一种基于网络结构特性分析的电网分区方法与流程

本发明属于电网规划技术领域，尤其涉及一种基于网络结构特性分析的电网分区方法。

背景技术：

根据《电力系统安全稳定导则》的要求，应按照电网电压等级和供电区域，合理分层分区。合理分层，将不同规模的发电厂和负荷接到相适应的电压网络上；合理分区，以受端系统为核心，将外部电源连接到受端系统，形成一个供需基本平衡的区域，并经联络线与相邻区域相连。因此，随着高一级电压电网的建设，下级电压电网应逐步实现分区运行，相邻分区之间保持互为备用。应避免和消除严重影响电网安全稳定的不同电压等级的电磁环网，发电厂不宜装设构成电磁环网的联络变压器。

随着高一级电压电网的建设，下级电压电网逐步实现分区运行，相邻分区之间保持互为备用；应避免和消除严重影响电网安全稳定的不同电压等级的电磁环网。通过断开电磁环网运行方式中低电压等级的输电线路或母联开关，可以实现电磁环网的开环运行，但是电磁环网的开环运行存在功率转移以及短路电流超标的问题，具体为：

(1)功率转移的问题

多级电磁环网涉及电压等级多，最高级电压与最低级电压线路的功率传输能力相差很大。因此，多级电磁环网的功率转移问题更加突出。

1)当在受端系统用高低压电磁环网供电而又带重负荷时，高一级电压线路断开后，部分功率转移到并列运行的低一级电压线路上，可能出现超过低电压等级线路热稳定电流的问题。

2)如果高低压电磁环网连接的是两侧系统，高一级电压线路断开后，两侧系统间的联络阻抗增大、联络线的输电能力减小，高电压等级线路断幵引起的功率转移，可能使联络线的功率超过稳定极限，导致两侧系统间功率振荡，甚至扩大事故影响范围。

3)1000kv线路与500kv线路、500kv线路与220kv线路的自然功率相差很大。高一级电压线路断幵后，部分功率转移到低一级电压线路上，如果超过了低电压等级线路的自然功率，将使线路无功损耗增大，从而引起线路末端电压下降，甚至造成电压稳定性破坏。

(2)短路电流超标的问题

限制短路电流要求最迫切的时候往往出现在电磁环网运行时期。因为在这个过渡阶段，原有电压等级的电网已经接近功率传输能力的极限，接有更大容量电源的高一级电压线路的投入运行，使该地区电网容量更大、联系更紧密，从而使短路电流超标问题更突出。

建设特高压电网的作用之一是限制系统短路电流，避免因短路电流超标而大量更换断路器等电气设备。但是，随之形成的多级电磁环网，其综合阻抗小、短路容量大，可能使系统短路电流超过断路器的额定遮断电流，给电网的安全稳定运行带来严重隐患。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于网络结构特性分析的电网分区方法，旨在解决现有技术中电磁环网的开环运行存在功率转移以及短路电流超标的问题。

本发明所提供的技术方案是：一种基于网络结构特性分析的电网分区方法，所述方法包括下述步骤：

对电力网络进行简化，并以各枢纽变电站为中心对简化后的电力网络进行网络分区；

对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理；

计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据；

计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标；

根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容。

作为一种改进的方案，所述对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理的步骤具体包括下述步骤：

计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据；

根据计算得到的所有最短路径数据，计算当前电力网络中所有边的介数；

遍历计算得到的所有边的介数，获取介数最高的边；

将介数最高的边从所述电力网络中移除。

作为一种改进的方案，所述计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据的步骤具体包括下述步骤：

定义最短路径长度矩阵为a，同时，初始化所述最短路径长度矩阵d⁽⁰⁾＝a；

在所述电力网络中，对每一对节点，计算与该对节点同时连通的其它节点到该两节点的路径长度之和；

若与该对节点同时连通的节点到该两节点的路径长度之和，比已知两节点间的路径长度更短，则更新d⁽⁰⁾，从而构造出d⁽¹⁾；

按照同样的方式，由d⁽¹⁾构造出d⁽²⁾；如此循环，由d^(n-1)构造出d⁽ⁿ⁾，所述最短路径长度矩阵为a＝d⁽ⁿ⁾；

控制引入后继节点矩阵p＝(pij)n*n来搜索两节点之间的最短路径，获取所有最短路径数据。

作为一种改进的方案，所述方法还包括下述步骤：

从所述电力网络的n个节点中，选取其中一个节点k，同时设定节点i与节点j之间的距离为dij；

分别计算节点k与节点i、节点k与所述节点j之间的距离；

根据计算得到的节点k与节点i、节点k与所述节点j之间的距离，计算两个距离之和dik+dkj；

将两个距离之和dik+dkj与节点i与节点j之间的dij进行数值大小比较；

当两个距离之和dik+dkj小于节点i与节点j之间的dij时，则判定节点i到节点j经过节点k的距离更短；

使用两个距离之和dik+dkj更新所述dij；

重复执行对所述节点k的检查，直至所有节点更新完毕。

作为一种改进的方案，所述方法还包括下述步骤：

在递归更新过程中，对于节点k，若dik+dkj<dij，则判定节点i到节点j的路径改走i→...→k→...→j；

使用pkj的值更新pij。

作为一种改进的方案，所述计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据的步骤之后，所述计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的步骤之前还包括下述步骤：

在计算电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据后，判断所述电力网络中是否出现新的网络分区；

若判定所述电力网络中出现新的网络分区时，则执行所述计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的步骤；

若判定所述电力网络中未出现新的网络分区，则执行所述根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容的步骤。

作为一种改进的方案，所述计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的步骤之后，所述根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容的步骤之前还包括下述步骤：

判断各枢纽变电站是否划分到不同的网络分区；

当判定各枢纽变电站划分到不同的网络分区时，则判断所述网络分区中是否存在不包含枢纽变电站的网络分区；

当判定所述网络分区中存在不包含枢纽变电站的网络分区，则将不包含枢纽变电站的网络分区合并到就近的包含枢纽变电站的网络分区；

根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标；

当判定所有网络分区均包含枢纽变电站时，则执行所述根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容的步骤；

当判定存在相同枢纽变电站划分到同一个网络分区时，则返回执行所述对电力网络进行简化，并以各枢纽变电站为中心对简化后的电力网络进行网络分区的步骤。

作为一种改进的方案，网络分区的合并方式采用贪心算法将不包含枢纽变电站的网络分区合并到就近的包含枢纽变电站的网络分区。

作为一种改进的方案，所述根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的计算式为：

式中，svw为连接节点vw的支路的导纳模值，v、w为节点，δ(cv，cw)为修正因子；s、sv有如下定义：

其中，

在本发明实施例中，对电力网络进行简化，并以各枢纽变电站为中心对简化后的电力网络进行网络分区；对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理；计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据；计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标；根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容，从而实现对电磁环网的分区，为电网现实分区提供理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明提供的基于网络结构特性分析的电网分区方法的实现流程图；

图2是本发明提供的对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理的实现流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的、技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本发明实施例提供的基于网络结构特性分析的电网分区方法的实现流程图，其具体包括下述步骤：

在步骤s101中，对电力网络进行简化，并以各枢纽变电站为中心对简化后的电力网络进行网络分区。

在该步骤中，对电力网络进行简化的过程分为以下几个方面：

(1)仅限于高压输电网络,不考虑配电网络以及发电厂和变电站的主接线形式；

(2)电力网络中的所有发电厂节点、变电站节点和负荷节点均抽象为无差别的节点,且不考虑接地点；

(3)所有高压输电线路和变压器支路均抽象为网络中的有权边,权重为该支路的导纳模值,且忽略网络的有向性。

在步骤s102中，对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理。

在步骤s103中，计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据。

在步骤s104中，计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标。

在步骤s105中，根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容。

其中，选取电力网络的线路的导纳模值作为边权重，并以此为基础定义加权边介数和加权模块度指标，能够有效反映电力网络的连接紧密程度和社团结构特性；改进floyd-warshall算法克服了传统算法的缺点，能够适用于存在多条等长度最短路径的网络的边介数计算；根据枢纽变电站分布情况及网络拓朴结构特性，应用gn分裂算法将电磁环网低电压等级网络划分成若干分区，克服了按照行政区划或电网所属电力公司划分时主观因素较重的缺点，利用加权模块度指标能够宏观地衡量网络划分质量。

在本发明实施例中，如图2所示，所述对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理的步骤具体包括下述步骤：

在步骤s201中，计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据。

在步骤s202中，根据计算得到的所有最短路径数据，计算当前电力网络中所有边的介数。

在该步骤中，边的介数定义为在网络的所有最短路径中，通过某条边的最短路径的数目，在复杂网络的研究中，通常用边介数衡量某条边在网络中的重要性。

在步骤s203中，遍历计算得到的所有边的介数，获取介数最高的边。

在步骤s204中，将介数最高的边从所述电力网络中移除。

在此基础上，计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据的步骤具体包括下述步骤：

(1)定义最短路径长度矩阵为a，同时，初始化所述最短路径长度矩阵d⁽⁰⁾＝a；

(2)在所述电力网络中，对每一对节点，计算与该对节点同时连通的其它节点到该两节点的路径长度之和；

(3)若与该对节点同时连通的节点到该两节点的路径长度之和，比已知两节点间的路径长度更短，则更新d⁽⁰⁾，从而构造出d⁽¹⁾；

(4)按照同样的方式，由d⁽¹⁾构造出d⁽²⁾；如此循环，由d^(n-1)构造出d⁽ⁿ⁾，所述最短路径长度矩阵为a＝d⁽ⁿ⁾；

(5)控制引入后继节点矩阵p＝(pij)n*n来搜索两节点之间的最短路径，获取所有最短路径数据。

上述仅仅给出一种实现方案，在此不再赘述，但不用于限制本发明。

在该实施例中，最短路径的更新过程为：

从所述电力网络的n个节点中，选取其中一个节点k，同时设定节点i与节点j之间的距离为dij；

分别计算节点k与节点i、节点k与所述节点j之间的距离；

根据计算得到的节点k与节点i、节点k与所述节点j之间的距离，计算两个距离之和dik+dkj；

将两个距离之和dik+dkj与节点i与节点j之间的dij进行数值大小比较；

当两个距离之和dik+dkj小于节点i与节点j之间的dij时，则判定节点i到节点j经过节点k的距离更短；

使用两个距离之和dik+dkj更新所述dij；

重复执行对所述节点k的检查，直至所有节点更新完毕。

在该实施例中，对于后继节点矩阵p，若pij的值为m，表示节点i到节点j的最短路径为i→...→m→j，即节点m是节点i到节点j最短路径中节点j之前的最后一个节点。p的初值为pij＝i，在递归更新p的过程中，若有dik+dkj<dij，则表示节点i到节点i的路径改走i→...→k→...→j，由于dkj已知，换句话说，就是k→...→j这条路径已知，因此可用pkj的值更新pij。在形成最终的矩阵p之后，以节点i到节点j的最短路径搜索为例，由pij＝m，可得路径m→j；再由pim＝r，可得路径r→m→j；重复上述过程，直到pit＝i，可得节点i到节点j之间的最短路径为i→t→...→r→m→j。

当网络中两个节点之间存在多条等长度的最短路径时,传统floyd-warshall算法只能给出其中一条最短路径。改进floyd-warshall算法引入后继节点元组p＝(pij)n*n能够求出两个节点之间的所有最短路径。若有pij(m1,m2…),表示节点i到节点j的最短路径为j→…→m1/m2/…→j,即节点m1、m2、...分别是节点i到节点j的所有最短路径中节点j之前的最后节点。p的初值为pij＝(i),在递归更新p的过程中,若有dik+dkj<dij,则可用pkj更新pij；若有dik+dkj＝dij,则可将pkj追加至pij中。在形成最终的元组p之后,搜索两个节点之间的最短路径的方法同上，不再赘述。

在本发明实施例中，计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据的步骤之后，所述计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的步骤之前还包括下述步骤：

(1)在计算电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据后，判断所述电力网络中是否出现新的网络分区；

(2)若判定所述电力网络中出现新的网络分区时，则执行所述计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的步骤；

(3)若判定所述电力网络中未出现新的网络分区，则执行所述根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容的步骤。

在本发明实施例中，计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的步骤之后，所述根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容的步骤之前还包括下述步骤：

(1)判断各枢纽变电站是否划分到不同的网络分区；

(2)当判定各枢纽变电站划分到不同的网络分区时，则判断所述网络分区中是否存在不包含枢纽变电站的网络分区；

(3)当判定所述网络分区中存在不包含枢纽变电站的网络分区，则将不包含枢纽变电站的网络分区合并到就近的包含枢纽变电站的网络分区；

(4)根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标；

(5)当判定所有网络分区均包含枢纽变电站时，则执行所述根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容的步骤；

(6)当判定存在相同枢纽变电站划分到同一个网络分区时，则返回执行所述对电力网络进行简化，并以各枢纽变电站为中心对简化后的电力网络进行网络分区的步骤。

在该实施例中，网络分区的合并方式采用贪心算法将不包含枢纽变电站的网络分区合并到就近的包含枢纽变电站的网络分区，即：

采用基于贪心思想的快速合并算法,依次合并有边相连的分区(两个均含有枢纽变电站的分区不进行合并),计算合并后的加权模块度指标增量。根据贪心思想,每次合并应该沿着使加权模块度指标减小最少或增大最多的方向进行,不断重复这一过程,直到网络中只存在含有枢纽变电站的分区。

其中，gn分裂算法对于事先不知道社团数目的网络,一般先把网络中的每个节点都分裂成一个社团,然后再根据模块度指标来衡量划分为几个社团最为合理。对于电磁环网分区问题,为避免低电压等级网络被分裂成脱离主网运行的孤立电网,选取高一级电压电网中参与构成电磁环网的变电站或发电厂作为枢纽变电站,则分区可能的最大数目由枢纽变电站的总数量所限制。因此,只要用分裂算法把各枢纽变电站划分到不同的分区就可以停止分裂过程,而不必将每个节点都分裂成一个分区。

在本发明实施例中，边权重的社团结构划分结果更能反映电力网络的实际特性。边权重代表该边连接的两个节点之间的紧密程度。考虑电力网络的线路长度及参数特性，本章选取支路的导纳模值作为边权重，即导纳模越大，则该支路连接的两个节点之间的紧密程度越高，综合考虑网络的拓扑连接关系和连接紧密程度，电力网络的加权边介数可定义为在无权情况下求得的边介数除以该边的权重。也就是说，边介数越大，导纳模值越小，则该支路的加权边介数越大，在网络分裂过程中首先被移除的可能性越大。

在本发明实施例中，该加权模块度指标的定义为：

将网络划分为l个社团,定义一个l×l维的对称矩阵e＝(eij)l×l,eij表示网络中连接社团i和社团j的边数在所有边中所占的比例。设对角线上各元素之和为tre,其给出了网络中连接社团内部节点的边数在所有边中所占的比例。定义每行(或列)中各元素之和为ai,其表示与第/个社团中的节点相连的边数在所有边中所占的比例。这里所说的所有的边是指在原始网络中的,而不必考虑是否被分裂算法移除。在此基础上,定义模块度指标:

式的物理意义是网络中连接社团内部节点的边的比例,减去随机网络中连接社团内部节点的边的比例的期望值。随机网络的构造方法为保持每个节点的社闭属性和度不变,根据节点的度随机连接节点间的边。q的上限为1,q越接近这个值,说明网络的社团结构划分得越好。如果社团内部边的比例小于随机连接时的期望值,则q＝0。在实际网络中,该值通常位于0.3～0.7之间。

其中，根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标的计算式为：

式中，svw为连接节点vw的支路的导纳模值，v、w为节点，δ(cv，cw)为修正因子；s、sv有如下定义：

其中，

在本发明实施例中，网络最短路径长度矩阵可以用来判断是否出现新的分区及各枢纽变电站是否被划分到不同的分区。电磁环网分区决策应当首先应用电磁环网分区方案集合,对于运行规划中的电磁环网分区,还需要对各方案进行综合评价,选择综合评价优先度最大值对应的方案为最终方案；对于扩展规划中的电磁环网分区,还需要对各方案进行安全校验,在满足安全约束的方案中选择加权模块度最大值对应的方案为最终方案。

在本发明实施例中，对电力网络进行简化，并以各枢纽变电站为中心对简化后的电力网络进行网络分区；对网络分区后的电力网络进行优化分裂处理；计算所述电力网络中的最短路径长度矩阵和所有最短路径数据；计算所述电力网络的边权重信息，并根据计算得到的所述边权重信息计算加权模块度指标；根据计算得到的所述加权模块度指标输出电磁环网分区内容，从而实现对电磁环网的分区，为电网现实分区提供理论基础。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。