一種配電網拓撲跟蹤方法及其應用

郝 騫，馬慧卿，楊 風，齊明思，蔣永建

（1.中北大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，山西 太原 030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；3.青島青咨工程咨詢有限公司 山西 青島 266071）

配電網是一種有復雜拓撲結構的大型電力網絡，呈現典型網狀結構。電網拓撲跟蹤算法就是根據電網開關設備狀態的變化來重構電網拓撲的一種算法。跟蹤算法的性能是影響狀態仿真、潮流計算、故障定位等高級功能推理過程性能的關鍵因素。人們不斷提出更為有效的方法用于提高跟蹤算法的性能。Mauro Prais在文獻[1]中提出了一種延時（over time）跟蹤算法用于提高跟蹤速度。區別于傳統的跟蹤算法，該算法采用累積更新技術，以減少拓撲重構的次數。但該積累后還是需要對整個電網遍歷，計算量相當大。在前一算法的基礎上，Phongsak D.Yehsakul于文獻[2]中提出一種基于拓撲的局部更新（Local Update）實時跟蹤算法。該算法實現了電網拓撲實時跟蹤，并且使計算量顯著下降。但是該算法劃分的子網單元中母線數目還是相當大，采用深度優先搜索技術遍歷子網，仍需一定的計算量。另外以上兩種算法描述電網拓撲結構的初始數據，需人工輸入數據庫實現，使得更新維護不是很方便。

結合前兩種算法，Ying He在文獻[3]中提出了一種基于面向對象技術的拓撲跟蹤算法。該算法在面向對象環境中實現了對隨機故障的模擬，同時用深度優先算法進行了快速的拓撲跟蹤[4-6]，但由于利用C++編程封裝各個抽象類，使得初始化需要使用大量的時間和的內存空間。

結合以上3種算法以及實際需求，本文提出了一種電網全局以母線為節點遍歷和設備單元局部更新相結合的新型實時跟蹤算法。

1 電網拓撲變化

在電力系統中，典型的配電網系統圖如圖1所示，由開關、閘刀、母線、連接線、變壓器、負載、接地等設備連接而成。電網拓撲會隨著開關設備的狀態變化而不斷變化。經過分析，我們可以看到不同位置開關設備狀態的變化，對電網拓撲產生不同程度的影響。

當連接負載的開關設備（如開關89121）狀態變化時，將只對電網局部的負載，連接的母線狀態產生影響，而對整個基于母線的電網拓撲幾乎沒有影響。

圖1 電力系統配電網Fig.1 Distributiont network of power system

而當連接母線的開關設備（如開關89112）改變狀態時，將會導致該設備所連接的母線之間的連接狀態發生改變。從而對整個電網的拓撲產生影響，而不僅僅只是對局部的設備連接狀態產生影響。因此，我們有必要采用不同的方法來處理不同位置上設備狀態變化的情況，以致跟蹤算法更有針對性和有效性。

為了對不同的設備采用不同的方法處理，我們對不同的設備進行歸類；為了對電網拓撲實現局部更新，我們對電網進行區域劃分。這里提出了一種適合本跟蹤算法的電網拓撲模型描述方法，實現了有效的設備歸類和恰當的電網區域劃分。本描述方法采用一種基于對象和關系數據庫技術來描述電網拓撲模型。

2 拓撲跟蹤算法

電網的拓撲在電網運行中會根據操作設備的狀態不斷變化。拓撲跟蹤就是要及時跟蹤電網拓撲的變化，確定新的網絡拓撲。在傳統的跟蹤算法中，每個開關設備的狀態變化都要導致整個網絡拓撲的更新、重構。由于電網的設備非常多，拓撲相當復雜，導致跟蹤算法計算量很大。

本文根據電網拓撲變化的分析和電網拓撲模型的建立，提出了一種電網全局以母線為節點遍歷和設備單元局部更新相結合的新型實時跟蹤算法。本算法核心就是對改變狀態的不同類型開關設備，采取不同的處理方法來跟蹤電網拓撲。

1）葉支路類設備改變狀態 這種情況下，只需在該負載設備單元內使用基于規則的推理算法進行拓撲跟蹤，更新本單元內的設備狀態即可。

2）母線連接類設備改變狀態 這種情況下，如果沒有改變兩母線的連接狀態，就不會改變整個電網拓撲，則只需跟蹤母線連接設備單元內的拓撲，更新本單元內的設備狀態。如果兩個母線的連接狀態發生改變，則會改變母線間的連接狀態，也就改變了整個網絡拓撲。則需要重構整個以母線為節點的網絡拓撲。還要繼續跟蹤，改變狀態母線對負載設備單元和母線連接設備單元的影響。

3）接地設備類改變狀態 因為接地設備必須在連接線無電時才可操作，因此接地設備類設備的狀態變化對電網拓撲的影響，可以不給考慮。

下面將結合實際應用，詳細說明跟蹤算法的具體流程。

3 跟蹤算法應用

本文根據實際電網仿真系統中電網設備狀態推理的實際需求和以上的電網跟蹤算法，提出了母線為節點的電網拓撲以一種近似的寬度優先的算法，設備單元內部采用基于規則的推理算法。整個跟蹤算法的推理流程如圖2所示。

圖2 算法應用程序流程圖Fig.2 Chart of algorithmic application program

在算法實現以前，需要把設備的拓撲模型相關內容保存到數據庫中。這里可以由輔助程序，自動從所畫的電網系統圖生成相應的拓撲結構知識，無須人工輸入數據庫。

當推理算法啟動后，首先查詢“設備表”獲取該設備的相關信息。然后判斷設備的類型是葉支路類還是母線連接設備類。如果是葉支路類設備則進入“葉支路設備推理程序”，根據 ‘系統圖名’、‘邏輯圖號’、‘連接單元號’、對設備進行定位，并查詢 “負載設備連接單元表”，獲取該設備所在單元的拓撲結構，并根據基于規則的推理算法，跟蹤單元內的拓撲，獲得各設備的有電無電狀態。然后，再更新該單元的拓撲結構和設備狀態。

如果是母線連接設備類設備，則進入“母線連接設備單元推理程序”。同理，對設備進行定位查詢，結合“母線連接設備邏輯單元連接關系表”和“母線連接設備邏輯單元母線狀態表”，對該設備所在的單元進行有電遍歷算法。跟蹤該單元的拓撲，獲取該單元所有有點的設備。然后更新該設備單元的設備狀態。所謂有電遍歷算法，就是遍歷所有前提設備有電，連接設備狀態為連通，得到結論設備為有電。

如果是母線連接設備類設備，則還需要進入“母線連接狀態處理程序”，判斷該設備狀態的變化，是否導致了母線連接狀態的改變。這里由“母線連接設備狀態表”中同一‘連接號’下，各設備的“母線連接設備狀態”確定。如果導致‘母線連接設備狀態’的“與”值改變，則該設備狀態的變化，改變了母線連接狀態。就要更新 “母線連接關系表”中同一連接號對應的‘母線連接狀態’。

如果改變了母線連接狀態，也就改變了電網的拓撲。那就需要進入“母線狀態處理程序”，對以母線為節點的電網拓撲進行遍歷、重構。首先，要確定整個電網的供電電源，這里作為一個特殊的前提母線處理。即把為供電電源的‘前提母線’置為“有電”。然后，把‘前提母線’有電，并且‘連接狀態’為連通的‘結論母線’在‘母線狀態表’中置為“有電”。并把‘母線狀態表’中作過‘前提母線’的使用標志置為“使用過”。然后遍歷母線狀態表中所有“有電”的母線，到所有“有電”的母線都使用過，則停止遍歷。其中遍歷的可能最大次數就是母線的數目。由此跟蹤網絡拓撲，并“有電推理”獲取所有母線的新的狀態。

這里雖然電網拓撲變化，但是電網母線的狀態有可能沒有產生變化。電網狀態推理可以結束。如果母線狀態產生變化，雖然不會影響負載設備單元和母線連接設備單元的拓撲結構，但是會對內部設備狀態產生影響。這就需要對影響到的單元進行重新的局部更新，獲取新的設備狀態。

4 性能測試分析

本跟蹤算法在一個大型鋼鐵企業的配電網仿真系統中進行了實際的應用。系統由VB編寫ActiveX控件嵌入網頁實現B/S模式。其中配電網拓撲模型由關系數據庫SQL SERVER的數據表來描述，而跟蹤算法由VB編程實現。配電網的特性如下表1所示。

系統測試的運行環境如下：服務器端CPU 1.4 GHz，內存256 MB，瀏覽器端CPU為1.2 GHz，內存128 MB。兩端網絡速度為100 Mb/S，網絡環境良好。測試結果滿足電網實時狀態推理的需要。

表1 配電網特性Tab.1 Distribution Network Character

5 結 論

本文在一個基于對象和數據庫技術描述的電網拓撲模型基礎上，提出了一種新型有效的電網拓撲實時跟蹤算法，即電網全局以母線為節點遍歷和設備單元局部更新分步計算相結合的算法。并在一個B/S模式的配電電網仿真系統中應用驗證了該算法是有效的。

[1]Prais M，Bose A.A Topology Processor That Tracks Network Modifications Over Time[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and System， August，1988，3（3）:992-998.

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