CN103762591A - 一种配电网拓扑布图方法 - Google Patents

一种配电网拓扑布图方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种配电网拓扑布图方法，获取电力系统各节点的地理位置数据、节点间相互连接的拓扑信息、节点间线路硬件参数信息，选择距离输电网最近节点作为初始母节点；实时获取配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息；采用第一级广度搜索法提取各节点间的拓扑关系；采用第二级广度搜索法确定各节点的设备类型：采用广度搜索法遍历搜索确定各节点的设备类型并进行布图编号；确定相邻两节点间在拓扑图上的距离及各节点相对于母节点的横向距离和纵向距离，进行拓扑布图并显示。本发明采用纵向对称式布图方法和纵向拉伸式布线方法，去除当前配电网拓扑图中重复节点，进行配电网拓扑布图。

Description

一种配电网拓扑布图方法
技术领域
本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种配电网拓扑布图方法。
背景技术
随着我国社会主义建设的进行，各行各业用电需求的日益增加，特别是经济发展较快的地区的工业和民用负荷上升很快，配电系统及其配电设备数量大幅度增多，配电系统网络结构越来越复杂，供电运行方式变化越来越频繁，对配电网运行的稳定性、调节的有效性、监控信息的可靠性有了越来越高的要求。因此，对配电网的实时监控信息的采集、存储进而分析成为配电网工作的重要一环。对所存储的信息拓扑化，抽象化是配电网分析的重要手段。
电力网络拓扑分析的功能是由电网的器件联系关系以及开关状态判断电网当前的拓扑结构，根据拓扑结构把各种设备连接的电网抽象成可用于电力系统分析的节点网络图。配电网络的拓扑分析是根据配电电气元件的连接关系，把整个配电网络看成线与点结合的拓扑图，然后根据电源结点、开关结点等进行整个网络的拓扑连线分析，它是配电网络进行状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢复、网络重构等其它分析的基础。
现有技术中没有针对于配电网拓扑结构的快速布图方案，也不能在布图的同时实施实时监测刷新重新布图，同时缺少对环形配电网的布图方案，给相关配电网分析软件功能的实现造成了障碍。因此，一种配电网拓扑布图方法及装置的提出，具有一定的现实意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种配电网拓扑布图方法。
本发明的技术方案如下：
一种配电网拓扑布图方法，包括以下步骤：
步骤1：获取配电网架设时的电力系统各节点的地理位置数据、节点间相互连接的拓扑信息、节点间线路硬件参数信息，选择配电网拓扑结构中距离输电网最近节点作为初始母节点；
所述节点间线路硬件参数信息为节点间的距离；
步骤2：实时获取配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息；
步骤3：采用第一级广度搜索法提取当前配电网的各节点间的拓扑关系；
步骤3.1：根据当前配电网的节点间相互连接的拓扑信息，提取配电网布图所需节点构成的邻接矩阵；
步骤3.2：根据邻接矩阵提取节点间的拓扑信息：以初始母节点为起点，根据广度搜索法遍历搜索邻接矩阵中的各节点，建立以该初始母节点为头结点的树形结构；
步骤3.3：根据以初始母节点为头结点的树形结构，提取当前配电网的各节点间的拓扑关系；
步骤4：采用第二级广度搜索法确定当前配电网的各节点的设备类型：采用广度搜索法遍历搜索当前配电网中的各节点，确定各节点的设备类型；
步骤5：采用第三级广度搜索法为当前配电网的各节点进行布图编号：采用广度搜索法遍历树形结构中的各节点，依次为每个节点按层顺序编号，每个节点的编号包括层编号和顺序编号，建立各节点编号与节点位置的关系；
步骤6：确定相邻两节点间在拓扑图上的距离及各节点相对于母节点的横向距离和纵向距离；
步骤7：进行配电网拓扑布图；
步骤7.1：采用纵向对称式布图方法进行配电网初始拓扑布图；
步骤7.1.1：以初始母节点的位置为坐标原点，沿X轴正方向分布其子节点，并将各层节点中的顺序编号为奇数的节点布置在第一象限，各层节点中的顺序编号为偶数的节点布置在第四象限，各层节点中的顺序编号为零的节点布置在X轴正方向上；
步骤7.1.2：以初始母节点的下一层各节点为新的坐标原点，沿X轴正方向分布其子节点，并将各层节点中的顺序编号为奇数的节点布置在第一象限，各层节点中的顺序编号为偶数的节点布置在第四象限，各层节点中的顺序编号为零的节点布置在X轴正方向上，直至遍历完树形结构的所有子节点，即得到各节点的坐标位置；
步骤7.2：采用纵向拉伸式布线方法去除当前配电网拓扑图中重复节点；
步骤7.2.1：逐层比较树形结构中的各节点的坐标位置，若同一层的节点存在坐标重合，则执行步骤7.2.2；否则，对下一层的节点坐标位置进行比较；
步骤7.2.2：根据重合的坐标的对应的节点寻找其上一层的母节点坐标位置，若该母节点的顺序编号为奇数，则将该母节点沿Y轴正方向移动，若该母节点的顺序编号为偶数，则将该母节点沿Y轴正负方向移动；
步骤7.2.3：返回步骤7.2.1对树形结构中的各节点的坐标位置进行比较，直至同一层的节点不存在坐标重合；
步骤7.3：根据当前得到的各节点的坐标位置和各节点的设备类型，按照母节点和子节点的关系进行连线进行布图连线，得到配电网拓扑图；
步骤8：对得到的配电网拓扑图进行显示，并执行步骤2，对配电网拓扑结构实时监控。
步骤3.2所述的根据广度搜索法遍历搜索邻接矩阵中的各节点的过程中，若同一节点重复出现，则该节点为环网节点，在建立的以初始母节点为头结点的树形结构时，打开该节点所组成的环网，即在之后的布图流程中忽略该点与之前已遍历的节点的拓扑连接，在步骤7.3所进行的布图连线时将该环网节点与遍历到该节点之前已遍历的节点进行连线。
步骤2所述的配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息发生改变时，配电网拓扑关系发生改变，从发生改变的节点开始沿树形结构重新布图，即执行步骤3～步骤7。
有益效果：
本发明提出的三级广度搜索法，获得当前配电网络的拓扑构型并初步布图，采用纵向对称式布图方法和纵向拉伸式布线方法，去除当前配电网拓扑图中重复节点，进行配电网初始拓扑布图。当系统的开关状态等拓扑构成发生变化的时候，实时的更新电力网络拓扑图，实现电力网络的实时监控。
本发明充分考虑到了配电网中存在环网拓扑的情况并能对其布图。提出了环形配电网拓扑构型构建的解决方法。
由于配电网络遍历时的分层结构，当拓扑关系发生变化的时候不需要进行全局的搜索，只需根据数据采集系统确定发生开关变位的位置，从该位置开始重新布矢量拓扑图即可。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式的配电网拓扑布图装置结构框图；
图2为本发明具体实施方式的配电网拓扑布图方法的流程图；
图3为本发明具体实施方式的实现实时监控的流程图；
图4为本发明具体实施方式的纵向对称式自适应布图方法的流程图；
图5为本发明具体实施方式的纵向对称式自适应布图算法布图结束后的效果图；
图6为本发明具体实施方式的当坐标出现重合时候采用纵向拉伸式布线方法进行调整的流程图；
图7为本发明具体实施方式的当坐标出现重合时候采用纵向拉伸式布线方法进行调整的效果图；
图8为本发明具体实施方式的拓扑图中有环网节点时的布图效果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本实施方式的配电网拓扑布图方法所采用的配电网拓扑布图装置结构，如图1所示，包括数据采集终端单元、数据通讯单元和上位机；
数据采集终端单元采用现有技术中配电网常用的信息采集系统如安全监控和数据采集(SCADA)系统、能源管理系统(EMS)或配电网管理系统(DMS)，数据通讯单元通过GPRS技术、光纤通信技术或其他通讯技术实现。数据采集终端单元的输出端连接数据通讯单元的输入端，数据通讯单元的输出端连接上位机。
本实施方式中所述的节点包括断路器、负荷开关、隔离开关，接地刀闸、避雷器和熔断器；在实际应用时相关的技术人员可以根据实际的需要增加或减少抽象成节点的电力元件类型(譬如在不影响配电网拓扑关系表达，且不会使配电网相关信息丢失的情况下，电力设备开关可以看做线路的一部分)。
本实施方式的配电网拓扑布图方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：获取配电网架设时的电力系统各节点的地理位置数据、节点间相互连接的拓扑信息、节点间线路硬件参数信息，选择配电网拓扑结构中距离输电网最近节点作为初始母节点；所述节点间线路硬件参数信息为节点间的距离；
步骤2：实时获取配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息；
所述的配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息发生改变时，配电网拓扑关系发生改变，从发生改变的节点开始沿树形结构重新布图，即执行步骤3～步骤7。
步骤3：采用第一级广度搜索法提取当前配电网的各节点间的拓扑关系；
步骤3.1：根据当前配电网的节点间相互连接的拓扑信息，提取配电网布图所需节点构成的邻接矩阵N[n，n]，其中n是整个配电网络图中节点的个数，定义母线节点指针p，采用此指针依次指向每一个未被搜索过的母线节点；
步骤3.2：根据邻接矩阵提取节点间的拓扑信息：以初始母节点为起点，根据广度搜索法遍历搜索邻接矩阵中的各节点，建立以该初始母节点为头结点的树形结构；
步骤3.2.1：判断母线节点指针p指向是否为空：若为空，则指针增1；否则，新建以当前搜索到的节点序号命名的队列R并将该母线节点放入队首；
步骤3.2.2：首节点弹出队列并将搜索到的其子节点放入队列R；
步骤3.2.3：判断队列R是否为空：若为空，则表明以当前母线节点为首节点拓展出的树结构已搜索完毕，母线节点指针p加1，返回步骤3.2.1，继续判断下一个母线节点指针p指向是否为空；否则，执行步骤3.2.4；
步骤3.2.4：判断首节点是否为开关设备：若是，则判断其开关状态是否闭合，执行步骤3.2.5，否则节点编号加1，返回步骤3.2.2；
步骤3.2.5：若开关闭合，则继续向下搜索；若开关断开，则以当前母线节点为首节点拓展出的树结构已搜索完毕，母线节点指针p加1，返回步骤3.2.1；
在遍历过程中若出现某点的子节点在已被标记，则可以理解成该点是环网的一个节点，标记该节点和其母节点为成对的环网节点，保存至c[v，w]中；
步骤3.3：根据以初始母节点为头结点的树形结构，提取当前配电网的各节点间的拓扑关系；
步骤4：采用第二级广度搜索法确定当前配电网的各节点的设备类型：
重复步骤3.2，采用广度搜索法遍历搜索当前配电网中的各节点，从而确定各节点的设备类型；
步骤5：采用第三级广度搜索法为当前配电网的各节点进行布图编号：采用广度搜索法遍历树形结构中的各节点，依次为每个节点按层顺序编号，每个节点的编号包括层编号和顺序编号，建立各节点编号与节点位置的关系；
步骤5.1：遍历当前所有Ni个节点，给每个节点赋予编号D[L，P]，定义D[L，P]为每个节点的代号，其中L是节点所在的层编号，P是该节点在此层的编号，设定遍历起始的节点的编号为D[0，0]；
步骤5.2：在遍历过程中，每一个母节点的子节点的编号由遍历的先后决定，设置母节点D[X，Y]与其子节点D[X+1，0]间的间距为δxi；设置某层的节点D[X，Y]与相邻的该层的节点D[X，Y+1]间的间距为δyi；
步骤5.3：建立节点标号与节点位置的关系：若节点D[X，Y]的坐标为(x，y)，则节点D[X+1，0]坐标为(x+δxi，y)，节点D[X，Y+1]坐标为(x，y+δyi)。设Pmax为某层所有节点的数目，则
当Pmax为奇数时，由下式得到节点在该层的编号L：
Figure BDA0000457610820000061
当Pmax为偶数时，由下式得到节点在该层的编号L：
步骤5.4：对于被标记为环网节点的点，在编号过程中可能出现重复编号的情况，当给有环网节点标记的节点编号时首先监测该点是否被编号，若未被编号则按原步骤给该节点编号，若已被编号则停止对其编号以防止出现遍历死循环；
步骤6：确定相邻两节点间在拓扑图上的距离及各节点相对于母节点的横向距离和纵向距离；
步骤6.1：根据每层各个器件或控件的平均大小，设定各个器件或控件的纵向距离为各个器件或控件平均大小的n倍，2≤n≤5；
步骤6.2：根据所有节点器件或控件的平均大小，设定各个器件或控件的横向距离为各个器件或控件平均大小的n倍；
亦可以应用神经网络算法进行各个器件或控件的纵向距离和横向距离的计算。
本发明纵向对称式自适应布图方法的流程图如图4所示：
步骤7.1：采用纵向对称式布图方法进行配电网初始拓扑布图；所述的纵向对称式布图方法是以当前节点为原点，其所有子节点距其横向距离是由自适应神经网络间距调整算法确定的，某节点的所有子节点横坐标相同，按遍历的先后纵向的分布在坐标轴的两侧；在实际布图过程中以每个子节点的母节点为坐标系原点进行布图，即D[X，Y+1]和D[X+1，0]相对于D[X，Y]的坐标分别是(0，δyi)和(δxi，0)。对于第X层的多个子节点D[X+1，N]而言，当N为奇数时，其相对于D[X，Y]的坐标为
Figure BDA0000457610820000071
当N为偶数时，其相对于D[X，Y]的坐标为
Figure BDA0000457610820000072
步骤7.1.1：以初始母节点的位置为坐标原点，沿X轴正方向分布其子节点，并将各层节点中的顺序编号为奇数的节点布置在第一象限，各层节点中的顺序编号为偶数的节点布置在第四象限，各层节点中的顺序编号为零的节点布置在X轴正方向上；
步骤7.1.2：以初始母节点的下一层各节点为新的坐标原点，沿X轴正方向分布其子节点，并将各层节点中的顺序编号为奇数的节点布置在第一象限，各层节点中的顺序编号为偶数的节点布置在第四象限，各层节点中的顺序编号为零的节点布置在X轴正方向上，直至遍历完树形结构的所有子节点，即得到各节点的坐标位置；
纵向对称式自适应布图算法布图结束后的效果图如图5所示，其中的编号不是节点编号，仅为说明时使用的数字编号。
当坐标出现重合时候进行采用纵向拉伸式布线方法进行调整的流程图如图6所示：
步骤7.2：采用纵向拉伸式布线方法去除当前配电网拓扑图中重复节点；设LA为0；
步骤7.2.1：逐层比较树形结构中的各节点的坐标位置，若同一层的节点存在坐标重合，则执行步骤7.2.2；否则，对下一层的节点坐标位置进行比较；
步骤7.2.2：根据重合的坐标的对应的节点寻找其上一层的母节点坐标位置，若该母节点的顺序编号为奇数，则将该母节点沿Y轴正方向移动，若该母节点的顺序编号为偶数，则将该母节点沿Y轴正负方向移动；
步骤7.2.3：返回步骤7.2.1对树形结构中的各节点的坐标位置进行比较，直至同一层的节点不存在坐标重合；
纵向拉伸式布线方法流程简述就是：设LA为0，LA代表节点所在层数编号，与L数值相等；比较第LA层的所有节点的坐标位置，判断是否存在相同坐标：若存在q个相同坐标的点，每个点在配电网络邻接矩阵中进行DIV[L，P]次寻找，找到与这q个点相关至多q个的第L-1层的点，设这些点的标号为D[L-1，B]，若B为奇数，则其坐标上移δyi，若B为不等于0的偶数，则坐标下移δyi；若B为0，则原坐标不移动。而后再次判断是否存在相同坐标，从而保证同一层中任意两个节点坐标不重合；若不存在相同坐标，则LA增1，检验母线节点指针p是否为空：若母线节点指针p不为空，则返回判断是否存在相同坐标；若为空则停止循环，器件节点连线，将连线视为控件，附有节点间距离和连线类型的信息。
当坐标出现重合时候采用纵向拉伸式布线方法进行调整的效果图如图7所示，(a)图中，11和9的坐标重合，33和19的坐标重合，将重合的坐标调整后如图8(b)所示。
步骤7.3：根据当前得到的各节点的坐标位置和各节点的设备类型，按照母节点和子节点的关系进行连线进行布图连线，得到配电网拓扑图；
拓扑图中有环网节点时的布图效果如图8所示，(a)图中11和10是环网节点，15和16是环网节点，(b)图中更改了连线方式使得布图效果更清晰。
连线方法可以是据坐标直接连线，根据节点间的坐标纵向差，横向差连线或其他方式。值得说明的是为防止连线重叠，也可通过改变连线方式来使拓扑图变的更加清晰。步骤3.2所述的根据广度搜索法遍历搜索邻接矩阵中的各节点的过程中，若同一节点重复出现，则该节点为环网节点，在建立的以初始母节点为头结点的树形结构时，打开该节点所组成的环网，即在之后的布图流程中忽略该点与之前已遍历的节点的拓扑连接，在步骤7.3所进行的布图连线时将该环网节点与遍历到该节点之前已遍历的节点进行连线。
步骤8：对得到的配电网拓扑图进行显示，并执行步骤2，对配电网拓扑结构实时监控。
布图后对配电网拓扑结构实时监控的流程如图3所示，具体过程如下：
步骤a：配电网某个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息发生改变；
步骤b：判断该节点是否有子节点，是，则以该节点为母节点重新进行拓扑布图，执行步骤c，否则去除所有子节点，继续监测配电网拓扑结构的变化情况；
步骤c：判断是否有其他拓扑结构的变化，是，则执行步骤b，否则执行步骤6。
本发明在实际中可在不同的情况下应用，譬如在发生故障的情况下通过数据采集系统的数据重新构建故障后的配电网拓扑图，在原有配电网拓扑信息的基础上将该算法应用在某些配网分析软件中等等。本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中，也可通过不同的编程平台表达出来。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种配电网拓扑布图方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取配电网架设时的电力系统各节点的地理位置数据、节点间相互连接的拓扑信息、节点间线路硬件参数信息，选择配电网拓扑结构中距离输电网最近节点作为初始母节点；
所述节点间线路硬件参数信息为节点间的距离；
步骤2：实时获取配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息；
步骤3：采用第一级广度搜索法提取当前配电网的各节点间的拓扑关系；
步骤3.1：根据当前配电网的节点间相互连接的拓扑信息，提取配电网布图所需节点构成的邻接矩阵；
步骤3.2：根据邻接矩阵提取节点间的拓扑信息：以初始母节点为起点，根据广度搜索法遍历搜索邻接矩阵中的各节点，建立以该初始母节点为头结点的树形结构；
步骤3.3：根据以初始母节点为头结点的树形结构，提取当前配电网的各节点间的拓扑关系；
步骤4：采用第二级广度搜索法确定当前配电网的各节点的设备类型：采用广度搜索法遍历搜索当前配电网中的各节点，确定各节点的设备类型；
步骤5：采用第三级广度搜索法为当前配电网的各节点进行布图编号：采用广度搜索法遍历树形结构中的各节点，依次为每个节点按层顺序编号，每个节点的编号包括层编号和顺序编号，建立各节点编号与节点位置的关系；
步骤6：确定相邻两节点间在拓扑图上的距离及各节点相对于母节点的横向距离和纵向距离；
步骤7：进行配电网拓扑布图；
步骤7.1：采用纵向对称式布图方法进行配电网初始拓扑布图；
步骤7.1.1：以初始母节点的位置为坐标原点，沿X轴正方向分布其子节点，并将各层节点中的顺序编号为奇数的节点布置在第一象限，各层节点中的顺序编号为偶数的节点布置在第四象限，各层节点中的顺序编号为零的节点布置在X轴正方向上；
步骤7.1.2：以初始母节点的下一层各节点为新的坐标原点，沿X轴正方向分布其子节点，并将各层节点中的顺序编号为奇数的节点布置在第一象限，各层节点中的顺序编号为偶数的节点布置在第四象限，各层节点中的顺序编号为零的节点布置在X轴正方向上，直至遍历完树形结构的所有子节点，即得到各节点的坐标位置；
步骤7.2：采用纵向拉伸式布线方法去除当前配电网拓扑图中重复节点；
步骤7.2.1：逐层比较树形结构中的各节点的坐标位置，若同一层的节点存在坐标重合，则执行步骤7.2.2；否则，对下一层的节点坐标位置进行比较；
步骤7.2.2：根据重合的坐标的对应的节点寻找其上一层的母节点坐标位置，若该母节点的顺序编号为奇数，则将该母节点沿Y轴正方向移动，若该母节点的顺序编号为偶数，则将该母节点沿Y轴正负方向移动；
步骤7.2.3：返回步骤7.2.1对树形结构中的各节点的坐标位置进行比较，直至同一层的节点不存在坐标重合；
步骤7.3：根据当前得到的各节点的坐标位置和各节点的设备类型，按照母节点和子节点的关系进行连线进行布图连线，得到配电网拓扑图；
步骤8：对得到的配电网拓扑图进行显示，并执行步骤2。
2.根据权利要求1所述的配电网拓扑布图方法，其特征在于：步骤3.2所述的根据广度搜索法遍历搜索邻接矩阵中的各节点的过程中，若同一节点重复出现，则该节点为环网节点，在建立的以初始母节点为头结点的树形结构时，打开该节点所组成的环网，即在之后的布图流程中忽略该点与之前已遍历的节点的拓扑连接，在步骤7.3所进行的布图连线时将该环网节点与遍历到该节点之前已遍历的节点进行连线。
3.根据权利要求1所述的配电网拓扑布图方法，其特征在于：步骤2所述的配电网各个节点的现场开关的开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的电压和电流参数信息发生改变时，配电网拓扑关系发生改变，从发生改变的节点开始沿树形结构重新布图，即执行步骤3~步骤7。
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