基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的支路与母线连接关系辨识方法与流程

本发明涉及一种支路与母线连接关系辨识方法，特别是一种基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的支路与母线连接关系辨识方法。

背景技术：

对调度自动化系统而言，网络拓扑的正确十分重要，因为它直接影响状态估计计算，而后者的计算结果是则是其它包括潮流计算、无功电压灵敏度计算、静态安全分析等一系列网络分析软件的数据源。网络拓扑的正确性是建立在正确的遥信数据基础上，因而检测、辨识和修正网络结构的错误是调度自动化系统实时信息处理的重要内容。

常用的网络拓扑检测辨识方法，是利用开关的遥信及线路潮流的遥测检查其是否对应来发现可疑的遥信，然后用搜索法根据可能存在的网络结构形式，通过状态估计检查是否小于门槛值来判别该类网络结构形式是否正确。这种方法的优点是比较简单，对量测配置要求也比较低。但在多个结构错误与不良数据同时错误时可能出现失败。在国内大部分调度机构的自动化系统中，广泛采用的网络结构辨识也仅是采用比较遥测、遥信信号是否一致来单独完成，且只是在基础两遥数据粗检测阶段，给出提示告警信息，但在状态估计计算时并未采取进一步的辨识修正措施，而是基于实际采集的设备状态进行网络拓扑分析，由此导致计算结果与电网实际运行情况存在较大偏差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种通过分析支路与母线的关联关系，定义支路与母线关联关系岛，基于岛内各支路量测满足平衡关系的特征，通过搜索使岛内各节点量测平衡指标合格并与实际采集的设备状态具有尽可能高的相似度的支路母线连接关系，给出辨识结果的基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的支路与母线连接关系辨识方法。

一种基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的支路与母线连接关系辨识方法，其步骤为：

(1)错误量测辨识与修正

搜索与量测平衡指标不合格的母线关联的支路，如果支路满足以下条件：a、端口数量不少于2个；b、该支路各端口上均配置了量测，则可以对支路的量测平衡指标进行检测，仍用p′l表示线路的量测平衡指标，用p″l表示不含本侧端口tk的线路量测平衡指标；

如果p′l满足平衡判据，而p″l也满足平衡判据，则认为端口tk未与节点相连；如果p′l满足平衡判据，而p″l不满足平衡判据，则认为端口tk与节点相连；

如果p′l不满足平衡判据，需要对tk之外的其它支路端口的量测进行检测，当以下满足以下条件时：1、对于与节点连接的支路端口，其所连接的节点的量测平衡指标满足平衡判据；2、对于未与节点连接的支路端口，其量测为0；可用p″l替代端口tk的量测，且认为端口tk与节点相连；

(2)母线联络关系辨识

如果母线之间有连通路径，则应辨识母线之间的联络关系。依据调度自动化系统反映的母线联络关系和母线连通路径上的量测配置对母线联络关系进行辨识。

a.调度自动化系统反映的母线联络关系为连接

若母线连通路径上未配置量测，则母线联络关系置疑；若母线连通路径上配置量测，再检查量测是否为0，若量测不为0，则辨识结果为母线联络关系为连接，反之则辨识结果为母线联络关系置疑。

b.调度自动化系统反映的母线联络关系为未连接

若母线连通路径上未配置量测，则母线联络关系置疑；若母线连通路径上配置量测，再检查量测是否为0，若量测为0，则辨识结果为母线联络关系为未连接，反之则辨识结果为母线联络关系置疑。

(3)支路与母线的关联关系

支路与母线之间的关联关系既可能是一对一的关系，即支路仅具有到一个母线的连通路径；也可能是一对多的关系，即支路具有到多个母线的连通路径。支路与母线之间的关联关系可以用图的方式来表达，图的顶点对应了支路和母线，而顶点和母线之间的弧对应了支路到母线的一个连通路径。由此形成若干个彼此无连接关系的子图，每个子图对应着一组支路与母线的拓扑连接关系，称之为拓扑岛。假设各拓扑岛之间是不联络的，那么对于每一个拓扑岛而言，岛内所有支路的潮流应满足平衡关系。

如果所有错误的支路量测均得以修正，则某一电压等级下，所有相关的支路量测应满足量测平衡关系，那么可以记录下每一个岛的量测平衡指标，如果某一个岛的量测平衡指标合格，那么它就与其它岛之间不存在联络关系，反之它必然与其它岛之间存在联络。基于这一点，可进一步对岛间联络关系进行检验，同时对量测平衡指标不合格的岛，可尝试寻找岛间联络的路径，从而形成一个新的岛来满足量测平衡关系。

(4)支路与母线连接关系辨识

当一个岛的支路量测是平衡的，那么导致岛内节点量测平衡指标不合格的原因可分成以下三类：①母线之间的联络关系错误(联络关系置疑)；②量测非0的支路未与连接母线；③支路与母线的连接关系错误。

1.单母线连接关系辨识

如果支路边界连接点只有到1个母线的连通路径，且到该母线的连通路径不只1条，那么由于与同一个母线连通的路径在拓扑上无差别，为了判断哪一条路径符合实际情况，引入如下的判别方法：

搜索路径通过的端口是否配置量测，若有，则将此量测与支路的量测进行比较，若两者差值充分小，则认为此路径是成立的；

若所有的路径上都没有配置量测的端口，则基于设备状态出错属于小概率事件，引入相似度判别的方法对路径进行选择，方法如下：设路径i和j均是支路边界节点通往某一母线的路径，假设路径成立，路径i上状态正确的元件数量是nit，状态错误的元件数量是nif；路径j上状态正确的元件数量是njt，状态错误的元件数量是njf。那么两条路径的设备状态的相似度分别为：

similari＝nit/(nit+nif)，similarj＝njt/(njt+njf)

通过比较similari和similarj，选择具有更大设备状态相似度的路径。

2.多母线连接关系辨识

a.支路与母线连接路径编码

如果支路边界连接点有到不同母线的连通路径，根据实际电网接线和运行方式，对一条支路而言，最多与两条母线具有联络关系。依据这一特征，对支路与母线的连接关系和母线之间的联络关系进行编码：用来表示支路与母线的连接关系，为“1”或“0”；用li来表示母线之间的联络关系，则对于一个岛而言，可对每一种支路与母线的连接关系进行编码，设支路数为m，联络关系置疑的母线联络数为n，编码为：

b.基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的方法

合理的辨识结果应满足以下的2个原则：①必须使得岛内的每一个节点的量测平衡指标合格；②必须与实际采集的支路与母线连接关系具有尽可能高的相似度。为此引入基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的方法，定义如下的设备状态相似度函数：

假定辨识结果与实际情况相符，则用辨识结果检验实际采集获得的设备状态，用mt表示正确支路与母线连接路径数，用nt表示正确的母线联络关系数，相似度表示如下：

similar＝(mt+nt)/(m+n)

当辨识结果满足以下条件，且岛内各节点的量测平衡指标均合格时，则认为辨识结果是合理的。

similar≥(m+n-2)/(m+n)

步骤1：

对子串{l1，l2…，ln}采取小概率变异操作，随机改变其中的1个母线联络关系。若子串发生变异，则不改变支路与母线的连接关系，计算岛内各节点的量测平衡指标，假设第j个置疑的母线联络关系发生变异，则支路与母线连接关系的编码为：注：为对lj取反。

若子串未发生变异，则进行如下操作：

依据支路母线关联关系图，确定与支路关联的两个母线，当以下两个条件同时满足：①两个母线分属不同的节点；②支路量测值与所连接节点的量测平衡指标同向(支路量测与所连接节点的量测平衡指标同为正，或者同为负)，则该支路作为备选的1个可调整路径的支路。搜索所有可调整路径的支路，形成可调整路径支路集b1，若支路集b1非空，则从支路集b1中随机选择1条支路，改变支路与母线的连接路径，若支路集b1为空，则搜索两个母线属于同一节点的支路，将该支路归入可调整路径支路集b2，从支路集b2中随机选择1条支路，改变支路与母线的连接路径；

设调整支路bi与母线的连接路径，则支路与母线连接关系编码为：

注：为对取反，

步骤2：

按上述的方法，重复m次后可以获得一个规模为m的种群，种群中的每一个体均对应了一种岛内各支路与母线的连接关系，可分别计算与之对应的岛内每一节点的量测平衡指标及设备状态相似度，对于能使所有节点量测平衡指标均合格且相似度符合要求的个体，将其记录下来，不再进行进一步的操作；反之，则重复步骤1的操作。此步骤完成后，可获得第1代的种群；

步骤3：

在第1代种群的基础上，重复步骤1、2，获得新1代的种群。经过若干代的操作后，可获得所有合理的支路与母线连接关系，最终给出辨识结果。

附图说明

图1是具有多个支路与母线关联关系岛的电气主接线图。

图2是仅有1个支路与母线关联关系岛的电气主接线图。

图3是与图1所示主接线对应的支路母线关联关系图。

图4是与图2所示主接线对应的支路母线关联关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

1、错误量侧数据的辨识和修正

电网调度控制系统上量测、状态数据的异常将导致量测平衡指标的异常，因此通过检测分析量测平衡指标的异常可检测并辨识异常的量测、状态数据。

1.1母线量测平衡指标的检测依据

设母线上间隔的测量ct变比为ict/5，pt变比为upt/100，因此该间隔功率的基准值为：

调度自动化系统的实用化标准规定，有功/无功功率量侧的允许误差为基准值的1％，也就是说，如果某一间隔的功率基准值为sb，那么依据上述的标准，如母线上总共连接有n个间隔(依据网络拓扑分析结果)，则允许的母线有功/无功功率量测平衡指标：

如检测出母线功率量测平衡指标的绝对值超出则可以判定为母线量测平衡指标异常。

1.2线路量测平衡指标的检测依据

若线路总共关联了n个厂站(依据网络拓扑分析结果)，那么设每个厂站端的有功量测分别为p′1、p′2、…p′n(考虑了功率参考正方向为流出母线为正，流入母线为负)，那么线路有功功率量测平衡指标为：

式中-p′l表示线路有功量测平衡指标。

设每个厂站端的功率基准值分别为sb1、sb2、…sbn，则允许的线路有功功率量测平衡指标为：

式中-pl表示线路有功功率损耗。

设统计的线损率不超过kl，则可得到：

式中-p+表示线路输入有功总加，p-表示线路输出有功总加。

若设编号为1，…，n+的间隔为线路的输入端，编号n++1，…，n的间隔为线路的输出端，则可以得到式(1-4)、(1-5)：

式中-p′+表示线路输入有功量测总加。

式中-p′-表示线路输出有功量测总加。

取和中的较小者，标识为minp，并代入如下的式(1-2)，就得出如下线路有功功率量测平衡指标判据：

当检测出线路有功功率量测平衡指标超出式(1-6)所示的数值范围时，即可判为异常。

变压器有功功率量测平衡指标的检测依据，推导方法与线路有功功率量测平衡指标检测依据类似，不再赘述。

1.3辨识并修正错误量测

搜索与量测平衡指标不合格的母线关联的支路，如果支路满足以下条件：1、端口数量不少于2个；2、该支路各端口上均配置了量测。则可以对支路的量测平衡指标进行检测。仍用p′l表示线路的量测平衡指标，用p″l表示不含本侧端口tk的线路量测平衡指标。

如果p′l满足平衡判据，而p″l也满足平衡判据，则认为端口tk未与节点相连；如果p′l满足平衡判据，而p″l不满足平衡判据，则认为端口tk与节点相连；

如果p′l不满足平衡判据，需要对tk之外的其它支路端口的量测进行检测。当以下满足以下条件时：1、对于与节点连接的支路端口，其所连接的节点的量测平衡指标满足平衡判据；2、对于未与节点连接的支路端口，其量测为0；可用p″l替代端口tk的量测，且认为端口tk与节点相连。

由于实际的调度自动化系统中检测到的平衡节点和平衡支路总是占多的，因此在绝大多数情况下，可以运用“由平衡节点修正不平衡支路，由平衡支路修正不平衡节点”的交替迭代计算方法对系统中的错误量测数据进行辨识和修正。

2、本发明的基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的电网支路与母线连接关系辨识方法

2.1母线联络关系辨识

表2-1母线联络关系表

按附表2-1判定母线之间的联络关系，对状态置疑的母线联络关系则保持现状。

2.2支路与母线的关联关系

支路与母线之间的关联关系既可能是一对一的关系，即支路仅具有到一个母线的连通路径；也可能是一对多的关系，即支路具有到多个母线的连通路径。支路与母线之间的关联关系可以用图的方式来表达，图的顶点对应了支路和母线，而顶点和母线之间的弧对应了支路到母线的一个连通路径。由此形成若干个彼此无连接关系的子图，每个子图对应着一组支路与母线的拓扑连接关系，称之为拓扑岛。假设各拓扑岛之间是不联络的，那么对于每一个拓扑岛而言，岛内所有支路的潮流应满足平衡关系。

如果所有错误的支路量测均得以修正，则某一电压等级下，所有相关的支路量测应满足量测平衡关系，那么可以记录下每一个岛的量测平衡指标，如果某一个岛的量测平衡指标合格，那么它就与其它岛之间不存在联络关系，反之它必然与其它岛之间存在联络。基于这一点，可进一步对岛间联络关系进行检验，同时对量测平衡指标不合格的岛，可尝试寻找岛间联络的路径，从而形成一个新的岛来满足量测平衡关系。

2.3支路与母线连接关系辨识

2.3.1单母线连接关系辨识

如果支路边界连接点只有到1个母线的连通路径，且到该母线的连通路径不只1条，那么由于与同一个母线连通的路径在拓扑上无差别，为了判断哪一条路径符合实际情况，引入如下的判别方法：

搜索路径通过的端口是否配置量测，若有，则将此量测与支路的量测进行比较，若两者差值充分小，则认为此路径是成立的；

若所有的路径上都没有配置量测的端口，则基于设备状态出错属于小概率事件，引入相似度判别的方法对路径进行选择，方法如下：设路径i和j均是支路边界节点通往某一母线的路径，假设路径成立，路径i上状态正确的元件数量是nit，状态错误的元件数量是nif；路径j上状态正确的元件数量是njt，状态错误的元件数量是njf。那么两条路径的设备状态的相似度分别为：

similari＝nit/(nit+nif)，similarj＝njt/(njt+njf)

通过比较similari和similarj，选择具有更大设备状态相似度的路径。

2.3.2多母线连接关系辨识

a.支路与母线连接路径编码

如果支路边界连接点有到不同母线的连通路径，根据实际电网接线和运行方式，对一条支路而言，最多与两条母线具有联络关系。依据这一特征，对支路与母线的连接关系和母线之间的联络关系进行编码：用来表示支路与母线的连接关系，为“1”或“0”；用li来表示母线之间的联络关系，则对于一个岛而言，可对每一种支路与母线的连接关系进行编码，设支路数为m，联络关系置疑的母线联络数为n，编码为：

b.基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的方法

合理的辨识结果应满足以下的2个原则：①必须使得岛内的每一个节点的量测平衡指标合格；②必须与实际采集的支路与母线连接关系具有尽可能高的相似度。为此引入基于量测平衡指标和设备状态相似度寻优的方法，定义如下的设备状态相似度函数：

假定辨识结果与实际情况相符，则用辨识结果检验实际采集获得的设备状态，用mt表示正确支路与母线连接路径数，用nt表示正确的母线联络关系数，相似度表示如下：

similar＝(mt+nt)/(m+n)

当辨识结果满足以下条件，且岛内各节点的量测平衡指标均合格时，则认为辨识结果是合理的。

similar≥(m+n-2)/(m+n)

步骤1：

对子串{l1，l2…，ln}采取小概率变异操作，随机改变其中的1个母线联络关系。若子串发生变异，则不改变支路与母线的连接关系，计算岛内各节点的量测平衡指标，假设第j个置疑的母线联络关系发生变异，则支路与母线连接关系的编码为：注：为对lj取反。

若子串未发生变异，则进行如下操作：

依据支路母线关联关系图，确定与支路关联的两个母线，当以下两个条件同时满足：①两个母线分属不同的节点；②支路量测值与所连接节点的量测平衡指标同向(支路量测与所连接节点的量测平衡指标同为正，或者同为负)，则该支路作为备选的1个可调整路径的支路。搜索所有可调整路径的支路，形成可调整路径支路集b1，若支路集b1非空，则从支路集b1中随机选择1条支路，改变支路与母线的连接路径，若支路集b1为空，则搜索两个母线属于同一节点的支路，将该支路归入可调整路径支路集b2，从支路集b2中随机选择1条支路，改变支路与母线的连接路径；

设调整支路bi与母线的连接路径，则支路与母线连接关系编码为：

注：为对取反，

步骤2：

按上述的方法，重复m次后可以获得一个规模为m的种群，种群中的每一个体均对应了一种岛内各支路与母线的连接关系，可分别计算与之对应的岛内每一节点的量测平衡指标及设备状态相似度，对于能使所有节点量测平衡指标均合格且相似度符合要求的个体，将其记录下来，不再进行进一步的操作；反之，则重复步骤1的操作。此步骤完成后，可获得第1代的种群；

步骤3：

在第1代种群的基础上，重复步骤1、2，获得新1代的种群。经过若干代的操作后，可获得所有合理的支路与母线连接关系，最终给出辨识结果。

3、本发明的具体应用

以泉州电网220千伏清濛变110千伏系统为例，以下是调度控制系统反映的初始数据断面：

表3-1地区电网一次模型及实时断面

由于本例中110千伏系统是一个典型的双母线接线，且所有支路的量测满足平衡关系，因此110千伏系统构成了一个单岛，可以采用本文所述的基于量测平衡指标及相似度寻优的设备状态辨识方法。

(1)改变1号主变18a和2号主变18b所连接的母线，仿真出1个错误的支路与母线连接关系，记作案例1，计算结果如下：

表3-1案例1寻优过程各代计算结果

表3-2案例1寻优过程各代计算时间(秒)

寻优过程最终给出了一个唯一的可行解个体，该可行解在经过第1代计算后即已获得，自第2代后未再出现新的可行解。

(2)改变清旗线185和清店ii回193所连接的母线，仿真出1个错误的支路与母线连接关系，记作案例2，计算结果如下：

表3-3案例2寻优过程各代计算结果

表3-4案例2寻优过程各代计算时间(秒)

由表3-3可知，寻优过程最终给出了两个可行解个体，这两个可行解在经过第1代计算后即已获得，自第2代后未再出现新的可行解。但单个个体则最少需要2代才能获得全部可行解，部分个体经历5代计算后仍只获得其中1可行解。由表3-4可知，算法只需约1分钟时间即可获得全部可行解。

本实施例未述部分与现有技术相同。