低压台区小电流拓扑识别系统设计

低压台区小电流拓扑识别系统设计

杨军峰  许凯

上海良信电器股份有限公司

背景

低压台区作为电网直接面向低压用户的末端环节，其拓扑结构的正确性对于电网的稳定运行和电力供应的可靠性至关重要。随着智能电网的迅猛发展和台区精益化管理的深入推进，对低压台区的管理水平提出了更高的要求。低压台区拓扑识别技术的发展，对于提升用电信息采集的准确性、实现台区状态的在线监测、故障定位和线损实时检测等智能化应用具有重要意义。此外，该技术还能有效支持配电网的优化运行和维护，确保电力供应的高效与稳定。

目前，低压台区配电网拓扑关系识别的方法主要包括以下几种：

1.硬件短路装置法：通过在台区节点上增加硬件短路装置，短时间内对供电线路进行短路来实现拓扑识别。然而，这种方法可能会对设备造成潜在危害，且操作复杂，存在一定的安全风险。

2.载波通信校验法：通过分析通信报文特性判断用户的变户归属信息。尽管这种方法在一定程度上能够实现拓扑识别，但其易受外界干扰，排查效率较低，且对通信设备的依赖性较强。

3.电压分布特性分析法：基于配电网电压分布特性的分析方法。然而，由于台区内线路参数可能较为接近，这种方法容易导致误判，影响识别的准确性。

4.历史电压数据分析法：利用历史电压数据的相似性或动态时间规整距离，结合软件算法判断台区电气拓扑关系。尽管这种方法在一定程度上能够提高识别的准确性，但其受限于采集精度和同步性，难以应对复杂多变的实际应用场景。

通过低压台区拓扑识别技术的研究，提升了低压台区治理水平，实现台区状态的实时监测和管理，确保电力供应的稳定与可靠。为配电网的智能化应用提供重要基础，如故障定位、线损检测等，推动配电网的智能化升级。减少因台区拓扑档案信息老旧导致的人工排查工作量和成本，提高管理效率。避免传统“拉闸验电”方式造成的短时间大面积停电，减少对用户日常生活的影响，提升用户满意度。

原理

本文采用的技术方案是：通过在电力线上主动注入微小的信号电流，并解析台区电网节点接收到的特征电流信号，从而实现台区拓扑识别。

在进行拓扑识别时，发送装置通过HPLC下发开始拓扑识别命令，并准备接收信号；接收装置通过HPLC模块接收到拓扑发送命令后，发送装置内的MCU控制信号发送电路，在电网中产生具有特定特征的电流信号；接收装置通过电流互感器接收到电网中的电流变化信号，通过信号处理电路采集处理后送入接收MCU进行分析处理。MCU对采集到的电流信号进行提取，通过阈值判断和相关检测算法识别等方法处理采集到的电流信号，最终实现台区内的拓扑关系识别。

系统设计

本系统主要由信号发送装置和信号接收终端两部分组成。信号发送装置包括微控制单元（MCU）、隔离驱动电路、MOS管开关电路以及通信模块。其中，通信模块采用电力线宽带载波（HPLC）通信模块，隔离驱动电路负责将MCU输出的控制脉冲进行隔离驱动，并推动MOS管开关，以实现向电网注入电流的功能。信号接收终端则包括电流互感器、信号采集处理电路、MCU及通信模块。通信模块同样为电力线宽带载波（HPLC）通信模块，供电线路穿过电流互感器，电流互感器连接信号采集处理电路，经采集转换后进入MCU进行后续处理。

信号发送装置电路原理框图见图1所示，整流桥将交流电压整形成脉动直流电压，经降压稳压电路，将整流桥输出的脉动直流电压转换为稳定的直流电压，作为备用电源为推完驱动电路供电。MUC在检测到过零信号后，输出特定频率和占空比的PWM脉冲信号，发出的脉冲信号经光耦隔离后，经过驱动电路驱动开关MOS管通断，从而在电网中产生一个小的特征电流信号。

图1 发送装置原理框图

接收终端原理框图见图2，电流互感器将供电线路的大电流转换成二次侧的小电流，流经采样电阻转换成电压信号，然后送入一个由RC组成的抗混叠滤波器。经过抗混叠滤波器后，信号被送入模数转换器ADC内进行转换。MCU对ADC采集到的电流信号进行提取，通过阈值判断和相关检测算法识别等方法处理采集到的电流信号，最终实现台区内的拓扑关系识别。

图2 接收装置原理框图

软件设计

拓扑识别系统的软件架构包括多个核心模块，如HPLC通信、过零检测、发送控制信号产生、电流与电压的ADC采样、数字滤波、FFT变换、识别结果判断及存储等。

通信模块负责解析拓扑发送的指令。当外部硬件的过零检测产生脉冲信号，该信号触发MCU的外部中断，随即调用发射信号生成模块。根据识别任务的需求，该模块产生具有特定占空比和频率的方波信号，并将其输出。信号经过外部隔离驱动电路后，控制MOS管以产生所需的电流波动。

数字滤波模块在MCU中实现，通过数字低通滤波器对ADC采样的数字信号进行滤波处理，以消除高频噪声和坏点数据，从而获得更平滑的信号，提高特征电流识别的准确性。

FFT变换模块负责将采集的时域信号转换为频域信号，以便进行进一步的分析和处理。

识别结果判断模块对FFT变换后的信号进行分析，根据预设的算法和阈值判断拓扑结构，并将识别结果存储于MCU的非易失性存储器中，以供后续查询和分析。

整个系统的设计注重实时性和准确性，确保拓扑识别的高效和可靠，其处理流程框图见图3。通过精心设计的软件模块和优化的算法，该拓扑识别系统能够准确地识别低压台区的网络结构，为智能电网的运行和管理提供强有力的支持。

图3 拓扑识别处理流程框图

实验

利用上面给出的系统架构搭建的硬件平台，对该方法进行了测试，使用逻辑分析仪测量拓扑发送脉冲输出端，可得图4中的脉冲，脉冲周期1.2ms（833.33Hz），占空比为33.33%。

图4 PWM输出脉冲

继续使用逻辑分析仪测量脉冲输出引脚，如图5所示，从输出脉冲的包络上可以看出特征码的信息，该码字16位，时间长度9.6s。

图5 特征信息码AAE9输出

使用示波器电流探头测量拓扑发送模块实际电流信号，结果见图5和图6。图6为拓扑发送模块发出的包含特征信息码的电流波形，图7为当拓扑发送模块发送信号时的实际电流波形图以及频域特征频点波形图。从图上可清晰的看到输出电流信号所包含的两个特征频点信号，由于示波器采样速率以及频率分辨率的影响，显示的两个特征频点785Hz、885Hz和实际发送的783.3Hz、883.3Hz稍有差异，这两个频点的幅值约有100mA。

图6 拓扑发送模块实际输出电流时域及频域波形图

图7 拓扑发送模块实际输出电流时域及频域波形图

对发射时读取的频域数据进行阈值判别，最终确定识别结。判定阈值根据多次实验确定，两个特征频点的信号强度S1、S2之和与设定阈值S0的关系作为第一个判定条件，两个特征频点信号强度之和与背景噪声强度的相对关系作为第二个判定条件，综合这两个判定条件，同时满足的话就可以确定接收装终端识别出了发射信号，并将识别结果和频点信号强度存储在接收装置内，等到读取进行后续的操作。图8为使用串口调试工具读出的接收装置的识别结果。

图8 接收装置识别结果

结论：

经过实际测试，本方法生成的拓扑发送信号频点稳定性好，能量高，控制简单可靠，可用于实际应用。目前由于测试所用发送电路硬件限制，使用时需要注意控制脉冲输出时间，防止由于连续输出烧毁发送电路限流电阻。另外本文中特征码信息的传输方法，通过优化和改进，也可用于低负载电流电网的低速率信息传输上。

参考文献

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