CN109033603B - 基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法，对智能变电站中的，构造智能变电站继电保护装置仿真系统，确定元件类型，构建元件信息库并生成信息传递有向图，据此以各个输出节点为根节点生成源流路径链，在生成过程中将分裂节点采用本身节点和虚拟节点表示，将所有源流路径链构成源流路径集合；再依据元件信息库中记录的元件属性和元件计算规则，通过源流路径逐层进行仿真计算，最终输出仿真结果。本发明对源流路径链的生成方法进行改进，提高仿真运算效率。

Description

基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法。

背景技术

智能变电站的“三层两网”结构由站控层、过程层、间隔层以及站控层网络、过程层网络组成，其中间隔层包括了保护装置、层控装置、计量装置以及其他安稳、监控等装置，而智能变电站的二次系统本质上是一个信息交换的系统，通过这些先进、可靠、集成、环保的装置，对信息的进行传递与处理。每一种装置内部都是由大量的电力系统继电保护基本元件构成，它们之间通过复杂的网络连接在一起，并通过信息共享的方式使各个装置在智能变电站中协同工作。

智能变电站仿真技术通过模拟智能变电站网络结构，对装置中每一个元件建模，并依据实际设备搭建智能变电站二次系统。系统将信息输入元件作为输入源，将信息接收元件与信息处理元件作为信息流，对装置内所有元件构造源流路径链，可以将保护装置内部相互独立的元件串联起来，构成一个完整的网络拓扑信息集合。构造该集合的目的是为了快速、准确、全面的识别智能变电站保护行为逻辑，完成保护装置计算，并输出正确的仿真结果。

文献“姚玉斌.基于邻接矩阵准平方法网络拓扑分析[J].电力系统保护与控制,2012,40(6):17-21.”提出了基于邻接矩阵准平方法的网络拓扑分析方法，该方法通过构造邻接矩阵，并对其进行一次矩阵平方运算，得到该网络拓扑的联通矩阵并进行逆序扫描，得到网络分析结果。该方法构建邻接矩阵的本质是为了确定两个元件之间是否联通，对于智能变电站二次系统而言，得到的邻接矩阵大部分为稀疏对称矩阵。当矩阵维数过高时，会占用系统很大的内存，降低计算效率。另外，当仿真系统设置某一元件发生故障，矩阵的维数将随之变化，则需要重新构造邻接矩阵。因此，该方法不适用于智能变电站二次系统保护仿真。

文献“张富超，钟成元，张富春，等.基于源流路径剖分的输电断面快速搜索[J].电力系统保护与控制，2015(12):8-13.”提出了一种基于源流路径剖分的输电断面快速搜索算法。该文献介绍了网络拓扑分析与构造源流路径链的基本方法。然而，各输入源与信息流之间的路径链不是相互独立的，对于多输入、多输出的元件而言，它们的拓扑关系存在交错重叠的现象，重复构造源流路径链，会造成的数据信息的冗余，降低计算效率。另外，该方法采用两轮拓扑分析，分开生成路径树与构造源流路径链，增加了算法的时间复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法，对源流路径链的生成方法进行改进，提高仿真运算效率。

为实现上述发明目的，本发明基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法包括以下步骤：

S1：构造智能变电站继电保护装置仿真系统，根据智能变电站的结构确定继电保护装置的层次，然后逐层构建继电保护装置的内部电路图；对于每层继电保护装置，获取其中元件信息和元件之间的网络拓扑信息，按照以下方法确定各元件的类型：

1)将无输入、单输出的元件所在节点作为输入节点；

2)将单输入、单输出的元件和多输入、单输出的元件所在节点作为中间节点；

3)将单输入、无输出的元件和多输入、无输出的元件以及接入终端的元件所在节点作为输出节点；

4)将单输入、多输出的元件和多输入、多输出的元件所在节点作为分裂节点；

将元件信息和元件类型作为元素构建元件信息库，然后根据信息传递的方向构建二次系统的信息传递有向图；

S2：基于分裂节点进行源流路径集合构造，具体方法如下：

S2.1：从元件信息库中获取二次系统中的所有输出节点，记其集合为O；

S2.2：从集合O中选择一个输出节点作为新源流路径链的根节点，并将其从集合O中删除，初始化节点层数i＝1，即定义根节点所在层为第1层；

S2.3：对于第i层中的每个节点，如果该节点是输入节点或分裂节点的虚拟节点，则不作任何操作，如果该节点是中间节点或分裂节点的本身节点，则根据信息传递有向图获取与该节点直接连接的节点作为第i+1层的节点，当直接连接节点为分裂节点时，则进一步判断该分裂节点是否已经被先前构建的源流路径链使用，如果是，则将本源流路径链中该分裂节点设置为虚拟节点，将该虚拟节点的值链接至对应本身节点的值，否则将本源流路径链中该分裂节点设置为本身节点；

S2.4：判断第i+1层节点数量是否为0，如果不为0，进入步骤S2.5，如果为0，则本源流路径链构建完毕，进入步骤S2.6；

S2.5：令i＝i+1，返回步骤S2.3；

S2.6：判断集合O是否为空，如果不为空，则返回步骤S2.2，否则进入步骤S2.7；

S2.7：将得到的所有源流路径链构成源流路径集合；

S3：根据预设的二次系统仿真周期和仿真步长，计算出仿真周期和需要仿真运算的次数，据此进行二次系统仿真，每次仿真的过程如下：

对所有源流路径链进行并行计算，对于每个源流路径链，从输入节点开始，逐层从元件信息库中读取当前层包含的元件信息和元件计算规则进行计算，直到输出节点得到输出结果，当计算过程中计算至分裂节点的虚拟节点时，则查询对应的本身节点是否存在值，如果存在，则将本身节点的值作为虚拟节点的值进行计算，如果不存在，则等待本身节点计算出值后再继续计算。

本发明基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法，对智能变电站中的，构造智能变电站继电保护装置仿真系统，确定元件类型，构建元件信息库并生成信息传递有向图，据此以各个输出节点为根节点生成源流路径链，在生成过程中将分裂节点采用本身节点和虚拟节点表示，将所有源流路径链构成源流路径集合；再依据元件信息库中记录的元件属性和元件计算规则，通过源流路径逐层进行仿真计算，最终输出仿真结果。

本发明具有以下有益效果：

1)与传统的构造源流路径链或源流路径表解决智能变电站仿真问题相比，本发明通过改进源流路径集合的构造方法，引入虚拟节点，简化了源流路径链，降低复杂度；

2)当智能变电站中某一个节点属性或连接关系发生变化，只需局部重构源流路径，不会对其他节点或源流路径链产生影响，提高了仿真效率。

附图说明

图1是本发明基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法的具体实施方式流程图；

图2是本实施例中电力系统主变保护仿真装置结构示意图；

图3是本发明中基于分裂节点的源流路径集合构造方法的流程图；

图4是某子系统的信息传递有向图；

图5是图4所示子系统的源流路径链示意图；

图6是图4所示子系统的源流路径链邻接表示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法包括以下步骤：

S101：构建二次系统信息库：

本发明中智能变电站的二次系统信息库包括两个部分：元件信息库和信息传递有向图，构建方法如下：

构造智能变电站继电保护装置仿真系统，根据智能变电站的结构确定继电保护装置的层次，然后逐层构建继电保护装置的内部电路图。对于每层继电保护装置，获取其中元件信息和元件之间的网络拓扑信息，按照以下方法确定各元件的类型：

1)将无输入、单输出的元件所在节点作为输入节点；

2)将单输入、单输出的元件和多输入、单输出的元件所在节点作为中间节点；

3)将单输入、无输出的元件和多输入、无输出以及接入终端的元件所在节点作为输出节点；

4)将单输入、多输出的元件和多输入、多输出的元件所在节点作为分裂节点。

将元件信息和元件类型作为元素构建元件信息库，然后根据信息传递的方向构建二次系统的信息传递有向图。

图2是本实施例中电力系统主变保护仿真装置结构示意图。如图2所示，本实施例中主变保护装置内部分别由输入管理单元、信号处理单元、定值管理单元、基本参数计算单元、通用判据单元、角度变换单元、差动保护单元、高后备单元组成，每个单元内部都有各自的子系统集合，需要逐个构建各个单元对应子系统的仿真电路图，然后构建元件信息库，生成信息传递有向图，构建得到二次系统信息库。

S102：生成源流路径集合：

接下来需要基于已有的元件信息库，构建源流路径集合。对于每个层次的继电保护装置而言，可能存在一个输出节点，也可能存在多个输出节点，每个输出节点都对应一个子系统，因此本发明根据输出节点来生成每个子系统的源流路径链。而各个子系统之间可能存在关联(即分裂节点)，因此各个源流路径链之间不是相互独立的关系，如果要统一生成这些存在关联的源流路径链，其复杂度较高。因此，本发明提出了一种基于分裂节点的源流路径集合方法。图3是本发明中基于分裂节点的源流路径集合构造方法的流程图。如图3所示，本发明中基于分裂节点的源流路径集合构造方法的具体步骤包括：

S301：初始化输出节点集合：

从元件信息库中获取二次系统中的所有输出节点，记其集合为O。

S302：选择输出节点：

从集合O中选择一个输出节点作为新源流路径链的根节点，并将其从集合O中删除，初始化节点层数i＝1，即定义根节点所在层为第1层。

S303：获取直接连接节点：

对于第i层中的每个节点，如果该节点是输入节点或分裂节点的虚拟节点，则不作任何操作，如果该节点是中间节点或分裂节点的本身节点，则根据信息传递有向图获取与该节点直接连接的节点作为第i+1层的节点，当直接连接节点为分裂节点时，则进一步判断该分裂节点是否已经被先前构建的源流路径链使用，如果是，则将本源流路径链中该分裂节点设置为虚拟节点，将该虚拟节点的值链接至对应本身节点的值，否则将本源流路径链中该分裂节点设置为本身节点。

可见，在本发明中，对于分裂节点的处理分为本身节点和虚拟节点两种，当采用本身节点时，还会继续查找直接连接节点生成子树，当采用虚拟节点时，不再继续查找，而是将值链接至本身节点，从而简化源流路径链。

S304：判断第i+1层节点数量是否为0，如果不为0，进入步骤S305，如果为0，则本源流路径链构建完毕，进入步骤S306。

S305：令i＝i+1，返回步骤S303。

S306：判断输出节点集合O是否为空，如果不为空，则返回步骤S302，否则进入步骤S307。

S307：得到源流路径集合：

将得到的所有源流路径链构成源流路径集合。

根据本发明中源流路径集合构造的具体方法可知，得到的源流路径集合中包含智能变电站二次系统的继电保护装置中各个图层所有子系统的源流路径链。

为了更好地说明源流路径链的生成过程，采用一个具体实例进行说明。图4是某子系统的信息传递有向图。如图4所示，该信息传递有向图中存在12个节点，其中节点1为输出节点，节点2、3、5、6、8为中间节点，节点4、7、10、11、12为输入节点，节点9为分裂节点。在建立源流路径链时，对于第3层节点，对于节点5而言，直接连接的节点9为分裂节点，因此将该节点设置为节点9的本身节点。对于节点6而言，直接连接的节点9为分裂节点，由于节点9的本身节点已被使用，因此将该节点设置为节点9的虚拟节点。图5是图4所示子系统的源流路径链示意图。图6是图4所示子系统的源流路径链邻接表。

本发明中将分裂节点采用一个本身节点和若干虚拟节点来表示，在进行后续仿真计算时，虚拟节点的值是链接至本身节点的。因此在仿真时，虚拟节点所在源流路径链需要等待本身节点所在源流路径链计算到该分裂节点时，方能继续计算。因此，为了便于后续仿真计算，可以对分裂节点的本身节点进行集中化处理，令分裂节点的本身节点尽量集中在少数几个源流路径链中，以后续仿真计算时，可以先计算这些源流路径链，从而提高仿真计算的效率。本实施例中提出的集中化处理方法为：将所有源流路径链按照分裂节点的数量从大到小进行排序，然后倒序对源流路径链进行遍历，如果该源流路径链中存在分裂节点的本身节点，查询得到包含该分裂节点的虚拟节点的源流路径链中序号最前的源流路径链，将该源流路径链中的虚拟节点与本身节点及其子树进行交换，直到所有源流路径链遍历完毕。

S103：二次系统仿真计算：

利用步骤S102得到的源流路径集合，结合元件信息库中的元件信息与运算规则，对该继电保护装置进行仿真运算，仿真计算的具体方法如下：

由于继电保护装置内部的输入元件的输入信息随时间变化，所以需要对系统进行周期性仿真。根据预设的二次系统仿真周期和仿真步长，计算出仿真周期和需要仿真运算的次数，据此进行二次系统仿真，每次仿真的过程如下：

对所以源流路径链进行并行计算，对于每个源流路径链，从输入节点开始，逐层从元件信息库中读取当前层包含的元件信息和元件计算规则进行计算，直到输出节点得到输出结果，当计算过程中计算至分裂节点的虚拟节点时，则查询对应的本身节点是否存在值，如果存在，则将本身节点的值作为虚拟节点的值进行计算，如果不存在，则等待本身节点计算出值后再继续计算。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用传统的基于邻接矩阵的二次系统仿真方法作为对比方法。表1是本发明与对比方法的复杂度对比表。

	时间复杂度	空间复杂度
			邻接矩阵	O(N<sup>2</sup>)	O(N<sup>2</sup>)
源流路径链	O(NlogN)	O(NlogN)

表1

表1中N表示二次系统中节点数量。如表1所示，本发明基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法的时间复杂度的空间复杂度均低于传统方法，可见，本发明可以有效提高仿真效率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于源流路径链的智能变电站二次系统仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构造智能变电站继电保护装置仿真系统，根据智能变电站的结构确定继电保护装置的层次，然后逐层构建继电保护装置的内部电路图；对于每层继电保护装置，获取其中元件信息和元件之间的网络拓扑信息，按照以下方法确定各元件的类型：

1)将无输入、单输出的元件所在节点作为输入节点；

2)将单输入、单输出的元件和多输入、单输出的元件所在节点作为中间节点；

3)将单输入、无输出的元件和多输入、无输出的元件以及接入终端的元件所在节点作为输出节点；

4)将单输入、多输出的元件和多输入、多输出的元件所在节点作为分裂节点；

将元件信息和元件类型作为元素构建元件信息库，然后根据信息传递的方向构建二次系统的信息传递有向图；

S2：基于分裂节点进行源流路径集合构造，具体方法如下：

S2.1：从元件信息库中获取二次系统中的所有输出节点，记其集合为O；

S2.2：从集合O中选择一个输出节点作为新源流路径链的根节点，并将其从集合O中删除，初始化节点层数i＝1，即定义根节点所在层为第1层；

S2.3：对于第i层中的每个节点，如果该节点是输入节点或分裂节点的虚拟节点，则不作任何操作，如果该节点是中间节点或分裂节点的本身节点，则根据信息传递有向图获取与该节点直接连接的节点作为第i+1层的节点，当直接连接节点为分裂节点时，则进一步判断该分裂节点是否已经被先前构建的源流路径链使用，如果是，则将本源流路径链中该分裂节点设置为虚拟节点，将该虚拟节点的值链接至对应本身节点的值，否则将本源流路径链中该分裂节点设置为本身节点；

S2.4：判断第i+1层节点数量是否为0，如果不为0，进入步骤S2.5，如果为0，则本源流路径链构建完毕，进入步骤S2.6；

S2.5：令i＝i+1，返回步骤S2.3；

S2.6：判断集合O是否为空，如果不为空，则返回步骤S2.2，否则进入步骤S2.7；

S2.7：将得到的所有源流路径链构成源流路径集合；

S3：根据预设的二次系统仿真周期和仿真步长，计算出仿真周期和需要仿真运算的次数，据此进行二次系统仿真，每次仿真的过程如下：

对所以源流路径链进行并行计算，对于每个源流路径链，从输入节点开始，逐层从元件信息库中读取当前层包含的元件信息和元件计算规则进行计算，直到输出节点得到输出结果，当计算过程中计算至分裂节点的虚拟节点时，则查询对应的本身节点是否存在值，如果存在，则将本身节点的值作为虚拟节点的值进行计算，如果不存在，则等待本身节点计算出值后再继续计算。

2.根据权利要求1所述的智能变电站二次系统仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括对源流路径集合中的源流路径链进行集中化处理，具体方法为：将所有源流路径链按照分裂节点的数量从大到小进行排序，然后倒序对源流路径链进行遍历，如果该源流路径链中存在分裂节点的本身节点，查询得到包含该分裂节点的虚拟节点的源流路径链中序号最前的源流路径链，将该源流路径链中的虚拟节点与本身节点及其子树进行交换，直到所有源流路径链遍历完毕。

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