臺區(qū)拓撲識別圖如圖8所示。古宅4臺區(qū)地理圖如圖9所示。古宅4臺區(qū)APP顯示界面如圖10所示。

5 結 語

本系統(tǒng)利用特征電流具有流經(jīng)整個回路的特性，選定攜帶特征值的特定頻率的電流實現(xiàn)了低壓臺區(qū)自動拓撲，并通過兩個試點實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的搭建和展現(xiàn)，具有一定的經(jīng)濟效益和示范作用。當然，系統(tǒng)還有諸多需要改進的地方，比如如何與電網(wǎng)用采系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，如何選擇更加合適（負荷最低）的時間點進行拓撲識別，如特征電流發(fā)送的時間延時和重復次數(shù)，GIS地圖顯示精度（當前精度最大達20 m）等，都需要進一步探討和研究。

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作者簡介：袁 帥（1990—），男，碩士，中級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)、檢測技術與自動化裝置。

閆蘭英（1990—），女，中級工程師，研究方向為建筑電氣智能化。

劉 亮（1980—），男，碩士，中級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)。

收稿日期：2024-04-19 修回日期：2024-05-28