一种配电网拓扑的分布式管控与识别方法与流程

本发明属于电力系统配电网运行与控制技术，尤其涉及一种配电网拓扑的分布式管控与识别方法。

背景技术：

配电网拓扑的管控与识别是实现配电自动化、故障自愈等各项功能的基础。配电网分支众多、运行复杂，正常运行时，系统调度需要采集、检测全网数据，接收、发送大量指令信息；故障时，需要结合拓扑结构快速、准确地对故障进行诊断、隔离。因此研究配电网拓扑管控与识别方法对制定系统调度策略，提升系统稳定性、可靠性具有重要意义。

目前拓扑识别管控方法包括：

(1)以计算目标相关性大小为依据，对电网架构简化、拆分、变换。基于CIM模型，建立拓扑的分层成像算法，实现电气连接的自动成图。该类方案以集中式管控处理为主，拓扑管控主机数据处理庞大且实时性差，难以满足配电网各项功能要求的快速性、准确性。

(2)现有分布式拓扑管控方法，采用多个拓扑管控单元逐级查询获取拓扑信息。该类方法需要配置终端本身和相邻终端拓扑信息，一旦相邻终端发生投切或其分支、开关信息发生较大变化时需要人工重新配置拓扑信息，效率较低，这与配电网运行方式灵活多变，分支、设备经常变换的特性不符。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种配电网拓扑的分布式管控与识别方法，该方法能够使得终端通过广播的形式自动告知相邻终端，更新拓扑信息，减少人工配置次数，实现拓扑信息的自动生成、更新。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种配电网拓扑的分布式管控与识别方法，包括以下步骤：

(1)为安装在各开关处的智能终端离线配置基本拓扑信息；

(2)以配电线路出口处的智能终端为起始广播终端，按照树形结构上下级顺序，基于局域网广播的方式，按照预定的广播顺序将基本拓扑信息发送至局域网内；

(3)局域网内其它智能终端基于基本拓扑信息判断广播终端与自身是否相邻以及相对上下游位置，完成上下游相邻终端的识别；

(4)基于智能终端开始广播的先后次序划分逻辑层，生成包含两级节点的最小连接树，确定每个最小连接树的母节点所对应的智能终端为代理终端；

(5)每个代理终端获取被代理终端的拓扑信息、电气量信息及负荷信息，代理终端之间对等通信交互上述信息，实现更大范围信息的交互、管控及拓扑识别；

(6)各智能终端监视支路、开关位置状态是否发生变化，若有返回步骤(2)，刷新网络拓扑结构。

进一步地，所述步骤(1)中，基本拓扑信息包括：节点信息、支路信息和其他信息；

其中，节点信息包括：节点编号、通信地址、开关位置状态、开关属性、支路数量、特殊节点标记、广播逻辑层数以及地理位置信息；

支路信息包括：支路编号、支路属性、方向信息以及带电信息；设定如果支路位于节点上游，则支路相对该节点的方向为“+”；如果支路位于节点下游，则支路相对该节点的方向为“-”。

其他信息包括：负荷信息，功率方向和规则库。

进一步地，所述步骤(2)中，设置广播权限标志位，广播权限的传递采用令牌的形式；

设置广播权限标志位初始值为0，当标志位变为“1”表示获得广播通信权限，向局域网内其他终端发送广播数据包，任意时刻只允许有1个智能终端进行广播通信。

进一步地，所述步骤(2)中，规定与主电源相邻的终端为广播起点，该终端完成广播通信后，广播权限传递给相邻终端；

广播通信顺序具体为：

若变电站有多条出线，存在多个主电源相邻终端，指定编号小的终端作为初始广播节点，通过接收广播响应信息判断存在多少同级并联节点和下游节点；

发送广播权限采取深度优先策略，优先给相邻下游终端发送广播权限；

若下游同时存在多个并联终端，根据编号大小确定广播优先等级。

进一步地，当某个分支末端终端完成广播通信后，将广播权限返回至上一逻辑层的终端，该终端会根据拓扑结构信息判断下游相邻位置处是否存在未进行广播通信的终端,若存在根据标号大小指定广播通信的终端,遵循深度优先策略完成该分支的拓扑结构辨识，若不存在，将广播权限返回至上游相邻终端,以此类推，直至网络内所有终端全部完成广播通信。

进一步地，所述步骤(3)中，局域网内其它终端基于基本拓扑信息表中是否包含相同支路，判断广播终端与自身是否相邻以及相对上下游位置，如果判断为相邻终端则生成拓扑响应信息，以对等通信的方式向广播终端发送响应信息，完成上下游相邻终端的识别；经过有限次广播通信，每个智能终端都能够获得并存储相邻终端的信息，完成局部网络拓扑的辨识。

进一步地，判断广播终端与自身相对上下游位置的原则具体为：

若广播终端的支路方向信息为“-”，接收终端的支路方向信息为“+”，表示广播终端在上游，接收终端在下游；

若广播终端的支路方向为“+”，接收终端的支路方向信息为“-”，表示广播终端在下游，接收终端在上游；

若接收终端和广播终端的支路方向同为“+”，表示二者位于同一母线。

进一步地，所述步骤(3)中，为获取局部拓扑信息，还需要相邻两级或三级线路的拓扑结构；具体获取方法为：

根据建立起来的拓扑关系，通过查询相邻终端直接获取所需的相邻两级或三级线路拓扑结构信息，存储在自身拓扑信息存储单元，一旦需要可以借助对等通信网络与相关终端直接通信；

或者只存储相邻终端的信息，不再存储相邻两级或三级线路拓扑信息，当有需要时与相邻终端通信，借助相邻终端获取所需网络拓扑信息。

进一步地，所述步骤(4)中，规定与主电源相邻的终端其所处逻辑层为“1；逻辑层划分与广播权限的传递过程同步；

当某终端完成广播通信后，对应的逻辑层编号在其上游相邻终端逻辑编号的基础上加1，表示位于下一逻辑层。

进一步地，所述步骤(4)中，最小连接树结构为最小拓扑连接结构，由每一个终端和其下游相邻终端构成，为两层逻辑结构，由母节点和子节点构成。

进一步地，所述步骤(5)中，最小连接树中的母节点作为代理节点，代理节点形成后，大范围拓扑信息的辨识由各代理终端交互信息，交互信息包括：代理节点标记、逻辑层编号I、终端数量、终端编号、通信地址、逻辑层编号II、功率值、支路数量、各支路编号、支路属性和基本拓扑信息表地址。

本发明的有益效果：

配电网系统日益复杂，运行方式多变，集中式拓扑管控与识别方式难以适应配电网灵活多变、分支、开关变化频繁的特性。本发明从分布式拓扑识别管控角度出发，各终端只需离线配置安装处基本拓扑信息，通过广播方式发送拓扑信息，确定相邻终端、划分逻辑层、生成最小连接树。基于广播信息生成小范围拓扑结构，基于逻辑层和最小连接树确定代理终端，各终端交互拓扑信息，生成大范围拓扑信息。该技术方案，适应于配电网设备、支路、开关频繁变化的特性。一旦支路、终端等信息发生变化，可自动广播拓扑信息，完成新拓扑的辨识工作，刷新并存储新的拓扑结构，从而适应配电网变化。形成由点到线到面的拓扑生成过程。

本发明提出的技术措施，能够对配电网拓扑进行自动管控与识别，当配电网结构发生变化时，可重新广播拓扑信息，刷新拓扑结构，从而支持配电自动化和故障自愈的各项功能。与目前采用的拓扑管控和辨识方法相比，首选采用分布式结构，避免了集中式控制存储管控大量信息，通信数据庞大，实时性差，稳定性差等特点，其次与以往分布式拓扑管控初始配置时需要知道相邻终端拓扑信息不同，本发明各终端仅需配置安装处拓扑信息，通过广播形式辨识相邻终端，获取相邻终端拓扑信息，一旦相邻终端发生变化，可实时更新拓扑信息。基于此，完成逻辑层划分、生成最小树，确定代理终端，可有效解决配电网分支、开关、设备不断变化，拓扑需实时更新的特性。拓扑识别形成由点到线到面的过程。

附图说明

图1是本发明设计的分布式拓扑管控与识别流程图；

图2是智能终端相对位置判断流程图；

图3是逻辑分层过程

图4是智能终端广播顺序；

图5是典型配电网及其逻辑分层和最小连接树结构；

图6是算例分析系统图；

图7是图6区域S1拓扑辨识结果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

离线状态下为智能终端配置基本拓扑信息，主要包括安装位置处的节点信息、支路信息及其他信息，上述信息在初始化时由人工进行配置。

智能终端上电工作后，采用广播通信的方式发送基本拓扑信息，各终端基于支路信息、方向信息确定是否与广播终端相邻并判断相对位置。若接收终端判断出自身与广播终端相邻后，再以广播响应的方式将拓扑判断结果返回至广播终端，完成与相邻终端的拓扑辨识工作。通过有限次的广播，形成对局部拓扑网络的辨识。

某终端完成广播通信后，对应的逻辑层编号在其上游相邻终端逻辑编号的基础上加1，完成逻辑层划分。基于逻辑分层，形成最小连接树结构并确定代理节点。各代理节点通过对等通信的方式，完成更大形成大范围拓扑信息的交互。本发明重点关注智能终端与被保护线路、相邻终端间的关联关系，故将智能终端等效为图的节点，各智能终端间的线路、终端所在的分支等效为支路。

一种配电网拓扑的分布式管控与识别方法，其工作流程图如图1所示，包括：

(1)为安装在各开关处的智能终端离线配置基本拓扑信息，主要包括安装位置处的节点、支路信息、正方向定义及规则库信息等；

(2)以配电线路出口处的智能终端为起始，按照树形结构上下级顺序，基于局域网广播的方式，按照预定的广播顺序将基本拓扑信息发送至局域网内；

(3)局域网内其它终端基于基本拓扑信息表中是否包含相同支路，判断广播终端与自身是否相邻以及相对上下游位置，如果判断为相邻终端则生成拓扑响应信息，以对等通信的方式向广播终端发送响应信息，完成上下游相邻终端的识别。经过有限次广播通信，每个智能终端都能够获得并存储相邻终端的信息，完成局部网络拓扑的辨识；

(4)基于智能终端开始广播的先后次序划分逻辑层，生成包含两级节点的最小连接树，确定每个最小连接树的母节点所对应的智能终端为代理终端；

(5)每个代理终端获取被代理终端的拓扑信息、电气量信息及负荷信息，代理终端之间可对等通信交互上述信息，实现更大范围信息的交互、管控及拓扑识别。

(6)智能终端监视支路、开关位置状态是否发生变化，若有转向步骤(2)，刷新网络拓扑。

其中，步骤(1)中所配置的基本拓扑信息，如表1所示，包含节点信息、支路信息、其他信息三大类。

节点信息包括：节点编号(节点唯一编号)、通信地址(节点通信地址)、开关位置状态(对应开关的开合状态)、开关属性(描述开关类型)、支路数量(与本节点相连支路数)、特殊节点标记(标示特殊节点)、广播逻辑层数(标记逻辑层数)，地理位置信息(节点坐标信息)。

支路信息包括：支路编号(支路唯一编号)、支路属性(描述支路类型)、方向信息(支路相对节点方向)，带电信息(支路是否带电)。

其他信息：包括负荷信息，功率方向(规定主电源到负荷侧或DG侧为正方向)、规则库等。

表1

步骤(2)中，在节点信息“特殊节点标记”中设置广播权限标志位，如表1中所示，初始值为0，当标志位变为“1”表示获得广播通信权限，向局域网内其他终端发送广播数据包，任意时刻只允许有1个智能终端进行广播通信。

广播通信顺序：若变电站有多条出线，存在多个主电源相邻终端，指定编号小的终端作为初始广播节点，通过接收广播响应信息判断存在多少同级并联节点和下游节点。发送广播权限采取深度优先策略，优先给相邻下游终端发送广播权限。若下游同时存在多个并联终端，根据编号大小确定广播优先等级(编号小优先获得广播权限)。当某个分支末端终端完成广播通信后，将广播权限返回至上一逻辑层的终端，该终端会根据拓扑结构信息判断下游相邻位置处是否存在未进行广播通信的终端,若存在根据标号大小指定广播通信的终端,遵循深度优先策略完成该分支的拓扑结构辨识，若不存在，将广播权限返回至上游相邻终端,以此类推，直至网络内所有终端全部完成广播通信。如图4是智能终端广播顺序。

步骤(3)中，各终端接收信息后，首先判断终端间是否存在相同的支路编号，然后检查广播信息中“支路方向”信息并与自身“支路方向”信息比较，判断相对位置。上述整个过程如图2所示，是智能终端相对位置判断流程图。

终端相对位置判断原则：若广播终端的支路方向信息为“-”，接收终端的支路方向信息为“+”，表示广播终端在上游(近电源侧)，接收终端在下游(近负荷侧)；广播终端的支路方向为“+”而接收终端的支路方向信息为“-”，表示广播终端在下游，接收终端在上游，若接收终端和广播终端的支路方向同为“+”，表示二者位于同一母线；鉴于配电网树状结构，不存在二者支路方向信息均为“-”的情况。相邻的接收终端以广播响应信息的方式将判断结果返回至广播终端。广播完成后，接收端按照表2所示信息，返回响应信息。

表2

终端为获取局部拓扑信息，还需要相邻两级或三级线路的拓扑结构，可以采取如下两种处理方式。

(1)终端根据建立起来的拓扑关系，通过查询相邻终端直接获取所需的相邻两级或三级线路拓扑结构信息，存储在自身拓扑信息存储单元，一旦需要可以借助对等通信网络与相关终端直接通信；

(2)终端只存储相邻终端的信息，不再存储相邻两级或三级线路拓扑信息，当有需要时与相邻终端通信，借助相邻终端获取所需网络拓扑信息。

步骤(4)中，当某终端完成广播通信后，对应的逻辑层编号在其上游相邻终端逻辑编号的基础上加1，表示位于下一逻辑层，逻辑层划分如图3。

最小连接树划分及代理确定原则：最小连接树结构为最小拓扑连接结构，由每一终端和其下游相邻终端构成，为两层逻辑结构，由母节点和子节点构成。逻辑层划分、最小连接树结构如图5所示。

步骤(5)中，代理节点基于最小连接树确定，将各最小连接树的母节点设为代理节点。代理节点之间交互的信息如表3代理节点拓扑信息表所示。

表3

每个代理终端获取被代理终端的拓扑信息、电气量信息及负荷信息，代理终端之间可对等通信交互上述信息，实现更大范围信息的交互、管控及拓扑识别。

步骤(6)中，各终端监视相邻终端、或其分支、开关是否发生变化，若变化则重新广播生成或更新拓扑，否则继续监视。

结合图6算例分析图，进一步阐述配电网拓扑的分布式管控与识别。

终端D1、D2与主电源相邻,因终端D1标号小，按照深度优先原则，D1所在支路首先完成拓扑识别并获得广播权限，之后再完成D2所在支路拓扑识别工作。D1配置的基本拓扑信息如下：编号D1、D1通信地址、D1处开关位置状态(闭合)、支路数量1、特殊节点标记1、广播逻辑层数为1、支路编号AC1、支路属性(普通支路)、方向信息(AC1相对节点D1为“-”)、带点信息(AC1带电)。终端D1广播权限标志位由“0”转变为“1”，逻辑层编号记为“1”，将上述D1的基本拓扑信息，以广播的形式发送到局域网内。终端D3按照图2所示流程首先根据共有的支路AC1判断二者相邻，并根据支路相对节点的方向信息，线路AC1相对终端D1为“-”，线路AC1相对终端D3为“+”，终端D3判断其位于D1下游，D1收到来自D3的响应信息后，记录D3的编号、D3的通信地址、D3的开关位置状态(闭合)、相对位置信息(D3位于相邻下游)，完成相邻终端的辨识。然后D1将广播权限传递给D3,D3获得广播权限后，其逻辑层编号将在D1对应的逻辑层编号基础上加“1”，故对应的逻辑层编号为“2”，并广播D3处的基本拓扑信息。因D3与D4、D7有公共支路母线3，所以D3会同时获得终端D4和D7的拓扑响应，按照编号大小顺序，终端D4优先获得广播权限并将逻辑层记为“3”。终端D4广播后发现其相邻终端为D5，对应着联络开关处于分位，满足拓扑搜索的终止条件并将广播权限返回至D3，由D3将广播权限再传递给D7，D7对应的逻辑层编号应在D3对应的编号“2”的基础上加“1”，因此即使D4先于D7获得广播权限，但二者的逻辑层编号都为“3”，与实际拓扑关系完全对应。依次类推，直至D1所在分支所有终端均参与分层功能，得到最小连接树结构。D2所在分支与D1所在分支广播方案相同，不再赘述。

图7为区域S1的拓扑辨识结果。在图7所示树状结构中，与主电源相邻的D1为树根节点，对应着逻辑分层中的第一层，与之相邻的下游D3对应着逻辑分层中的第二层，依次类推。每个DSTU都会对应着一个逻辑层编号，从而实现了整个电网拓扑的逻辑分层。“最小连接树”，用来描述拓扑的最小连接关系,由母节点和子节点构成，为两层逻辑结构,以图7区域S1为例，最小树结构有{D1、D3}、{D3、D4、D7}、{D7、D9}、{D9、D11、D12、D13}、{D11、D14}，{D14、D15、D16、D17}。代理节点基于最小连接树确定，将最小连接树的母节点设为代理节点，如区域S1中的D1、D3、D7、D9、D11、D14均为代理节点。以代理节点D3为例，其管控着最小连接树中的所有子节点，包括D4、D7，各代理节点间可进行对等通信，代理节点与非代理节点之间不再直接通信。代理节点管控被代理节点的拓扑结构以及相关电气量、开关量信息，如表3所示。D3代理的信息如下：代理节点标记为1，逻辑层I(代理节点逻辑层)为2，终端数量(下游相邻终端数量)为2，终端编号(子节点终端编号)为D4、D7,D4、D7的通信地址，公共支路母线3，逻辑层II(子节点逻辑层)为3，支路属性母线。

可见按照本发明的拓扑管控与识别方法，可实现如图6所示典型配电网拓扑的识别，因此本发明可实现配电网拓扑的分布式管控与识别。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。