一种低压HPLC台区拓扑识别方法及系统

一种低压hplc台区拓扑识别方法及系统
技术领域
1.本发明属于拓扑识别和重构技术领域，涉及拓扑识别方法及系统，尤其是一种低压hplc台区拓扑识别方法及系统。


背景技术：

2.低压台区处于电力系统的末端，承担着直接向用户供电的任务。近年来，随着低压配电网的发展，台区的信息化、智能化水平得到了极大提高。然而，在低压配电网络的建设过程中，用电负荷的增加导致配电线路和电力设施经常发生调整和变动，而电网公司因为管理、技术等原因无法对台区档案作出及时调整，从而导致了台区的拓扑档案与实际不符。错误的拓扑档案会影响台区的线损治理、防窃电排查工作的开展，为台区的精细化管理工作带来了诸多不便。因此，进行低压台区拓扑识别技术的研究具有重要意义。
3.传统台区识别方法主要包含两类，一类是基于通信的方法，这类方法需要专门的台区识别设备如台区识别仪，或者在jp柜、分支箱、光力柜等中间节点处集成台区拓扑识别专用通信装置，这类方法原理简单，实现难度低，但增加了设备的开支，另一类方法是基于大数据的方法，对用户的用电量、电压等数据进行相关性分析，虽然不需要增加额外设备，但需要大量用户用电数据，对数据质量和算法性能要求较高，无法实现网络拓扑在线识别，实际应用难度较大。
4.有鉴于此，本发明提出一种低压hplc台区拓扑识别方法及系统。
5.经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的文献。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低压hplc台区拓扑识别方法及系统，能够在不需要中间节点安装识别装置的情况下，实现线路长度自动测量、准确快速识别台区的拓扑结构。
7.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
8.一种低压hplc台区拓扑识别方法，包括以下步骤：
9.步骤1、根据台区档案对所有电表进行编号，并划入未识别电表集合b1，初始化过渡电表集合已识别电表集合
10.步骤2、在2～30mhz频段内，集合b1内载波电表i和台区集中器分别发收hplc扫频信号，采样得到频率响应序列h(f)，将电表i和集合b1内所有接收到载波信号的电表划入集合b2；；
11.步骤3、对频率响应序列进行小波降噪；
12.步骤4、利用陷波频点特性确定发收中间分支数和分支长度；
13.步骤5、利用平均信道衰减特性计算收发节点间总线长度；
14.步骤6、计算中间各载波电表间的距离，增删中间分支节点；
15.步骤7、进行台区拓扑识别；
16.而且，所述步骤3的具体方法为：
17.对采样得到的一维波形数据进行小波降噪，滤除高频噪声，去噪方法选择daubechies小波作为小波基，heursure混合阈值规则，软阈值函数，阈值计算规则如下：
[0018][0019]
若eta<crit，则选取固定阈值，否则选取rigrsure准则和sqtwolog准则的较小者作为本准则阈值。
[0020]
而且，所述步骤4的具体步骤包括：
[0021]
(1)快速傅里叶变换提取幅值谱中所有明显频率成分f1～f
n
，判定分支数为n；
[0022]
(2)计算每条分支对应信号频率响应曲线中陷波频点间隔
[0023]
(3)计算各分支长度：
[0024][0025]
式中，l为线路的分布电感，c为线路的分布电容。
[0026]
而且，所述步骤5的具体步骤包括：
[0027]
(1)先根据hankel矩阵形式将信道频率响应序列x构造成一个m
×
n的信号矩阵h
x
，矩阵构造形式为：
[0028][0029]
对h
x
进行奇异值分解分解，得到分信道频率响应h1(f)～h
n
(f)，奇异值分解形式如下：
[0030]
h
x
＝usv
t
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
(2)加窗δf
i
进行pe运算提取各分频率响应曲线的波峰点，pe运算如下：
[0032][0033]
将原始输入信号f[n]减去结构元素b[m]对信号f[n]进行开运算结果，即可得到每个窗口内的波峰点，基于最小二乘法拟合出波峰曲线，用该曲线近似代替无分支信道的频率响应；
[0034]
(3)计算无分支信道平均信道衰减统计特性，计算公式如下：
[0035][0036]
其中，f0为频率分辨率，取f0＝25khz，频率范围2
‑
30mhz，故n1＝80，n2＝1200。
[0037]
(4)由aca(l)计算对应主线路长度l,aca(l)由室外实测得到，测量规则如下：
[0038]
多次改变无分支线路长度l，分别计算每个l下的aca，得到式(7)中的参数a、b；
[0039]
aca(l)＝
‑
al+b(db)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0040]
(5)由式(3)的aca(l)计算各分频率响应对应主线路长度l1～l
n
，并取平均值得到总线长度l。
[0041]
而且，所述步骤6的具体步骤包括：
[0042]
(1)集合b2内载波电表i和j收发hplc扫频信号，采样得到h
ij
(f)；
[0043]
(2)按照步骤5计算i和j之间的线路长度l
ij
；
[0044]
(3)当l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)＞ε时，判定两个电表分别属于不同的分支节点，且分支节点之间的距离为l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)；
[0045]
(4)当|l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)|≤ε时，判定两个电表分别所属的分支节点距离较近，将分支节点合并；
[0046]
(5)当l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)＜
‑
ε时，判定两个电表同属于一个分支，且该分支长度为(l
bri
+l
brj
‑
l
ij
)/2，增加中间分支节点；
[0047]
(6)循环执行步骤6，直至b2内所有电表间的线路长度计算完成。
[0048]
而且，所述步骤7的具体步骤包括：
[0049]
(1)计算b2内所有电表与电表i的距离，根据距离长短判断节点上下游关系，生成簇拓扑，并将b2中所有元素划入b3，令至此电表i所在簇的拓扑识别完毕；
[0050]
(2)当时，返回步骤2，否则结束循环，台区拓扑识别完毕。
[0051]
一种低压hplc台区拓扑识别系统，包括：信号采集模块、信号处理模块、长度计算模块和拓扑识别模块；
[0052]
所述信号采集模块，将电表和集中器的宽带载波通信模块接入本系统，包括：电表载波模块和集中器载波模模块，用于采集接收端的hplc信号频率响应一维波形数据；数据存储模块用于存储整合数据并上传至信号处理模块；
[0053]
所述信号处理模块，包括第一统计分析模块、系统数据库和第一数据管理模块；第一统计分析模块用于对信号采集模块所采集的信号频率响应进行小波降噪，滤除高频噪声，进行频谱分析，提取波峰点和陷波频点特征；系统数据库和第一数据管理模块用于存储数据并供长度计算模块调用；
[0054]
所述长度计算模块，包括第二统计分析模块和第二数据管理模块；第二统计分析子模块用于基于信号频率选择性衰减特性计算分支长度，基于平均信道衰减特性计算线路长度，计算得到的长度数据由第二数据管理模块管理并供拓扑识别模块调用。
[0055]
所述拓扑识别模块，由数字信号处理器、电源单元、图形处理器、mcu单元和gui组成，用于调用长度计算模块，确定分支节点数量和上下游关系，生成台区拓扑图并输出。
[0056]
本发明的优点和有益效果：
[0057]
1、本发明充分考虑宽带电力线载波信道的频率选择性衰减特性以及统计特性同线路长度的数学关系，设计了一种基于宽带电力线载波特性的低压hplc台区拓扑识别方法及系统，通过如步骤4、步骤5所述高效且有创造性的线路分支数量、线路长度的精确提取和计算方法以及步骤6所述的分支节点数量和位置的提取方法，最终识别出台区网络的拓扑。本发明在不需要中间节点安装识别装置的情况下，实现线路长度自动测量、准确快速识别
台区的拓扑结构，保证台区线损治理、防窃电排查工作的正常开展。
[0058]
2、本发明的一种适用于低压hplc台区的拓扑识别方法，前期先通过将提取信道频率响应中所包含的频率分量，利用分支长度和陷波频点的关系精确计算出信道所含分支数及其长度，利用平均信道衰减统计特性和无分支信道长度的数学关系，计算各节点之间的线路长度。后期通过反复增删中间节点并确定节点上下游关系，识别出收发节点间的拓扑结构，最后生成簇拓扑，进而实现对整个台区拓扑的精确识别。
附图说明
[0059]
图1是本发明的方法处理流程图；
[0060]
图2(a)是本发明的节点增删规则示意图(一)；
[0061]
图2(b)是本发明的节点增删规则示意图(二)；
[0062]
图2(c)是本发明的节点增删规则示意图(三)；
[0063]
图3是本发明的低压hplc台区的拓扑识别系统图；
[0064]
图4是本发明的实验测试单簇台区拓扑图；
[0065]
图5是本发明的信号频率响应曲线图；
[0066]
图6是本发明的幅值谱图；
[0067]
图7是本发明的台区拓扑识别实验测试结果图。
具体实施方式
[0068]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0069]
一种低压hplc台区拓扑识别方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0070]
步骤1、根据台区档案对所有电表进行编号，并划入未识别电表集合b1，初始化过渡电表集合已识别电表集合
[0071]
步骤2、在2～30mhz频段内，集合b1内载波电表i和台区集中器分别发收hplc扫频信号，采样得到频率响应序列h(f)，将电表i和集合b1内所有接收到载波信号的电表划入集合b2；；
[0072]
步骤3、对频率响应序列进行小波降噪；
[0073]
所述步骤3的具体方法为：
[0074]
对采样得到的一维波形数据进行小波降噪，滤除高频噪声，去噪方法选择daubechies小波作为小波基，heursure混合阈值规则，软阈值函数。阈值计算规则如下：
[0075][0076]
若eta<crit，则选取固定阈值，否则选取rigrsure准则和sqtwolog准则的较小者作为本准则阈值。
[0077]
步骤4、利用陷波频点特性确定发收中间分支数和分支长度；
[0078]
所述步骤4的具体步骤包括：
[0079]
(1)快速傅里叶变换提取幅值谱中所有明显频率成分f1～f
n
，判定分支数为n；
[0080]
(2)计算每条分支对应信号频率响应曲线中陷波频点间隔
[0081]
(3)计算各分支长度：
[0082][0083]
式中，l为线路的分布电感，c为线路的分布电容。
[0084]
步骤5、利用平均信道衰减特性计算收发节点间总线长度；
[0085]
所述步骤5的具体步骤包括：
[0086]
(1)先根据hankel矩阵形式将信道频率响应序列x构造成一个m
×
n的信号矩阵h
x
，矩阵构造形式为：
[0087][0088]
对h
x
进行奇异值分解分解，得到分信道频率响应h1(f)～h
n
(f)，奇异值分解形式如下：
[0089]
h
x
＝usv
t
ꢀꢀꢀ
(4)
[0090]
(2)加窗δf
i
进行pe运算提取各分频率响应曲线的波峰点，pe运算如下：
[0091][0092]
将原始输入信号f[n]减去结构元素b[m]对信号f[n]进行开运算结果，即可得到每个窗口内的波峰点，基于最小二乘法拟合出波峰曲线，用该曲线近似代替无分支信道的频率响应。
[0093]
(3)计算无分支信道平均信道衰减统计特性，计算公式如下：
[0094][0095]
其中f0为频率分辨率，取f0＝25khz，频率范围2
‑
30mhz，故n1＝80，n2＝1200。
[0096]
(4)由aca(l)计算对应主线路长度l,aca(l)由室外实测得到，测量规则如下：
[0097]
多次改变无分支线路长度l，分别计算每个l下的aca，得到式(7)中的参数a、b；
[0098]
aca(l)＝
‑
al+b(db)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0099]
(5)由式(3)的aca(l)计算各分频率响应对应主线路长度l1～l
n
，并取平均值得到总线长度l；
[0100]
步骤6、计算中间各载波电表间的距离，增删中间分支节点；
[0101]
基于步骤5所述线路长度求取原理，求集合b2中各电表间的线路长度。
[0102]
所述步骤6的具体步骤包括：
[0103]
(1)集合b2内载波电表i和j收发hplc扫频信号，采样得到h
ij
(f)；
[0104]
(2)按照步骤5计算i和j之间的线路长度l
ij
；
[0105]
(3)当l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)＞ε时，判定两个电表分别属于不同的分支节点，且分支节点之间的距离为l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)，如图2(a)所示；
[0106]
(4)当|l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)|≤ε时，判定两个电表分别所属的分支节点距离较近，将分支节点合并，如图2(b)所示；
[0107]
(5)当l
ij
‑
(l
bri
+l
brj
)＜
‑
ε时，判定两个电表同属于一个分支，且该分支长度为(l
bri
+l
brj
‑
l
ij
)/2，增加中间分支节点，如图2(c)所示；
[0108]
(6)循环执行步骤6，直至b2内所有电表间的线路长度计算完成；
[0109]
步骤7、进行台区拓扑识别
[0110]
所述步骤7的具体步骤包括：
[0111]
(1)计算b2内所有电表与电表i的距离，根据距离长短判断节点上下游关系，生成簇拓扑，并将b2中所有元素划入b3，令至此电表i所在簇的拓扑识别完毕；
[0112]
(2)当时，返回步骤2，否则结束循环，台区拓扑识别完毕。
[0113]
一种低压hplc台区拓扑识别系统，如图3所示，包括：信号采集模块、信号处理模块、长度计算模块和拓扑识别模块；
[0114]
所述信号采集模块，将电表和集中器的宽带载波通信模块接入本系统，包括：电表载波模块和集中器载波模模块，用于采集接收端的hplc信号频率响应一维波形数据；数据存储模块用于存储整合数据并上传至信号处理模块；
[0115]
所述信号处理模块，包括第一统计分析模块、系统数据库和第一数据管理模块；第一统计分析模块用于对信号采集模块所采集的信号频率响应进行小波降噪，滤除高频噪声，进行频谱分析，提取波峰点和陷波频点特征；系统数据库和第一数据管理模块用于存储数据并供长度计算模块调用；
[0116]
所述长度计算模块，包括第二统计分析模块和第二数据管理模块；第二统计分析子模块用于基于信号频率选择性衰减特性计算分支长度，基于平均信道衰减特性计算线路长度，计算得到的长度数据由第二数据管理模块管理并供拓扑识别模块调用。
[0117]
所述拓扑识别模块，由数字信号处理器、电源单元、图形处理器、mcu单元和gui组成，用于调用长度计算模块，确定分支节点数量和上下游关系，生成台区拓扑图并输出。
[0118]
为验证本发明的一种基于宽带电力线载波信道特性的低压hplc台区拓扑识别方法的有效性，对基于传输线理论建立的简单典型台区应用本发明的方法进行拓扑识别效果分析。
[0119]
如图4所示为基于传输线理论建立的一簇典型台区网络拓扑，各段线路的长度已在图中标出，其中，a和b分别为发送端和接收端，节点1～5为分支终端节点，发送端和接收端的负载z
s
和z
l
都为50ω，各分支终端节点都为开路。所用线路型号为交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套(yjv)电缆，线路参数如表1所示。
[0120]
表1 yjv线路参数
[0121][0122]
按照上述步骤对其进行拓扑识别，节点b接收的信号频率响应及其幅值谱如图5和
图6，从幅值谱中提取明显频率成分，分别为0.8928mhz、0.9643mhz、1.679mhz、1.964mhz、2.143mhz和2.357mhz。生成的拓扑如图7所示，各段线路计算结果与实际长度的对比如表2所示。
[0123]
表2线路长度理论计算与实际长度的结果对比
[0124][0125]
由图7对比图4可知，本发明所提方法基本实现了台区拓扑的精准识别，包括分支情况、节点上下游关系在内的台区拓扑正确生成，没有错误识别、少识别的节点。由表可以看出，总体上线路长度误差率较小，最大为6.72％。对于节点a和b来说，分支长度的计算误差率都较小，控制在2％以内，而基于平均信道衰减统计特性计算得到的线路长度误差较大的原因是，aca随无分支线路长度的线性关系aca(l)是由实测，并使用曲线拟合方法近似得到的，其中存在的误差是导致线路长度误差率大的主要原因。
[0126]
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。