CN104218673B - 电网自动化智能分区方法 - Google Patents

Abstract

一种电网自动化智能分区方法，首先构建电网模型，将电网抽象成由顶点集和边集组成的数据结构，然后根据电网拓扑结构定义分区边界信息，再判断电网拓扑连接发生变化后，对电网模型进行拓扑搜索，获得分区信息，在显示设备上显示分区信息。本发明能够快速识别出电网内各设备的分区信息，迅速地发现分区的合并与解列情况，在保证实时性的情况下，减少拓扑计算的次数。

Description

电网自动化智能分区方法

技术领域

本发明涉及一种电网自动化智能分区方法。

背景技术

电网调度系统已经运行了多年，较为成熟稳定，但随着电网规模逐渐扩大，一些基本功能也渐渐增加了维护工作与监控难度。

电网调度系统的分区功能中，调度员需要快速地获取设备所属分区，而在电网调度系统连接方式改变引起分区合并或解列时，不能直观地从现有电网调度系统中得到信息，目前的做法还是基于人工判断，工作繁琐且难以保证信息准确度。

这不仅限制了技术支持系统运行的实际效果与技术发展，而且对于满足电网进一步发展的需要存在一定的差距，降低了智能电网的智能化、先进性、安全可靠性。

发明内容

本发明提供一种电网自动化智能分区方法，能够快速识别出电网内各设备的分区信息，迅速地发现分区的合并与解列情况，在保证实时性的情况下，减少拓扑计算的次数。

为了达到上述目的，本发明提供一种电网自动化智能分区方法，该方法包含以下步骤：

步骤S1、构建电网模型，将电网抽象成由顶点集和边集组成的数据结构；

步骤S2、根据电网拓扑结构定义分区边界信息；

步骤S3、判断电网拓扑连接是否发生变化，如果是，进行步骤S4；

步骤S4、对电网模型进行拓扑搜索，获得分区信息，进行步骤S5；

步骤S5、在显示设备上显示分区信息，返回步骤S2。

所述的步骤S1包含以下步骤：

步骤S1.1、将电网中的设备抽象为节点和边；

开断设备存在两个节点号，交流线段属于双节点设备，母线、终端设备属于单节点设备，三卷变压器属于三节点设备，每个节点即是一个顶点，双节点设备包含一条边，三节点设备包含两条边；

步骤S1.2、对顶点集和边集及进行整体建模，实现电网设备间连接关系的生成。

所述的步骤S1.2中，整体建模的方法采用有向图。

所述的步骤S2中，所述的电网拓扑结构包含若干分区、分区之间的边界线路、以及分区之间的联络线；每个分区包含500kV厂站和连接500kV厂站的若干220kV厂站。

所述的步骤S2中，采用分区信息表来定义分区边界信息，

分区信息表的结构包含：中文名称、英文名称、合并标识、合并分区ID、母线ID和边界线路ID；

所述的分区信息表中，“中文名称”一栏中填入分区的中文名称，“英文名称”一栏中填入分区的英文名称，“中文名称”和“英文名称”与该分区中的交流线段设备具有一一对应关系，如果分区之间的联络线为运行状态，则认为分区是合并的，则在“合并标识”一栏中填入“是”，“合并分区ID”一栏中填入合并的多个分区中第一个分区的ID，“母线ID”一栏中填入所有的母线，“边界线路ID”一栏中填入所有的边界线路的ID。

所述的步骤S3中，通过不同分区的分区信息表中的合并标识的变化来判断电网拓扑连接是否发生变化。

所述的步骤S4包含以下步骤：

步骤S4.1、采用拓扑搜索方法依次遍历电网模型数据结构中的每一个节点，在开关断开处或分界线路处停止搜索；

步骤S4.2、搜索路径上的所有节点都属于同一个分区，为该分区内的每个设备编上分区号；

步骤S4.3、根据该分区内的交流线段设备，在分区信息表中查找到分区名称，建立分区号与分区名称的对应关系。

所述的步骤S4.1中，所述的拓扑搜索方法包含深度优先搜索和广度优先搜索。

本发明具有以下优点：

1、利用已定义模型节点连接关系，构建电网模型，定义合适的数据结构，保证各种资源统一性。

2、遍历电网内每一个节点，在较短时间内计算出全网设备的分区信息，可以在保证实时性的情况下，减少拓扑计算的次数。

3、利用可视化技术，将分区信息转换为文字，直观的显示在图形界面上，方便查看。

4、智能地识别电网内各设备所属分区，并在拓扑连接发生变化时，自动触发分区重新识别，迅速地发现分区的合并与解列情况，同时更新设备所属分区。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是电网拓扑图。

图3是无向图。

图4是无向图的边数组。

图5是有向网图。

图6就是有向网图的邻接矩阵。

图7是无向图的邻接表。

图8和图9是带权值的有向网图的邻接表。

具体实施方式

以下根据图1～图9具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种电网自动化智能分区方法，该方法包含以下步骤：

步骤S1、构建电网模型，将电网抽象成由顶点集和边集组成的数据结构；

步骤S2、根据电网拓扑结构定义分区边界信息；

步骤S3、判断电网拓扑连接是否发生变化，如果是，进行步骤S4；

步骤S4、对电网模型进行拓扑搜索，获得分区信息，进行步骤S5；

步骤S5、在显示设备上显示分区信息，返回步骤S2。

所述的步骤S1包含以下步骤：

步骤S1.1、将电网中的设备抽象为节点和边；

构建电网模型时，电网建模的各设备均会分配各自的节点号，并由自身性质决定一个设备的节点号个数，开断设备（开关、刀闸）等存在两个节点号，交流线段也属于双节点设备，母线、终端设备等属于单节点设备，三卷变压器属于三节点设备，直联的两个设备，各自的节点号中须有一个相同，以此来构成整个电网的设备连接关系，从数据结构角度来说，每个节点即是一个顶点，双节点设备包含一条边，三节点设备包含两条边。

步骤S1.2、对顶点集和边集及进行整体建模，实现电网设备间连接关系的生成；

所述的步骤S1.2中，整体建模的方法可采用有向图。

电网系统中各类设备可抽象为顶点与边的集合，每一个顶点即是一个设备节点，每条边可代表一个双端设备，整个电网由无数个顶点与边组成一张无向图，通过数据结构与算法可对电网设备进行整体建模，并发掘其中的连接关系，在关系网络中完成电力系统应用、例如拓扑防误、旁路代自动识别、电气岛分析等等。

图（Graph）是一种较线性表和树更为复杂的非线性结构。在线性结构中，结点之间的关系是线性关系，除开始结点和终端结点外，每个结点只有一个直接前趋和直接后继。在树形结构中，结点之间的关系实质上是层次关系，同层上的每个结点可以和下一层的零个或多个结点（即孩子）相关，但只能和上一层的一个结点（即双亲）相关（根结点除外）。然而在图结构中，对结点（图中常称为顶点）的前趋和后继个数都是不加限制的，即结点之间的关系是任意的。图中任意两个结点之间都可能相关。由此，图的应用极为广泛，特别是近年来的迅速发展，已渗透到诸如语言学、逻辑学、物理、化学、通信工程、计算机科学以及数学的其它分支中。

若图G中的每条边都是有方向的，则称G为有向图（Digraph）。在有向图中，一条有向边是由两个顶点组成的有序对，有序对通常用尖括号表示。例如，＜vi，vj＞表示一条有向边，vi是边的始点（起点），vj是边的终点。因此，＜vi，vj＞和＜vj，vi＞是两条不同的有向边。有向边也称为弧（Arc），边的始点称为弧尾（Tail），终点称为弧头（Head）。

图G由两个集合V和E组成，记为G＝（V，E），其中v是顶点的有穷非空集合，E是V中顶点偶对（称为边）的有穷集。通常，也将图G的顶点集和边集分别记为V（G）和E（G）。E（G）可以是空集，若E（G）为空，则图G只有顶点而没有边，称为空图。

图的邻接矩阵存储方式是用两个数组来表示图。一个一维数组存储图中顶点信息，一个二维数组（邻接矩阵）存储图中的边或弧的信息。

设图G有n个顶点，则邻接矩阵是一个n*n的方阵，定义为：

图3就是一个无向图。

从图4可以看出，无向图的边数组是一个对称矩阵。所谓对称矩阵就是n阶矩阵的元满足aij = aji。即从矩阵的左上角到右下角的主对角线为轴，右上角的元和左下角相对应的元全都是相等的。

从这个矩阵中，很容易知道图中的信息。

（1）要判断任意两顶点是否有边无边就很容易了；

（2）要知道某个顶点的度，其实就是这个顶点vi在邻接矩阵中第i行或（第i列）的元素之和；

（3）求顶点vi的所有邻接点就是将矩阵中第i行元素扫描一遍，arc[i][j]为1就是邻接点；

而有向图讲究入度和出度，顶点vi的入度为1，正好是第i列各数之和。顶点vi的出度为2，即第i行的各数之和。

若图G是网图，有n个顶点，则邻接矩阵是一个n*n的方阵，定义为：

这里的Wij表示（vi,vj）上的权值。无穷大表示一个计算机允许的、大于所有边上权值的值，也就是一个不可能的极限值。图5就是一个有向网图，图6就是它的邻接矩阵。

邻接矩阵是不错的一种图存储结构，但是，对于边数相对顶点较少的图，这种结构存在对存储空间的极大浪费。因此，找到一种数组与链表相结合的存储方法称为邻接表。

邻接表的处理方法是这样的：

（1）图中顶点用一个一维数组存储，当然，顶点也可以用单链表来存储，不过，数组可以较容易的读取顶点的信息，更加方便。

（2）图中每个顶点vi的所有邻接点构成一个线性表，由于邻接点的个数不定，所以，用单链表存储，无向图称为顶点vi的边表，有向图则称为顶点vi作为弧尾的出边表。

图7就是一个无向图的邻接表的结构。从图7中可以看出，顶点表的各个结点由data和firstedge两个域表示，data是数据域，存储顶点的信息，firstedge是指针域，指向边表的第一个结点，即此顶点的第一个邻接点。边表结点由adjvex和next两个域组成。adjvex是邻接点域，存储某顶点的邻接点在顶点表中的下标，next则存储指向边表中下一个结点的指针。

如图8所示，对于带权值的网图，可以在边表结点定义中再增加一个weight的数据域，存储权值信息即可。

对于有向图来说，邻接表是有缺陷的。关心了出度问题，想了解入度就必须要遍历整个图才知道，反之，逆邻接表解决了入度却不了解出度情况。下面介绍的这种有向图的存储方法：十字链表，就是把邻接表和逆邻接表结合起来的。

重新定义顶点表结点结构，如下表所示。

data

firstin

firstout

其中firstin表示入边表头指针，指向该顶点的入边表中第一个结点，firstout表示出边表头指针，指向该顶点的出边表中的第一个结点。

重新定义边表结构，如下表所示。

tailvex

headvex

headlink

taillink

其中，tailvex是指弧起点在顶点表的下表，headvex是指弧终点在顶点表的下标，headlink是指入边表指针域，指向终点相同的下一条边，taillink是指边表指针域，指向起点相同的下一条边。如果是网，还可以增加一个weight域来存储权值。

比如图9，顶点依然是存入一个一维数组，实线箭头指针的图示完全与邻接表相同。就以顶点v0来说，firstout指向的是出边表中的第一个结点v3。所以，v0边表结点hearvex = 3，而tailvex其实就是当前顶点v0的下标0，由于v0只有一个出边顶点，所有headlink和taillink都是空的。

重点需要解释虚线箭头的含义。它其实就是此图的逆邻接表的表示。对于v0来说，它有两个顶点v1和v2的入边。因此的firstin指向顶点v1的边表结点中headvex为0的结点，如上图圆圈1。接着由入边结点的headlink指向下一个入边顶点v2，如上图圆圈2。对于顶点v1，它有一个入边顶点v2，所以它的firstin指向顶点v2的边表结点中headvex为1的结点，如上图圆圈3。

十字链表的好处就是因为把邻接表和逆邻接表整合在一起，这样既容易找到以v为尾的弧，也容易找到以v为头的弧，因而比较容易求得顶点的出度和入度。

而且除了结构复杂一点外，其实创建图算法的时间复杂度是和邻接表相同的，因此，在有向图应用中，十字链表是非常好的数据结构模型。

这里就介绍以上三种存储结构，除了第三种存储结构外，其他的两种存储结构比较简单。

所述的步骤S2中，电力系统网络拓扑可简化为图2所示：

分区A中包含500kV厂站A、220 kV厂站A1、220 kV厂站A2和220 kV厂站A3，分区B中包含500kV厂站B、220 kV厂站B1、220 kV厂站B2和220 kV厂站B3，分区C中包含500kV厂站C、220 kV厂站C1、220 kV厂站C2和220 kV厂站C3。分区A和分区B之间有边界线路AB，分区B和分区C之间有边界线路BC，分区A和分区C之间有边界线路AC，分区A和分区B之间有220 kV联络线AB，分区B和分区C之间有220 kV联络线BC，分区A和分区C之间有220 kV联络线AC。

通常情况下220kV分区联络线为断开状态，各分区独立运行，当联络线闭合时，分区合并运行。而在上层500kV厂站是闭环运行方式，因此需要预定义好500kV的分区边界线路，在拓扑搜索时找到边界线路即停止搜索，以此规则来形成分区，完成设备的分区识别。

从人工智能的观点出发，首先要对研究对象的概念进行充分的抽象和概括，操作票自动生成系统，所面临的对象是电网，电网由各个电气元件（包括一次设备和二次设备）以及它们之间的连接关系构成。对电网组成元件的抽象，是建立专家知识库的基础。

网络拓扑是根据电网中各断路器、刀闸和接地刀闸的遥信状态，通过一定的搜索算法，将各母线段元素连成某条母线，并将母线与相连的各电气元件组成电气岛，进行网络接线辨识与分析。电力系统网络结构知识的一大特点是具有层次性，即：第l层电力系统由发电厂、变电站、输电线路和负荷组成，厂站之间由输电线路构成的连接关系形成的网络层结构；第2层发电厂由发电机、变压器、厂用电、动力电源等设备组成，变电站由断路器、出线、母线、变压器、保护等一次和二次设备组成。电网结构的形成就是将发电机、变压器、母线、线路、TV、TA等主要电力设备通过断路器刀闸联系在一起。所以电网结构的知识表达按照主要电力设备类型分为以下几类：

1、变压器：主要包括变压器编号、类型（站变／非站变）、变压器各绕组节点、变压器中性点。

2、母线：主要包括母线编号、母线类型（旁母／非旁母）、母线电压等级。

3、线路：主要包括线路编号、线路类型（联络线／馈线）、端点的连接点。

4、断路器、刀闸：主要包括断路器、刀闸的编号、类型、两端的连接点。

在研究系统拓扑技术之前，需要介绍关于系统拓扑的一些基本概念。

1、电气岛：电网中连通的电气设备所组成的集合。也就是闭合断路器和刀闸连接的所有设备。

2、接地岛：电气岛中如果有接地刀闸处于合位或者电气岛中的某些设备设置了接地标示牌，则该电气岛定义为接地岛。

3、活岛：如果电气岛中存在发电机或等效电源等设备，称该电气岛为活岛。

4、逻辑母线：逻辑母线指通过一个或多个闭合断路器和刀闸相连的若干节点，最终表示了非开断设备之间的连接关系，在可以和物理母线明显区别的前提下，逻辑母线常简称为母线。

5、连通支路：电气设备的一端节点和另一端节点有路径连通，这条路径称为连通支路。

6、主岛：包含逻辑母线最多的活岛。

所述的步骤S2中，采用分区信息表来定义分区边界信息。

分区信息表的结构如下：

中文名称
		英文名称
合并标识
		合并分区ID
母线ID
		边界线路ID

所述的分区信息表中，“中文名称”一栏中填入分区的中文名称，“英文名称”一栏中填入分区的英文名称，“中文名称”和“英文名称”与该分区中的交流线段设备具有一一对应关系，如果分区之间的联络线为运行状态，则认为分区是合并的，则在“合并标识”一栏中填入“是”，“合并分区ID”一栏中填入合并的多个分区中第一个分区的ID，“母线ID”一栏中填入所有的500kV母线，“边界线路ID”一栏中填入所有的边界线路的ID。

对于如图2所示的电网拓扑系统，500kV厂站为虚拟站，站内母线未节点入库，与线路无节点连接关系，因此无法通过定义分区内母线的方式来识别分区，这里暂时利用了分界线路字段来辅助识别分区。边界线路的设计目的是作为拓扑搜索时的终止节点，而浦东系统500kV厂站的交流线段其自身恰好存在“终端”性质，因此可将分区内的500kV供电线路填入“边界线路”字段中，替代母线来完成分区识别功能。

所述的步骤S3中，通过不同分区的分区信息表中的合并标识的变化来判断电网拓扑连接是否发生变化。

所述的步骤S4包含以下步骤：

步骤S4.1、采用拓扑搜索方法依次遍历电网模型数据结构中的每一个节点，在开关断开处或分界线路处停止搜索；

步骤S4.2、搜索路径上的所有节点都属于同一个分区，为该分区内的每个设备编上分区号；

步骤S4.3、根据该分区内的交流线段设备，在分区信息表中查找到分区名称，建立分区号与分区名称的对应关系。

所述的步骤S4.1中，所述的拓扑搜索方法包含深度优先搜索和广度优先搜索。

图的遍历是从某个顶点出发，沿着某条搜索路径对图中所有顶点各作一次访问。若给定的图是连通图，则从图中任一顶点出发顺着边可以访问到该图的所有顶点。然而，图的遍历比树的遍历复杂得多，这是因为图中的任一顶点都可能和其余顶点相邻接，故在访问了某个顶点之后，可能顺着某条回路又回到了该顶点。为了避免重复访问同一个顶点，必须记住每个顶点是否被访问过。

深度优先搜索（Depth-First-Search）遍历类似于树的前序遍历。假设给定图G的初态是所有顶点均未访问过，在G中任选一顶点vi为初始出发点，则深度优先搜索可定义如下：首先，访问出发点vi，并将其标记为已访问过，然后，依次从vi出发搜索vi的每一个邻接点vj,若vj未曾访问过，则以vj为新的出发点继续进行深度优先搜索。显然上述搜索法是递归定义的，它的特点是尽可能先对纵深方向进行搜索，故称之为深度优先搜索。例如，设x是刚访问过的顶点，按深度优先搜索方法，下一步将选择一条从x出发的未检测过的边（x，y）。若发现顶点y已被访问过，则重新选择另一条从x出发的未检测过的边。若发现顶点y未曾访问过，则沿此边从x到达y，访问y并将其标记为已访问过，然后从y开始搜索，直到搜索完从y出发的所有路径，才回溯到顶点x，然后再选择一条从x出发的未检测过的边。上述过程直至从x出发的所有边都已检测过为止。此时，若x不是初始出发点，则回溯到在x之前被访问过的顶点；若x是初始出发点，则整个搜索过程结束。显然这时图G中所有和初始出发点有路径相通的顶点都已被访问过。因此，若G是连通图，则从初始出发点开始的搜索过程结束，也就意味着完成了对图G的遍历。

广度优先搜索（Breadth-First-Search）遍历类似于树的按层次遍历。设图G的初态是所有顶点均未访问过，在G中任选一顶点2为初始出发点，则广度优先搜索的基本思想是：首先访问出发点Vi，接着依次访问vi的所有邻接点wl，w2，…，wt，然后，再依次访问与wl，w2，…，wt邻接的所有未曾访问过的顶点，依此类推，直至图中所有和初始出发点v有路径相通的顶点都已访问到为止。此时，从vi开始的搜索过程结束，若G是连通图则遍历完成。显然，上述搜索法的特点是尽可能先对横向进行搜索，故称之为广度优先搜索。设x和y是两个相继被访问过的顶点，若当前是以x为出发点进行搜索，则在访问x的所有未曾访问过的邻接点之后，紧接着是以y为出发点进行横向搜索，并对搜索到的y的邻接点中尚未被访问的顶点进行访问。也就是说，先访问的顶点其邻接点亦先被访问。为此，需引进队列保存已访问过的顶点。

电网运行方式调整时可能会影响分区识别结果，引起分区的合并或解列。从软件角度来看，分区合并有以下两种情况：

1、一条边界线段在分区信息表中匹配两条或两条以上记录。此情况一般是分区信息表维护有误，并非真实分区合并。

2、同一分区的两条边界线段在分区信息表中匹配两条或两条以上记录。此情况即是分区的真实合并，本应属于两个分区的边界线段，却在拓扑搜索的过程中存在至少一条通路，使两条线段编上了同一个分区号，导致分区的合并。

在系统内联络线发生开断或模型发生变化的情况下，分区计算功能会自动触发重新计算，使设备分区信息得以实时更新，及时发现分区合并情况并立即进行调整，调整运行方式后也能立即反映解列情况，恢复电网的正常运行。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种电网自动化智能分区方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤S1、构建电网模型，将电网抽象成由顶点集和边集组成的数据结构；

步骤S2、根据电网拓扑结构定义分区边界信息；

步骤S3、判断电网拓扑连接是否发生变化，如果是，进行步骤S4；

步骤S4、对电网模型进行拓扑搜索，获得分区信息，进行步骤S5；

步骤S5、在显示设备上显示分区信息，返回步骤S2；

所述的步骤S1包含以下步骤：

步骤S1.1、将电网中的设备抽象为节点和边；

开断设备存在两个节点号，交流线段属于双节点设备，母线、终端设备属于单节点设备，三卷变压器属于三节点设备，每个节点即是一个顶点，双节点设备包含一条边，三节点设备包含两条边；

步骤S1.2、对顶点集和边集及进行整体建模，实现电网设备间连接关系的生成；

所述的步骤S2中，所述的电网拓扑结构包含若干分区、分区之间的边界线路、以及分区之间的联络线；每个分区包含500kV厂站和连接500kV厂站的若干220kV厂站；

所述的步骤S2中，采用分区信息表来定义分区边界信息；

分区信息表的结构包含：中文名称、英文名称、合并标识、合并分区ID、母线ID和边界线路ID；

所述的分区信息表中，“中文名称”一栏中填入分区的中文名称，“英文名称”一栏中填入分区的英文名称，“中文名称”和“英文名称”与该分区中的交流线段设备具有一一对应关系，如果分区之间的联络线为运行状态，则认为分区是合并的，则在“合并标识”一栏中填入“是”，“合并分区ID”一栏中填入合并的多个分区中第一个分区的ID，“母线ID”一栏中填入所有的母线，“边界线路ID”一栏中填入所有的边界线路的ID。

2.如权利要求1所述的电网自动化智能分区方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中，整体建模的方法采用有向图。

3.如权利要求2所述的电网自动化智能分区方法，其特征在于，所述的步骤S3中，通过不同分区的分区信息表中的合并标识的变化来判断电网拓扑连接是否发生变化。

4.如权利要求3所述的电网自动化智能分区方法，其特征在于，所述的步骤S4包含以下步骤：

步骤S4.1、采用拓扑搜索方法依次遍历电网模型数据结构中的每一个节点，在开关断开处或分界线路处停止搜索；

步骤S4.2、搜索路径上的所有节点都属于同一个分区，为该分区内的每个设备编上分区号；

步骤S4.3、根据该分区内的交流线段设备，在分区信息表中查找到分区名称，建立分区号与分区名称的对应关系。

5.如权利要求4所述的电网自动化智能分区方法，其特征在于，所述的步骤S4.1中，所述的拓扑搜索方法包含深度优先搜索和广度优先搜索。