CN103178516A - 基于节点合并法网络动态拓扑分析方法 - Google Patents

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本发明提出一种基于节点连通岛合并网络拓扑分析方法，在一个网络拓扑图中，节点i和它的邻接节点j、k形成的连通区域称为该节点的连通岛，并用岛内所包含节点i、j、k中最小节点号作为该连通岛的岛号；采用能够保存部分中间运算结果的二维数组数据存储结构，不仅能够适应环网型和树型网络连通性分析，尤其适合厂站组态并行拓扑分析；故本发明的拓扑分析方法使用计算机多核并行处理技术实现厂站母线组态拓扑分析时，避免因多个处理器同时读写一个节点连通岛号产生数据冲突，提高拓扑分析运算速度，提高了并行处理效率，运算速度快，实时性好。

Description

基于节点合并法网络动态拓扑分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于节点合并法网络动态拓扑分析方法。
背景技术
电力系统网络拓扑分析是EMS(能量管理系统)/DMS(配电管理系统)高级应用软件的基础模块，是电力系统仿真和各种分析计算的基础；对于含分布式电源的配网系统，采用传输断路器跳闸信号检测孤岛的技术瓶颈是需要一种满足实时性的网络拓扑分析方法。故网络拓扑分析的运算速度直接影响高级应用软件的性能与电力系统的实时控制。
目前网络拓扑分析方法主要有两种：树搜索法和邻接矩阵法。树搜索法分为基于深度优先搜索法和广度优先搜索法。树搜索法的缺陷与不足：对于变电站复杂接线方式和环网情况适应性较差。基于深度优先搜索算法，由于其内在的顺序性，不满足并行计算；基于广度优先搜索算法受节点度数不确定性的影响，并行运算效率不高。邻接矩阵法的不足：其运算复杂度是O(n3)，实时性较差；另外电力网络中支路状态发生变化时，该算法的重用性差。
电力网络拓扑分析内容主要是由厂站组态和网络组态分析两大部分组成。文献：“连通矩阵准平方法网络拓扑分析”出自《电力系统保护与控制》，2011，39(5)：31-34，提出连通矩阵准平方法网络拓扑分析，该方法对厂站母线组态分析效率较邻接矩阵法还低。文献：“基于同步相量测量的厂站内网络拓扑分析新方法”出自《电力系统保护与控制》，2011，39(17)：52-56，提出基于pmu(同步相量测量单元)厂站内网络拓扑分析方法，该算法需要电力系统中每条出线及母线配置相量量测单元，因PMU单元价格昂贵，其技术经济性价比极低。文献：“基于广度优先的快速拓扑分析法”，出自《电力系统及其自动化学报》，1995，7(2)：18-23，对华东电力系统某个运行状态使用广度优先和深度优先算法进行拓扑分析，该算例表明不论采用哪种拓扑分析算法，厂站组态拓扑分析占整个网络拓扑分析耗费时间的70％左右。
发明内容
基于以上不足之处，同时为满足基于拓扑分析实时性需求，本发明提出一种基于节点连通岛合并网络拓扑分析方法，采用能够保存部分中间运算结果的二维数组数据存储结构，不仅能够适应环网型和树型网络连通性分析，尤其适合厂站组态并行拓扑分析，提高拓扑分析运算速度。
本发明所采用的技术方案如下：
首先对连通岛及连通岛号进行定义：在一个网络拓扑图中，节点i和它的邻接节点j、k形成的连通区域称为该节点的连通岛，并用岛内所包含节点i、j、k中最小节点号作为该连通岛的岛号；当两个连通岛之间存在相同的节点，两个连通岛能够合并为一个连通区域，用其中较小的连通岛号代替较大的连通岛号；一个含n个节点的图G，依次对n个节点的连通岛进行合并，最终每个连通子图包含的所有节点具有相同的连通岛号，并且该岛号是对应的连通子图所有节点中最小节点的编号；故依据每个节点的连通岛号能够实现图G的拓扑分析或电气岛划分；
1)根据网络拓扑图的边与节点关系生成邻接数组表和连通岛号初值k(i)：依次读取支路开断状态信息，由连通的支路形成每个节点i的邻接节点集合，即每个节点的连通岛，并比较节点i及其邻接的每个节点号的大小，将其中最小的节点号作为节点i的连通岛号k(i)初值；
2)合并连通岛：对n个节点，把每一节点i及其邻接节点j、p的连通岛合并成一个连通区域，用上述节点最小的连通岛号kmin来标识，合并过程分两步进行：第一步，当前节点i连通岛号kcon(i)与kmin不等，用kmin替换节点kcon(i)及kcon(kcon(i))连通岛号，其中kcon(kcon(i))表示节点dcon(i)的连通岛号；第二步，用kmin替换当前节点i连通岛号；
3)节点最终连通岛号的形成：对n个节点，依次读取节点i所在的连通岛号dcon(i)，节点kcon(i)所在的连通岛号是kcon(kcon(i))，若Kcon(i)与kcon(kcon(i))不相等，则用kcon(kcon(i))替换节点i的连通岛号。
本发明所具有的优点如下：(1)该拓扑分析方法较深度和广度优先搜索方法具有良好的并行性，适合计算机多核并行处理新技术的应用。基于深度优先搜索算法，由于其内在的顺序性，不满足并行计算；基于广度优先搜索算法受节点度数不确定性的影响，并行运算效率不高。故本发明的拓扑分析方法使用计算机多核并行处理技术实现厂站母线组态拓扑分析时，避免因多个处理器同时读写一个节点连通岛号产生数据冲突，不需要增加并行运算共享数据读、写操作互斥机制所需时间开销，提高了并行处理效率，运算速度快，实时性好。(2)该拓扑分析方法较邻接矩阵法具有较好的重构性。对于节点固定的网络，本发明采用二维数组数据结构，能够保存上次拓扑分析计算结果，网络中某条支路闭合时只需比较闭合支路首、尾节点上一次拓扑分析所在的连通岛号，并用较小的连通岛号替代较大的连通岛号，完成拓扑分析。(3)该拓扑分析方法较邻接矩阵法具有较少的运算工作量，占用较少的内存资源。
附图说明
图1为一个9节点系统网络拓扑图，
图2为母线段、输电线路与开关的电气连接关系图，
图3为图2对应的顶点与边的拓扑关系图。
具体实施方式
实施例1电力系统网络级拓扑分析
首先对连通岛及连通岛号进行定义。在一个网络拓扑图中，节点i和它的邻接节点j、k形成的连通区域称为该节点的连通岛，并用岛内所包含节点i、j、k中最小节点号作为该连通岛的岛号。如果两个连通岛之间存在相同的节点，两个连通岛可以合并为一个连通区域，用其中较小的连通岛号代替较大的连通岛号。一个含n个节点的图G，依次对n个节点的连通岛进行合并，最终每个连通子图包含的所有节点具有相同的连通岛号，并且该岛号是对应的连通子图所有节点中最小节点的编号。故依据每个节点的连通岛号可以实现图G的拓扑分析或电气岛划分。
1.节点连通岛合并拓扑分析方法。以图1为例说明节点连通岛合并拓扑分析步骤，其中节点1-9代表电力网络中厂站级母线(见图2)组态拓扑分析形成的计算节点编号。
1)根据图1的边与节点关系生成邻接数组表和连通岛号初值k(i)。依次读取支路开断状态信息，由连通的支路形成每个节点i的邻接节点集合，即每个节点的连通岛，并比较节点i及其邻接的每个节点号的大小，将其中最小的节点号作为节点i的连通岛号k(i)初值。根据图1中边、节点连通关系形成邻接数组和连通岛初值如表1所示。并把连通岛号初值备份留作它用。
表1节点合并拓扑分析数据结构
Figure BSA00000847102800041
2)合并连通岛。对n个节点，把每一节点i及其邻接节点j、p的连通岛合并成一个连通区域。用上述节点最小的连通岛号kmin来标识。合并过程分两步进行：第一步，如果当前节点i连通岛号kcon(i)与kmin不等，用kmin替换节点kcon(i)及kcon(kcon(i))连通岛号，其中kcon(dcon(i))表示节点kcon(i)的连通岛号。第二步，用kmin替换当前节点i连通岛号。
例如表2中节点6连通岛合并过程如下：节点6及其邻接节点2、3、9的连通岛号分别是2、2、1、6，其中最小值是1，因节点6连通岛号是2，修改节点2连通岛号为1，同时用最小值1替换节点6的连通岛号2。
3)节点最终连通岛号的形成。对n个节点，依次读取节点i所在的连通岛号kcon(i)，节点dcon(i)所在的连通岛号是kcon(kcon(i))，若kcon(i)与kcon(kcon(i))不相等，则用kcon(kcon(i))替换节点i的连通岛号。
经过上述连通岛合并，若每个节点连通岛号都相同且为图中最小的节点号，表明该图是一个连通图。如果有几个不同的连通岛号，表明图中有几个不连通的电气岛。表2中所有节点的连通岛号为1，表明图2是一个连通图，图2中标号ND1-ND8是对厂站母线及其连接的输电线路的编号；CB1-CB9是连接母线和输电线路的开关编号。
表2各节点的连通岛合并后的连通岛号
Figure BSA00000847102800051
实施例2电力系统厂站母线组态并行拓扑分析
一种节点连通岛合并法厂站组态并行拓扑分析方法：该方法适应于紧耦合系统和分布式共享访存模型并行计算体系结构。厂站组态分析是根据厂站内开关的状态，将由闭合开关相连的所有母线段集合成一个计算用节点。在厂站组态分析中，顶点为各电气连接点(包括母线段、输电线路等)，闭合的开关(或刀闸)则表示连接各顶点的边，如图2、3所示，具体方法如下：
1)根据图3所示厂站组态分析拓扑图中顶点和边的关系，其中顶点标号V1-8对应图2中的ND1-ND8；边的标号F1-E9对应于图2中开关CB1-CB9闭合时的状态，若某个开关CB9断开，则其对应的边E9将不存在，表示顶点4、顶点8之间断开，没有直接连接关系；生成邻接顶点表和连通岛号初值k(i)，见表3中第4列和第5列。
表3顶点连通岛合并拓扑分析数据结构
Figure BSA00000847102800052
2)并行合并连通岛。假设使用8个处理器对表3中8个顶点进行连通岛合并的并行运算，处理器Pi只负责顶点i的连通岛合并。具体方法是：处理器Pi读取顶点i及其邻接顶点j、p的连通岛号初值ki、kj、kp，将其中最小值kmin赋予顶点i的连通岛号kcon(i)。在表3中，顶点4及其邻接顶点3、6、8的连通岛号初值分别是3、2、4、4，取其中最小值2作为顶点4的连通岛号。各个顶点连通岛号kcon(i)见表3中第6列。
3)并行运算各顶点最终连通岛号。使用8个处理器参与运算，处理器Pi仅完成顶点i最终连通岛号的运算。方法如下：处理器Pi读取电气连接点i的连通岛号kcon(i)，用顶点kcon(i)连通岛号kcon(kcon(i))作为顶点i的连通岛号终值。如表3，顶点4连通岛号为2，顶点2的连通岛号是1，修改顶点4的连通岛号终值为1，完成拓扑分析。
该算法通过编制程序，对IEEE30、IEEE118节点及某地区400节点电气网络接线图进行拓扑分析，证明了该算法对网络级拓扑分析的正确性。在双核intel处理器、windows xp操作系统和VC6.0集成环境下，使用两个线程并行运算编制程序，实现了图2的母线组态拓扑分析，其结果验证了该并行算法的可行性和正确性。

Claims (1)

1.一种基于节点合并法网络动态拓扑分析方法，其特征在于，方法如下：
首先对连通岛及连通岛号进行定义：在一个网络拓扑图中，节点i和它的邻接节点j、k形成的连通区域称为该节点的连通岛，并用岛内所包含节点i、j、k中最小节点号作为该连通岛的岛号；当两个连通岛之间存在相同的节点，两个连通岛能够合并为一个连通区域，用其中较小的连通岛号代替较大的连通岛号；一个含n个节点的图G，依次对n个节点的连通岛进行合并，最终每个连通子图包含的所有节点具有相同的连通岛号，并且该岛号是对应的连通子图所有节点中最小节点的编号；故依据每个节点的连通岛号能够实现图G的拓扑分析或电气岛划分；
1)根据网络拓扑图的边与节点关系生成邻接数组表和连通岛号初值k(i)：依次读取支路开断状态信息，由连通的支路形成每个节点i的邻接节点集合，即每个节点的连通岛，并比较节点i及其邻接的每个节点号的大小，将其中最小的节点号作为节点i的连通岛号k(i)初值；
2)合并连通岛：对n个节点，把每一节点i及其邻接节点j、p的连通岛合并成一个连通区域，用上述节点最小的连通岛号kmin来标识，合并过程分两步进行：第一步，当前节点i连通岛号kcon(i)与kmin不等，用kmin替换节点kcon(i)及kcon(kcon(i))连通岛号，其中kcon(kcon(i))表示节点kcon(i)的连通岛号；第二步，用kmin替换当前节点i连通岛号；
3)节点最终连通岛号的形成：对n个节点，依次读取节点i所在的连通岛号kcon(i)，节点kcon(i)所在的连通岛号是kcon(kcon(i))，若kcon(i)与kcon(kcon(i))不相等，则用kcon(kcon(i))替换节点i的连通岛号。
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