軌道交通電力監控中的拓撲分析

李亮

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 210003)

軌道交通電力監控中的拓撲分析

李亮

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 210003)

在軌道交通電力監控中,根據車站對應電力主接線圖上的設備圖元和連接線顏色變化來實時監控整個車站內的帶電情況。采用深度優先搜索算法,根據實時變化的電源電壓和設備開斷狀態,動態地對電力主接線圖進行網絡拓撲分析并計算圖中設備圖元的帶電情況。該方案在國內多條地鐵線路的運營實踐中均能夠實時準確地完成拓撲著色功能。

軌道交通 電力監控 網絡拓撲 電力主接線圖 拓撲著色

0 引言

近年來,我國城市軌道交通發展迅猛。隨著城市軌道交通線路的不斷增多,作為監控單條線路軌道交通的綜合監控系統(integrated supervisory control system,ISCS)[1]和監控管理整個城市軌道交通網絡的軌道交通路網指揮中心調度系統(traffic control centre, TCC)[2]的應用也越來越廣泛。電力監控是綜合監控和指揮交通調度系統中非常重要的部分,而電力監控中核心部分是對整個廠站或者整條線路所有電力設備及線路帶電狀態的實時監控[3]。

在軌道交通中,電調人員主要通過廠站或者全線電力主接線圖來對相應設備和線路帶電情況進行監控,所以設計一種高效的拓撲方法,對電力調度人員進行日常監控和決策尤為重要。

1 電力主接線圖拓撲分析

1.1 設備分類

根據是否對電力主接線圖的網絡拓撲結構和帶電情況產生影響,對所有設備進行分類。設備主要分為開斷設備類、電源類和不產生影響的無關設備類。設備分類情況示意圖如圖1所示。

圖1 設備分類情況示意圖Fig.1 Classification of equipment

開斷設備類主要包括一些開關、電隔、刀閘、接地刀閘等能夠通過狀態改變(斷開、閉合)影響整個電力主接線圖網絡拓撲結構的設備。電源類設備主要包括進線線端等能夠作為電源送電的設備。無關設備類除開斷設備和電源設備外,還包括其他不會對電力主接線圖拓撲結構以及帶電狀態產生影響的設備。

1.2 劃分子圖

對整個電力主接線圖進行拓撲分析,采用圖的深度優先搜索(depth-first-search,DFS)[4]算法對子連通圖進行劃分。考慮到劃分后的子圖只有存在電源設備才可能帶電,所以作如下簡化:只需要分別以主接線圖上電源設備為根節點,根據設備間的連接關系以及開斷設備如開關刀閘等的開合狀態,通過深度搜索確定和分配各個電源設備所在子圖的拓撲圖號(1～n)。剩余的設備由于沒有電源設備,因此肯定是無電狀態,不需要再劃分,圖號分配為-1。采用優化DFS算法劃分子圖的示意圖如圖2所示。

圖2 劃分子連通圖Fig.2 Sub-graph divided

1.3 子圖中設備和線路帶電分析計算

劃分完子連通圖后,對每個子圖進行帶電分析計算[5]。根據圖內有無電源以及電源電壓值是否是有效值來確定該子圖內設備和線路是否帶電。如果無電源或者電源電壓無效,則認為子圖內所有設備和線路都不帶電。

根據實際需要,將設備模型分為直流設備和交流設備,并設定電能從交流設備傳給交流設備和直流設備,而直流設備只能傳給直流設備。如果子圖內只有交流設備,有電源設備且電源電壓有效,則認為子圖內所有設備都帶電;如果子圖內直流設備和交流設備都有,則需要對子圖進行遞歸計算,得到各個設備和線路帶電情況。

子圖中交直流設備混連模型如圖3所示。

圖3 子圖內“交流-直流-交流”連接模型Fig.3 “AC-DC-AC”connection model inside sub-graph

圖3中,假定交流設備1即電源的電壓正常,線路中所有開斷設備都是閉合狀態,那么交流設備1、交流設備2和直流設備1都帶電。這時由于直流設備1后連接交流設備3,直流設備不能傳給交流設備,所以電不能傳到交流設備3,子圖中交流設備3和交流設備4都不帶電。

對每個子連通圖完成帶電計算后,整個電力主接線圖上所有設備和線路帶電情況都已經計算完成;然后根據計算結果將主接線圖上不帶電線路置成無色,帶電線路置為彩色,完成整個圖的拓撲著色,以供電調人員參考。

2 動態分析和計算

由于主接線圖上所有設備圖元的狀態值都是采集于車站真實環境中相對應的設備,因此開斷類設備狀態和電源電壓都是在實時變化的。每次開斷設備狀態和電源電壓的變化都有可能對整個主接線圖網絡拓撲結構或者圖中帶電情況產生影響。因此,需要根據實時開斷設備狀態和電源電壓狀態變化,動態地對整個主接線圖進行拓撲分析和計算。動態拓撲分析計算程序流程圖如圖4所示。

圖4 動態拓撲分析計算程序流程圖Fig.4 Flowchart of dynamic topological analysis calculation program

后臺程序收到有設備狀態變化后,首先判斷其中有沒有開斷設備狀態變化。由于開斷設備狀態變化會對主接線圖拓撲結構產生影響,因此當接收到的變化中有表征開斷設備狀態的變化時,需要重新拓撲分析劃分子連通圖,然后再對每個子圖進行帶電分析,最后根據計算出的設備和線路帶電情況對主接線圖著色。如果沒有收到開斷設備狀態的變化,再判斷是否有主接線電源電壓值狀態的變化。如果存在變化,由于電源電壓變化不會影響整個拓撲結構,因此只需要重新對每個子圖進行帶電計算,再做主接線圖著色即可。

后臺程序通過不斷循環接收設備狀態的變化,并實時根據主接線圖上相應開斷類設備和電源設備狀態的變化來對整個電力主接線圖進行動態拓撲分析,并完成著色功能。

3 結束語

通過動態地對電力主接線圖進行拓撲分析計算,能夠實時準確地反映對應廠站實際環境中整個設備和線路的帶電情況,為軌道交通電力調度人員監控和決策提供有效的依據。該方案已經實現并集成于綜合監控系統和軌道交通路網指揮中心系統中,目前已穩定高效地運行在國內多條地鐵線路監控中。

[1] 李天輝.城市軌道交通綜合監控系統的技術發展[J].自動化博覽,2013(10):16-17.

[2] 劉志鋼,胡華,黃遠春,等.城市軌道交通應急調度指揮系統的現狀及發展趨勢[J].城市軌道交通研究,2012(12):29-30.

[3] 張佳.城市軌道交通電力監控系統的不足與未來展望[J].工業控制計算機,2012(10):25-26.

[4] Cormen T H,Leierson C E,Rivest R L,et al.Introduction to algorithms[M]. Cambridge,MA:MIT Press,2005.

[5] 王曼.電力系統網絡拓撲分析算法概述[J].商業現代化,2010(36): 28-29.

Topological Analysis for Rail Transit Electricity Supervisory Control

In electricity monitoring of rail transit,real time monitoring the voltage presenting conditions in overall station according to the image elements of equipment and the color changes of the connecting lines on the electric power main wiring diagram of the station.By adopting depthfirst searching algorithm,in accordance with the real time voltage changes of power,and the ON/OFF states of the equipment,network topological analysis of the electric power main wiring diagram is conducted dynamically,and the voltage presenting conditions of image elements of equipment is calculated.The strategy has been practically applied in several domestic rail transit lines and accurately accomplishes topological coloring function in real time.

Rail transit Electricity supervisory control Network topology Electric power main wiring diagram Topological coloring

TP29

A

修改稿收到日期:2013-12-20。

作者李亮(1984-),男,2010年畢業于浙江大學計算機專業,獲碩士學位,工程師;主要從事軌道交通電氣化及自動化監控系統的研究。