本发明属于电力系统中继电保护领域，是一种考虑通信约束的区域保护分区算法。
背景技术：
传统后备保护通过就地信息进行跳闸决策，存在整定与配合困难、大规模潮流转移时易误动等不足。随着通信技术的发展，诸如站域保护、广域保护等集合区域电网多源信息进行决策的区域性保护因解决了传统后备保护的不足而得到广泛研究。这类保护系统存在一个共同特点，即对广域大电网合理划分区域，分区域内分别设置区域决策中心，其中心依据通信技术和通信基础，收集区域内多源信息，实现就地保护装置的在线整定或者基于多信息故障判别原理实现区域故障后保护判别与跳闸。从原理可知，区域性保护区域划分的合适与否，直接决定了多源信息能否快速、准确地传输至区域决策中心，进而决定了区域性保护的速动性和可靠性。因此，对广域大电网进行合理的分区对实现区域性保护具有重大且实际的意义。
目前，已有很多学者提出了一些区域性保护分区思想和实现技术，其研究方法主要是依据电网电气拓扑、变电站地理位置或者保护原理，按区域有限元或网格式进行区域划分，鲜有考虑到通信系统参数及数据传输对于区域性保护实时性的要求。已有的一种分区方法先选定初始中心站，以指定半径划分一个有限元区域。在有限元区域外再根据主站选取原则确定其他主站，以此类推，将所有站点进行区域划分(尹项根，汪旸，张哲。适应智能电网的有限广域继电保护分区与跳闸策略[j]。中国电机工程学报，2010(07)：1-7)。另一种分区方法基于邻接矩阵利用最短路径搜索方法确定区域边界。以边界子站为起点，采用模糊综合评价法确定下一个中心站选址，重复搜索过程直至区域划分完毕(和敬涵，王紫琪，张大海。基于图论及模糊评价的广域后备保护分区方法[j]。电力自动化设备，2017(02)：75-82)。但从区域性保护的构成来讲，区域保护依赖于通信技术和通信基础，其保护分区应该进一步考虑通信约束的影响。
技术实现要素：
本发明提出一种考虑通信约束的区域保护分区算法，基于区域性保护通信约束，综合考虑区域保护通信的实时性和均衡性，分别建立了主站选取模型和子站划分模型。在主站选取过程中，基于floyd最短路径算法提出一种排列组合择优法进行主站选取。在子站划分过程中，结合图论技术，图论技术基本理论参照张先迪、李正良著《图论及其应用》，高等教育出版社，2005。考虑区域保护通信网络拓扑关系及长度、带宽等网络参数的影响，对子站进行合理分配。本发明提出的分区方法能够克服传统方法需要大量人工判断及指定的不足，实现分区的区域均衡性，且区域内通信时延较短。
本发明采取的技术方案为：
一种考虑通信约束的区域保护分区算法，包括以下步骤：
步骤一：根据系统拓扑，结合图论技术构建能够表征系统连接情况的连接矩阵a如下所示；
步骤二：根据给定的主站个数，对主站的所有可能组合进行求解并储存主站组合的集合p；
步骤三：对于每一种主站组合，求取每一子站离各主站的最小跳数j1,j2…jm，取最小值作为主站-子站最小跳数si＝min{j1,j2…jm}，将所有最小跳数求和得到
步骤四：根据系统具体情况结合图论技术构造信道带宽、信道长度等影响通信时延的影响因素对应的信道带宽矩阵b，信道长度矩阵d如下所示；
步骤五：建立子站划分模型
步骤六：利用步骤五所求权重最小矩阵qk，结合所选主站以及计划子站数按照权值最小原则划分子站至各主站；
步骤七：判断是否存在未分配子站，若存在，跳转至步骤八，将未划分子站进行划分，若不存在，直接跳转至步骤七输出分区结果；
步骤八：针对每一个未划分子站，根据所求最小权值矩阵qk，获取剩余变电站与主站间的权值集合，选取此权值集合中最小值对应的主站作为其最优主站，将所有未划分子站分配至相应主站；
步骤九：设计n-1信道故障下分区修正原则，原则1：本区域存在可行的迂回路径时，通过本区域迂回路径对断线上传输的信息进行迂回；其子站划分不变。原则2：若本区域不存在可迂回路径，则此时需要传输至其他区域进行迂回。判断经其他区域信道迂回至本区域主站决策中心是否满足时延要求。若满足延时要求，则通过其他区域迂回，划分子站不变；若不满足延时要求，则将信息传输至延时影响最小的主站，并将该子站划分至对应区域。两原则实际应用示意图见附图1。根据上述修正原则对分区结果进行修正。最后，输出分区结果。
本发明是一种考虑通信约束的区域保护分区算法，优点在于：
1)本发明针对区域保护对于通信实时性、可靠性的要求，在分区过程中考虑了影响通信时延的多个因素，保证了按本发明提出的分区策略进行分区配置后，通信系统能够满足区域保护对于多源信息传输的要求。
2)本发明在设计主站选取模型时重点考虑对于主站信息收集影响最大的跳数因素，为便于选出最优主站，引入连接度和这一指标，设计了一种适合主站选取的排列组合择优法，能够有效保证分区后通信系统的均衡性。
3)本发明在设计子站划分模型时，全面考虑了影响子站信息传输至主站时延的所有因素，保证了子站划分在通信约束方面的科学性。
4)本发明考虑到n-1信道故障情况，需对断线上的信息进行迂回处理的情况。针对不同的信道故障情况，设置不同的迂回方式，对分区结果作相应的修正。有效的保证了通信系统在正常情况下及信道故障情况下均能满足区域保护的通信约束。
附图说明
图1为考虑通信约束的区域保护分区流程图。
图2(a)为不同信道故障情况下断线信息迂回方式示意图(信息本区域内迂回)；
图2(b)为不同信道故障情况下断线信息迂回方式示意图(信息通过其他区域迂回)；
图2(c)为不同信道故障情况下断线信息迂回方式示意图(信息转移至其他区域主站)。
图3为ieee39节点系统对应的通信网络拓扑图。
具体实施方式
一种考虑通信约束的区域保护分区算法，包括以下步骤：
步骤一：结合图论技术，将电力系统通信网用无向图g＝(v,e)表示。其中v＝{vi|i＝1,2,…,p}为基本节点的集合，每个节点代表电力系统中的一个变电站；e＝{ei|i＝1,2,…,q}为连接基本节点的支路集，每个支路代表连接变电站与变电站之间的光纤通信信道。支路权值e的值可代表信道长度等物理意义。根据系统中变电站与变电站之间的连接关系构建连接矩阵a。
步骤二：根据给定的主站个数，对主站的所有可能组合进行求解并储存主站组合的集合p；
步骤三：对于每一种主站组合pj，基于主站选取模型，利用排列组合择优法求取最优主站组合，即对于这g种组合，优先选择最小跳数和较小及连接度较高的主站组合作为最优组合；
步骤四：根据系统中各信道带宽、信道长度等具体情况，结合步骤一所述图论技术，赋值给支路集e，进而构造信道带宽矩阵b，信道长度矩阵d；
步骤五：将路径k的跳数jk、信道带宽bi及信道长度di归一化后，按对通信时延的影响程度进行加权求和，建立子站划分模型。结合信道带宽矩阵b、信道长度矩阵d，根据子站划分模型利用floyd算法求解任意两站点之间的最小权值矩阵qk；
步骤六：利用步骤五所求权值最小矩阵qk，结合所选主站以及计划子站数按照权值qk最小原则划分子站至各主站；
步骤七：判断是否存在未分配子站，若存在，跳转至步骤八，若不存在，直接跳转至步骤九输出分区结果；
步骤八：针对每一个未划分子站，根据步骤五中所求权值矩阵，获取剩余变电站与主站间的权值集合，选取此权值集合中最小值对应的主站作为其最优主站，将所有未划分子站分配至相应主站；
步骤九：将区域间重复子站作为边界子站进行配置，按照n-1信道故障下分区修正原则进行修正，输出分区结果。
步骤一中，结合前述构造无向图g＝(v,e)技术，构造电力系统的连接矩阵，以表征系统拓扑连接关系。连接矩阵a的构造方法如下示：
其中，i，j分别为变电站编号，a(i,j)为连接矩阵a第i行第j列对应的值。
步骤二中，对于给定的区域系统，假设变电站总数为n，给定的主站个数为m，主站随机组合的可能有
步骤三中，对于每一种主站组合，求取每一子站离各主站的最小跳数，取最小值作为主站-子站最小跳数，并求取所选主站组合连接度和，将两因素归一化后加权相加，即建立了相应的主站选取模型，依据主站选取模型利用floyd算法求解最优主站组合；
步骤四中，利用前述构造无向图g＝(v,e)技术，构造信道长度带宽矩阵b，信道长度矩阵d。
步骤五中，结合信道带宽矩阵b、信道长度矩阵d，根据子站划分模型利用floyd最短路径算法求解任意两站点之间的最小权值矩阵qk。
步骤六中，利用步骤五所求权重最小矩阵，结合所选主站以及计划子站数按照权值qk最小原则划分子站至各主站。
步骤七中，检查所有子站分配情况，判断是否存在未分配子站。
步骤八中，针对每一个未划分子站，从所求权值矩阵qk中获取剩余变电站与主站间的权值集合，选取此权值集合中最小值对应的主站作为其最优主站，将所有未划分子站分配至相应主站。
步骤九中，基于区域保护通信约束，设计n-1信道故障下分区修正原则，并据此对上述分区进行修正。
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
ieee39节点系统中存在多条母线位于同一站点的情况，因此在对应通信系统中将其合为一个点，从而得到ieee39母线系统对应的17节点通信网络拓扑图，包括23条光纤信道，如图3所示。系统各信道长度及带宽见附图3。以图2的ieee39节点系统对应的通信系统为例，一种考虑通信约束的区域保护分区算法，其具体实施方式如下：
步骤1：根据系统拓扑结合图论技术确定系统连接矩阵，行数i和列数j均为变电站编号，对应位置的值代表变电站与变电站之间的连接关系，构造连接矩阵a如下所示；
步骤2：根据给定的主站个数，此算例子站个数设置为3，对主站的所有c137种组合进行求解并储存；所有主站组合的集合p如下所示：
p＝{[1,2,3],[1,2,4],…,[15,16,17]}
步骤3：对于每一种主站组合，通过排列组合择优法主站选取模型求解最优主站组合；可得qj最小时对应的主站组合，即最优主站组合为pj＝[2,8,10]；
步骤4：根据系统具体情况结合图论技术构造信道带宽、信道长度等影响通信时延的影响因素对应的矩阵；
步骤5：结合信道带宽矩阵、信道长度矩阵，根据子站划分模型利用floyd算法求解任意两站点之间的最小权值矩阵；
步骤6：利用上述所求权重最小矩阵，结合所选主站以及计划子站数按照权值qk最小原则划分子站至各主站。初步分区结果如表1所示；
表1按计划子站数分区结果
步骤7：判断是否存在未分配子站，若存在，跳转至步骤(8)，若不存在，直接跳转至步骤9输出分区结果。本算例中，变电站b14、b16未划分，故跳转至步骤8；
步骤8：针对每一个未划分子站，根据步骤5中所求权值矩阵，获取剩余变电站与主站间的权值集合，选取此权值集合中最小值对应的主站作为其最优主站，将所有未划分子站分配至相应主站。本算例中，剩余变电站与主站的权值集合如下；
qk(b14)＝[1.770.892.21]
qk(b16)＝[1.331.380.79]
子站b14与主站b8之间的权值0.89为最小值，子站b16与主站b10之间的权值0.79最小值。因此，子站b14应划分至主站b8对应区域内，子站b16应划分至主站b10对应区域内。
步骤9：将区域间重复子站作为边界子站进行配置，按照n-1信道故障下分区修正原则对分区结果进行修正，输出分区结果，本算例分区结果如下所示。
表2子站全覆盖分区结果