CN103545919A - 一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法 - Google Patents

一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明所述方法为首先对有源配电网络中的开关进行分类并在各类开关上安装智能电子设备，然后定义智能电子设备传递报文的方向，最后通过相邻智能电子设备之间接力传递带有IP地址及开关状态的报文识别分布式电源至变电站出线开关间的开关路径即分布式电源的孤岛拓扑。本发明根据有源配电网络结构以及分布式电源孤岛拓扑的特点，利用IED实时监测各开关的开合状态信息，基于对等通信利用相邻IED之间传递带有IP地址的开关状态信息的可迅速识别各DG的孤岛拓扑，算法实现简单，大大提高了孤岛拓扑识别的效率。

Description

一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法
技术领域
本发明涉及一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
配电网拓扑分析是配电网自动化和配电网管理系统高级应用功能的基础。它可以为在线潮流计算、网络重构、状态估计、安全分析等提供网络结构数据。现有的配电网拓扑分析方法主要有：邻接矩阵法和树搜索法。邻接矩阵法采用邻接矩阵来描述拓扑图中两点之间的连通关系，直观性比较好，但由于程序中的数据存储空间开销与节点数的平方（n2）成正比。在时间开销上，它的运算次数是Ｏ (n2)级的。因此，当网络规模不大时，现有算法尚承受；而当网络规模充分大时，用于连通性检查的运算时间将随节点数n的平方增长，因此这种算法将难以承受。树搜索法主要有深度优先搜索法和广度优先搜索法，深度优先搜索法需要回溯，使得该方法在搜索过程中，搜索的节点数比实际网络含有的节点数多，影响计算的速度。广度优先搜索算法对于整个配电网络的识别有一定的优势，但是对于孤岛拓扑的识别不够直观。
分布式电源（Distributed Generator，DG）的孤岛拓扑指的是DG至变电站出线开关之间的开关路径。对于有源配电网络，其网络中增加了DG，网络中节点数量虽然众多，但是与DG拓扑识别有关的节点不是非常多。为了解决此类问题，本发明根据有源配电网的特点，对于DG的孤岛拓扑识别可采用一种基于开关信息采集的有源配电网孤岛拓扑识别方法，利用智能电子设备（Intelligent Electric Device，IED）采集带有IP地址的开关状态信息，对开关及其对应的IED进行分类，通过设置各类IED对带有IP地址的开关状态信息的收发和处理规则，可提高孤岛拓扑识别的速度及准确度，可基于该孤岛拓扑的识别可对DG进行孤岛检测与孤岛保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服传统矩阵法和树搜索法所存在的弊端，如算法实现复杂、时间开销大、计算速度慢等问题，根据DG孤岛拓扑的特点提出一种直观性较好，算法实现相对简单，耗时少，具有创新性的孤岛拓扑识别方法。
本发明的技术方案是：一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，首先对有源配电网络中的开关进行分类并在各类开关上安装智能电子设备，然后定义智能电子设备传递报文的方向，最后通过相邻智能电子设备之间接力传递带有IP地址及开关状态的报文识别DG至变电站出线开关间的开关路径即DG的孤岛拓扑。
有源配电网络的网络拓扑结构一般有三种：（1）辐射状网络（2）开环运行的环形配电网络（3）闭环运行的环网配电网。各DG与变电站出线开关通过一系列开关连接，DG并网开关对应的IED将含有IP地址的开关状态信息封装成报文传递给相邻的IED，其相邻的分段开关对应的IED收到该报文后，将该报文与自身生成的报文封装成新报文传递给其另一侧相邻的IED。负荷分支开关对应的IED将接收的报文直接抛弃且不给其邻接IED发送报文，当变电站出线开关对应的IED获取到含有某DG并网开关信息的报文时，根据IP地址，将该报文直接发送给该DG并网开关对应的IED，该DG并网开关对应的IED提取该报文中的开关信息形成孤岛拓扑并储存。
具体步骤如下：
（1）对有源配电网络中的开关进行分类并在每个开关上安装智能电子设备，根据各个开关的特性，在各智能电子设备的配置文件中配置五类开关的属性：变电站出线开关、DG并网开关、负荷分支开关、联络开关、分段开关。这五类分别开关对应五类智能电子设备。
（2）定义智能电子设备的两侧分别为R与L，在各智能电子设备的配置文件中配置其两侧邻接智能电子设备的IP地址； 
（3）当DG并网开关上安装的IED检测到一侧有电压且满足并网条件后，控制DG并网开关闭合，DG并网运行；
（4）选择DG并网开关作为孤岛拓扑识别的起点，以变电站出线开关为目标节点，由DG并网开关对应的智能电子设备采集带有IP地址及开关状态的信息封装成报文，传递给其邻接智能电子设备；
（5）当DG并网开关的邻接开关所对应的智能电子设备接收到来自其R/L侧邻接智能电子设备发送的报文后，将该报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文传递给其L/R侧的邻接智能电子设备，依次接力传递孤岛拓扑识别报文。
（6）当变电站出线开关对应的智能电子设备获取到带有DG并网开关信息的报文时，将此报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文发送给相应的DG并网开关对应的智能电子设备；
（7）DG并网开关对应的智能电子设备接收到来自变电站出线开关对应的智能电子设备所发送的孤岛拓扑报文时，提取该报文中开关及IP地址信息，形成DG的孤岛拓扑并存储。
对于闭环运行的环形配电网，其孤岛拓扑不唯一，可能存在多条孤岛拓扑路径，可以按照步骤（1）～（7）实现孤岛拓扑的识别，其孤岛拓扑应分开存储在相应的DG并网开关对应的IED中，不能叠加。
所述利用邻接智能电子设备之间接力传递带有IP地址的开关信息识别各DG至变电站出线开关之间的开关路径时，通过定义DG并网开关和变电站出线开关的身份信息，使其对应的智能电子设备能够相互进行身份识别。
所述孤岛拓扑识别报文传递的方向为单向。即若某智能电子设备接收的报文来自其R/L侧，其产生的报文只发送给其L/R侧的邻接智能电子设备。如此则避免了报文的重叠接收与重复发送，提高了孤岛拓扑识别的速度及准确度。
本发明的工作原理是：DG并网运行时，DG与变电站出线开关直接通过一系列开关连接，这一系列开关的开合状态会直接影响DG的运行方式，这一系列开关被定义为DG的孤岛拓扑。通过在开关上安装IED获取带网络地址的开关状态信息，以DG并网开关为孤岛拓扑识别的起点，DG并网开关对应的IED将含有IP地址的开关状态信息封装成报文传递给相邻的IED，其相邻的分段开关对应的IED收到该报文后，将该报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新报文传递给其另一侧相邻的IED，各IED依次接力传递孤岛拓扑识别报文，直至变电站出线开关对应的IED收到带有DG并网开关信息的报文，变电站出线开关对应的IED将此报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文发送给相应的DG并网开关所对应的IED，这就形成各DG的孤岛拓扑。
本发明的有益效果是：
（1）本方法根据有源配电网络结构以及分布式电源孤岛拓扑的特点，利用IED实时监测各开关的开合状态信息，基于对等通信利用相邻IED之间传递带有IP地址的开关状态信息的可迅速识别各DG的孤岛拓扑，算法实现简单，无需进行类似矩阵法的大量计算，也不需要进行类似广度优先搜索的分层搜索以及深度优先搜索的图的遍历，大大提高了孤岛拓扑识别的效率。
（2）本孤岛拓扑识别方法对辐射状网络、开环运行的环形配电网络、闭环运行的环网配电网均具有很好的适应性，克服传统搜索算法对环网适应性差的特点。
附图说明
图1为本发明中辐射型的有源配电网拓扑图；
图2为本发明中“手拉手”环形有源配电网拓扑图； 
图3 为本发明实例1中孤岛拓扑分析的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，首先对有源配电网络中的开关进行分类并在各类开关上安装智能电子设备，然后定义智能电子设备传递报文的方向，最后通过相邻智能电子设备之间接力传递带有IP地址及开关状态的报文识别DG至变电站出线开关间的开关路径即DG的孤岛拓扑。
具体步骤如下：
（1）对有源配电网络中的开关进行分类并在每个开关上安装智能电子设备，根据各个开关的特性，在各智能电子设备的配置文件中配置五类开关的属性：变电站出线开关、DG并网开关、负荷分支开关、联络开关、分段开关；
（2）定义智能电子设备的两侧分别为R与L，在各智能电子设备的配置文件中配置其两侧邻接智能电子设备的IP地址； 
（3）当DG并网开关上安装的IED检测到一侧有电压且满足并网条件后，控制DG并网开关闭合，DG并网运行；
（4）选择DG并网开关作为孤岛拓扑识别的起点，以变电站出线开关为目标节点，由DG并网开关对应的智能电子设备采集带有IP地址及开关状态的信息封装成报文，传递给其邻接智能电子设备；
（5）当DG并网开关的邻接开关所对应的智能电子设备接收到来自其R/L侧邻接智能电子设备发送的报文后，将该报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文传递给其L/R侧的邻接智能电子设备，依次接力传递孤岛拓扑识别报文。
（6）当变电站出线开关对应的智能电子设备获取到带有DG并网开关信息的报文时，将此报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文发送给相应的DG并网开关对应的智能电子设备；
（7）DG并网开关对应的智能电子设备接收到来自变电站出线开关对应的智能电子设备所发送的孤岛拓扑报文时，提取该报文中开关及IP地址信息，形成DG的孤岛拓扑并存储。
所述利用邻接智能电子设备之间接力传递带有IP地址的开关信息识别各DG至变电站出线开关之间的开关路径时，通过定义DG并网开关和变电站出线开关的身份信息，使其对应的智能电子设备能够相互进行身份识别。
所述孤岛拓扑识别报文传递的方向为单向。
实施方式一：辐射型的有源配网如图1所示，系统中有5台分布式电源DG1、DG2、DG3、DG4、DG5。下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。图1中B1为变电站出线开关，以各DG的并网开关分别作为孤岛拓扑识别的起始节点，以B1为目标节点。以DG5为例，对于图1中的开关B1，B2，……，B21，分别对应于IED1，IED2，……IED21，DG5出口处的开关为B16。
（1）选择DG5并网开关—B16作为DG孤岛拓扑识别的起始点，IED16检测开关B16一侧有压，DG5满足并网条件后，B16闭合，DG5并网运行，此时DG5的孤岛拓扑识别启动。
（2）IED16的邻接IED是IED11、IED15、IED17，IED16将包含以下信息的报文
Figure 271939DEST_PATH_IMAGE002
同时发送给IED11、IED15、IED17。其中0/1表示该IED对应开关的开合状态，Source表示发送报文的IED，Destination表示接收报文的IED，IP代表对应IED的IP地址，Data表示报文包含的主要内容。
（3）IED11的一侧邻接IED是IED6、IED10，另一侧是IED15、IED16、IED17。根据设定的报文传递规则，IED11将获取的IED16发送报文以及自身生成的带IP地址的开关信息封装成包含以下信息的报文
发送给IED6 、IED10。
IED17是末端负荷分支开关对应的IED，直接抛弃接收的报文。IED15将获取的IED16发送的报文以及自身生成的带IP地址的开关信息封装成包含以下信息的报文
Figure 906499DEST_PATH_IMAGE006
发送给IED18 、IED21。
IED18是末端负荷分支开关对应的IED，直接抛弃接收的报文，IED21是DG4并网开关对应的IED，其接收的报文不包含变电站出线开关信息，所以不存储，直接抛弃。
（4）IED6的一侧邻接IED是IED1、IED2、IED3、IED4、IED5，另一侧是IED10、IED11。根据报文传递规则，IED6将获取的IED11发送的报文以及自身生成的带IP地址的开关信息封装成包含以下信息的报文
Figure 239392DEST_PATH_IMAGE008
同时发送给IED1、IED2、IED3、IED4、IED5。
（5）IED1是变电站出线开关对应的IED，IED1获取的IED6发送报文以及自身生成的带IP地址的开关信息封装成以下报文
根据报文中包含DG5并网开关信息发送给IED16。
其余IED分别根据其内置的处理报文的算法处理报文，最终在末端IED全部抛弃。
（6）IED16接收到变电站出线开关对应的IED发送的报文时，将该报文作为DG5的孤岛拓扑储存，DG5的孤岛拓扑应包含以下内容：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE011
实施方式二：含DG的“手拉手”式环形配网系统如图2所示，有源配电网中含有3台分布式电源DG1、DG2、DG3，图中存在两个变电站出线开关即B1和B7。下面结合附图2和实例对本发明做进一步说明，以DG1为例。
（1）选择DG1并网开关—B12作为DG孤岛拓扑识别的起始点，IED12检测开关B12一侧有压，DG1满足并网条件后，B12闭合，DG1并网运行。
IED12的邻接IED是IED10、IED11，IED12将以下包含以下信息的报文
Figure 250128DEST_PATH_IMAGE012
同时发送给IED10和IED11。
（2）IED10一侧邻接IED是IED2、IED3，另一侧邻接IED是IED11、IED12，IED10将获取的IED12发送的报文以及自身生成的带IP地址的开关信息封装成包含以下信息的报文
Figure DEST_PATH_IMAGE013
发送给IED2、IED3。                                                                
IED11是负荷分支开关对应的IED，直接抛弃接收的报文。
（3）IED2的一侧邻接IED是IED1、IED8，另一侧是IED3、IED10，IED2将获取的IED10发送的报文以及自身生成的带IP地址的开关状态信息封装成包含以下信息的报文
Figure 454844DEST_PATH_IMAGE014
同时发送给IED1、IED8。
IED3的一侧邻接IED是IED2、IED10，另一侧是IED4、IED13，IED3将获取的IED10发送的报文以及自身生成的带IP地址的开关状态信息封装成包含以下信息的报文
同时发送给IED4、IED13。
（4）IED1是变电站出线开关对应的IED，IED1将获取的IED2发送的报文以及自身生成的带IP地址的开关信息封装成包含以下信息的报文，根据报文中包含DG1并网开关信息，发送给IED12
Figure DEST_PATH_IMAGE017
IED12获取到该报文后储存该孤岛拓扑。
IED8按照规定将其形成的新报文发送给IED9，IED9是负荷分支开关对应的IED，直接抛弃接收的报文。
（5）IED4与IED13分别根据其内置的算法进行报文的处理和发送。根据报文中包含DG1并网开关信息，最终IED7将包含以下信息的报文，发送给IED12
（6）孤岛拓扑储存
IED12接收到变电站出线开关对应的IED发送的报文时，将该报文作为DG1的孤岛拓扑储存，DG1的孤岛拓扑应包含以下内容：
第一条孤岛拓扑信息
Figure 295407DEST_PATH_IMAGE020
第二条孤岛拓扑信息
Figure DEST_PATH_IMAGE021
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，其特征在于：首先对有源配电网络中的开关进行分类并在各类开关上安装智能电子设备，然后定义智能电子设备传递报文的方向，最后通过相邻智能电子设备之间接力传递带有IP地址及开关状态的报文识别分布式电源至变电站出线开关间的开关路径即分布式电源的孤岛拓扑。
2.根据权利要求1所述的有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）对有源配电网络中的开关进行分类并在每个开关上安装智能电子设备，根据各个开关的特性，在各智能电子设备的配置文件中配置五类开关的属性：变电站出线开关、分布式电源并网开关、负荷分支开关、联络开关、分段开关；
（2）定义智能电子设备的两侧分别为R与L，在各智能电子设备的配置文件中配置其两侧邻接智能电子设备的IP地址；
（3）当分布式电源并网开关上安装的智能电子设备检测到一侧有电压且满足并网条件后，控制并网开关闭合，分布式电源并网运行；
（4）选择分布式电源并网开关作为孤岛拓扑识别的起点，以变电站出线开关为目标节点，由分布式电源并网开关对应的智能电子设备采集带有IP地址及开关状态的信息封装成报文，传递给其邻接智能电子设备；
（5）当分布式电源并网开关的邻接开关所对应的智能电子设备接收到来自其R/L侧邻接智能电子设备发送的报文后，将该报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文传递给其L/R侧的邻接智能电子设备，依次接力传递孤岛拓扑识别报文；
（6）当变电站出线开关对应的智能电子设备获取到带有分布式电源并网开关信息的报文时，将此报文与自身生成的孤岛拓扑识别报文封装成新的报文发送给相应的分布式电源并网开关对应的智能电子设备；
（7）分布式电源并网开关对应的智能电子设备接收到来自变电站出线开关对应的智能电子设备所发送的孤岛拓扑报文时，提取该报文中开关及IP地址信息，形成分布式电源的孤岛拓扑并存储。
3.根据权利要求1或2所述的有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，其特征在于：所述利用邻接智能电子设备之间接力传递带有IP地址的开关信息识别各分布式电源至变电站出线开关之间的开关路径时，通过定义分布式电源并网开关和变电站出线开关的身份信息，使其对应的智能电子设备能够相互进行身份识别。
4.根据权利要求2所述的有源配电网络的孤岛拓扑识别方法，其特征在于：所述孤岛拓扑识别报文为单向传递，即若智能电子设备接收的孤岛拓扑识别报文自其R/L侧邻接智能电子设备，则其生成的孤岛拓扑识别报文只传递给其L/R侧邻接智能电子设备。
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