基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别方法与系统

技术领域

本发明属于电力信息处理技术领域，具体而言，涉及基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别方法与系统。

背景技术

在台区透明化中，台区拓扑识别与台区众多支路电能质量采集是两个重要的内容，长期以来，配电房及低压台区存在户变连接关系不清晰的问题，尤其是新建台区，部分拓扑根本无法直接获取，需要采取人工摸查的方式，工作量巨大，造成了人力物力的浪费。“户-变”关系的缺失导致无法为台区总线损提供精确数据源；“户-线”关系缺失导致无法进行分级线损的分析计算。

目前实现配电台区电气网络拓扑识别的方法有：

(1)基于用电信息的分析法：利用目前的低压线路电力线载波通信技术，包括窄带电力线载波或宽带电力线载波，通过用电信息采集的配电台区用户用电信息，使用电压数据相似性或相关性分析方法，不增加硬件成本，自动分析台区供电电源与用电设备间的连接关系。

该方案的缺点是分析用电信息的相似性或相关性涉及复杂的数据处理算法和模型。

(2)电流注入法：在低压配电线路(或母线)上，通过在工频信号中注入小电流信号，各级逐层捕获该电流信号实现拓扑辨识。该方法的缺点有：

a.影响电网正常运行：尽管注入的电流信号很小，但仍可能引入额外的噪声或扰动，对电网稳定性产生一定的影响；

b.对硬件设备要求较高：电流注入法需要在电网中注入小电流信号，并通过各级设备逐级捕获，这要求系统中的测量设备和传感器具备足够的精度和灵敏度，以便准确地检测和捕获注入的电流信号，增加了设备的成本和复杂性；

c.效果受电网条件影响：电网条件例如电流的分布、线路阻抗等，如果电网条件不理想或存在干扰因素，将会导致拓扑辨识的准确性下降。

(3)停复电分析法：通过对低压台区的主干分支有序停复电，由网关抄读用户停复电数据，与主干分支的停复电信息进行比对，实现低成本的“户—线—变”拓扑自动辨识方案。

该方案的缺点是需要对低压台区的主干分支进行有序的停复电操作，并及时抄读用户停复电数据，对操作和协调要求较高，对电力系统运行和供电可靠性产生一定的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别方法与系统。

第一方面，本发明提供了基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别方法，包括：

各个用户端电表采集所在分支线路的电能数据并通过高频载波信号发送所述电能数据至汇集器；

所述电能质量监测终端获取各个所述分支线路上的实时电压信号与实时电流信号；

所述电能质量监测终端或所述汇集器根据所述实时电压信号与所述实时电流信号计算电能质量数据；

所述电能质量监测终端从所述实时电压信号中提取HPLC频段信号，并将所述HPLC频段信号转换为电平信号；

所述电能质量监测终端检测所述电平信号中的HPLC载波信号并根据所述HPLC载波信号生成HPLC标志事件并通过汇集器上传至服务器；所述HPLC标志事件用于记录所述HPLC载波信号的用户端电表的节点信息；

所述服务器根据所述HPLC标志事件构建所有所述用户端电表的电气网络拓扑结构。

第二方面，本发明提供了基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别系统，包括若干个用户端电表、若干个电能质量监测终端、汇集器与服务器；

各个所述用户端电表采集所在分支线路的电能数据并通过高频载波信号发送所述电能数据至所述汇集器；

所述电能质量监测终端获取各个所述分支线路上的实时电压信号与实时电流信号；所述电能质量监测终端或所述汇集器根据所述实时电压信号与所述实时电流信号计算电能质量数据并发送至所述汇集器；所述电能质量监测终端从所述实时电压信号中提取HPLC频段信号，并将所述HPLC频段信号转换为电平信号；所述电能质量监测终端检测所述电平信号中的HPLC载波信号并根据所述HPLC载波信号生成HPLC标志事件并通过所述汇集器上传至所述服务器；所述HPLC标志事件用于记录所述HPLC载波信号的用户端电表的节点信息；

所述汇集器，用于所述电能质量监测终端与所述服务器之间数据传输以及数据处理；

所述服务器根据所述HPLC标志事件构建所有所述用户端电表的电气网络拓扑结构。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述电能质量监测终端获取各个所述分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据所述实时电压信号与所述实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个所述电能质量监测终端设置电流采集传感器采集各个所述电能质量监测终端所在分支线路的电流信号，各个所述电流采集传感器通过通讯总线与所述汇集器电信号连接，在所述汇集器中设置三相电压传感器采集各个所述电能质量监测终端所在分支线路的三相电压信号，各个所述电能质量监测终端所在分支线路通过电源线连接至所述汇集器，所述三相电压传感器与所述电源线电连接，所述汇集器根据所述电流信号与所述三相电压信号计算各个分支线路的电能质量数据。

进一步，所述电能质量监测终端获取各个所述分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据所述实时电压信号与所述实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个所述电能质量监测终端设置电流电压采集传感器采集各个所述电能质量监测终端所在分支线路的电流信号与三相电压信号，在所述汇集器中设置三相电压转换器将所述三相电压信号转换为模拟电压，通过级联扩展线将所述三相电压信号依次发送至每个所述电能质量监测终端，所述电能质量监测终端获取各个所述电能质量监测终端所在分支线路的电流信号与转换后的所述模拟电压并计算所述电能质量数据。

进一步，所述电能质量监测终端获取各个所述分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据所述实时电压信号与所述实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个所述电能质量监测终端设置电流传感器采集各个所述电能质量监测终端所在分支线路的电流信号，所述电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号，所述电能质量监测终端计算所述电能质量数据。

进一步，所述电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号的方法为：

构造金属极板，金属极板的形状不限，金属极板与待测导线间形成耦合电容C

设s为拉普拉斯算子，ω为角频率，U

当R足够大时，上述公式变换为：

再由laplace域反换算到时域，可得运放端输出电压U：

进一步，所述电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号的方法为：

设置相互平行的第一感应极板和第二感应极板；所述第一感应极板和所述第二感应极板相互耦合，构成平板电容；

在所述第一感应极板上加载激励信号；

采集所述第二感应极板上的电压信号；

分别对采集的电压信号进行高通滤波和低通滤波，得到高频分量与低频分量；

分别对所述高频分量与所述低频分量进行模数转换；

基于所述激励信号、转换后的所述高频分量与转换后的所述低频分量，以及所述高频分量与所述低频分量间的关系，计算出待测高压导线的电压。

进一步，所述电能质量监测终端与所述汇集器之间数据传输的方式还包括：在所述电能质量监测终端与所述汇集器均设置无线通信模块，所述电能质量监测终端与所述汇集器无线通信连接。

进一步，所述电能质量监测终端包括电源模块、主控模块、通信模块、电流传感器与电压传感器；所述电源模块、所述通信模块、所述电流传感器与所述电压传感器分别与所述主控模块电信号连接。

进一步，所述通信模块为总线模块或者无线通信模块；所述电流传感器为非接触式电流传感；所述电压传感器为非接触式电压传感器。

本发明的有益效果是：本发明能够根据实际需求进行灵活配置和扩展，解决分布式电能质量监测中成本高、安装复杂、灵活性低、可靠性低的问题，获取电力线实时电压信号，电能质量监测终端能够在实时监测电能质量的同时，截取HPLC载波信号，实现对电力系统拓扑的自动识别，有助于实现对电网的更精确的监测和分析。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别方法的原理图；

图2为本发明实施例中一种获取电能质量数据的实施方式的原理图；

图3为本发明实施例中一种获取电能质量数据的实施方式的原理图；

图4为本发明实施例中一种获取电能质量数据的实施方式的原理图；

图5为本发明实施例中电能质量监测终端与汇集器之间数据传输的实施方式的原理图；

图6为本发明中非接触式电压测量一种可选实施方式的电路图；

图7为本发明中非接触式电压测量一种可选实施方式的原理图；

图8为本发明中非接触式电压测量一种可选实施方式的电路图；

图9为本发明实施例2提供的基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别系统的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

作为一个实施例，如附图1所示，为解决上述技术问题，本实施例提供基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别方法，包括：

各个用户端电表采集所在分支线路的电能数据并通过高频载波信号发送电能数据至汇集器；

电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号；

电能质量监测终端或汇集器根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据；

电能质量监测终端从实时电压信号中提取HPLC频段信号，并将HPLC频段信号转换为电平信号；

电能质量监测终端检测电平信号中的HPLC载波信号并根据HPLC载波信号生成HPLC标志事件并通过汇集器上传至服务器；HPLC标志事件用于记录HPLC载波信号的用户端电表的节点信息；

服务器根据HPLC标志事件构建所有用户端电表的电气网络拓扑结构。

在实际应用过程中，用户端电表设置在电表箱中，当用户端电表向汇集器上报数据时，通过在电力线上注入高频载波信号，实现电能质量监测终端与用户端电表之间的双向通信，用户端电表将采集到的电能数据通过HPLC载波信号发送到汇集器。

当用户端电表和HPLC汇集器通信时，线路中会有HPLC高频信号，该高频信号中记录有通信双方的节点信息，电能质量监测终端检测该HPLC高频信号转换为电平信号，可选的，当这个电平为高时，则此时出现了一次通信事件即标志性事件。

用户端电表发送电能数据时，电能质量监测终端采集电力线上的实时电压信号，并对该实时电压信号进行判断，判断是否存在HPLC载波信号，若是则将存在HPLC载波信号作为标志事件传递至汇集器，否则无标志事件产生。标志事件用于记录HPLC载波信号的用户端电表的节点信息，该节点信息包括发送该HPLC载波信号的节点设备信息，根据节点设备信息构建电气网络拓扑结构。

当电能质量监测终端检测到HPLC载波信号时，可以通过该HPLC载波信号的HPLC标志事件的存在来确定与该电能质量监测终端通信的电力线路在一个拓扑中，这样，可以构建台区电力系统的拓扑结构。相对于基于HPLC频谱识别方法而言更简单直观，无须强大的计算分析，通过利用HPLC汇集器和HPLC标志事件，电能质量监测终端能够在实时监测电能质量的同时，实现对电力系统拓扑的自动识别。这种基于载波通信和同步采集的方法为电能质量监测系统提供了一种可靠且高效的拓扑辨识方法，有助于实现对电网的电能质量更精确监测和分析。

此外，电能质量监测终端采集电力线上的实时电压信号的同时，采集实时电流信号，电能质量监测终端根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据，或者电能质量监测终端将实时电压信号与实时电流信号发送至汇集器，由汇集器计算电能质量数据。可选的，电能质量监测终端可以采用非接触电压采集的方式，也可以采用接触电压采集的方式。

作为一种可选的实施方式，电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个电能质量监测终端设置电流采集传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号，各个电流采集传感器通过通讯总线与汇集器电信号连接，在汇集器中设置三相电压传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的三相电压信号，各个电能质量监测终端所在分支线路通过电源线连接至汇集器，三相电压传感器与电源线电连接，汇集器根据电流信号与三相电压信号计算各个分支线路的电能质量数据。

在实际应用过程中，如附图2所示，汇集器作为电能质量计算的核心，汇集器中设置ABC三相电压传感器，用于实时采集各个分支线路的三相电压数据，电能质量监测终端能够采集各个分支线路的电流信号，并通过通讯总线传输给汇集器，在汇集器中将电压电流数据进行融合计算，得到各个分支线路的电能质量数据。

作为一种可选的实施方式，电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个电能质量监测终端设置电流电压采集传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号与三相电压信号，在汇集器中设置三相电压转换器将三相电压信号转换为模拟电压，通过级联扩展线将三相电压信号依次发送至每个电能质量监测终端，电能质量监测终端获取各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号与转换后的模拟电压并计算电能质量数据。

在实际应用过程中，如附图3所示，电能质量监测终端作为电能质量计算的核心。汇集器中设置ABC三相电压转换器，将三相电压转换为模拟电压，通过级联扩展线将三相电压信号依次传递到每个电能质量监测终端，电能质量监测终端能够采集各个分支线路的电流数据，同时获得转换后的三相电压信号，在各个电能质量监测终端完成电能质量数据计算，最后通过通讯总线将其传输给汇集器，汇集器再将各分支线路的电能质量数据上传至服务器。

作为一种可选的实施方式，电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个电能质量监测终端设置电流传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号，电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号，电能质量监测终端计算电能质量数据。

在实际应用过程中，如附图4所示，电能质量监测终端作为电能质量计算的核心。无需接入ABC三相电压数据，电能质量监测终端采集各个分支线路的电流数据，同时采用非接触电压测量的方式获得三相电压数据，在各个电能质量监测终端完成电能质量数据计算，最后通过通讯总线传输给汇集器，汇集器再将各分支线路的电能质量数据上传至服务器。

可选的，如附图5所示，电能质量监测终端与汇集器之间数据传输的方式还包括：在电能质量监测终端与汇集器均设置无线通信模块，电能质量监测终端与汇集器无线通信连接。

汇集器负责将电能质量数据进行汇集并实现转发，同时能够从电能质量监测终端节点采集电能数据，包括电压、电流、功率、功率因数等参数。汇集器将从下级节点采集到的数据进行汇集和整合，形成完整的电能数据集。它能够将数据按照设定格式进行处理和存储。汇集器具备数据处理能力，能够对采集到的数据进行预处理、校正或滤波等操作，以确保数据的准确性和可靠性。汇集器通过总线接口与上级汇集器或上层服务器进行数据传输。

汇集器内置电源线接口和通信线接口，用于连接到下级的电能质量监测终端和上级汇集器。汇集器具备数据处理和存储功能，可以实时处理采集到的数据并进行存储或转发。

汇集器硬件包含主控模块、电源模块、存储模块、无线模块。电源模块提供系统所需的电力供应。存储模块：存储模块用于存储系统采集到的数据，可以是一个内置的存储设备，如闪存或硬盘，用于数据存储，也可以是临时存储器，如缓冲区或内存，用于暂时存储和处理实时数据。总线模块用于系统内部各个模块之间的通信和数据交换，如I2C总线、SPI总线、CAN总线等，以实现可靠的数据传输和控制指令的交互。无线模块使系统能够与其他设备或网络进行无线通信，如4G模块、Wi-Fi模块、蓝牙模块、LoRa模块、Zigbee模块等，以便与外部设备或远程服务器进行数据传输，以及实现远程控制。

电压转换模块：电压转换模块将输入的三相交流电压转换为等比例缩小的低压，便于电能质量监测终端进行采集。

可选的，电能质量监测终端包括电源模块、主控模块、通信模块、电流传感器与电压传感器；电源模块、通信模块、电流传感器与电压传感器分别与主控模块电信号连接。

电能质量监测终端作为下级节点，负责采集计算电能质量数据所需电压电流数据，能够采集电网中的电压、电流、功率等电能质量参数的实时数据。电流传感器采用非接触的方式，例如互感器、霍尔传感器、磁阻传感器等，电压传感器可以采用有线接入方式或者非接触电压测量方式。可选的，电能质量监测终端内置电源线接口和通信线接口，用于连接到汇集器。

电能质量监测终端通过通信线将采集到的数据发送给上级汇集器，并接收来自汇集器的指令和配置信息。

电能质量监测终端内置电源线接口和通信线接口，用于连接到汇集器和其他采集终端。

电能质量监测终端通过通信线将采集到的数据发送给上级汇集器，并接收来自汇集器的指令和配置信息。

可选的，通信模块为总线模块或者无线通信模块；电流传感器为非接触式电流传感；电压传感器为非接触式电压传感器。

作为一种可选的实施方式，电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号的方法的原理如下：

如附图6所示，构造金属极板，金属极板的形状不限，金属极板与待测导线间形成耦合电容C

设s为拉普拉斯算子，ω为角频率，U

当R足够大时，上述公式变换为：

再由laplace域反换算到时域，可得运放端输出电压U：

构建电容耦合极板，可以得到输出电压与输入电压相位相反，因此可以通过输出电压反推待测电压相位，由于耦合电容大小C

作为一种可选的实施方式，如附图7所示，电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号的方法为：

设置相互平行的第一感应极板和第二感应极板；第一感应极板和第二感应极板相互耦合，构成平板电容；

在第一感应极板上加载激励信号；

采集第二感应极板上的电压信号；

分别对采集的电压信号进行高通滤波和低通滤波，得到高频分量与低频分量；

分别对高频分量与低频分量进行模数转换；

基于激励信号、转换后的高频分量与转换后的低频分量，以及高频分量与低频分量间的关系，计算出待测高压导线的电压。

非接触式电压测量的具体原理如下：

对于电压为V

V

在V

再将该系数值带入V

由此可以计算出待测高压导线的电压V

将两感应极板交换同理。

实施例2

基于与本发明的实施例1中所示的方法相同的原理，如附图9所示，本发明的实施例中还提供了基于HPLC标志事件的电气网络拓扑识别系统，包括若干个用户端电表、若干个电能质量监测终端、汇集器与服务器；

各个所述用户端电表采集所在分支线路的电能数据并通过高频载波信号发送电能数据至汇集器；

电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号；电能质量监测终端或汇集器根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据并发送至汇集器；电能质量监测终端从实时电压信号中提取HPLC频段信号，并将HPLC频段信号转换为电平信号；电能质量监测终端检测电平信号中的HPLC载波信号并根据HPLC载波信号生成HPLC标志事件并通过汇集器上传至服务器；HPLC标志事件用于记录HPLC载波信号的用户端电表的节点信息；

汇集器，用于电能质量监测终端与服务器之间数据传输以及数据处理；

服务器根据HPLC标志事件构建所有用户端电表的电气网络拓扑结构。

可选的，电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个电能质量监测终端设置电流采集传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号，各个电流采集传感器通过通讯总线与汇集器电信号连接，在汇集器中设置三相电压传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的三相电压信号，各个电能质量监测终端所在分支线路通过电源线连接至汇集器，三相电压传感器与电源线电连接，汇集器根据电流信号与三相电压信号计算各个分支线路的电能质量数据。

可选的，电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个电能质量监测终端设置电流电压采集传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号与三相电压信号，在汇集器中设置三相电压转换器将三相电压信号转换为模拟电压，通过级联扩展线将三相电压信号依次发送至每个电能质量监测终端，电能质量监测终端获取各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号与转换后的模拟电压并计算电能质量数据。

可选的，电能质量监测终端获取各个分支线路上的实时电压信号与实时电流信号，以及根据实时电压信号与实时电流信号计算电能质量数据的方式为：

在各个电能质量监测终端设置电流传感器采集各个电能质量监测终端所在分支线路的电流信号，电能质量监测终端通过非接触电压采集的方式获取三相电压信号，电能质量监测终端计算电能质量数据。

可选的，电能质量监测终端与汇集器之间数据传输的方式还包括：在电能质量监测终端与汇集器均设置无线通信模块，电能质量监测终端与汇集器无线通信连接。

可选的，电能质量监测终端包括电源模块、主控模块、通信模块、电流传感器与电压传感器；电源模块、通信模块、电流传感器与电压传感器分别与主控模块电信号连接。

可选的，通信模块为总线模块或者无线通信模块；电流传感器为非接触式电流传感；电压传感器为非接触式电压传感器。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。