一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述拓扑方法包括基于数据结构进行的母线拓扑、节点拓扑和动态拓扑三个过程；所述母线拓扑过程为：对母线进行编号并建立区段连接数组，基于输入数据以平衡母线为始点对配电网网络展开深度优先搜索；所述节点拓扑过程为：对节点进行编号并建立网络节点导纳矩阵；所述动态拓扑过程为：使所述节点导纳矩阵跟踪电力系统的变更。该方法能够处理环网、多相线路、动态拓扑的配电网网络拓扑，解决跨电压等级配电网拓扑分析面临的困难。
【专利说明】—种跨电压等级配电网的拓扑分析方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种拓扑分析方法，更具体涉及一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法。
【背景技术】
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[0002]受计算资源的限制，传统配电网分析一般以单一馈线为基本单位，对馈线及其包含设备进行计算和分析；随着计算机技术的进步，计算机集群的建设成本不断降低，日益丰富的计算资源使得面向全网的科学计算变得可能，为更加全面、精确、快速的配电网计算分析及应用实践开辟了道路。拓扑分析为各种配网自动化高级应用建立数据结构，是各种科学计算的基础，对算法的功能、性能实现均有直接的影响。三相平衡网络的拓扑分析是经典成熟的技术，但跨越多个电压等级的配电网接线方式多样、线路不对称、结构形式随意，经典的拓扑分析方法不能完全适用。因此，本发明提出一种面向跨电压等级配电网工程应用的拓扑分析方法，以为科学计算及应用实践建立数据基础。
【发明内容】
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[0003]本发明的目的是提供一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，该方法能够处理环网、多相线路、动态拓扑的配电网网络拓扑，解决跨电压等级配电网拓扑分析面临的困难。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述拓扑方法包括基于数据结构进行的母线拓扑、节点拓扑和动态拓扑三个过程；
[0005]所述母线拓扑过程为:对母线进行编号并建立区段连接数组，基于输入数据以平衡母线为始点对配电网网络展开深度优先搜索；
[0006]所述节点拓扑过程为:对节点进行编号并建立网络节点导纳矩阵；
[0007]所述动态拓扑过程为:使所述节点导纳矩阵跟踪电力系统的变更。
[0008]本发明提供的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述对母线进行编号的步骤为:
[0009]从搜索队列中读取当前母线，判断当前母线是否已编号；
[0010]如若母线未编号，将临时区段存储到区段连接数组中，之后清空临时区段，接着编号该母线并作存储；
[0011]所述母线已编号后，在搜索空间中搜索新的连接设备。
[0012]本发明提供的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，对于新搜索到的连接设备，根据所述设备的相数修正当前母线的节点信息；
[0013]判断所述设备的类型，若为区段边界设备，将当前母线记录到临时区段中并判断连接母线是否为新母线，如果是新母线则添加到搜索队列末端下并存储该设备的母线编号，并根据设备数学模型建立其节点导纳矩阵；如果不是新母线，根据该设备的相数修正连接母线的节点信息使之成为新母线并添加到搜索队列末端下并存储所述设备的母线编号，根据所述设备数学模型建立其节点导纳矩阵；
[0014]若所述设备的类型为非区段边界设备，判断连接母线是否为新母线，如果是新母线则编号连接母线并添加到搜索队列首端下并存储该设备的母线编号，并根据设备数学模型建立其节点导纳矩阵；如果不是新母线，根据该设备的相数修正连接母线的节点信息使之成为新母线并添加到搜索队列末端下并存储所述设备的母线编号，根据所述设备数学模型建立其节点导纳矩阵。
[0015]本发明提供的另一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，在存储所述设备的母线编号，根据所述设备数学模型建立其节点导纳矩阵后，更新搜索队列和搜索空间并重新进行母线拓扑过程；当搜索队列为空时，所述母线拓扑完成。
[0016]本发明提供的再一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述节点拓扑中过程为:
[0017]对每一个区段的节点进行编号并依次添加支路、建立区段的节点导纳矩阵；
[0018]以平衡母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序；
[0019]根据搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中。
[0020]本发明提供的又一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述对每一个区段的节点进行编号为遍历每一个母线，依次对每一个节点进行编号。
[0021]本发明提供的又一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述建立区段的节点导纳矩阵为:建立区段节点维数的节点导纳零矩阵，接着遍历每一条支路和匹配母线并根据相信息找出对应的节点编号以确定在区段节点导纳矩阵中的位置，将支路节点导纳矩阵叠加到区段节点导纳矩阵的相应位置。
[0022]本发明提供的又一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述动态拓扑过程为:
[0023]根据所述电力系统变更的类型，修改或新建区段的节点导纳矩阵，更新需要的修改的母线与支路；
[0024]按照所述节点拓扑过程中的搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中的步骤生成新的全网节点导纳矩阵。
[0025]本发明提供的又一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，更新需要的修改的母线与支路时，当从原有母线引出新母线时，定位变更的区段，将新母线和新支路分别添加到该区段的母线和支路数组末端，扩展该区段节点导纳矩阵的维数，然后将新支路添加到区段节点导纳矩阵中；
[0026]当在有支路连接的两个原有母线间添加新支路时，定位变更的区段，将新支路添加到支路数组末端，将新支路映射到该区段的节点导纳矩阵中；
[0027]当在没有支路连接的两个原有母线间添加新支路时，若支路母线在同一个区段内，定位变更的区段，将新支路添加到支路数组末端，将新支路映射到该区段的节点导纳矩阵中；若不在同一个区段内，则判断该支路类型，若为区段边界设备，则将其加入新的区段边界设备数组中并以平衡母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序；否则将连接的多个区段合并为一个区段，根据搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中；
[0028]当变压器变比或分接头位置变化时，构建新的支路节点导纳矩阵；添加支路的等效支路节点导纳矩阵等于新的支路节点导纳矩阵减去旧的支路节点导纳矩阵；
[0029]当区段边界设备动作时，以平衡母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序。
[0030]本发明提供的又一优选的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，所述方法以存储各种设备的参数与连接方式的文件或数据库为输入，以母线、支路和网络的数据结构为输出；所述母线和支路输出为数组，单个母线或支路以类表示；一个母线包含一个或多个节点以对应多相线路，一条支路对应一个设备，设备的定义取决于其数据存储方式；网络表示为节点导纳矩阵；母线或支路与节点导纳矩阵的关联对应关系存储在母线或支路类的变量中。
[0031 ] 和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
[0032]1、本发明的方法能够较好地支持环网分析与孤岛分析，以应对高压配电网可能存在的环网运行情况；
[0033]2、本发明的方法能够处理多相线路，支持以相参数模型为基础的数学计算；
[0034]3、本发明的方法能够支持支持线路增加、变压器/调压器调节、网络重构情况下的动态拓扑，以减少重新拓扑带来的时间损耗；
[0035]4、本发明的方法解决跨电压等级配电网拓扑分析面临的困难；
[0036]5、本发明的方法使得环网的存在不会对拓扑过程及科学计算造成额外开销，生成的数据结构通用性、稳定性好，可以直接被当前的经典算法使用；
[0037]6、本发明的方法中的算法正确、有效、可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明基本元素的拓扑用数据结构示意图；
[0039]图2为本发明的母线拓扑的数据流图；
[0040]图3为本发明的母线拓扑的程序流程图示意图；
[0041]图4为本发明的节点拓扑的节点编号示意图；
[0042]图5为本发明的节点拓扑添加支路构建节点导纳矩阵示意图；
[0043]图6为本发明的节点拓扑的全网节点导纳矩阵结构。
【具体实施方式】
[0044]下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0045]实施例1:
[0046]如图1-6所示，本例的发明的方法现基于Matlab平台以IEEE8500节点115kV/12.47kV/0.24kV配电网系统为应用对象，建立图1所示的数据结构，按照以下步骤及方法进行拓扑分析:
[0047]步骤I将电源作为搜索队列的第一个成员，进行母线拓扑分析；数据流图见图2，程序流程图见图3。
[0048]步骤1-1从搜索队列中读取当前母线，判断当前母线是否已编号，是转步骤1-3，否则转步骤1-2。
[0049]步骤1-2当临时区段的支路数量不为O时将临时区段存储到区段连接数组中；清空临时区段，接着编号该母线，将该母线存入临时区段，并更新区段边界支路关于该母线的编号，然后转步骤1-3。
[0050]步骤1-3在线路(含开关)、低压线路、变压器、配变、调压器组成的搜索空间中搜索新的连接设备。
[0051]步骤1-4对于新搜索到的设备，首先根据该设备的相数修正当前母线的节点信肩、O
[0052]步骤1-5判断该设备的类型，若为区段边界设备(出线开关、分段开关、联络开关或负荷开关)，转步骤1-6，否则转步骤1-7。
[0053]步骤1-6将当前母线记录到临时区段中，判断连接母线是否为新母线，是则添加到搜索队列末端下转步骤1-9，否则转步骤1-8。
[0054]步骤1-7判断连接母线是否为新母线，是则编号连接母线并添加到搜索队列首端下转步骤1-9，否则转步骤1-8。
[0055]步骤1-8根据该设备的相数修正连接母线的节点信息。
[0056]步骤1-9存储该设备的母线编号，读取设备参数(如线路参数)，并根据设备数学模型建立其节点导纳矩阵。
[0057]步骤1-10从搜索队列中删除当前母线，从搜索空间中删除该设备。
[0058]步骤1-11当搜索队列为空时，下转步骤2，否则转步骤1-1。
[0059]步骤2基于各区段及其所含母线与支路，进行节点拓扑分析。
[0060]步骤2-1对每一个区段的节点进行编号，即遍历每一个母线，依次对每一个节点进行编号，如图4所示；建立每一个区段的节点导纳矩阵，即建立区段节点维数的节点导纳零矩阵，接着遍历每一条支路，匹配母线，然后根据相信息找出对应的节点编号以确定在区段节点导纳矩阵中的位置，将支路节点导纳矩阵叠加到区段节点导纳矩阵的相应位置，如图5所示。
[0061]步骤2-2以平衡母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序。
[0062]步骤2-3根据搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，如图6所示；将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中，过程同步骤2-1中的区段节点矩阵建立方法。最后，根据区段次序组合各自包含的母线与支路生成全网的母线和支路数组，输出全网的节点导纳矩阵、母线和支路数组。
[0063]步骤3当系统变更时，进行动态拓扑分析。
[0064]步骤3-1根据系统变更的类型，修改或新建区段的节点导纳矩阵，更新相关母线与支路:
[0065]步骤3-1-1当从原有母线引出新母线时，定位变更的区段，将新母线、新支路分别添加到该区段的母线、支路数组末端，扩展其节点导纳矩阵的维数，然后将新支路添加到区段节点导纳矩阵中，方法同步骤2-1。
[0066]步骤3-1-2当在有支路连接的两个原有母线间添加新支路时，定位变更的区段，将新支路添加到支路数组末端，按步骤2-1方法将新支路映射到该区段的节点导纳矩阵中。
[0067]步骤3-1-3当在没有支路连接的两个原有母线间添加新支路时，若支路母线在同一个区段内，处理办法同步骤3-1-2。若不在同一个区段内，则判断该支路类型；若为区段边界设备，则将其加入新的区段边界设备数组中，然后执行步骤2-2 ;否则将连接的多个区段合并为一个区段，方法同步骤2-3。
[0068]步骤3-1-4当变压器变比或分接头位置变化时，构建新的支路节点导纳矩阵，处理方法同步骤3-1-2，添加支路的等效支路节点导纳矩阵等于新的支路节点导纳矩阵减去旧的支路节点导纳矩阵。
[0069]步骤3-1-5当区段边界设备动作时，进行步骤2-2。
[0070]步骤3-2按照步骤2-3生成新的全网节点导纳矩阵。最后，根据区段次序组合各自包含的母线与支路生成全网的母线和支路数组，输出全网的节点导纳矩阵、母线和支路数组。
[0071]实验基于拓扑分析结果，结合无功补偿装置与不平衡负荷数据进行了配电网三相不平衡潮流计算，其结果中的调压器分接头位置与节点电压均和OpenDSS计算结果十分接近，表明了本发明所述拓扑分析方法的有效性及实用性。
[0072]最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述拓扑方法包括基于数据结构进行的母线拓扑、节点拓扑和动态拓扑三个过程； 所述母线拓扑过程为:对母线进行编号并建立区段连接数组，基于输入数据以平衡母线为始点对配电网网络展开深度优先搜索； 所述节点拓扑过程为:对节点进行编号并建立网络节点导纳矩阵； 所述动态拓扑过程为:使所述节点导纳矩阵跟踪电力系统的变更。
2.如权利要求1所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述对母线进行编号的步骤为: 从搜索队列中读取当前母线，判断当前母线是否已编号； 如若母线未编号，将临时区段存储到区段连接数组中，之后清空临时区段，接着编号该母线并作存储； 所述母线已编号后，在搜索空间中搜索新的连接设备。
3.如权利要求2所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:对于新搜索到的连接设备，根据所述设备的相数修正当前母线的节点信息； 判断所述设备的类型，若为区段边界设备，将当前母线记录到临时区段中并判断连接母线是否为新母线，如果是新母线则添加到搜索队列末端下并存储该设备的母线编号，并根据设备数学模型建立其节点导纳矩阵；如果不是新母线，根据该设备的相数修正连接母线的节点信息使之成为新母线并添加到搜索队列末端下并存储所述设备的母线编号，根据所述设备数学模型建立其节点导纳矩阵； 若所述设备的类型为非区段边界设备，判断连接母线是否为新母线，如果是新母线则编号连接母线并添加到搜索队列首端下并存储该设备的母线编号，并根据设备数学模型建立其节点导纳矩阵；如果不是新母线，根据该设备的相数修正连接母线的节点信息使之成为新母线并添加到搜索队列末端下并存储所述设备的母线编号，根据所述设备数学模型建立其节点导纳矩阵。
4.如权利要求3所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:在存储所述设备的母线编号，根据所述设备数学模型建立其节点导纳矩阵后，更新搜索队列和搜索空间并重新进行母线拓扑过程；当搜索队列为空时，所述母线拓扑完成。
5.如权利要求1所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述节点拓扑中过程为: 对每一个区段的节点进行编号并依次添加支路、建立区段的节点导纳矩阵； 以平衡母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序； 根据搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中。
6.如权利要求5所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述对每一个区段的节点进行编号为遍历每一个母线，依次对每一个节点进行编号。
7.如权利要求5所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述建立区段的节点导纳矩阵为:建立区段节点维数的节点导纳零矩阵，接着遍历每一条支路和匹配母线并根据相信息找出对应的节点编号以确定在区段节点导纳矩阵中的位置，将支路节点导纳矩阵叠加到区段节点导纳矩阵的相应位置。
8.如权利要求5所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述动态拓扑过程为: 根据所述电力系统变更的类型，修改或新建区段的节点导纳矩阵，更新需要的修改的母线与支路； 按照所述节点拓扑过程中的搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中的步骤生成新的全网节点导纳矩阵。
9.如权利要求8所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:更新需要的修改的母线与支路时，当从原有母线引出新母线时，定位变更的区段，将新母线和新支路分别添加到该区段的母线和支路数组末端，扩展该区段节点导纳矩阵的维数，然后将新支路添加到区段节点导纳矩阵中； 当在有支路连接的两个原有母线间添加新支路时，定位变更的区段，将新支路添加到支路数组末端，将新支路映射到该区段的节点导纳矩阵中； 当在没有支路连接的两个原有母线间添加新支路时，若支路母线在同一个区段内，定位变更的区段，将新支路添加到支路数组末端，将新支路映射到该区段的节点导纳矩阵中；若不在同一个区段内，则判断该支路类型，若为区段边界设备，则将其加入新的区段边界设备数组中并以平衡 母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序；否则将连接的多个区段合并为一个区段，根据搜索区段的次序，以区段节点导纳矩阵为对角线元素初始化全网节点导纳矩阵，进行全网的节点编号，将区段边界支路的节点导纳矩阵添加到全网节点导纳矩阵中； 当变压器变比或分接头位置变化时，构建新的支路节点导纳矩阵；添加支路的等效支路节点导纳矩阵等于新的支路节点导纳矩阵减去旧的支路节点导纳矩阵； 当区段边界设备动作时，以平衡母线为始点，以连接的区段边界支路为通道对区段连接数组进行深度优先搜索，确定带电区段并记录搜索区段的次序。
10.如权利要求1所述的一种跨电压等级配电网的拓扑分析方法，其特征在于:所述方法以存储各种设备的参数与连接方式的文件或数据库为输入，以母线、支路和网络的数据结构为输出；所述母线和支路输出为数组，单个母线或支路以类表示；一个母线包含一个或多个节点以对应多相线路，一条支路对应一个设备，设备的定义取决于其数据存储方式；网络表示为节点导纳矩阵；母线或支路与节点导纳矩阵的关联对应关系存储在母线或支路类的变量中。
【文档编号】G06Q50/06GK104050536SQ201410280161
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】何开元, 刘科研, 孟晓丽, 贾东梨, 胡丽娟, 刁赢龙 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院