基于調控云的電網供區分析方法①

梁 陽,宋少鋒,祝國宇,顧葉青,施建華

1(南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,南京 211106)

2(南京南瑞信息通信科技有限公司,南京 211106)

1 引言

電網拓撲數據[1]記錄了電網網絡拓撲結構,既包括廠站內設備連通關系,又包含廠站線路連通關系,并在此基礎上產生了海量的電網運行數據.電網拓撲數據是整個電網運行中營、配、調等業務管理的基礎數據,對這些數據進行高效分析極大地支撐了電網營、配、調的實際業務應用.電力系統拓撲分析[2]的主要目的是根據電網開關元件的狀態來歸并用于分析計算的邏輯節點,以及識別相互孤立的子系統.不少文獻直接利用深度優先搜索[3]和廣度優先搜索[4]、因果映射[5]、關聯矩陣[6]和基于節點融合生成全部樹[7]等方法來進行拓撲連通性分析.文獻[8-10]提出了基于圖像數據庫的拓撲分析.上述文獻為本文提供了基礎研究方法和成果,遺憾的是這些工作僅支持CIM 標準的模型數據,并不支持調控云平臺的面向對象的結構化標準模型數據,調控云平臺的設備模型、設備物理連接點號及拓撲模型按照面向對象的結構化建模方法設計,其中設備模型是基于元數據的通用數據對象建模和存儲,連接點號按廠站ID+電壓等級+設備編號的規則結構化存儲,拓撲模型分區域、分類型存儲全網設備的連接點號.此外,上述工作目前只支持相互孤立的拓撲孤島分析而不支持供區分析應用.

近年來,隨著調控云平臺的不斷建設和完善,模型數據云平臺中存儲了電網模型及拓撲數據,這也為電網供區分析提供了基礎數據支撐.不同于之前的工作,調控云實現了電網模型的對象化定義及存儲.文獻[11]提出調控云整體框架并對調控云應用進行展望.基于上述工作,文獻[12]提出面向調控云的電力調度通用數據對象結構化建模方法及其應用.文獻[13]提出了基于調控云的電網模型數據縱向互聯和信息共享的研究,文獻[14]提出基于調控云的服務多用戶按需使用的網絡分析應用服務模式,文獻[15]介紹了調控云的電網模型數據的管理策略.上述文獻[11-15]為本文提供了基礎研究方法和成果,遺憾的是暫未研究調控云模型數據云平臺中電網供區分析的相關工作.因此在調控云的大背景下,需要一種支持調控云模型的電網供區分析方法.本文主要貢獻如下:

(1)提出了調控云電網供區分析模型,包括調控云設備模型、拓撲網絡模型、節點模型和邊模型及供區模型;

(2)提出一種基于調控云模型的電網供區分析方法,包括廠站母線分組分析、母線直供線路分析、母聯斷路器分析及電網供區分析;

(3)通過全息電網接線圖展示應用對本文提出的方法進行實用化驗證.

2 基于調控云的電網供區模型

2.1 調控云模型

在調控云模型中,一次設備稱為廠站內部元件,包括單端點元件(如母線、接地刀閘、發電機、并聯電容、并聯電抗等)、雙端點元件(如斷路器、隔離開關、交流線路等)或可等值為多個雙端點元件的多端點(如變壓器等).在由若干元件連成的區域中,不包含任何輸電線路元件的整體區域稱為廠站.每個輸電線路元件的2 個端點屬于2 個不同的廠站.為了有效地支持電網拓撲分析,調控云模型(DCloudDeviceModel)可以定義成一個多元組＜設備ID (deviceId),設備對象編碼(objectCode),設備名稱(deviceName),設備電壓等級(voltageType),所屬廠站(stId),所屬廠站名稱(stName)＞,其中設備對象編碼包括母線(1301)、斷路器(1321)、隔離開關(1322)、接地刀閘(1323)等.

2.2 調控云拓撲網絡

在電網拓撲分析中,將電氣單端點元件映射為頂點,雙端點映射為邊.此時,電網拓撲分析實際上是一個拓撲網絡多次連通性判斷問題.為了有效地支持電網拓撲分析,調控云拓撲網絡定義成一個無向圖,即一個節點和邊組成的集合.每個節點和邊都有自己的屬性,具體定義規則如下:

(1)節點(DCloudTopologyNodeModel)定義成一個多元組＜節點號(nodeId),關聯模型信息列表(related DeviceInfoList),廠站ID (stId) ＞.

(2)邊(DCloudTopologyLinkModel)定義成一個多元組＜設備ID (deviceId),首端節點號(firstNodeId),末端節點號(secondNodeId),關聯模型信息(related DeviceInfo),廠站ID (stId),是否斷開(isClose)＞.

2.3 調控云供區模型

按照 CIM 術語,電網拓撲分析就是將廠站內單端點元件(如母線、接地刀閘、發電機、并聯電容、并聯電抗等)所組合成的拓撲節點集合,再根據網絡中雙端點元件(如斷路器、隔離開關等)所組合成的拓撲邊及邊的合(CLOSE)/開(OPEN)狀態,將有連通的拓撲節點和邊歸并到一個拓撲島中.理論上該拓撲島中的節點和邊所對應的模型具備相同電壓等級,且來自于不同電壓等級的廠站,此時高電壓等級(比如500 kV)的廠站就為低電壓等級(比如220 kV)的廠站提供電源點,這個拓撲島就被稱為整個電網中的一個的供區.因此,調控云供區模型(AreaInfoModel)可以定義成一個多元組＜供區名稱,供區電壓等級,最高電壓等級站信息列表,廠站及站內母線信息列表,廠站及站內母線分組及母線直連線路列表＞.其中,供區名稱通常取最高電壓等級廠站的名稱.

3 電網供區分析

由于深度優先算法、廣度優先算法、Dijkstra 算法等屬于圖論的經典算法,本文這里不再贅述,下面主要細述調控云電網拓撲數據上的供區應用分析.

3.1 廠站母線分組分析

同一個廠站內,兩條相同電壓等級的母線之間通常都設置母聯斷路器,如果此斷路器斷開,兩條相同電壓等級的母線就解列運行.此時,同一廠站內的兩條母線會給不同的供區提供電源點,即廠站分裂運行.廠站的分裂形式,具體表現為站內母線的成組情況,母線成組分析具體算法CalculateBusBarGroup(stId,voltagetype)如下:

(1)根據廠站和電壓等級,獲取廠站內該電壓等級所有的母線列表;

(2)針對每一對母線組,判斷兩母線是否可達;

(3)如果兩母線可達則加入到一個分組中,即該兩母線為同一個供區供電;

(4)如果兩母線不可達則廠站發生分裂,將兩條母線分別加入不同的分組中,即該兩母線分別為不同的供區供電;

(5)重復(2)～(4),直到所有的母線組都分析結束;

(6)返回母線分組.

其中,判斷兩母線是否可達需要搜索遍歷電網拓撲圖,為了提高分析效率,增加約束條件如下:

(1)如果遍歷的當前節點為目標端母線節點,則返回false;

(2)如果遍歷的當前節點對應設備的所屬廠站與下一條出邊對應設備的所屬廠站不同,則返回false.

如圖1所示,當#1 母聯和#2 母聯斷路器處于“開”狀態,其他斷路器和隔離開關都是“合”狀態,則正母I 段和正母II 段為一個母線組,副母I 段和副母II 段為一個母線組.

圖1 廠站母線分組

3.2 母線直供線路分析

當廠站發生分裂時,同一個廠站會為不同的供區供電,為了可視化電網供區,即廠站及線路連接關系,需要根據廠站內母線找到該母線直供的線路,即廠站經過該母線送點上網,并通過直供線路輸電供電.根據廠站內母線ID 獲取其直供線路的具體算法Calculate BusDirectLineGroup(busbarId,voltageType)如下:

(1)根據母線獲取所屬廠站信息;

(2)根據廠站ID 和電壓等級,獲取母聯斷路器;

(3)根據廠站ID 和電壓等級,獲取該廠站連接的線路列表;

(4)在滿足在同一廠站內,只經過斷路器或者隔離開關,遍歷拓撲網絡,得到母線和線路所有可達的路徑列表;

(5)如果路徑列表不為空,且路徑中包含非母聯斷路器的斷路器,則該線路為母線的之功線路,否則不是;

(6)如果路徑列表為空,表示該母線和線路不可達;

(7)返回直供線路列表.

如圖2所示,I 母的直供線路為線路1,II 母的直連線路為線路2.

圖2 母線直供線路

3.2.1 母聯斷路器分析

母聯斷路器是兩條母線電氣聯系的紐帶,如果母聯斷路器是合閘狀態,則母線并列運行,如果母聯斷路器是斷開狀態,則母線解列運行.當母線并列運行的時候,兩條母線可以同時為各自直供的線路供電,為了計算母線直供線路,需要篩除那些經過母聯斷路器之后再上網的線路,計算母聯斷路器的具體算法Calculate BusbarBreaker(stId,voltagetype)如下:

(1)設置該站內該電壓等級所有的設備都是聯通狀態;

(2)找到該站內該電壓等級所有的母線;

(3)針對每兩個母線,在滿足在同一廠站內,只經過開關或者刀閘,遍歷拓撲網絡,得到所有可達的路徑列表;

(4)如果路徑列表不為空,且路徑中包含斷路器,則該斷路器為母聯斷路器.

其中,步驟(3)中,計算兩條母線之間所有可達的路徑需要搜索遍歷電網拓撲圖,為了提高分析效率,增加約束條件如下:

(1)如果遍歷的當前節點為目標母線節點,則返回false;

(2)如果遍歷的當前節點是母線,且不是源端母線節點和目標端母線節點,則返回false;

(3)如果遍歷的當前節點對應設備的所屬廠站與下一條出邊對應設備的所屬廠站不同,則返回false;

(4)如果遍歷的當前節點對應設備既不是斷路器也不是隔離開關,則返回false.

如圖3所示,I 母和II 母的母聯斷路器為#1 母聯.

圖3 母聯斷路器

3.3 電網供區分析

電網供區分析即根據供區電壓等級與供區中最高電壓等級的廠站電壓等級的獲取所有的電網供區列表.供區分析算法偽代碼如算法1 所示.

算法1.CalculateAreaGroup(areavoltageType,maxvoltageType)1.network=intililizeNetwork();2.vector=findConnectedComponentVector(network);3.for(i=0;i＜vector.size();i++){4.HashSet＜Node＞ nodeHashSet=vector.get(i);5.for(DCloudTopologyNodeModel node:nodeHashSet){6.if(node.relatedDeviceInfoList contains buabar&&areaVoltageType==buabar.voltageType){7.stidBusbarGroup.add(node.stId,buabar.deviceId);8.CalculateBusDirectLineGroup(buabar.deviceId,buabar.voltage-Type);9.CalculateBusBarGroup(stId,buabar.voltageType);10.}11.}12.}

13.for(j=0;j＜stidBusbarGroup.size();j++){14.st=stidBus if(maxvoltag maxvolta barGroup.get(i).key;15.eType==st.voltageType){16.getypestidlist.add(st.stId);17.areaName.add(st.stName);18.}19.}

具體算法步驟如下:

(1)首先,初始化網絡拓撲.先將調控云模型表及拓撲表數據一次性從關系型數據庫中加載到MongoDB內存數據庫緩存中,再從內存數據庫緩存中初始化調控云拓撲節點和邊,并根據節點和邊構造出調控云拓撲網絡并基于該拓撲網絡進行供區分析,同時周期性的讀取設備開或者關的實時狀態并疊加到拓撲網絡上.

(2)基于網絡拓撲得到所有網絡分組向量.基于用戶請求時的拓撲網絡狀態,計算出該網絡所有的聯通子網向量,每個向量中包括互相連接的節點和邊;

(3)對聯通子網向量進行供區分析.針對每個子網向量判斷所有的節點,如果節點包含母線,則取母線的電壓等級作為該供區的電壓等級.判斷每個節點的入邊和出邊,獲得入邊和出邊對應設備的所屬廠站.判斷廠站的電壓等級為最大電壓等級,則表示該廠站為該供區供電.將其加入到供區的最高電壓等級廠站信息列表中.同時分析廠站及站內母線分組(廠站分裂)和直連線路情況.如果一個站內有多個母線分組,說明該供區里的廠站存在分裂.

(4)返回供區列表.

由上述步驟可知,供區分析算法的復雜度主要取決于步驟(3)的計算復雜度,步驟(3)中的計算通過結合傳統深度優先的圖遍歷方法與電網的實際拓撲特性,在搜索過程中進行可行性剪枝,從而減少不必要的節點與邊遍歷進而提高分析效率.供區分析算法的復雜度取決于電網拓撲圖的存儲結構,當用鄰接表存儲時,其時間復雜度為O(N+E),空間復雜度為O(N).在實際生產環境中,如圖4所示,電網拓撲具備不同廠站通過線路互聯互通,同一廠站內相同電壓等級通過母線互聯互通,不同電壓等級通過變壓器變壓之后互聯互通的特性.因此在計算供區時,對電壓等級、所屬廠站這些條件進行約束,從而達到可行性剪枝的優化.電壓等級約束即供區中互聯的設備均為相同電壓等級,比如計算220 kV 的供區,則廠站母線分組分析、母線直供線路分析、母聯斷路器分析過程中,遍歷電網拓撲發現電壓等級非220 kV 的節點或者邊直接返回,從而減少同一廠站內其他電壓等級的節點或者邊的搜索.所屬廠站約束即遍歷電網拓撲過程中所搜索的節點或邊屬于同一廠站,比如母聯斷路器分析過程中,遍歷電網拓撲發現其他廠站的節點或邊直接返回,從而減少其他廠站的節點或邊的搜索.

4 實驗驗證

本文以某地區電網的調控云真實廠站模型及拓撲數據作為實驗對象.該電網拓撲包含 491 座廠站,1337 條線路,3061 條母線,16055 個斷路器,39971 個隔離開關,形成了 28108 個拓撲節點和26452 條拓撲邊.分別采用本文帶有約束條件的方法和傳統的深度優先的圖遍歷方法對該電網進行供區分析,實驗結果如圖5及圖6所示.由圖5和圖6可見,采用本文的方法時,在進行供區分析時,增加對拓撲節點和邊的條件約束,比如只允許在同一個廠站內、只能經過斷路器或者隔離開關等等,與傳統的方法相比,會大幅減少多余節點或者邊的搜索時間,從而縮短供區分析時間及減少內存分配字節數.同時,隨著廠站或者母線個數的增加,本文方法分析所需時間更少,內存分配字節數更小,優勢更加明顯.

圖4 電網拓撲圖

圖5 廠站母線分組分析方法的比較

圖6 母線直供線路分析方法的比較

此外,本文采用Java 語言開發了一套基于調控云模型的電網供區分析程序,并應用到實際生產的應用中,實際應用表明該方法不僅具有很高的效率,而且具有很好的通用性.下一節將簡單介紹該應用.

5 系統應用

在調控云的電網拓撲結構上,疊加斷路器、隔離開關的真實狀態,自動進行供區分析包括分析線路空充、廠站分裂運行等,并基于開源圖形組件實現電網供區信息的圖形化展示,即全息電網接線圖.

圖7 全息電網接線圖

全息電網接線圖如圖7所示,每個供區展示了供區內的廠站、線路等信息,同時分別用不同的顏色標記進行區分.

6 結束語

本文研究了基于調控云的電網供區分析技術.定義了調控云供區分析數據模型,設計了電網供區分析方法,包括廠站母線分組分析、母線直供線路分析、母聯斷路器分析等.為了評價該方法的有效性和效率性,本文針對某地區電網的調控云真實數據進行實驗分析.分析結果表明,與傳統方法相比,本文提出的方法分析效率更高.同時,利用本文所提出的方法實現了一套供區圖形化展示應用,可直觀展示所有的供區信息.