一种配电网拓扑关系的自动识别系统及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112072654 A(43)申请公布日 2020.12.11

(21)申请号 202010941813.6(22)申请日 2020.09.09

(71)申请人 国通亿力科技有限责任公司

地址 361000 福建省厦门市软件园二期观

日路36号402室

申请人 国息通信产业集团有限公司　

国网江苏省电力有限公司　国家电网有限公司(72)发明人 黄文思　陆鑫　陈婧　薛迎卫　

林超　叶强镔　胡从众　张建永　(74)专利代理机构 温州联赢知识产权代理事务

所(普通合伙) 33361

代理人 慈程麟(51)Int.Cl.

H02J 3/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图5页

H02J 13/00(2006.01)

CN 112072654 A(54)发明名称

一种配电网拓扑关系的自动识别系统及方法

(57)摘要

一种配电网拓扑关系的自动识别系统及方法，包括感知层、数据层及应用层，感知层布署自动采集终端进行实时监控，预警风险，发布设备运行数据至数据层，数据层对数据进行清理、转换后，发布到应用层，应用层接收数据成果后，展示相关拓扑关系图。所述的自动采集终端包括站线关系识别设备、线变关系识别设备、台户关系识别设备和分支关系识别设备。本发明可以实现配网拓扑的自动识别，尤其是实时辨识台户关系改接事件的发生，采用双向工频通信技术(TWACS)做为实现途径，可以实时自动采集识别配网拓扑信息，提升配电网管理效率和发展质量。

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1.一种配电网拓扑关系的自动识别系统，其特征是，包括感知层、数据层及应用层，感知层布署自动采集终端进行实时监控，预警风险，发布设备运行数据至数据层，数据层对数据进行清理、转换后，发布到应用层，应用层接收数据成果后，展示相关拓扑关系图；

所述的自动采集终端包括站线关系识别设备、线变关系识别设备、台户关系识别设备和分支关系识别设备；

台户关系识别设备包括智能电表、集中器和智能配变终端；智能电表，内置台区识别接收单元和高速载波模块，与所述集中器连接，台区识别接收单元对电力线上信号进行采集，接受由集中器发送的控制指令，对采集的信号进行解调及处理生成识别信号，高速载波模块用于与集中器通信校对，进行台区识别；

集中器，集中器内设有台区识别发送单元、三相电压监测模块、RS-485接口模块，RS-485接口模块用于连接台区总表，采集台区总表数据，所述台区识别发送单元用于编制控制指令，加载在电力线上进行发送，台区识别发送单元用于集中器通过电力线进行通信；

智能配变终端，智能配变终端内置有并发抄表模块和结构化动态表单模块，用于各个集中器的数据进行并发抄表到主站，结构化动态表单模块用于数据碎片融合，生成台区拓扑关系表，进而生成台户关系拓扑；

所述线变关系识别设备包括设置在中压线路出口表的中压载波通信主机和安装于中压线路变压器的中压载波通信从机，中压载波通信主机加装耦合器与当前线路上所有中压载波通信从机形成一个局域网络，中压载波通信主机读取中压载波通信从机中变压器总编号，中压载波通信主机通过无线网络或局域网络实时与主站保持档案信息同步，在主站内GIS系统上实时展现线变关系拓扑图；

所述站线关系识别设备包括安装于变电站的变电站监测终端，变电站监测终端用于变电站设备的在线监测，变电站监测终端将检测数据传输到主站上，配合中压载波通信主机的数据，在GIS系统上实时展现站线关系拓扑图；

所述分支关系识别设备包括开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端，均设有台区识别发送单元；

表箱监测终端，安装于表箱，表箱监测终端内置台区识别芯片、高速载波芯片及计量芯片，可监测各表箱的电压、电流、功率、功率因数和表箱开关状态；通过RS485线采集表箱内各电表信息、监测电表用电情况，实时将分合闸事件、用电异常情况进行上报；

分支箱监测终端，安装于分支箱各出线开关，分支箱监测终端内置台区识别芯片、高速载波芯片及计量芯片，可监测各分支开关的电压、电流、功率、功率因数和监测开关状态，分支箱监测终端实时上报分合闸事件并转送表箱监测终端的上报信息；

所述环网柜监测终端，用于检测环网柜状态并实时上报，同时转送分支箱监测终端上报信息；

开闭所监测终端，用于监测开闭所的开关状态，同时接收环网柜监测终端数据并上报至集中器，集中器内还设有高速载波CCO模块，高速载波CCO模块用于采集各电表、分支箱终端、表箱终端的数据，并实现分层分级线损分析计算及“变-分支-表箱-户表”的拓朴自动绘制，生成分支关系拓扑，传输给智能配变终端。

2.根据权利要求1所述的一种配电网拓扑关系的自动识别系统，其特征是：所述台区识别发送单元内设有控制指令编码模块和载波工频模块，控制指令编码模块用于编码台区信

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息和控制指令，所述载波工频模块用于在电压过零点正负30ms加载畸变信号，信号幅度在10A以内，发送台区信息和控制指令，所述台区识别接收单元内设有解码模块和载波工频模块，载波工频模块也用于接收集中器发送的编码信息，解码模块对编码信息做解码存储，实现台区识别。

3.根据权利要求1或2所述的一种配电网拓扑关系的自动识别方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，智能配变终端和集中器组成低压配网监测终端，低压配网监测终端通过台区识别发送单元发出拓扑识别指令，台区识别发送单元在电压过零点正负30ms加载畸变信号，信号幅度在10A以内，进行拓扑识别信号发送；

步骤2，开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端组成分支监测单元，分支监测、分支箱、表箱、智能电表组成低压配网监测末端，低压配网监测末端通过内置台区识别接收单元接受台区识别发送单元发出拓扑识别指令信号，智能电表HPLC模块、分支监测单元上台区识别发送单元接收集中器发送的编码信息，并做解码存储，然后使用高速载波芯片通过HPLC链路进行双向验证，实现台区的台户拓扑关系识别；

步骤3，分支监测单元在电压过零点发送工频电流畸变信号，该电流畸变信号沿供电环路进行传输，同时进行高速模拟采样实时监测电压过零点畸变电流，并将分支、分相上畸变电流信息解码并存储；

步骤4，智能配变终端对分支监测单元进行并发抄表，通过结构化动态表单模块生成台区拓扑关系表，上传到主站上的GIS系统，进而生成台区的电力线路拓扑关系图，实现分支关系识别；

步骤5，通过中压线路上的中压载波通信主机读取中压载波通信从机中变压器总编号，中压载波通信主机通过无线网络或局域网络实时与主站保持档案信息同步，在主站内GIS系统上实时展现线变关系拓扑图；

步骤6，变电站监测终端将检测数据传输到主站上，配合中压载波通信主机的数据，在GIS系统上实时展现站线关系拓扑图。

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一种配电网拓扑关系的自动识别系统及方法

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技术领域

[0001]本发明涉及电力系统自动化专业领域，尤其涉及一种配电网拓扑关系的自动识别系统及方法。

背景技术

[0002]配电网是能源互联网的重要基础，是服务社会、服务民生的关键落脚点。国网公司着力打造可靠性高、互动友好、经济高效的一流现代化配电网，投资力度不断加大，管理要求不断提高。配电网设备点多面广、项目小、工期短，受传统管理思路和手段，“重建设、轻规划”现象较为普遍。配电网项目管理分散，专业统筹不足，“头痛医头、脚痛医脚”的重复立项、低效投入时有发生，投资效益亟待提高。总体而言，配电网基础薄弱与管理薄弱并存、设备重过载与轻空载并存、投入不足与投入低效并存、规划目标引领不够与管理交叉重叠并存，配电网发展不平衡不协调问题突出。

[0003]科学规划是引领配电网高质量建设和发展的关键，在大数据时代下，从数据入手，基于配电网海量数据深入剖析配电网问题、精准定位配电网薄弱环节、有序安排配电网项目成为科学规划研究的重要内容。由于电力网覆盖广阔，电力系统结构复杂，涉及业务数量巨大，配电网营配调贯通工作大量依靠人工现场核查，缺乏有效手段进行校核识别，缺乏一套完整准确的源-网-荷全量拓扑图形，智能化、自动化程度有待提高。发明内容

[0004]本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种配电网拓扑关系的自动识别系统及方法，可以实时自动采集识别配网拓扑信息，提升配电网管理效率和发展质量。[0005]本发明解决其技术问题采用的技术方案：一种配电网拓扑关系的自动识别系统，包括感知层、数据层及应用层，感知层布署自动采集终端进行实时监控，预警风险，发布设备运行数据至数据层，数据层对数据进行清理、转换后，发布到应用层，应用层接收数据成果后，展示相关拓扑关系图。

[0006]所述的自动采集终端包括站线关系识别设备、线变关系识别设备、台户关系识别设备和分支关系识别设备；

[0007]台户关系识别设备包括智能电表、集中器和智能配变终端；[0008]智能电表，内置台区识别接收单元和高速载波模块，与集中器连接，台区识别接收单元对电力线上信号进行采集，接受由集中器发送的控制指令，对采集的信号进行解调及处理生成识别信号，高速载波模块用于与集中器通信校对，进行台区识别；[0009]集中器，集中器内设有台区识别发送单元、三相电压监测模块、RS-485接口模块，RS-485 接口模块用于连接台区总表，采集台区总表数据，所述台区识别发送单元用于编制控制指令，加载在电力线上进行发送，台区识别发送单元用于集中器通过电力线进行通信；[0010]智能配变终端，智能配变终端内置有并发抄表模块和结构化动态表单模块，用于各个集中器的数据进行并发抄表到主站，结构化动态表单模块用于数据碎片融合，生成台

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区拓扑关系表，进而生成台户关系拓扑；

[0011]所述线变关系识别设备包括设置在中压线路出口表的中压载波通信主机和安装于中压线路变压器的中压载波通信从机，中压载波通信主机加装耦合器与当前线路上所有中压载波通信从机形成一个局域网络，中压载波通信从机读取中压载波通信从机中变压器总编号，中压载波通信主机通过无线网络或局域网络实时与主站保持档案信息同步，在主站内GIS 系统上实时展现线变关系拓扑图；

[0012]所述站线关系识别设备包括安装于变电站的变电站监测终端，变电站监测终端用于变电站设备的在线监测，变电站监测终端将检测数据传输到主站上，配合中压载波通信主机的数据，在GIS系统上实时展现站线关系拓扑图；[0013]所述分支关系识别设备包括开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端，均设有台区识别发送单元；[0014]表箱监测终端，安装于表箱，表箱监测终端内置台区识别芯片、高速载波芯片及计量芯片，可监测各表箱的电压、电流、功率、功率因数和表箱开关状态；通过RS485线采集表箱内各电表信息、监测电表用电情况，实时将分合闸事件、用电异常情况进行上报；[0015]分支箱监测终端，安装于分支箱各出线开关，分支箱监测终端内置台区识别芯片、高速载波芯片及计量芯片，可监测各分支开关的电压、电流、功率、功率因数和监测开关状态，分支箱监测终端实时上报分合闸事件并转送表箱监测终端的上报信息；[0016]所述环网柜监测终端，用于检测环网柜状态并实时上报，同时转送分支箱监测终端上报信息；

[0017]开闭所监测终端，用于监测开闭所的开关状态，同时接收环网柜监测终端数据并上报至集中器，集中器内还设有高速载波CCO模块，高速载波CCO模块用于采集各电表、分支箱终端、表箱终端的数据，并实现分层分级线损分析计算及“变-分支-表箱-户表”的拓朴自动绘制，生成分支关系拓扑，传输给智能配变终端。[0018]进一步完善，所述台区识别发送单元内设有控制指令编码模块和载波工频模块，控制指令编码模块用于编码台区信息和控制指令，所述载波工频模块用于在电压过零点正负 30ms加载畸变信号，信号幅度在10A以内，发送台区信息和控制指令，所述台区识别接收单元内设有解码模块和载波工频模块，载波工频模块也用于接收集中器发送的编码信息，解码模块对编码信息做解码存储，实现台区识别。[0019]设备安装，在中压线路上设置线变关系识别设备，在低压线路上设置低压台区拓扑识别设备；所述低压台区拓扑识别设备包括低压配网监测终端内置的台区识别发送单元和低压配网监测末端内置台区识别接收单元，低压配网监测终端包括智能配变终端和集中器，低压配网监测末端包括分支箱、表箱、电表的模块以及分支监测单元，分支监测单元包括开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端；[0020]一种配电网拓扑关系的自动识别方法，包括以下步骤：[0021]步骤1，智能配变终端和集中器组成低压配网监测终端，低压配网监测终端通过台区识别发送单元发出拓扑识别指令，台区识别发送单元在电压过零点正负30ms加载畸变信号，信号幅度在10A以内，进行拓扑识别信号发送；[0022]步骤2，开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端组成分支监测单元，分支监测、分支箱、表箱、智能电表组成低压配网监测末端，低压配网监测末

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端通过内置台区识别接收单元接受台区识别发送单元发出拓扑识别指令信号，智能电表 HPLC模块、分支监测单元上台区识别发送单元接收集中器发送的编码信息，并做解码存储，然后使用高速载波芯片通过HPLC链路进行双向验证，实现台区的台户拓扑关系识别；[0023]步骤3，分支监测单元在电压过零点发送工频电流畸变信号，该电流畸变信号沿供电环路进行传输，同时进行高速模拟采样实时监测电压过零点畸变电流，并将分支、分相上畸变电流信息解码并存储；[0024]步骤4，智能配变终端对分支监测单元进行并发抄表，通过结构化动态表单模块生成台区拓扑关系表，上传到主站上的GIS系统，进而生成台区的电力线路拓扑关系图，实现分支关系识别；[0025]步骤5，通过中压线路上的中压载波通信主机读取中压载波通信从机中变压器总编号，中压载波通信主机通过无线网络或局域网络实时与主站保持档案信息同步，在主站内GIS 系统上实时展现线变关系拓扑图；[0026]步骤6，变电站监测终端将检测数据传输到主站上，配合中压载波通信主机的数据，在 GIS系统上实时展现站线关系拓扑图。[0027]本发明有益的效果是：本发明通过在10kV线路上安装基于中压载波的线变关系识别设备，完成中压线变拓扑识别，然后应用双向工频通信技术(TWACS)，通过低压配网监测终端内置的台区识别发送单元，以及低压配网监测末端终端(分支箱、表箱及电表模块)内置台区识别接收单元，双方配合完成低压台区拓扑识别，最终完成了配电网的拓扑关系全采集，实现运检、营销、调度等配电网各专业数据的自动接入，形成融合各专业、多主题、多应用的统一配电网数据库，为配电网诊断和大数据分析提供基础，解决“数据手工找、问题都重要；项目专业报、落地不知道；成效说不清、对标全是好”等配电网规划管理难题，推进配电网规划业务线上作业、自动识别、在线分析与设备管控。附图说明

[0028]图1为本方案的系统结构示意图；

[0029]图2为本方案的自动采集终端的结构示意图；[0030]图3为本方案的台户关系识别设备的结构示意图；[0031]图4为本方案的方法流程示意图；[0032]图5为配电网拓扑结构的示意图；

[0033]图6为配电网拓扑数据变更影响因素表；[0034]图7为配电网拓扑数据采集频率需求表；

具体实施方式

[0035]下面结合附图对本发明作进一步说明：[0036]如附图5所示，配电网网架呈树状结构，以变电站为起始源头，“站-线-变-户”各层级之间是隶属关系，经由配电线路配送、配电变压器降压后，可直接供给用户使用。通过配电网各层级拓扑连接关系，结合配电设备运行数据，能够更全面反馈配电网的健康运行水平。

[0037]如附图6所示，配电网拓扑数据具有以下采集需求：

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(1)站线关系：配电网结构中，变电站与配电线路间关系；

[0039](2)线变关系：配电网结构中，配电线路与配电变压器间关系；[0040](3)台户关系：配电网结构中，配电变压器与用户间关系；[0041](4)分支：配电网结构中，配电线路下主干与分支间关系。[0042]如附图6所示，随着配电网智能化、自动化建设深入推进，电网用电用户不断增多，网架结构变更频繁，业扩交互、配电网规划、配电网可靠运行保障工作均对配电网拓扑数据产生影响。

[0043]参照附图1：本实施例中一种配电网拓扑关系的自动识别系统，包括感知层、数据层及应用层，感知层布署自动采集终端进行实时监控，预警风险，发布设备运行数据至数据层，数据层对数据进行清理、转换后，发布到应用层，应用层接收数据成果后，展示相关拓扑关系图。

[0044]参照附图2-3，所述的自动采集终端包括站线关系识别设备、线变关系识别设备、台户关系识别设备和分支关系识别设备；[0045]台户关系识别设备包括智能电表、集中器和智能配变终端；[0046]智能电表，内置台区识别接收单元和高速载波模块，与集中器连接，台区识别接收单元对电力线上信号进行采集，接受由集中器发送的控制指令，对采集的信号进行解调及处理生成识别信号，高速载波模块用于与集中器通信校对，进行台区识别；[0047]集中器，集中器内设有台区识别发送单元、三相电压监测模块、RS-485接口模块，RS-485 接口模块用于连接台区总表，采集台区总表数据，所述台区识别发送单元用于编制控制指令，加载在电力线上进行发送，台区识别发送单元用于集中器通过电力线进行通信；[0048]智能配变终端，智能配变终端内置有并发抄表模块和结构化动态表单模块，用于各个集中器的数据进行并发抄表到主站，结构化动态表单模块用于数据碎片融合，生成台区拓扑关系表，进而生成台户关系拓扑；

[0049]所述线变关系识别设备包括设置在中压线路出口表的中压载波通信主机和安装于中压线路变压器的中压载波通信从机，中压载波通信主机加装耦合器与当前线路上所有中压载波通信从机形成一个局域网络，中压载波通信从机读取中压载波通信从机中变压器总编号，中压载波通信主机通过无线网络或局域网络实时与主站保持档案信息同步，在主站内GIS 系统上实时展现线变关系拓扑图；

[0050]所述站线关系识别设备包括安装于变电站的变电站监测终端，变电站监测终端用于变电站设备的在线监测，变电站监测终端将检测数据传输到主站上，配合中压载波通信主机的数据，在GIS系统上实时展现站线关系拓扑图；[0051]所述分支关系识别设备包括开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端，均设有台区识别发送单元；[0052]表箱监测终端，安装于表箱，表箱监测终端内置台区识别芯片、高速载波芯片及计量芯片，可监测各表箱的电压、电流、功率、功率因数和表箱开关状态；通过RS485线采集表箱内各电表信息、监测电表用电情况，实时将分合闸事件、用电异常情况进行上报；[0053]分支箱监测终端，安装于分支箱各出线开关，分支箱监测终端内置台区识别芯片、高速载波芯片及计量芯片，可监测各分支开关的电压、电流、功率、功率因数和监测开关状态，分支箱监测终端实时上报分合闸事件并转送表箱监测终端的上报信息；

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所述环网柜监测终端，用于检测环网柜状态并实时上报，同时转送分支箱监测终

端上报信息；

[0055]开闭所监测终端，用于监测开闭所的开关状态，同时接收环网柜监测终端数据并上报至集中器，集中器内还设有高速载波CCO模块，高速载波CCO模块用于采集各电表、分支箱终端、表箱终端的数据，并实现分层分级线损分析计算及“变-分支-表箱-户表”的拓朴自动绘制，生成分支关系拓扑，传输给智能配变终端。

[0056]所述台区识别发送单元内设有控制指令编码模块和载波工频模块，控制指令编码模块用于编码台区信息和控制指令，所述载波工频模块用于在电压过零点正负30ms加载畸变信号，信号幅度在10A以内，发送台区信息和控制指令，所述台区识别接收单元内设有解码模块和载波工频模块，载波工频模块也用于接收集中器发送的编码信息，解码模块对编码信息做解码存储，实现台区识别。

[0057]双向工频自动通讯方法是近几年发展起来的新技术，其应用范围是电力配电网络，与传统PLC传输同样是在电力线上调制信号，所不同的是该方法的调制频率很低，调制方法比较特殊。

[0058]这种基于电力配电网络的双向工频通讯方法(TWACS)与传统载波法相比较，具有多种优点：该方法同样利用现存的电力网络为传输载体，节省了大量的设备费用；信号在传输过程中，无泄漏和旁路、衰减小，不需要滤波器和阻波器，利用双向工频通讯技术，可以实现跨台区通讯，不用在变压器上增加设备，减少了地域性的；可以实现完全的双向通讯，上下行通道互不干扰，可以进行多通道通讯；对远端设备或仪表的访间是直接的，无需中继环节；对电网本身没有干扰，完全处于容许范围以内；对电网本身的频率和幅值变化不敏感，抗干扰能力强；信号在过零点附近调制，所需的调制功率小，易于实现。[0059]TWACS输入信号的调制在远程用户低压端完成,不需要调制变压器。其调制过程与前面的电压调制过程相似，调制电流ic调制在电压过零点对应的电流波形上,采用双向晶闸管以实现如图1所示的电流调制信号。TWACS信号调制过程的实现非常简单,相当于一次瞬间短路过程。只需调整调制电路的内部参数即可得到所需的信号。由于子站变压器漏感很大, 很小的调制电流就足以产生较大的电压调制信号,而用户端在调制时最大能够产生几十A以上的瞬间电流,完全能够满足通信的需要,因此无需额外的大功率设备。用户调制设备目前可以做到只有普通电表那样的大小。[0060]如附图4所示，一种配电网拓扑关系的自动识别方法，方法包括以下步骤：[0061]步骤1，智能配变终端和集中器组成低压配网监测终端，低压配网监测终端通过台区识别发送单元发出拓扑识别指令，台区识别发送单元在电压过零点正负30ms加载畸变信号，信号幅度在10A以内，进行拓扑识别信号发送；[0062]步骤2，开闭所监测终端、环网柜监测终端、分支箱监测终端和表箱监测终端组成分支监测单元，分支监测、分支箱、表箱、智能电表组成低压配网监测末端，低压配网监测末端通过内置台区识别接收单元接受台区识别发送单元发出拓扑识别指令信号，智能电表 HPLC模块、分支监测单元上台区识别发送单元接收集中器发送的编码信息，并做解码存储，然后使用高速载波芯片通过HPLC链路进行双向验证，实现台区的台户拓扑关系识别；[0063]步骤3，分支监测单元在电压过零点发送工频电流畸变信号，该电流畸变信号沿供电环路进行传输，同时进行高速模拟采样实时监测电压过零点畸变电流，并将分支、分相上

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畸变电流信息解码并存储；[00]步骤4，智能配变终端对分支监测单元进行并发抄表，通过结构化动态表单模块生成台区拓扑关系表，上传到主站上的GIS系统，进而生成台区的电力线路拓扑关系图，实现分支关系识别；[0065]步骤5，通过中压线路上的中压载波通信主机读取中压载波通信从机中变压器总编号，中压载波通信主机通过无线网络或局域网络实时与主站保持档案信息同步，在主站内GIS 系统上实时展现线变关系拓扑图；[0066]步骤6，变电站监测终端将检测数据传输到主站上，配合中压载波通信主机的数据，在 GIS系统上实时展现站线关系拓扑图。

[0067]本发明为了实现配网拓扑的自动识别，尤其是实时辨识台户关系改接事件的发生，本发明采用双向工频通信技术(TWACS)做为实现途径，通过对其进行了原理分析及研究，将配电网拓扑分为中压侧及低压侧两部分设计拓扑自动识别方案，由于电压等级及识别需求的不同，中压侧记低压侧在方案实现上具有一定差异。本发明为配网拓扑自动识别提供了一种较为可行的方案，为试点实施验证打下了基础。

[0068]虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

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