一种配电网中关联信息拓扑分析的建模方法与系统与流程

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种配电网中关联信息拓扑分析的建模方法与系统。

背景技术：

现代配电系统不断向高度灵活性、高源荷友好性、高智能数字化的方向发展，可再生能源等分布式电源和电动车的广泛接入，分布式电源运行方式切换灵活，同时微电网和直流配电网应用引起的交直流配电网深度耦合，使得配电网拓扑结构越来越复杂化。传统单一电源供电的配电网保护无法解决故障识别方面出现的新问题，且网络潮流方向不再单一，故障短路电流的方向也不能预先确定。传统继电保护采用离线整定方式确定定值，难以兼顾灵敏性和选择性的要求，无法保证定值始终处于最佳状态。这有可能波及电力系统的稳定，影响电网的可靠供，尤其是对配电网的运行带来诸多限制。

目前，智能电网实现智能化的关键是实现数据统一建模，实现站内二次装置和一次设备属性、能力及行为的统一描述，这样才能使不同智能电气设备之间的信息共享和互操作成为可能，实现真正意义上的智能化。而现有的广域保护控制(Integrated Wide Area Protection and Control IWAPC)系统仅是结合一次设备和二次系统分析电力系统中出现的安全问题，系统处理的数据信息还是过多，拓扑结构过于复杂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种配电网中关联信息拓扑分析的建模方法，用于解决电力系统网络拓扑模型分析能力弱的问题。同时，本发明还提供了一种配电网中关联信息拓扑分析的建模系统。

为解决上述问题，本发明提供一种配电网中关联信息拓扑分析的建模方法，包括：

1)获取配电网中的一次设备和二次系统信息；

2)根据一次设备信息，建立电网拓扑网络模型，电网拓扑网络模型的节点元素包括发电机、母线、线路和变压器，电网拓扑网络模型的分支元素为开关设备，电网拓扑网络模型的分支元素的值表示开关设备状态；

3)根据二次系统信息，结合所述一次设备信息，建立关联信息拓扑网络模型，关联信息拓扑网络模型的节点元素为二次系统逻辑设备，关联信息拓扑网络模型的分支元素为一次设备和二次系统逻辑设备之间的关系，关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态。

进一步的，步骤1)中从配电系统的配置文件SCD中获取配电网中的一次设备和二次系统信息。

进一步的，步骤2)中电网拓扑网络模型节点元素具备两个属性：Type和ID，步骤3)中关联信息拓扑网络模型节点元素具有三个属性：Type、ID和二次设备类型属性；Type属性中包含电压等级信息。

进一步的，步骤2)中电网拓扑网络模型的分支元素的值表示的开关设备状态为：1是物理合，0是物理分；步骤3)中关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态为：1是有效关联，0是无效关联。

本发明还提供一种配电网中关联信息拓扑分析的建模系统，该系统包括：

1)用于获取配电网中的一次设备和二次系统信息的模块；

2)用于根据一次设备信息，建立电网拓扑网络模型，电网拓扑网络模型的节点元素包括发电机、母线、线路和变压器，电网拓扑网络模型的分支元素为开关设备，电网拓扑网络模型的分支元素的值表示开关设备状态的模块；

3)用于根据二次系统信息，结合所述一次设备信息，建立关联信息拓扑网络模型，关联信息拓扑网络模型的节点元素为二次系统逻辑设备，关联信息拓扑网络模型的分支元素为一次设备和二次系统逻辑设备之间的关系，关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态的模块。

进一步的，模块1)中从配电系统的配置文件SCD中获取配电网中的一次设备和二次系统信息。

进一步的，模块2)中电网拓扑网络模型节点元素具备两个属性：Type和ID，模块3)中关联信息拓扑网络模型节点元素具有三个属性：Type、ID和二次设备类型属性；Type属性中包含电压等级信息。

进一步的，模块2)中电网拓扑网络模型的分支元素的值表示的开关设备状态为：1是物理合，0是物理分；模块3)中关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态为：1是有效关联，0是无效关联。

本发明提出的一种配电网中关联信息拓扑分析的建模方法，该方法在广域保护控制系统配置过程中，基于IEC61850信息建模技术将参与信息融合计算的二次系统信息与一次设备信息的模型关联，从而得到关联信息，通过该拓扑建模方法得到两个拓扑网络：电网拓扑网络和关联信息拓扑网络。采用节点类建模方法能够确保在拓扑网络模型中依据设备属性信息唯一的确定设备状态，采用分支类建模方法使得分析过程中二次设备与一次设备之间具有一一对应关系。通过分析建立的关联信息拓扑网络能够确定信息融合的计算范围，从而在复杂的配电网络拓扑结构中依据关联信息得出合适的分析区域信息，实现在线自适应的区域保护控制系统信息融合应用，使得系统保护控制不仅具有灵敏性还具备了选择性。

附图说明

图1为信息模型关联关系图；

图2为电网一次接线图；

图3为电网拓扑基础网络图；

图4为电网拓扑连接状态表；

图5为关联信息与一次设备关系表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

该技术方案的基本方法步骤为：

步骤一、获取配电网中的一次设备和二次系统信息；

步骤二、根据一次设备信息，建立电网拓扑网络模型，电网拓扑网络模型的节点元素包括发电机、母线、线路和变压器，电网拓扑网络模型的分支元素为开关设备，电网拓扑网络模型的分支元素的值表示开关设备状态；

步骤三、根据二次系统信息，结合所述一次设备信息，建立关联信息拓扑网络模型，关联信息拓扑网络模型的节点元素为二次系统逻辑设备，关联信息拓扑网络模型的分支元素为一次设备和二次系统逻辑设备之间的关系，关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态。

上述各步骤的详细过程介绍如下：

步骤一、获取配电网中的一次设备和二次系统信息。

配电网中一次设备和二次系统信息模型的工程集成配置过程如图1所示，广域保护控制系统作为一个覆盖多个变电站的跨站系统，需要进一步支持站间通信应用和系统间信息交互的建模技术。IEC 61850标准第二版中提出，在广域保护控制信息模型进行系统集成时需要采用IEC 61850-90-1规范实现站间通信应用。因此，基于IEC 61850标准的信息模型工程应用方法，将分别包含一次设备和二次系统的信息模型的系统规范描述SSD文件和能力描述ICD文件导入到系统，集成配置的过程中形成SCD文件，因此在后续建模过程中需要从SCD文件中提取配电网中的一次设备和二次系统信息。

步骤二、为得到关联信息拓扑网络模型首先需要分析一次设备的在线运行状态，这里从配电系统的配置文件SCD中获取配电网中的一次设备，根据一次设备信息，建立电网拓扑网络模型。电网拓扑网络模型的节点元素包括发电机、母线、线路和变压器，电网拓扑网络模型的分支元素为开关设备，电网拓扑网络模型的分支元素的值表示开关设备状态。

电网拓扑网络模型建立的初始化过程首先是分析图2所示的电网一次接线图，考虑到应用的可行性和易用性，采用节点类和分支类的基本抽象模型建立电网拓扑网络模型。

电网拓扑网络节点类建模方法如下：节点元素主要包括发电机、母线、线路和变压器等一次设备。每个节点元素可以从IWAPC系统的IEC 61850信息模型文件SCD中提取两个用于拓扑建模的属性：Type和ID，Type属性表示设备的类型，分别命名为G、B、L、T，ID属性表示设备的唯一编码，则节点元素命名采用属性综合值进行命名，节点元素中需要限定电压等级时，则Type属性还包含电压等级信息。本实施例中，母线1节点被命名为B1；一次设备中的变压器节点需要限定在同一电压等级，按照电压等级分裂为多个变压器绕组节点，变压器绕组节点继承变压器的ID属性，同时在Type属性中增加电压等级的信息，三绕组变压器定义为TH1，TM1和TL1。

电网拓扑网络分支类建模方法如下：分支元素由一次设备中具有开关作用的连接设备串联后构成。电网中常用的具有开关作用的连接设备为开关(断路器)或刀闸，这里将这些连接设备统称为开关设备，即电网拓扑网络模型的分支元素为开关设备。分支元素连接节点元素形成网络模型，分支元素用于隔离这些节点元素且表示两个节点元素之间所有一次设备的状态集合，即相邻的两个节点元素之间仅有一个分支元素，所以电网拓扑网络部分只负责处理保护和控制功能相关的一次设备对应的节点元素。分支类由两个值来表示节点元素间的连接状态：1是物理合，0是物理分。本实施例中，典型双母线接线可以详细表示线路、分段开关以及分段母线之间的连接关系。

图3所示的电网拓扑网络模型中变压器按照电压等级分别抽象成TH1、TM1和TL1节点元素，变压器的三个节点之间通过磁连接；分支元素采用CB命名，其中，CB11是一个具有两个可选分支的特殊分支，导入在线运行数据后可确定其最终状态。然后，在线运行拓扑分析，将实时的网络状态与电网拓扑网络结合生成电网实时拓扑网络。本实施例中设定了CB11与B4连接，得出各电压等级的实时拓扑网络连接状态表如图4所示。

步骤三、为满足适合区域关联信息的拓扑分析，定位信息融合计算的范围，实现在线自适应的区域保护控制系统信息融合应用。在IWAPC系统信息模型集成过程中，二次系统信息与一次设备信息经过信息关联过程，产生关联信息。

从配电系统的配置文件SCD中获取二次系统信息，结合所述一次设备信息，建立关联信息拓扑网络模型，关联信息拓扑网络模型的节点元素为二次系统逻辑设备(Logical Device LD)，关联信息拓扑网络模型的分支元素为一次设备和二次系统逻辑设备之间的关系，关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态。

关联信息拓扑网络节点类建模方法如下：节点元素是IEC 61850信息模型中的二次系统逻辑设备，逻辑设备是保护和控制功能的虚拟划分方式，与被保护的一次设备相对应。每个节点元素可以从IWAPC系统的IEC 61850信息模型文件SCD中提取三个属性：Type、ID属性和二次设备类型属性，其中Type和ID属性是继承了被保护设备在电网拓扑网络模型中的Type和ID属性，二次设备类型属性作为一个可选项属性，用于区分单个一次设备对应的不同逻辑设备，辅助识别二次信息源。

关联信息拓扑网络分支类建模方法如下：分支元素是电网一次设备和二次系统逻辑设备之间的关系，表示电网拓扑网络模型中被保护的一次设备在关联信息拓扑网络中参与信息融合计算的有效性，即建立关联信息拓扑网络与电网拓扑网络之间建立的有效连接。分支元素由两个值来表示信息之间的关系：1是有效关联，0是无关联关系。

在IWAPC系统中，信息融合技术的应用一般需要获得各元件保护的中间结果来实现特定的算法分析，这些中间结果，如阻抗和方向，是从电气量中提取的被保护对象在线特征分量。因此，为增强信息融合技术对实时电网的自适应能力，建立关联信息拓扑网络模型就是需要找出关联信息和实时电网拓扑网络之间的有效连接状态。本实施例经过IEC 61850信息模型系统集成过程，可以导出图5所示的关联信息与一次设备关系表，其中关联信息拓扑节点元素是二次系统中虚拟二次设备所含LD集合。分支元素的分支值为1时关联信息对应一次设备有效。大多节点元素对应的LD与保护一一匹配。

基于IEC 61850的IWAPC系统信息拓扑分析的目标是为信息融合技术提供在线自适应电网运行的输入数据集合，自适应地在线确定目标设备关联区域网络，计算关联信息融合范围。

本实施例中，依据节点为列和分支为行的原则，将图4所示的电网拓扑连接状态导出转化为矩阵A，则变压器某一电压等级的关联区域电网的拓扑网络矩阵B计算如下：

选取某一次设备代表的电网拓扑网络中节点元素为初始关联点，初始矩阵B0中选中节点元素为1，其他节点元素为0。以TH1为例，初始矩阵B0为：

B0＝[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0]

所连接元件集合C1为：

C1＝B0*A＝[0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0]

然后，计算该电压等级的电网拓扑网络B1为：

B1＝C1*A^T＝[0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0]

将B1作为新的初始矩阵B0的值，重复上述计算过程。直到B1等于与B0。此时，B1即为变压器TH1侧的实时电网拓扑网络矩阵B。

将图5所示的关联信息与一次设备关系导出转化为矩阵A′，采用公式上述的计算方式，最终可以输出关联信息矩阵B′：

B′＝[1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,1,1,0,0]

同理，可以计算图3中的其他电压等级的实时电网拓扑网络矩阵，用于关联信息拓扑分析计算。

借助IWAPC系统的数据中心平台可以实现多源信息共享，可以解决如母线保护4和变压器保护1这种多LD同属于一个二次设备的情况。大多数图5中节点元素关联的被保护设备都可以直接命中图4中所示的节点元素集合。但也存在如PCB12节点元素的情况，保护对象是属于分支一部分的开关设备。通过识别设备属性和矩阵行列元素关联映射，PCB12节点元素对应的分支经矩阵计算，最终能够定位到图4所示的节点集合中。

本发明实施例还提供了一种配电网中关联信息拓扑分析的建模系统。该系统包括：

1)用于获取配电网中的一次设备和二次系统信息的模块；

2)用于根据一次设备信息，建立电网拓扑网络模型，电网拓扑网络模型的节点元素包括发电机、母线、线路和变压器，电网拓扑网络模型的分支元素为开关设备，电网拓扑网络模型的分支元素的值表示开关设备状态的模块；

3)用于根据二次系统信息，结合所述一次设备信息，建立关联信息拓扑网络模型，关联信息拓扑网络模型的节点元素为二次系统逻辑设备，关联信息拓扑网络模型的分支元素为一次设备和二次系统逻辑设备之间的关系，关联信息拓扑网络模型的分支元素的值表示一次设备和二次系统逻辑设备之间的连接状态的模块。

上述模块是系统中为实现该方法的各步骤所建立的功能模块，实际上是一种根据以上一种配电网中关联信息拓扑分析的建模方法进行编程，与该方法步骤对应的软件进程，用于控制器中。因此，对于各个模块，下面不再进行详细介绍。