阅读说明：本技术 一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统及方法 (Power distribution system tail end topological structure recognition system and method based on visible light communication ) 是由 徐通通 陈浩 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统及方法,包括系统主控、智能电表和智能断路器；主控包括MCU处理模块、LED光发射和接收装置及数据发送模块；智能电表包括MCU处理模块及LED光发射和接收装置；智能断路器包括MCU处理模块及LED光发射和接收装置；电表接收光信号并转化为电信号,识别出主控的寻址请求,向主控发送唯一地址码建立一级拓扑结构。智能断路器对距离最近的电表唯一地址码加值01,并向主控发送它的唯一地址码,主控根据智能断路器的唯一地址码建立二级拓扑结构。本发明基于可见光的定位更加精准,能够满足配电箱密闭空间内拓扑结构识别的要求,精确地识别出配电箱内的拓扑结构。(The invention relates to a visible light communication-based power distribution system tail end topological structure recognition system and method, which comprises a system main control unit, an intelligent ammeter and an intelligent circuit breaker; the main control module comprises an MCU processing module, an LED light emitting and receiving device and a data sending module; the intelligent electric meter comprises an MCU processing module and an LED light emitting and receiving device; the intelligent circuit breaker comprises an MCU processing module and an LED light emitting and receiving device; the ammeter receives the optical signal and converts the optical signal into an electric signal, identifies an addressing request of the master control, and sends a unique address code to the master control to establish a primary topological structure. The intelligent circuit breaker adds value 01 to the nearest unique address code of the ammeter, sends the unique address code to the master control, and the master control establishes a secondary topological structure according to the unique address code of the intelligent circuit breaker. The positioning method based on visible light is more accurate, can meet the requirement of identifying the topological structure in the closed space of the distribution box, and accurately identifies the topological structure in the distribution box.)

一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统及方法，属于电力检测技术领域。

背景技术

配电系统末端拓扑结构指的是配电网系统中电网入户后，配电箱(或配电柜)中各户断路器与电表之间的关联关系。目前的拓扑结构研究集中于配电变压器高低压台区电网拓扑结构方向，一般节点末端位于配电表箱(或配电表柜)，对于电网入户后的配电系统拓扑结构则不予研究。这是因为现有的拓扑结构识别方法的精度不能满足精确到配电箱(或配电柜)内部的要求。配电网络发生故障后，往往难以满足故障准确定位、安全保障、及时恢复供电等要求。

目前常用于配电网拓扑结构识别的方法主要有以下几种：

1、使用移动设备建立拓扑。即测试人员进行现场勘查，人为判断电路拓扑关系并记录。这种方法需要耗费大量的人力和时间成本，效率很低且易出错。

2、基于大数据分析的方法。即计算台区一定范围内电表数据，根据相似度来判断拓扑结构。这种方法计算量极大，极易造成网络堵塞。

3、基于特征电流的方法。即在配电网络的一个供电支路上注入特征电流，其他支路检测特征电流的方法识别拓扑，这种方法只能识别到支路终端，无法对电网入户后的拓扑结构进行识别。

例如，中国专利文献CN203911593U公开了一种电网拓扑结构识别装置和电网拓扑结构识别系统，电网拓扑结构识别装置包括：第一开关设备，设置在第一供电线路，用于控制所述第一供电线路的接通或者断开；第二开关设备，设置在第二供电线路，用于控制所述第二供电线路的接通或者断开；第三开关设备，用于连接在所述第一供电线路和所述第二供电线路之间；以及信号接收器，与所述第一供电线路和所述第二供电线路分别相连接，用于根据所述第一供电线路和所述第二供电线路的工频通信信号识别所述第一开关设备、第二开关设备和第三开关设备的状态。通过本实用新型，达到了及时确定配电网中的拓扑结构的效果。中国专利文献CN210404847U公开了一种配电网用电信息采集及配电结构拓扑识别系统，主要包括载波数据汇集终端、分支监测终端、无线采集模块和无线载波汇集单元，变电箱内：在所述A、B、C三条供电线上安装所述载波数据汇集终端；所述载波数据汇集终端下方为断路器；所述断路器下方安装所述分支监测终端，所述分支监测终端与所述无线采集模块无线通信，所述无线采集模块、载波数据汇集终端与配电采集系统连接；配电箱内：在所述A、B、C三条火线上分别安装所述无线载波汇集单元。分支监测终端可实时监测断路器的电压、电流和温度，进而降低危险隐患的发生；无线载波汇集单元具有载波中继功能，能够避免信号衰减，传输信息丢失、信息不明确的情况发生。中国专利文献CN110932396A公开了一种基于脉冲特征电流信号的低压配电网拓扑识别系统，在低压进线开关层安装有一个总线电流集中控制器；在低压出线开关层安装有多个支路电流检测器，在分支线开关层安装有多个支路电流检测器，在计量箱用户开关层安装有多个支路电流检测器,在用户最末端安装脉冲特征电流发生器；在不改变原有线路的基础上，通过在总开关处安装总线电流集中控制器，各支路与配电网用户末端分别安装支路电流检测器与脉冲特征电流发生器的方式，获得低压配电网拓扑结构，并能够实时在线监测配电网拓扑结构的变化，实现对低压网拓扑结构的实时监测与上报，有利于提高供电可靠性与电网运维管理水平。

可见光通信是新一代无线通信手段，它通过LED的亮灭来表示二进制编码中的1和0。理论上可见光通信的通信速率能够达到每秒数百兆，且不占据无线电频谱，不会产生电磁辐射，安全性极好，能够应用在电磁敏感区使用，非常适合物联网下的应用场景。

使用可见光通信来识别配电系统末端拓扑结构是全新的研究方向，对提高电网整体的运维管控能力，提高供电稳定性具有重要意义。

在现有的智慧配电解决方案中，智能断路器与系统的通信通常是以RS485总线、NB-IoT、WiFi等有线、无线方式完成，传输过程中存在信号易受干扰、信息易丢失等问题。可见光通信以其高通信速率、高可靠性以及强抗干扰能力为系统通信提供了全新的思路，目前属于研究空白领域，具有重大意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统及方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统，包括通过总线结构连接的一个系统主控、N个智能电表和N个智能断路器，N为自然数；

系统主控包括MCU处理模块、LED光发射和接收装置及数据发送模块；智能电表包括MCU处理模块及LED光发射和接收装置；智能断路器包括MCU处理模块及LED光发射和接收装置；

MCU处理模块负责系统主控与智能断路器、智能电表的数据交互，并控制智能断路器的运行状态；

LED光发射装置包括信号输入模块、调制驱动电路及LED光源阵列；LED光接收装置包括光电二极管阵列、解调解码电路及信号输出模块；

数据发送模块负责系统主控向外发送数据，进行数据传输。

一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别方法，基于上述的识别系统，所述识别方法包括以下步骤：

1)系统主控向所有智能电表和智能断路器发送寻址请求，请求信号经过调制驱动电路将请求信号调制成OFDM信号，输入到LED光源阵列，LED光源阵列在驱动信号的控制下向外发送包含请求信息的光信号；

2)智能电表的光电二极管阵列接收LED光源阵列发送的光信号，将光信号转换为电信号并送入解调解码电路，解调解码电路随之解码出原始寻址信号；

3)N个智能电表向主控发送唯一地址码；

4)主控接收智能电表的唯一地址码，N个智能电表得到N个唯一地址码，并识别出各智能电表到主控的距离，按照距离大小进行一级拓扑的建立；

5)N个智能断路器的光电二极管阵列接收LED光源阵列发送的光信号，将光信号转换为电信号并送入解调解码电路，解调解码电路随之解码出原始寻址信号，此时智能断路器进入等待接收智能电表所发送的唯一地址码的状态；

6)每个智能断路器同时接收到N个智能电表发送的唯一地址码，并识别出距离自己最近的智能电表，在其唯一地址码后加2比特数据，值为01，生成该智能断路器的唯一地址码；

7)N个智能断路器向主控发送自己的唯一地址码；

8)主控接收到N个智能断路器的唯一地址码，主控根据智能断路器的唯一地址码与智能电表的唯一地址码的相似关系，建立二级拓扑结构。

优选的，步骤3)中，唯一地址码指每个智能电表有一个单独且唯一的地址数据，这个地址是由施工人员预设的。

优选的，主控识别各智能电表到主控的距离、智能断路器识别各智能电表到智能断路器的距离采用相同的方法，所述方法包括以下步骤：

发射端发送光信号，接收端接收光信号；发射端为S点，接收端为A点，O点为S点在A点所在水平面上的投影点，接收端接收到的光信号的光强为：

其中，H(r,θ)为信号光强，d为S点到O点的垂直距离，r为A点到O点的距离，A为接收端的接收面积；T_s(θ)为探测器光滤波增益；g(θ)为探测器的光聚能增益；m称为光源辐射模式，是表征发光方向性的参数；θ_1/2为光源的半功率角，即强度为最大光强一半的光束与n的夹角，在光源与光照面选定的情况下，θ_1/2为一个常量，其中，H(r,θ)可由光电二极管测出，d为固定值，故可根据三角函数关系计算出r＝d·tanθ，接收端到发射端的空间距离R＝r·sinθ。

优选的，主控计算得出各智能电表到主控的距离R₁₁-R_1n，对R₁₁-R_1n从小到大排列，并依此建立一级拓扑。

优选的，智能断路器识别各智能电表到智能断路器的距离R₂₁-R_2n，对R₂₁-R_2n从小到大排列，距离最小者即为距离智能断路器最近的智能电表，按照智能断路器和智能电表的相对空间位置关系，建立二级拓扑。

优选的，所述识别方法还包括步骤9)：配电箱的拓扑结构建立后，主控将拓扑图发送至上游服务器，补全整个配电网络的拓扑结构；当更换或维修智能电表和智能断路器时，重启系统即可自动识别配电箱的拓扑结构。

优选的，主控与智能电表以及智能断路器进行数据交互，每次发送数据的数据帧格式包括：起始序列、地址数据、信息数据位、校验字节、结束序列。

本发明的有益效果在于：

1、本发明能够识别配电系统末端的拓扑结构，有效补充了现有拓扑识别方法的不足，提高了电网整体拓扑结构的准确性，提高故障定位的精确度，降低电网维护的成本。

2、本发明基于可见光的定位更加精准，能够满足配电箱密闭空间内拓扑结构识别的要求，精确地识别出配电箱或配电柜内的拓扑结构。

3、本发明采用可见光，可见光通信速度快，不占据无线电频谱，不会产生电磁辐射，安全性极好，是替代现有通信方式的极佳选择。

附图说明

图1为典型应用场景配电系统末端配电箱的拓扑结构图。

图2为可见光通信的信号发送与接收模块组成图。

图3为识别配电系统末端拓扑结构的流程图。

图4为智能断路器与系统通信时的数据帧格式。

图5为一个九表位配电箱的拓扑结构图。

图6为可见光定位模型图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所述，本实施例提供一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别系统，以配电系统末端配电箱(或配电柜)为例说明，该配电箱包括通过总线结构连接的一个系统主控、N个智能电表和N个智能断路器，N为自然数；

系统主控包括MCU处理模块、LED光发射和接收装置及数据发送模块；智能电表包括MCU处理模块及LED光发射和接收装置；智能断路器包括MCU处理模块及LED光发射和接收装置；

MCU处理模块负责系统主控与智能断路器、智能电表的数据交互，并控制智能断路器的运行状态；

LED光发射装置包括信号输入模块、调制驱动电路及LED光源阵列；其中，信号输入模块用于输入原始信号。其中，驱动调制电路功能有二：一是通过OFDM技术(OrthogonalFrequency Division Multiplexing：正交频分复用技术)将原始数据信号调制为OFDM信号，二是输出稳定的PWM电流驱动LED灯源阵列，将电信号转化为光信号。OFDM技术通过分解信道，将高速串行数据流变为低速并行数据流，从而消除码间串扰并节约传输所需带宽，有效提高了频谱的使用率。其中，LED光源阵列负责光信号的发送。LED选用白光LED，可在照明的同时传输数据信息。

LED光接收装置包括光电二极管阵列、解调解码电路及信号输出模块；其中，光电二极管阵列用于接收LED光源的光信号数据，并将接收到的光信号转换为电信号。其中，解调解码电路用于OFDM信号解调，从调制信号中解调出原始信号，并将其传递至信号输出模块。其中，信号输出模块用于输出解调信号。

数据发送模块负责系统主控向外发送数据，包括向智能电表、智能断路器及上游服务器发送数据，进行数据传输。

智能电表具有电能测量的功能。智能断路器具有测量电压、电流、功率、温度等信息的功能。

实施例2：

一种基于可见光通信的配电系统末端拓扑结构识别方法，基于实施例1所述的识别系统，该系统末端配电箱(或配电柜)内安装有1个主控、9个智能电表和9个智能断路器，如图5所示，可以清晰看出电网入户后，智能电表与智能断路器的连接关系。

该识别方法具体的识别过程包括以下步骤：

1)系统主控向所有智能电表和智能断路器发送寻址请求，请求信号经过调制驱动电路将请求信号调制成OFDM信号，输入到LED光源阵列，LED光源阵列在驱动信号的控制下向外发送包含请求信息的光信号。

2)智能电表的光电二极管阵列接收LED光源阵列发送的光信号，将光信号转换为电信号并送入解调解码电路，解调解码电路随之解码出原始寻址信号。

3)9个智能电表向主控发送唯一地址码，唯一地址码指每个智能电表有一个单独且唯一的地址数据，这个地址是由施工人员预设的。

4)主控接收智能电表的唯一地址码，9个智能电表得到9个唯一地址码，并识别出各智能电表到主控的距离，按照距离大小进行一级拓扑的建立。

5)9个智能断路器的光电二极管阵列接收LED光源阵列发送的光信号，将光信号转换为电信号并送入解调解码电路，解调解码电路随之解码出原始寻址信号，此时智能断路器进入等待接收智能电表所发送的唯一地址码的状态。

6)每个智能断路器同时接收到9个智能电表发送的唯一地址码，并识别出距离自己最近的智能电表，在其(最近的智能电表)地址码后加2比特数据，值为01，生成该智能断路器的唯一地址码。

7)9个智能断路器向主控发送自己的唯一地址码。

8)主控接收到9个智能断路器的唯一地址码，主控根据智能断路器的唯一地址码与智能电表的唯一地址码的相似关系(智能断路器的唯一地址码是在智能电表的唯一地址码的基础上生成的，所以二者的地址码是非常相似的。例如，智能电表的唯一地址码是8位比特的数据，其对应的智能断路器的唯一地址码就是10位的，且前8位和智能电表完全一样，即相似关系)，建立二级拓扑结构。

其中，在九表位电箱中，主控识别各智能电表到主控的距离与智能断路器识别各智能电表到智能断路器的距离所用方法一样。该识别方法具体包括步骤如下：

发射端发送光信号，接收端接收光信号。发射端与接收端的相对位置关系如图六所示。发射端为S点，接收端为A点，O点为S点在A点所在水平面上的投影点。接收端接收到的光信号的光强为：

其中，H(r,θ)为信号光强，d为S点到O点的垂直距离。r为A点到O点的距离。A为接收端的接收面积；T_s(θ)为探测器光滤波增益；g(θ)为探测器的光聚能增益；m称为光源辐射模式，是表征发光方向性的参数；θ_1/2为光源的半功率角，即强度为最大光强一半的光束与n的夹角，在光源与光照面选定的情况下，θ_1/2为一个常量。其中，H(r,θ)可由光电二极管测出，d为固定值，故可根据三角函数关系计算出r＝d·tanθ，而接收端到发射端的空间距离R＝r·sinθ。

其中，主控计算得出各智能电表到主控的距离R₁₁-R₁₉，对R₁₁-R₁₉从小到大排列，并依此建立一级拓扑。

其中，智能断路器识别各智能电表到智能断路器的距离R₂₁-R₂₉，对R₂₁-R₂₉从小到大排列，距离最小者即为距离智能断路器最近的智能电表，按照智能断路器和智能电表的相对空间位置关系(即距离最近的智能电表就是该智能断路器的上级电表)，建立二级拓扑。

配电箱(或配电柜)的拓扑结构建立之后，主控将拓扑图发送至上游服务器，补全整个配电网络的拓扑结构。当更换或维修智能电表和智能断路器时，重启系统即可自动识别配电箱(或配电柜)的拓扑结构。

配电系统末端拓扑结构建立后，主控要与智能电表以及智能断路器建立稳定通信，以此来获取电网中电能、电压、电流等信息，并及时掌控电网安全。其中，主控需要与智能电表以及智能断路器进行频繁的数据交互，为了保证信息的完整性与稳定，本发明约定了每次发送数据的数据帧格式，如图四所示。其中，一个完整的数据帧包括：起始序列、地址数据、信息数据位、校验字节、结束序列。其中，起始序列用于标志一个完整数据帧的开始；其中，地址数据用于标志该传输信息数据是来自哪台设备；其中，校验字节用于校验数据完整性；其中，结束序列用于标志一个完整数据帧的结束。