CN102521478A - 电力网络拓扑动态着色算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力网络拓扑动态着色算法，定义有源N口元件、无源N口元件为具有是否带电与是否显示带电颜色的电气岛；将电力网络抽象为有源N口元件和无源N口元件间通过开关设备进行的连接；启动一计算服务进程，根据电气岛数量维护相应数量的线程；当检测到本电气岛自身发电状态、与本电气岛相连的开关状态或检测到相邻电气岛的带电状态发生变化，线程执行一次，得出本电气岛的带电状态。本发明的算法与网络拓朴结构无关，将网络拓扑动态着色功能与网络拓扑分析功能解耦，只针对电气岛的性质选取不同的带电算法，减少了回溯计算的次数。可以实现复杂结构的电力网的网络拓扑动态着色，具有良好的实用性、很强的扩展性以及快速性。

Description

电力网络拓扑动态着色算法

技术领域

本发明涉及一种电力网络拓扑动态着色算法，属于电力技术领域。

背景技术

电力系统网络拓扑动态着色是指确定网络的带电状态，依据设备的实时运行状态分析电网供电状态,是电能量管理系统的一个重要功能。电力网络拓扑动态着色的一个重要要求就是动态着色的实时性、快速性和准确性，在发电机的发电状态、断路器或刀闸的位置发生变化时，马上给出电网的供电状态，电网的网络拓扑着色马上改变。

计算机监控系统一般按功能划分程序模块，众多功能模块按其运行特点，又可粗略归为实时监视控制部分与高级应用部分两类。网络拓扑动态着色功能应归为实时监视控制部分。而网络拓扑分析研究则是状态分析、最优潮流、无功优化、稳定分析以及整定计算等高级应用部分的基础。

由此可见，网络拓扑动态着色功能本身是不适合基于网络拓扑分析运行的。而且网络拓扑分析本身采用各种复杂理论，如图论、Petri网模型或GIS方法等，需要建立一些复杂的关联表和关联矩阵，而且在搜索过程中需要进行多次的递归和回溯，计算量大，扩展性差，不易理解。这样会导致网络拓扑动态着色实时响应性差。再者随着网络拓扑结构复杂度的增加，网络拓扑分析对计算机资源的要求也越来越高，又极大降低了网络拓扑动态着色的实时性能。而且往往随着网络拓扑结构复杂度的增加，网络拓扑分析也无法快速地给出正确的结果。

现有的电力网络拓扑动态着色大部分采用基于深度优先或广度优先的拓扑分析方法，在拓扑分析的基础上实现网络拓扑动态着色。在网络拓扑分析模块失效的情况下，监控系统同时也会失去网络拓扑动态着色功能。

发明内容

本发明的目的是使网络拓扑动态着色功能与网络拓扑分析功能解耦，减少系统程序模块间的依赖，使网络拓扑动态着色功能不会因网络拓扑分析功能模块故障而导致失效。并且提供简单的算法，根据电力设备的固有运行特性与实时运行状态快速准确地完成网络拓扑动态着色功能，使调度员直观地了解电力系统的状态，辅助调度员进行分析和决策。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，包含以下步骤：

步骤1：将自身可以发电的元件或设备定义为有源N口元件，自身不能发电的元件或设备定义为无源N口元件；有源N口元件与无源N口元件定义为具有是否带电与是否显示带电颜色的电气岛； 

步骤2：将电力网络抽象为有源N口元件和无源N口元件间通过开关设备进行的连接；

步骤3：启动一计算服务进程，此进程启动后根据电力网络内电气岛数量维护相应数量的线程，每个线程负责对应的电气岛对象的带电状态计算；

当检测到本电气岛自身发电状态变化、与本电气岛相关的开关状态发生变化或检测到相邻电气岛的带电状态发生变化，线程执行一次，得出本电气岛的带电状态。

所述电气岛包含有源电气岛和无源电气岛，所述有源电气岛的带电状态与自身是否处于发电状态相关，所述无源电气岛的带电状态与相邻电气岛的带电状态和相邻的电气岛间的开关状态相关。

所述有源电气岛网络拓扑动态着色算法步骤为：

当自身发电的元件或设备启动，计算服务进程检测到状态发生变化，执行带电计算，得到本有源电气岛带电。

所述无源电气岛网络拓扑动态着色算法步骤为：

该无源电气岛相邻电气岛的带电状态变化或与该无源电气岛相连的开关状态变化时，计算服务进程检测到状态发生变化，执行带电计算，

只有当与该无源电气岛相邻的电气岛带电且该无源电气岛与所述相邻的电气岛之间的开关闭合时，该无源电气岛带电。

所述有源N口元件、无源N口元件为一个端口或一个以上端口的电气岛。

按电流流向，将所述电气岛的端口分别定义为电源端端口与受电端端口，电流从电源端端口流向受电端端口。

所述无源电气岛网络拓扑动态着色算法步骤为：

该无源电气岛电源端端口相邻电气岛的带电状态变化或与该无源电气岛电源端端口相连的开关状态变化时，计算服务进程检测到状态发生变化，执行带电计算，

只有当与该无源电气岛电源端端口相邻的电气岛带电且该无源电气岛电源端端口与所述相邻的电气岛之间的开关闭合时，该无源电气岛带电。

本发明所达到的有益效果：

1. 本发明的网络拓扑动态着色算法将网络拓扑动态着色功能与网络拓扑分析功能解耦。本算法在程序设计上实现与其他功能模块分离运行，不基于网络拓扑分析模块等系统其他软件模块，不受其他模块运行影响，也不会因其他软件模块故障而失效，运行安全可靠。

2. 网络拓扑动态着色算法与具体网络拓朴结构无关，只针对电气岛的性质，结合电力网络运行的固有特点，对电气岛选取不同的带电计算算法，大大减少了回溯计算的执行次数。可以实现各种复杂结构的电力网的网络拓扑动态着色，具有简单的原理、很好的通用性和很强的可扩展性。具有运用灵活和修改方便的优点。

以上两点体现了本发明算法良好的实用性、很强的扩展性以及快速性。

附图说明

图1表示在本发明的一个实施例中所用的电力网络图；

图2表示 “有源电气岛”所用的算法流程图；

图中, PowerIslandCount表示电气岛带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandStatus表示电气岛是否显示带电，值为0表示不显示，值为1表示显示；

图3表示 “一端口无源电气岛”所用的算法流程图；

图中，Close表示开关处于合位置；PowerIslandCount表示本电气岛带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandCount1表示相邻电气岛带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandStatus表示本电气岛是否显示带电，值为0表示不显示，值为1表示显示；

图4表示 “两端口无源电气岛”所用的算法流程图；

图中，Close表示开关处于合位置；PowerIslandCount表示本电气岛带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandCount1、PowerIslandCount1表示相邻电气岛带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandStatus表示本电气岛是否显示带电，值为0表示不显示，值为1表示显示。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

电力网络拓扑分析与建模过程为：在图形化电力系统网络分析中，把一个电力网络看作是由发电机、开关设备、变压器、输电线路和各种负荷等通过连接点连接在一起的图。使用面向对象的方法进一步分析电力网络的连接关系，任何一个复杂的电力网络都可以抽象为 “有源N口元件（设备）”和“无源N口元件（设备）”间通过开关设备进行的连接。而“有源N口元件”与“无源N口元件”的区别只在于“有源N口元件”自身可以发电，是电力网络的电力来源。据此定义“有源N口元件”与“无源N口元件”为具有是否带电与是否显示带电颜色的电气岛。有源电气岛的带电状态只与自身是否处于发电状态有关，无源电气岛的带电状态只与相邻电气岛的带电状态和电气岛间的开关状态有关。针对两种电气岛的不同特性，定义不同着色算法。

在具体实现网络拓扑动态着色功能的过程中，使用面向对象的设计方法，在系统中根据项目实施人员对电力网络拓扑的分析结果，在系统中定义PowerIsland对象即电气岛对象。此对象具有PowerIslandCount属性表示电气岛带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandStatus属性表示电气岛是否显示带电，值为0表示不显示，值为1表示显示。系统启动一计算服务进程，此进程启动后根据PowerIsland对象数量维护相应数量的线程，每个线程负责具体电气岛对象的带电状态计算。当程序检测到与本电气岛相关的开关状态发生变化或检测到相邻电气岛的带电状态发生变化，线程执行一次，得出本电气岛的带电状态。

实施例一

根据图1所示电力网络，电气岛具体定义如下：

1.电气岛一是发电机GS系统，是系统中的电力来源，为有源电气岛，将其定义为PowerIsland1，用PowerIslandCount1表示带电状态，值为正整数表示带电，值为0表示不带电；PowerIslandStatus1表示是否显示带电，值为0表示不显示，值为1表示显示。使用图2所示有源电气岛算法。

2.电气岛二为两端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland2，用PowerIslandCount2表示带电状态，PowerIslandStatus2表示是否显示带电。使用图4所示无源电气岛算法。

3.电气岛三为两端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland3，用PowerIslandCount3表示带电状态，PowerIslandStatus3表示是否显示带电。使用图4所示无源电气岛算法。

4.电气岛四为四端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland4，用PowerIslandCount4表示带电状态，PowerIslandStatus4表示是否显示带电。使用类图4所示无源电气岛算法。

5.电气岛五为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland5，用PowerIslandCount5表示带电状态，PowerIslandStatus5表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

6.电气岛六为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland6，用PowerIslandCount6表示带电状态，PowerIslandStatus6表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

7.电气岛七为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland7，用PowerIslandCount7表示带电状态，PowerIslandStatus7表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

假设图1中所有开关Breaker1- Breaker6处于分闸状态，发电机GS处于停机状态。服务进程启动后根据算法，将所有电气岛的带电状态置为失电状态。然后按如下步骤操作，并得出相应的网络拓扑动态着色。

1.启动发电机GS，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

电气岛一为有源电气岛，带电状态只与自身是否处于发电状态有关，因此电气岛一状态发生变化，电气岛一带电，线程执行1次； 

与电气岛一相邻的电气岛二为无源电气岛，其带电状态只与相邻电气岛的带电状态和电气岛间的开关状态有关，因电气岛一状态发生变化，所以，电气岛二线程执行1次，但因电气岛一与电气岛二间的开关Breaker1状态为断开状态，电气岛二仍为失电状态。

电气岛二状态未发生变化，因此，与其相邻的电气岛三的线程未执行，仍处于失电状态。同理，电气岛四、五、六、七线程未执行，仍处于失电状态。

计算结果为电气岛一带电、电气岛二失电。电气岛三、四、五、六、七的带电计算未执行，仍处于失电状态。此步中线程计算共执行2次。

2.合开关Breaker1，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

电气岛二为无源电气岛，相邻的电气岛一带电，且电气岛二与电气岛一之间的开关Breaker1状态变化为闭合，电气岛二线程执行1次，电气岛二带电。

电气岛二状态变化时，与其相邻的电气岛三为无源电气岛，因此，电气岛三线程执行1次，但因电气岛三与电气岛二间的开关Breaker2状态为断开状态，电气岛三仍为失电状态。

电气岛三状态未发生变化，因此，与其相邻的电气岛四的线程未执行，仍处于失电状态。同理，电气岛五、六、七线程未执行，仍处于失电状态。

因此，计算结果为电气岛二带电，电气岛三不带电。电气岛四、五、六、七的带电计算未执行，仍处于失电状态。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。此步中线程计算共执行2次。

3.合开关Breaker2，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

电气岛三为无源电气岛，相邻的电气岛二带电，且电气岛三与电气岛二之间的开关Breaker2状态变化为闭合，电气岛三线程执行1次，电气岛三带电。

电气岛三状态变化时，与其相邻的电气岛四为无源电气岛，因此，电气岛四线程执行1次，但因电气岛四与电气岛三间的开关Breaker3状态为断开状态，电气岛四仍为失电状态。

电气岛三状态变化时，与其相邻的电气岛二为无源电气岛，因此，电气岛二线程执行1次，电气岛二与电气岛三间的开关Breaker2状态为闭合状态，电气岛二仍为带电状态。

计算结果为电气岛二带电、电气岛三带电、电气岛四不带电。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。电气岛五、六、七的带电计算未执行，仍处于失电状态。此步中线程计算共执行3次。

4.合开关Breaker3，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

线程计算过程同上。

计算结果为电气岛四带电、电气岛三带电、电气岛二带电、电气岛五、六、七失电。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。此步中线程计算执行5次。

5.合开关Breaker4，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

计算结果为电气岛五带电、电气岛四带电、电气岛三带电、电气岛二带电、电气岛六、七失电。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。此步中计算执行6次。

6.合开关Breaker5，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。计算结果为电气岛六带电、电气岛五带电、电气岛四带电、电气岛三带电、电气岛二带电、电气岛七失电。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。此步中计算执行6次。

7.合开关Breaker6，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。计算结果为电气岛七带电、电气岛六带电、电气岛五带电、电气岛四带电、电气岛三带电、电气岛二带电。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。此步中计算执行6次。

至此，整个电力网络全部带电，网络拓扑动态着色功能完成，由上述步骤可知，每个电气岛的带电状态，只由与其相关的开关与相邻的电气岛的状态决定，这样让网络拓扑动态着色计算的算法复杂度大大降低。使着色功能正确、快速地完成。而整个拓扑着色过程中计算共执行30次。

实施例二

实施例一中的步骤中，可以看出电气岛带电状态与开关位置的变化会导致一些回溯计算，而根据电力网络的运行特点我们知道，电流是由电源端流向受电端的，不会发生电力“倒送”的情况。因此可将电气岛的端口分别定义为电源端端口与受电端端口。由此在图1中可以将电力网络看成是有向图，据此将定义方式优化如下：

1.电气岛一是发电机GS系统，是系统中的电力来源，为有源电气岛，将其定义为PowerIsland1，用PowerIslandCount1表示带电状态，PowerIslandStatus1表示是否显示带电。使用图2所示有源电气岛算法。

2.根据电力系统的固有特点，可将电气岛二视为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland2，用PowerIslandCount2表示带电状态，PowerIslandStatus2表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

3.同上，电气岛三视为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland3，用PowerIslandCount3表示带电状态，PowerIslandStatus3表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

4.同上，电气岛四为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland4，用PowerIslandCount4表示带电状态，PowerIslandStatus4表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

5.电气岛五为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland5，用PowerIslandCount5表示带电状态，PowerIslandStatus5表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

6.电气岛六为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland6，用PowerIslandCount6表示带电状态，PowerIslandStatus6表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

7.电气岛七为一端口无源电气岛，将其定义为PowerIsland7，用PowerIslandCount7表示带电状态，PowerIslandStatus7表示是否显示带电。使用图3所示无源电气岛算法。

再次假设图1中所有开关Breaker1- Breaker6处于分闸状态，发电机处于停机状态。服务进程启动后根据算法，将所有电气岛的带电状态置为失电状态。然后按如下步骤操作，并得出相应的网络拓扑动态着色结果。

1.启动发电机GS，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

计算结果为电气岛一带电、电气岛二失电。电气岛四、五、六、七的带电计算未执行，仍处于失电状态。此步中计算执行2次。

2.合开关Breaker1，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

计算结果为电气岛二带电，电气岛三不带电。电气岛一的带电计算未执行，保持带电状态。电气岛三、四、五、六、七的带电计算未执行，仍处于失电状态。此步中计算执行2次。

3.合开关Breaker2，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。

计算电气岛三带电、电气岛四不带电。电气岛一与电气岛二的带电计算未执行，保持带电状态。电气岛五、六、七的带电计算未执行，仍处于失电状态。此步中计算执行2次。

4.合开关Breaker3，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。计算结果为电气岛四带电，电气岛五、六、七失电。电气岛一、二、三的带电计算未执行，保持带电状态。此步中计算执行4次。

5.合开关Breaker4，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。计算结果为电气岛五带电。其他电气岛带电计算未执行，保持上次状态。此步中计算执行1次。

6.合开关Breaker5，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。计算结果为电气岛六带电。其他电气岛带电计算未执行，保持上次状态。此步中计算执行1次。

7.合开关Breaker6，计算服务进程检测到相关状态发生变化，根据预先设定的条件与算法，执行相关带电计算，得到计算结果。计算结果为电气岛七带电。其他电气岛带电计算未执行，保持上次状态。此步中计算执行1次。

至此，整个电力网络全部带电，网络拓扑动态着色功能再次完成，由上述步骤可知，通过结合电力网络固有特点，每个电气岛的带电状态，只由其电源端的开关和与电源端相邻的电气岛的状态决定，这样让网络拓扑动态着色计算的回溯次数大大降低。使着色功能更加快速地完成。统计各步中计算次数可知，此次拓扑着色过程中计算共执行13次。

与第一种方案相比，本方案计算执行次数减少了30-13=17次。可见在并未改变简单算法的基础上，根据网络固有运行特点，极大地简化网络拓扑动态着色计算。使网络拓扑动态着色功能的运行效率有本质上的飞跃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，包含以下步骤：

步骤1：将自身可以发电的元件或设备定义为有源N口元件，自身不能发电的元件或设备定义为无源N口元件；有源N口元件与无源N口元件定义为具有是否带电与是否显示带电颜色的电气岛； 

步骤2：将电力网络抽象为有源N口元件和无源N口元件间通过开关设备进行的连接；

步骤3：启动一计算服务进程，此进程启动后根据电力网络内电气岛数量维护相应数量的线程，每个线程负责对应的电气岛对象的带电状态计算；

当检测到本电气岛自身发电状态变化、与本电气岛相关的开关状态发生变化或检测到相邻电气岛的带电状态发生变化，线程执行一次，得出本电气岛的带电状态。

2.根据权利要求1所述的电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，所述电气岛包含有源电气岛和无源电气岛，所述有源电气岛的带电状态与自身是否处于发电状态相关，所述无源电气岛的带电状态与相邻电气岛的带电状态和相邻的电气岛间的开关状态相关。

3.根据权利要求2所述的电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，

所述有源电气岛网络拓扑动态着色算法步骤为：

当自身发电的元件或设备启动，计算服务进程检测到状态发生变化，执行带电计算，得到本有源电气岛带电。

4.根据权利要求2所述的电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，

所述无源电气岛网络拓扑动态着色算法步骤为：

该无源电气岛相邻电气岛的带电状态变化或与该无源电气岛相连的开关状态变化时，计算服务进程检测到状态发生变化，执行带电计算，

只有当与该无源电气岛相邻的电气岛带电且该无源电气岛与所述相邻的电气岛之间的开关闭合时，该无源电气岛带电。

5.根据权利要求2所述的电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，所述有源N口元件、无源N口元件为一个端口或一个以上端口的电气岛。

6.根据权利要求5所述的电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，按电流流向，将所述电气岛的端口分别定义为电源端端口与受电端端口，电流从电源端端口流向受电端端口。

7.根据权利要求6所述的电力网络拓扑动态着色算法，其特征是，所述无源电气岛网络拓扑动态着色算法步骤为：

该无源电气岛电源端端口相邻电气岛的带电状态变化或与该无源电气岛电源端端口相连的开关状态变化时，计算服务进程检测到状态发生变化，执行带电计算，

只有当与该无源电气岛电源端端口相邻的电气岛带电且该无源电气岛电源端端口与所述相邻的电气岛之间的开关闭合时，该无源电气岛带电。

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