一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法和系统与流程

1.本发明涉及电力通信技术领域，具体涉及一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法和系统。


背景技术：

2.配电网的拓扑结构，就是将电网通过断路器等开关设备将集中器、采集器、智能电表等元件相联系，抽象成与其样式无关的一个个节点，而把连接这些节点的电力线路抽象成线，进而以拓扑图的形式来表示这些节点之间的关系。
3.低压配电网拓扑识别，就是为了区分出台区内的供电线路中的各节点的上下级关系和分支，将低压台区可视化，提高现场故障排查的效率，解决长期困扰电力公司的运维痛点。目前拓扑识别主要有两种技术路线：一种是通过电力线载波通信或者向电路中注入特殊信号，同时在低压供电网络拓扑分支节点安装感知设备，进而识别网络拓扑；另一种是基于数据驱动的拓扑识别和还原方法，通过对智能电表的量测数据进行分析，挖掘电气量数据与拓扑间的内在联系，实现网络拓扑识别。其中，第一种方式需要在电网中加装收发设备，改变了现网环境，成本较高。第二种方式，目前主要依靠路由模块实现的集中式识别，存在算法复杂、运算量大、占用资源过多的弊端。


技术实现要素：

4.为适应电力通信技术领域的实际需求，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法和系统，以避免了集中式识别运算量大、占用过多资源的弊端。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法，所述配电网包括配电变压器、集中器、安装在集中器上的路由模块、智能电表、安装在智能电表上的节点模块；所述节点模块和路由模块通过hplc通信实现数据收发，所述拓扑识别方法包括以下步骤：
6.s1、节点模块上电并加入到路由模块的网络中，同时，节点模块开始监听其它节点发送的报文，计算邻居节点的rssi值；
7.s2、节点模块根据rtc时钟定期向智能电表发送电压数据采集命令，电表收到命令后向节点模块返回电压数据；节点模块收到后将该电压数据向电力线发送一跳本地广播，以供邻居节点接收处理；
8.s3、节点模块结合邻居节点的rssi值以及电压数据，确定本次识别的父节点；
9.s4、多次识别后，节点模块将统计识别次数最多的父节点作为本节点模块的父节点并上传给路由模块；
10.s5、路由模块根据各个节点模块上传的父节点信息，绘制出完整的网络拓扑图。
11.所述步骤s3具体包括以下步骤：
12.s301、根据rssi值对邻居节点进行排序，取最大的前n个节点作为待选父节点；
13.s302、去掉待选父节点中不符合条件的节点；
14.s303、在剩余的待选父节点中取rssi值最大的节点作为本次识别的父节点。
15.所述步骤s302中，不符合条件的节点包括节点电压低于本节点电压的节点，rssi值大于第一阈值的节点，以及没有入网或rssi值为零的节点。
16.所述第一阈值为实际测试得到的同表箱内节点间的rssi值。
17.所述步骤s301中，当台区内节点数少于n时，取所有的节点作为待选父节点。
18.所述步骤s303中，若有多个节点rssi值最大且相同，则取其中电压最大的为本次识别的父节点。
19.所述步骤s303中，若无符合条件的父节点，则判断节点模块接收到路由模块的rssi是否大于第二阈值，若是，则将路由模块作为本次识别的父节点。
20.所述第二阈值为实际测试得到的离路由模块最近的节点与路由模块间的rssi值。
21.所述步骤s2中，节点模块通过状态机的方式实现上述步骤s1～s3，所述状态机共有4 种状态：topo_idle、topo_start、topo_pre、topo_ing，其中：
22.topo_idle状态：处于等待状态，当进入ntb定时中断比较中断处理函数时，通过串口向智能电表发送电压数据采集命令，并发送出去，同时使程序流程进入topo_start状态；
23.topo_start状态：对邻居节点的rssi进行排序，排序完成后进入topo_pre状态；
24.topo_pre状态：收集邻居节点广播的电压数据，等待收集完成后进入topo_ing状态；
25.topo_ing状态：进行父节点识别，识别完成后返回，处于等待状态。
26.此外，本发明还提供一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别系统，用于所述一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法。
27.本发明的工作原理描述如下：
28.本发明主要通过节点模块的父节点识别算法实现配电网的拓扑识别，其中，路由模块主要统计各个节点模块的识别结果，并进行展示。本发明的父节点识别算法基于智能电表测量的低压配电网的线路上交流220v电压有效值和周围邻居节点的接收信号强度实现。首先台区内所有节点采集同一时刻的电表电压测量值。受线路上的负载电流影响，距离变压器越远的节点，由于线路压降增加，测量到的交流220v电压有效值逐渐降低，据此可以判断各节点距离变压器的远近。各节点将采集到的电表电压数据通过本地一跳广播通信发送出去，之后周围一定距离范围内的其它节点可以接收到该通信报文。这样每一节点都可以获取周围所有邻居节点的电压数据，并判断出其它节点与本节点相比，距离变压器的远近。由于本发明采用的是电表测量的配电线路上的电压数据，不需要额外增加信号收发装置，实现更加方便。但是不同分支上其它节点的电压值也可能与本分支上的父节点的电压值相同，因此只通过电表电压数据无法准确判断父节点。本发明利用节点模块计算其它邻居节点的rssi值 (received signal strength indicator，接收信号强度)，距离本节点模块越远，rssi值越弱，据此可判断其它节点距离本节点模块的远近。由于不同分支上的节点与同分支上相邻节点之间的距离较远，接收信号强度也较弱，据此区分不同分支。因此，通过接收信号强度区分不同分支，同时通过电表电压判断节点间前后关系，即可准确判断父节点。路由模块统计各节点的父节点信息，若某节点不是任何一个节点的父节点，则该节点为末端叶子节点。拓扑学习从末端叶子节点开始，通过各节点的上下级关系可依次遍历每
条线路分支。如果两条分支最终汇集到同一节点或路由模块，则自动形成两条支路。据此可绘制出完整的网络拓扑图。
29.综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
30.1、本发明提出的分布式拓扑识别方法，利用各节点采集电表的量测数据和节点间的接收信号强度，自动计算出本节点的父节点，并将识别结果上报路由模块进行统计，避免了集中式识别运算量大、占用过多资源的弊端，通过分布式识别提高了识别效率，降低了系统的运算量。
31.2.本发明不需要预先分清各节点所处的拓扑分支，路由模块根据各节点上报的父节点能够自动区分各分支路径，从而得到整个台区的拓扑图，算法简单有效，因而具有较强的实用性。
32.3、本发明无需加装设备，不改变电网环境，依靠电力线通信进行识别，成本较低。
附图说明
33.图1为本发明实施例中配电网的结构框图；
34.图2为本发明实施例中提供的一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法的流程示意图；
35.图3为本发明实施例中节点模块的工作流程图。
具体实施方式
[0036][0037]
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
实施例一
[0039]
本发明实施例提供了一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法，如图1所示，所述配电网包括配电变压器、集中器、安装在集中器上的路由模块、智能电表、安装在智能电表上的节点模块；所述节点模块和路由模块通过hplc通信实现数据收发。本实施例的拓扑识别方法通过智能电表测量的低压配电网的线路上交流220v电压有效值和周围邻居节点的接收信号强度实现。
[0040]
具体地，本发明实施例的拓扑识别方法通过台区内所有节点模块采集同一时刻的电表电压测量值。受线路上的负载电流影响，距离变压器越远的节点，由于线路压降增加，测量到的交流220v电压有效值逐渐降低，据此可以判断各节点距离变压器的远近。各节点模块将采集到的电表电压数据通过本地一跳广播通信发送出去，之后周围一定距离范围内的其它节点可以接收到该通信报文。这样每一节点都可以获取周围所有邻居节点的电压数据，并判断出其它节点与本节点相比，距离变压器的远近。由于本发明采用的是电表测量的配电线路上的电压数据，不需要额外增加信号收发装置，实现更加方便。但是不同分支上其它节点的电压值也可能与本分支上的父节点的电压值相同，因此只通过电表电压数据无法准确判断父节点。因此，本发明利用节点模块计算其它邻居节点的接收信号强度，距离本节
点越远，接收信号强度越弱，据此可判断其它节点距离本节点的远近。由于不同分支上的节点与同分支上相邻节点之间的距离较远，接收信号强度也较弱，据此区分不同分支。因此，通过接收信号强度区分不同分支，同时通过电表电压判断节点间前后关系，即可准确判断父节点。
[0041]
此外，本实施例的拓扑识别方法中，通过路由模块统计各节点模块的父节点信息，若某节点模块不是任何一个节点的父节点，则该节点为末端叶子节点。拓扑学习从末端叶子节点开始，通过各节点的上下级关系可依次遍历每条线路分支。如果两条分支最终汇集到同一节点或路由模块，则自动形成两条支路。据此可绘制出完整的如图1所示的网络拓扑图。
[0042]
如图2所示，本实施例中，所述拓扑识别方法包括以下步骤：
[0043]
s1、节点模块上电并加入到路由模块的网络中，并接收路由模块通过广播的方式发送校时报文，节点模块收到校时报文后更新本地rtc(real time clock)实时时钟，，该时钟精度为秒；同时，节点模块上电后开始不断监听其它节点发送的报文，计算邻居节点的 rssi(received signal strength indicator)值。
[0044]
进一步地，本实施例中，节点模块上电后不断监听其它节点发送的报文，计算邻居节点的rssi接收信号强度，并计算一段时间内的平均值作为邻居节点rssi值。
[0045]
s2、节点模块根据rtc时钟定期更新一次ntb定时中断比较值，当ntb时钟达到ntb定时中断比较值时进入中断处理函数；中断处理函数中设置拓扑识别流程开启标志，通过串口向智能电表发送电压数据采集命令，电表收到命令后向节点模块返回电压数据；节点模块收到后将该电压数据向电力线发送一跳本地广播，以供其它节点接收处理。
[0046]
各节点模块与路由模块维护一个同步的ntb(network time base)网络基准时钟，该时钟的精度可以达到40ns。节点模块根据rtc时钟每2分钟更新一次ntb定时中断比较值，当ntb时钟达到该值时进入中断处理函数。在中断处理函数中设置拓扑识别流程开启标志，并通过串口向智能电表发送电压数据采集命令。电表收到命令后向节点模块返回电压数据。节点收到后等待一个随机延时，然后将该电压数据向电力线发送一跳本地广播，以供其它节点接收处理。
[0047]
s3、节点模块结合邻居节点的rssi值以及电压数据，确定本次识别的父节点。
[0048]
具体地，本实施例中，节点模块的拓扑识别流程开启后，开始对邻居节点的rssi值进行排序，取最大的前n个节点作为待选父节点，若本台区内节点数小于n，则将所有的作为待选父节点，本实施例中，n取值为100。然后等待10秒钟，以完成收集邻居节点的电压数据，之后去除不符合条件的节点，去除的节点包括：
[0049]
(1)节点电压低于本节点电压的节点；
[0050]
(2)rssi值大于第一阈值rssi_1的节点，这种节点被认为是同一表箱的节点。其中第一阈值rssi_1为实际测试得到的同表箱内节点间的接收信号强度；
[0051]
(3)没有入网或rssi值为0的节点。
[0052]
然后在剩余的节点中取rssi值最大的节点作为本次识别的父节点。若有多个节点rssi 值最大且相同，则取其中电压最大的为本次识别的父节点。若无符合条件的父节点，则检查节点接收到路由模块的rssi是否大于第二阈值rssi_2，若是，则认为本节点为支路首节点，其父节点为路由模块。其中第二阈值rssi_2为实际测试得到的离路由模块最近的
节点与路由模块间的接收信号强度。
[0053]
具体地，如图3所示，本实施例中，节点模块按照状态机的方式实现上述步骤s1～s3，共有4种状态：topo_idle、topo_start、topo_pre、topo_ing。4种状态按照顺序依次循环执行，具体循环过程如下：
[0054]
1、上电初始化阶段。
[0055]
(1)节点上电后加入到路由模块的网络中，并接收路由模块通过广播方式发送的校时报文，用于更新本地rtc实时时钟。
[0056]
(2)节点模块上电后开始通过不断监听其它节点发送的报文，计算邻居节点的rssi接收信号强度，并计算一段时间内的平均值。
[0057]
2、topo_idle状态。
[0058]
(1)此状态下，程序不进行任何操作，直接return返回，处于等待状态。
[0059]
(2)当程序进入ntb定时中断比较中断处理函数时，设置拓扑识别流程开启标志，通过串口向对应的智能电表发送电压数据采集命令，并使程序流程进入topo_start状态。电表收到命令后向节点模块返回的电压数据。节点收到电压数据后等待一个随机延时，然后将该电压数据向电力线发送一跳本地广播，以供其它节点接收处理。
[0060]
3、topo_start状态：对邻居节点的rssi进行排序。排序完成后进入topo_pre状态。
[0061]
4、topo_pre状态：收集邻居节点广播的电压数据。等待10秒钟，以完成收集邻居节点的电压数据，或接收到100个节点的广播报文，然后进入topo_ing状态。
[0062]
5、topo_ing状态：按照上述步骤s3进行父节点计算和识别。一次拓扑计算完成后，记录父节点的地址，统计次数，并进行排序。然后返回topo_idle状态等待下一次进入ntb 定时中断比较中断处理函数。
[0063]
s4、多次识别后，节点模块将统计识别次数最多的父节点作为本节点模块的父节点并上传给路由模块。
[0064]
每次拓扑计算完成后，记录父节点的地址，统计次数，并进行排序。多次识别完成后，统计次数最多的节点为概率最大的父节点并发送至路由模块。
[0065]
s5、路由模块根据各个节点模块上传的父节点信息，绘制出完整的网络拓扑图。
[0066]
路由模块统计各节点的父节点信息，若某节点不是任何一个节点的父节点，则该节点为末端叶子节点。拓扑学习从末端叶子节点开始，通过各节点的上下级关系可依次遍历每条线路分支。如果两条分支最终汇集到同一节点或路由模块，则自动形成两条支路。据此可绘制出完整的网络拓扑图。
[0067]
实施例二
[0068]
本发明实施例二提供一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别系统，用于实施实施例一所述的一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法。
[0069]
综上所述，本发明提供了一种基于量测数据的分布式配电网拓扑识别方法和系统，利用各节点采集电表的量测数据和节点间的接收信号强度，自动计算出本节点的父节点，并将识别结果上报路由模块进行统计，避免了集中式识别运算量大、占用过多资源的弊端。本发明无需加装设备，不改变电网环境，依靠电力线通信进行识别，成本较低。此外，本发明不需要预先分清各节点所处的拓扑分支，路由模块根据各节点上报的父节点能够自动区分各分支路径，从而得到整个台区的拓扑图，算法简单有效，因而具有较强的实用性。
[0070]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例例技术方案的范围。