一种基于静态拓扑岛的电网连通性分析方法与流程

背景技术：

电网连通性分析在电力系统中有着重要作用。如电源点追溯、短路计算、停电分析等，都是基于电网连通性分析的应用。相对于其它领域的连通性分析业务，电网连通性分析具有设备数量和种类多、拓扑结构复杂、节点状态变动频繁的特点，因此，电网连通性分析的方法必须具有高效处理大量拓扑节点的能力，并且具有较高的实时性。

现有的电网拓扑连通性分析方法一般有两种：邻接矩阵法和树/有向图搜索法。

邻接矩阵法是构造一个n*n的0-1矩阵m(n为拓扑节点数)，若节点i可达节点j，则将矩阵m[i][j]置为1,进行连通性分析时，从指定节点遍历为矩阵m中为1的要素即可，邻接矩阵法实现简单，实时性高，但矩阵较为稀疏时，空间浪费较大，且随着节点数n的增长，算法的时间成本和空间成本都按平方增长，不适用于节点数较多的分析。

树/有向图搜索法是将连通关系构建为一个树或有向图，进行连通性分析时采用深度优先或广度优先的方式，遍历树/有向图中的节点。树/有向图搜索法的时间、空间开销都比邻接矩阵法要好，但在实现上比邻接矩阵法要复杂许多，同时，当节点连接状态发生变化时，需要对树进行调整，当节点数较多时，树的深度会较深，导致节点的调整开销较大，对系统实时性造成影响。

在电力领域，一般会采用拓扑岛分析的方法对上述方法进行优化：预先把具有直接或间接连接关系的设备聚合在一起，得到一个拓扑岛。进行分析时，只需在待分析设备所属的拓扑岛上进行遍历，而不需要涉及整个电网，大大减少了运算量。但电网中的开关状态发生变化，或需要模拟某些设备故障时，可能会对拓扑岛进行合并/拆分操作，性能开销比较大。

技术实现要素：

本文根据电网的特点，基于深度优先的树/有向图搜索法和现有拓扑岛聚合方法，提出了一种基于静态拓扑岛的电网连通性分析方法，使得电网连通性分析系统拥有较高性能和实时性的同时，还兼具高扩展性、易于部署到分布式环境中的优点。

一种基于静态拓扑岛的电网连通性分析方法，所述分析方法包括以下步骤：

步骤(1)建立静态拓扑岛视所有开关设备均处于断开状态，遍历所有设备节点，将有连通关系的设备合为一组，直到遍历结束，每组节点即为一个拓扑岛，各节点数据结构中的相邻设备信息也在此次遍历中得到；

步骤(2)计算各设备的动态可达设备；

步骤(3)建立通用遍历器：通用遍历器的工作步骤如下:

(3.1)接收应用程序传入的节点访问函数visitor、终止条件函数isend；

(3.2)构建一个栈s，将起始节点压入栈中；

(3.3)从栈s中取出栈顶节点e，若e被标记为已读，则转至步骤(3.6)；

(3.4)将e标记为已读，并将e递给终止条件函数isend，若函数isend(e)返回结束标记，则结束整个遍历过程；

(3.5)将e的静态可达设备压入栈中，传递e给访问函数visitor处理，并根据visitor的返回结果，决定将e的哪些动态可达设备压入栈中；

(3.6)若栈s中尚有元素，则跳转至步骤(3.3)，否则结束整个遍历过程；

步骤(4)运行通用遍历器，收集访问函数visitor得到的节点，按需求的格式返回查询结果；

步骤(5)若开关状态发生变动，或设备被模拟为故障等，修改所影响设备的相关状态即可；

所述设备节点的数据结构为存储设备连接关系的一种结构体，包含了设备基本信息，设备的直接相邻设备(下简称静态可达设备)，及在某组开关闭合时设备的直接相邻设备(下简称动态可达设备)；

所述的静态拓扑岛为在电网中，所有开关设备均断开时，具有直接或间接连接关系的一组设备组成的一个集群，与现有技术中的拓扑岛相比，静态拓扑岛不随着开关状态、模拟状态等信息发生合并或拆分。

所述的通用遍历器为一段通用的电网遍历程序，只需传入节点访问函数、终止条件函数，即可实现所需连通性分析功能，达到代码高度复用，功能易于扩展的目的；

所述步骤(1)遍历所有设备节点过程中，对于遍历到的节点e，判断e与现有设备是否具有连接关系，若无，则建立新拓扑岛t，将e加入t中；若有且只有一个拓扑岛t0与e有连接关系，则将e加入t0；若有多个拓扑岛t1,t2,...tn与e具有连接关系，则将t2...tn合并到t1，并将e加入t1；

所述步骤(2)计算各设备的动态可达设备时，将所有开关视为闭合、所有设备视为无故障，此时针对各个设备，计算出与之直接相连的设备，并出去其静态可达设备，即得到其动态可达设备；

所述步骤(3.5)中，visitor的返回结果视具体需求而定，如“根据开关状态决定入栈设备”、“根据模拟状态和开关状态决定入栈设备”、“无视开关状态，只由模拟状态决定入栈设备”等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：相比于现有的拓扑岛分析方法，本发明遍历的节点数和深度一致，只是多了一步是否遍历动态可达节点的判断，因此，两种方法在分析过程中的耗时相差无几(实测本方法比现有拓扑岛分析方法慢5％左右)；在开关状态、模拟状态变更时，只需修改对应节点的状态，不会进行拆分/合并操作，大幅减少了系统在节点状态时的性能开销；因此，本方法以极小的分析时的开销为代价，兼具了性能和实时性。

本方法将遍历方法提取为遍历器，在开发具体连通性分析的业务时，只需额外编写访问函数visitor、终止条件函数isend即可，代码高度复用，具有很强的可扩展性。

庞大的电网被分割成了多个拓扑岛，可方便地将拓扑岛分散到分布式系统中，由于拓扑岛不会进行拆分/合并的修改操作，故无需处理由于修改操作带来的分布式系统一致性问题。

附图说明

图1为各子程序分工和交互示意图；

图2为通用遍历器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。

实施例1所述电网连通性分析方法做配电网上游追溯

电源点，即为指定设备供电的的设备，在配电网中，电源点一般为变电站。

上游设备，即从电源点到达待分析设备所经历的设备，这些设备是否正常工作、工作负载等参数，对于待分析设备的供电可靠性有着重要的意义。

配电网上游追溯，即查询配电网中待分析设备的上游设备的过程。

步骤(1)建立静态拓扑岛本实施例中的数据仓库为hbase数据库，编写mapreduce模型程序，将数据库中的数据分片地读到map程序节点上，map程序节点将接收到的数据分片封装为设备节点对象，并将具有连通性的设备节点标上相同的拓扑岛编号，传递给reduce程序节点；

reduce程序节点收集map程序节点传递的拓扑岛分组的信息，并将拓扑岛分组信息进行合并，得到初始拓扑岛；

最后，将初始拓扑岛分发到服务器集群中；

步骤(2)建立动态可达关系视所有开关设备均为闭合状态，得到各节点在某组开关闭合时的相邻节点；

步骤(3)建立通用遍历器：通用遍历器的工作步骤如下：

(3.1)设计访问函数visitor、终止条件函数isend

visitor函数的设计寻找上游设备，本质上就是从电网无向图中获取由待分析设备出发的所有分支，并从这些分支中获取一条包含电源点的路径，因此visitor设计为：

在visitor中建立一个栈rs，当visitor接收到通用遍历器传入的设备e时，判断e是否与栈rs的栈顶元素是否相邻或动态可达，若是，则e压入栈rs；若否，则说明通用遍历器已遍历完一个子分支，故需要将栈rs中非本分支的设备剔除，具体做法是重复移除rs的栈顶元素，直至栈顶元素与e相邻或动态可达或rs为空；

visitor的返回值为”chosebyswitch”，即要求将e的动态可达设备中开关闭合的设备压入栈s中。

isend函数的设计当传入isend函数的节点e为电源点时，返回结束标记；

(3.2)构建一个栈s，将待分析设备压入栈中；

(3.3)从栈s中取出栈顶节点e，若e被标记为已读，则转至步骤(3.6)；

(3.4)将e标记为已读，并将e递给终止条件函数isend，若函数isend(e)返回结束标记，则结束整个遍历过程；

(3.5)将e的静态可达设备压入栈中，传递e给访问函数visitor处理，并根据visitor的返回结果，决定将e的哪些动态可达设备压入栈中；

(3.6)若栈s中尚有元素，则跳转至步骤(3.3)，否则结束整个遍历过程。

步骤(4)运行通用遍历器，收集访问函数visitor得到的节点，按需求的格式返回查询结果；

步骤(5)若开关状态发生变动，或设备被模拟为故障等，修改所影响设备的相关状态即可；

当遍历过程结束后，若isend未返回过结束标记，则说明未找到电源点，即待分析设备处于断电状态，故不存在其上游设备；若isend返回过结束标记，则说明找到了电源点，visitor中的栈rs中的元素即为待分析设备的上游设备。

实施例2所述电网连通性分析方法做配电网停电模拟分析

停电模拟分析，即假设电网中的一个或多个设备发生故障，分析假设故障的设备会导致指定片区中的哪些设备断电。

由于设计了通用遍历器，故电网模拟分析的步骤和程序均可复用实施例1中的对应部分，只需重新设计实施例1中步骤(3.1)用到的访问函数visitor、终止条件函数isend，并设待分析设备为片区的电源点即可。

visitor函数的设计在visitor中建立一个列表list，当visitor接收到通用遍历器传入的设备e时，将e加入list中；

visitor的返回值为”chosebyswitchandsim”，即要求将e的动态可达设备中开关闭合且未被模拟为故障的设备压入栈s中。

isend函数的设计当传入isend函数的节点e为电源点时，返回结束标记；

当遍历过程结束或，visitor中的列表list即为带电设备，将片区内所有设备与list中的设备相减，所得结果即为断电设备，至此停电模拟分析完成。