基于源流链的多源点配电网拓扑新算法

基于源流链的多源点配电网拓扑新算法
屈志坚1,2,
刘明光1,陈秋琳3,杨　罡1,张纪伟1,刘　铁1
(1.北京交通大学电气工程学院,北京市100044;2.华东交通大学电气工程学院,江西省南昌市330013;
3.北京太格时代自动化系统设备有限公司,北京市100054)
摘要:针对配电网主接线的远动实时监控提出了一种网络拓扑新算法。

对多电源点配电网中源流
线路进行了描述,然后根据应用对象,即配电网络拓扑图,定义了源流链及其属性,并进行了分类,采用单向追踪、双向同步追踪和多向同时追踪逐步深入的策略,对源流链追踪算法进行原理剖析。

在源流链的方向性和运动性的基础上,构造出链式数据及其属性域模型。

在算法实现上,综合运用分段式追踪和检查点等方法,在铁路电力远动系统中进行了工程应用。

关键词:网络拓扑分析;源流链;同步追踪;检查点中图分类号:TM73;TM711
收稿日期:2008210215;修回日期:2008212222。

江西省教育厅2009年度科技项目(G JJ09223)。

0　引言
当前已有一些研究成果讨论了拓扑分析的算法问题,通常采用的主要分析方法可以归纳为2类。

一类是基于邻接矩阵[1]、关联矩阵[2]和图形数据库[324]的方法,利用数据库可以方便工程配置的自动化生成,利用矩阵方法的关键技巧是要进行稀疏化处理以提高效率,但对配电网来说这种处理的工作量较大,难以付诸工程实施。

另一类是基于图形建模的方法[527],很多学者对这类方法进行了细致的研究,探讨了基于深度优先搜索、广度优先搜索及其各
种改进算法、面向间隔法[8]
和拓扑追踪法[9]等,按这类图形化方法对网络拓扑分析,其优点是直观、易于理解,但是在图形建模的基础上对多个电源点进行同步追踪的方法却很少有文献探讨。

事实上,电网络的各种电源可以看成是电气
“源”,各种负荷可以看成是电气“流”[10]
,电网络则为源流交互提供路径链。

本文在上述2类方法基础上,提出了一种基于源流链的多源点配电网拓扑分析算法,构造了源流链的链式数据模型,融合了数据库易于工程化和图形建模直观化的优点,通过运用分段式追踪和设置检查点等技巧大大提高了算法的效率。

该算法已实际应用于铁路电力远动调度自动化系统的实时动态着色与模拟置位功能中。

1　源流线路的描述
配电主接线图由各种电力设备(如开关、变压
器、接地线、电压互感器、电流互感器、避雷器等)及线路的连接线组成,系统运行状态的实时值,如开关的开合状态、线路的供电及停电情况以及线路上电压、电流、功率大小等反映了电网的实时运行状况。

开关的实时状态和线路的电压、电流等实时运行值可以通过现场采集终端装置,如远程终端单元(R TU )或馈线终端单元(F TU )获取,而沿线各段线路的带电情况,取决于与其相关的各个方向上的关联开关和关联线路的带电情况。

主接线图中流过线路的电能从高电位向低电位方向流动,是一种带有方向的运动量,在考虑多电源点供电情况下,拓扑分析时要对多个电源到该线路的通路进行追踪,故本文把这种源流之间的线路称为源流线路,如电力系统中的母线是否有电一般不设变送器进行测量,而是根据某几个不同方向的量计算得出。

电能以进线为起点流向各用电终端,如果以电能流向为前向,则线路紧邻的后向开关和后向线路将决定线路状态在该方向上的一个分量。

实际运行系统中往往有多路进线供电,每路进线有一个确定的供电通路,对于处于双向甚至多向供电通路上的线路,每一路进线都产生一个分量,供电线路的最终带电状态取决于各分量的逻辑叠加,这种逻辑叠加可以通过引入源流链来实现。

2　源流链的定义及分类
2.1　主接线源流链的定义
主接线图中以隔离开关或断路器为分段间隔的供电线路或线路组合,定义为一个源流链。

如图1所示,标识为2014S 的线路为一个源流链,同样,标识为201S 的供电线路组合也是一个源流链。

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1
6—第33卷　第9期2009年5月10
日Vol.33　No.9May 10,2009
图1　配电所电气接线
Fig.1　E lectric wiring of distribution substation
2.2　主接线源流链的属性划分
主接线源流链的属性包含如下几种:
1)状态属性,表示实时属性,有带电和停电2种状态;
2)颜色属性,根据实时状态的不同,显示不同的颜色;
3)关联开关属性,表示影响该源流链带电状态的开关;
4)关联源流链属性,表示影响该源流链或被该源流链影响的相邻源流链。

2.3　主接线源流链分类
按照源流链关联属性的不同,可以把源流链分为激励源流链、单向关联源流链、双向关联源流链、多向关联源流链。

2.3.1　激励源流链
配电所主接线图中的进线是图中其他源流链计算的源点,是网络拓扑计算的激励,称为激励源流链,其状态对整个主接线图的拓扑计算起决定作用,需要综合考虑配电所现有的电压互感器、电流互感器和其他信号合理得出。

2.3.2　单向关联源流链
如果一个源流链的状态关联只来自1个方向,那么称为单向关联源流链。

如图1中标识为2114S 的源流链的状态只与开关2114方向有关,就称为单向关联源流链;从电气主接线图上看,沿电能通路,每个单向关联源流链都有前后关联对象,将其定义为前向推进关联对象和后向触发关联对象。

1)前向推进关联对象:每个源流链不是独立变化的,当前源流链变化影响到的源流链对象定义为前向推进关联对象。

例如,2114S 的前向推进关联对象为211S ,反之,对于211S 来说,2114S 为其后向触发关联对象。

2)后向触发关联对象:指可能引起当前源流链状态变化的关联对象。

例如,2114S 的后向触发关联对象为源流链2114X 和开关2114,如果2114S 为带电状态,开关2114为合状态,则2114X 为带电状态,反之,如果2114X 为停电状态或开关2114为分状态,2114S 皆为停电状态。

如果用0链表示停电或分状态、1链表示带电或合状态,则源流链最终的状态值取决于其后向触发关联对象和开关状态的逻辑与。

2.3.3　双向关联源流链
如果一个源流链的状态关联来自2个方向,称为双向关联源流链。

如图1中标识为2014X 的源流链,它的最终状态受2个方向的关联影响,一个是开关2014方向的开关量和源流链,另一个是开关44方向的开关量和源流链。

一个双向关联源流链可以看成2个单向关联源流链的叠加,把这些单向关联源流链称为关联量。

例如,对于双向关联源流链2014X 的关联量1包括后向触发关联对象(开关2014、源流链2014S )、前向推进关联对象(开关44、源流链44X ),其关联量2包括后向触发关联对象(开关44、源流链44X )、前向推进关联对象(开关2014、源流链2014S )。

如果关联量1或关联量2为1链,则2014X 为带电状态;反之,如果关联量1和关联量2都为0链,则2014X 为停电状态。

所以2014X 的最终状态取决于2个关联量的逻辑或,2014X 最终状态变化将触发前向关联源流链49S 的进一步追踪计算。

2.3.4　多向关联源流链
如果一个源流链的状态关联来自2个以上的方向,称为多向关联源流链。

同样,一个多向关联源流链可以看成是多个单向关联源流链的叠加。

电能是以进线为起点,流向各分支终点,每一个激励源流链都将产生一个电能有向通路,对源流链的分析要综合考虑所有激励源流链的作用。

3　源流链追踪算法原理
在考虑拓扑分析问题时,常常忽略主接线图中的电压互感器、电流互感器和避雷器等,则配电主接线拓扑图抽象为由电源进线、开关、断路器、母线、变压器、线路等元件构成,可以将它们等效为开关量和源流链,则对主接线的拓扑分析就是对包含开关量和源流链的图形进行追踪计算的问题。

源流链的状态取决于其关联开关和关联源流链的状态
,源流链状态的变化往往是由于电源点或网络中某个开关变位触发的。

开关关联了源流链,开
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关变位将触发其关联源流链的变化,而开关关联源
流链的变化又将触发其前向关联源流链的变化。

激励源流链作为其他源流链计算的源点,可以单独考虑,用零激励表示进线不带电状态,用非零激励表示进线带电状态。

下面依次说明各类关联源流链的算法原理。

3.1　单向关联源流链的追踪
单向关联源流链状态值直接由其后向触发源流链和开关状态的逻辑与得到。

例如,对图1所示的主接线单向关联源流链2114S 来说,有以下关联元素:后向触发关联开关量(2114)、后向触发关联源流链(2114X )、前向推进关联源流链(211S ),即Value (2114S )=Value (2114X )&&Value (2114)。

各源流链都不是独立变化的,2114S 的状态变化又触发其前向关联源流链211S 的状态变化,即根据Value (2114S )的计算结果,如果Value (2114S )状态发生变化则触发前向推进追踪:Value (211S )=Value (2114S )&&Value (211),再根据Value (211S )的计算结果,继续推进追踪,以次类推。

3.2　双向关联源流链的同步追踪
双向关联源流链是2个单向关联量的叠加。

每个单向关联量按照单向关联量同步计算,并按照关联方向追踪推进,单独1个方向的关联量计算结果只是中间值,把2个中间值叠加得到双向关联源流链的最终值,图2给出了一个双向通路源流链计算的原理示意图。

图2　双向关联源流链追踪原理
Fig.2　T racking principle of bidirectional source 2flow chain
若M1和M2为2路进线(即激励源流链),G1和G6为进线开关,G1与G6之间的通路为双向供电通路,则L1,L2,L3,L4,L5都为双向源流链。

按照上文给出的定义,把双向供电通路分解为2个单向供电通路,即图2中的进线1供电通路和进线2供电通路,同步进行追踪并进行叠加;把双向关联源流链分为2个单向关联源流链的叠加,双向关联源流链L2可分为进线1方向的关联量和进线2方向的关联量,对应关联量值分别为Value1(L2)和Value2(L2),若最终值表示为Value (L2),则Value (L2)=Value1(L2)||Value2(L2)。

其中:方向1供电通路上Value1(L2)=Value1(L1)&&Value (G2),方向2供电通路上Value2(L2)=Value2(L3)&&Value (G3)。

下面对该通路上双向源流链计算进行分析。

1)方向1供电通路上各分量:
Value1(L1)=Value (M1)&&Value (G1)Value1(L2)=Value1(L1)&&Value (G2)Value1(L3)=Value1(L2)&&Value (G3)Value1(L4)=Value1(L3)&&Value (G4)Value1(L5)=Value1(L4)&&Value (G5)2)方向2供电通路上各分量:
Value2(L5)=Value (M2)&&Value (G6)Value2(L4)=Value2(L5)&&Value (G5)Value2(L3)=Value2(L4)&&Value (G4)
Value2(L2)=Value2(L3)&&Value (G3)Value2(L1)=Value2(L2)&&Value (G2)3)各双向源流链同步追踪的结果:
Value (L1)=Value1(L1)||Value2(L1)Value (L2)=Value1(L2)||Value2(L2)Value (L3)=Value1(L3)||Value2(L3)Value (L4)=Value1(L4)||Value2(L4)Value (L5)=Value1(L5)||Value2(L5)
由于进线1和进线2在拓扑计算中的特殊性而单独考虑,认为进线没有分量,Value1(L1)和Value2(L5)的状态取决于对应激励源流链是零激励还是非零激励。

所以L1和L5是一类特殊的双向关联源流链,称为进线相邻双向关联源流链。

3.3　多向关联源流链的同时追踪
对多向关联源流链的追踪类同于对双向关联源流链的追踪,只需针对该源流链从多个电源点的供电路径方向上同时进行追踪,最终计算结果也应为多个单向关联量的叠加。

4　链式数据及属性域构造
在源流链的链式结构基础上,为了实现拓扑图形的数据表示以及达到易于工程配置的目的,更方便工程化应用,关键是要创建链式数据模型,考虑数据链的方向性和运动性。

落实到具体主接线中必须进行源流链的分类,设计Class 属性描述源流链的
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类型,用0表示激励源流链,1表示单向源流链,2表示(一般)双向源流链,3表示进线相邻双向源流链,该属性体现了源流链的方向性;设计Line1,Switch1,VectorValue1,ForwardID1等属性表示当Class 为1时的单向关联源流链、开关、源流链值和和前向关联元素,这4个属性同时也表示当Class 为2时的双向源流链的方向1关联源流链、开关、源流链值和前向关联元素;设计Line2,Switch2,VectorValue2,ForwardID2等属性表示双向源流链方向2关联源流链、开关、源流链值和前向关联元素;设计ForwardID 属性表示前向关联源流链,该属性体现了源流链的运动性;设计Desc0和Desc1用以描述0链和1链;设计Segment Tag 属性用以标识该源流链是否为分段源流链;设计CheckPoint 属性用以监视源流链的值是否有变化;设计ManStat us 用以实现人工模拟置位功能;设计Stat us 用以存放源流链的状态,实现实时动态着色功能。

依此设计构造出源流链的链式数据模型如表1所示。

表1　源流链数据模型
T able1　Data model of source 2flow chain
域名
描述类型
字节
Name 源流链名Char 20Class 源流链类型Int 2Status 源流链值Int 1ManStat us 人工模拟置位值Int 1Line1方向1关联源流链Char 25Switch1方向1关联开关Char 25VectorValue1方向1源流链值Int 1ForwardID1方向1前向关联Char 25Line2方向2关联源流链Char 25Switch2方向2关联开关Char 25VectorValue2方向2源流链值Int 1ForwardID2方向2前向关联Char 25ForwardID 前向关联源流链Char 20Desc00链颜色描述Char 4Desc11链颜色描述Char 4Segment Tag 分段标志位Char 1CheckPoint 检查点Char
1
注:Char 为字符型;Int 为整型。

多向关联源流链可以由多个单(双)向关联源流链进行叠加构成,故该源流链数据模型具有通用性。

另外,根据该源流链数据模型可以进一步编程,实现配电网拓扑的数据库配置工具。

5　算法实现及工程应用
5.1　算法实现
将一些双(多)向源流链设置为分段源流链是一
种算法技巧,利用上文设计的源流链分段标志位属性对配电网的全局网络进行拓扑分割,而分割后的各个子网拓扑,从其不同源点同时对分段源流链进行追踪计算,利用电源点和分段源流链的拓扑结果追踪该子网拓扑内的其他单向关联源流链。

各子网拓扑之间通过分段源流链进行连接,将该分段源流链设计成与其连接的子网拓扑的源点,在该分段源流链中设置检查点标志位,通过监视该检查点的状态是否有变化,就可以判断相连的子网拓扑是否需要继续进行拓扑搜索,从而避免了不必要的搜索过程,大大提高了效率。

实际工程中电源供电方式切换的情况较少,而开合断路器或隔离开关的情况相比较而言会更多一些,而这往往只引起子网局部拓扑的变化,通过分段式源流链实现对子网拓扑的追踪以及子网拓扑的连接,利用检查点避免无效追踪,这2种技巧的结合使本文算法更具有工程可用性,使用效果良好。

通过设置分段源流链的分段标志位把网络分成若干子网,然后对各个子网进行分段式追踪,算法流程图如图3所示,i 从1开始计数。

图3　子网列表的迭代遍历
Fig.3　Iterative traversal of sub 2netw ork list
将图4源流链追踪单元算法应用在子网拓扑中进行计算,先查询源流链的Class 类型属性,Class 为0或1时,该源流链为单向源流链,只需查询其单向关联开关和单向关联源流链;若Class 为2或3,则需查询其多个方向上的关联元素,计算其关联源流链值。

通过对源流链检查点属性的监视,比较源流链的新值与旧值是否相等,当新值不等于旧值时,说明拓扑有变化,需要继续进行前向关联源流链的追踪,否则跳出本次追踪单元,这样明显可以加快计算速度,提高追踪效率,体现检查点设置的合理性和实用性。

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图4　源流链追踪单元算法
Fig.4　U nit algorithm of source2flow chain tracking 5.2　算例与比较
以石德线(石家庄至德州段)铁路10kV电力贯通线和自动闭塞线远动系统为例进行了试验,其中第1条供电臂从工业站所经3个车站连接晋州所,第2条供电臂从晋州所经过4个车站连接衡水所,第3条供电臂从衡水所经过4个车站连接德州所,共152条线路需要拓扑着色。

表2是调用本文算法分别进行10次模拟开关分/合操作的人工置位时得出的平均拓扑计算时间。

表2　模拟置位操作的拓扑计算平均时间T able2　T opology calculation average time of simulation
operation
试验方法
平均计算时间/ms
臂1臂2臂3全网拓扑
配电所开
关分/合
18.420.622.061.0
局部车站高压
开关分/合
4.9
5.1 5.1
局部车站低压
开关分/合
<1<1<1
该算例与文献[9]中共151条线路拓扑计算的配电网算例规模相当,相比文献[9]给出的全网拓扑时间90ms来说,本文算法只需61ms,效率提高了32.22%。

实际应用时很少进行全网拓扑,故本文做了车站高压侧局部拓扑试验,发现计算仅需5ms左右;做了车站低压侧局部拓扑试验,发现计算时间均小于1ms。

实验结果充分证明了本文算法的高效性。

6　结语
根据本文设计的源流链追踪算法实现的模拟置位拓扑应用和动态拓扑着色功能,已成功应用在T G系列铁路电力远动系统第2版本中,该系统已成功应用到京广线北京供电段管内电力远动工程和京山、京九线电力远动工程项目中。

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屈志坚(1978—
),男,通信作者,博士研究生,讲师,主要研究方向:电力系统自动化、牵引供电系统理论与技术。

E 2mail :08117324@
刘明光(1959—
),男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统自动化、高压绝缘在线监测与故障诊断。

陈秋琳(1980—
),女,硕士,主要研究方向:电力调度自动化。

Source 2flow Chain B ased N ew Topology Algorithm for Multi 2source Distribution N et w ork
QU Zhi j ian 1,2,L IU M ing guang 1,C H EN Qi ulin 3,YA N G Gang 1,Z HA N G J iwei 1,L IU Tie 1
(1.Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China ;2.East China Jiaotong University ,Nanchang 330013,China ;3.Beijing Togest Time Automation System Equipment Co.Ltd.,Beijing 100054,China )Abstract :A new topology algorithm is proposed for remote real 2time monitoring of the distribution network main wiring diagram.The source 2flow line of multi 2source distribution network is described ,and the source 2flow chain and its properties are defined.The source 2flow chains are classified into unidirectional ,bidirectional and multidirectional source 2flow chains according to the distribution network topology graph.Accordingly ,a gradual deepening strategy for source 2flow chain tracking is adopted following the unidirectional ,bidirectional and multidirectional simultaneous tracking.Chain data and the attribute domain model are developed based on directivity and motility of the source 2flow prehensive skills including sub 2section tracking and checkpoints setting are used in the new method to improve the tracking efficiency.The new method has been used in topology analysis of the tele 2control of a railway power system.
This work is supported by 2009Science and Technology Project of Jiangxi Province Educational Department (No.G JJ 09223).
K ey w ords :network topology analysis ;source 2flow chain ;synchronous tracking ;checkpoint
(上接第40页　continued f rom page 40)
[4]章启明,乐全明,费铭薇,等.超高压电网全过程振荡仿真新模型
研究.继电器,2006,34(9):13215.
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许　明(1980—
),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:继电保护动态仿真。

E 2mail :xuming @
高厚磊(1963—
),男,通信作者,教授,博士生导师,主要研究方向:继电保护和广域同步测量。

E 2mail :houleig @
邹贵彬(1971—
),男,博士研究生,副教授,主要研究方向:继电保护。

Instantaneous Frequency B ased Pow er System Oscillation Modeling Method for R elay Protection
X U M ing ,GA O Houlei ,ZOU Guibin ,HOU Mei y i (Shandong University ,Jinan 250061,China )
Abstract :Currently available oscillation modeling methods are all based on changing the “average f requency of 02t interval",which cannot directly reflect the actual state of a power system.To solve the problem ,this paper proposes a new modeling method based on instantaneous f requency.By fitting the changes of instantaneous frequency under constraint conditions ,the method can accurately simulate the oscillation process of a real system without introducing the “average f requency of 02t interval".With this method ,an oscillation model reflecting the whole process is developed ,with two typical cases of oscillation (without/with fault )simulated using the power system block (PSB )in MA TL AB software.The simulation results show that this model can satisfactorily match the preset curve of f requency during oscillation ,and is ideally suitable for research on the performance evaluation of relay protection.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.50777040).K ey w ords :power system oscillation model ;instantaneous f requency ;relay protection
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