CN109670199A - 一种高效的电网拓扑分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效的电网拓扑分析方法，包括：在电网中，以厂站母线或分位开关为边界，动态划分拓扑区域；将独立的拓扑区域视作一个拓扑岛对象，以一数据结构体来存储拓扑区域搜索信息，该数据结构体包括厂站母线列表、分位开关信息、拓扑岛内的接地对象、拓扑岛内的普通电气设备列表或环路上的设备信息；将拓扑分析任务拆分成了数据接收和拓扑运算两个并行的线程，周期性地扫描数据接收线程，将设备变位信息写入到数据表，针对每个变位信息生成对应的拓扑运算子任务。发明的方案减小单次拓扑搜索范围，减少设备变位时的拓扑搜索次数，极大提高了配电网拓扑分析效率。

Description

一种高效的电网拓扑分析方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高效的电网拓扑分析方法及装置。

背景技术

配电网承担着向各个电力用户输送和分配电能的任务，大型城市的配电网是一个庞大的电力网络系统。随着配电自动化程度的不断提高，传统的配电主站拓扑分析功能已经无法满足配电网的动态拓扑分析需求。特别是在台风雷暴等极端天气或其他大面积停电情况下，配电终端将在短时间内上报大量遥信变位和SOE数据，形成“雪崩”效应，往往会导致传统的电网拓扑分析软件的数据队列堵塞甚至系统瘫痪。因此，开发一套能够自如应对“雪崩”场景的高性能电网拓扑分析软件，具有十分重大的意义。

发明内容

针对目前配电网拓扑分析软件所涉电网规模庞大、设备数量繁多、分析耗时长、特别是在“雪崩”场景下容易出现队列堵塞甚至系统瘫痪的问题，本发明提供一种高效的电网拓扑分析方法及装置，可以快速响应拓扑状态变化需求。

本发明的技术方案第一方面为一种高效的电网拓扑分析方法，所述方法包括以下步骤：

A、在电网中，以厂站母线或分位开关为边界，动态划分拓扑区域；

B、将独立的拓扑区域视作一个拓扑岛对象，以一数据结构体来存储拓扑区域搜索信息，该数据结构体包括厂站母线列表、分位开关信息、拓扑岛内的接地对象、拓扑岛内的普通电气设备列表或环路上的设备信息；

C、将拓扑分析任务拆分成了数据接收和拓扑运算两个并行的线程，周期性地扫描数据接收线程，将设备变位信息写入到数据表，针对每个变位信息生成对应的拓扑运算子任务，其中每个拓扑运算子任务以变位开关自身所处的节点为起始点，并且以所处的拓扑岛边界为终止点。

进一步，在执行所述步骤A之前，还包括：

根据接地线路、停电线路、正常供电线路或合环运行线路，预定义多个子区域。

进一步，所述步骤C包括：

通过数据接收线程，将设备变位信息存入无锁哈希表中；

通过拓扑运算的调度线程从该无锁哈希表读取相关信息后再清除。

进一步，所述步骤C还包括：

拓扑运算线程并行执行一个或多个拓扑运算子任务，其中每个拓扑运算子任务用于搜索拓扑岛对象中的电力设备。

进一步，在所述步骤C中，每个拓扑运算子任务包括以下步骤：

S301、拓扑搜索下一设备；

S302、判断是否是拓扑岛的边界设备，是则执行下一步骤，否则执行步骤S305；

S303、判断拓扑岛的双侧是否都有电源，是则将当前设备信息写入环网设备表然后返回步骤S301，否则将当前设备信息写入普通电气设备表然后执行步骤S304；

S304、判断是否是接地线路，是则将当前设备信息写入接地设备表然后返回步骤S301，否则直接返回步骤S301；

S305、判断是否是母线电源设备，是则将当前设备信息写入母线电源表，否则写入分位开关表；

S306、完成该拓扑岛的拓扑状态的确定。

进一步，在所述步骤C中，对于多个拓扑运算子任务，采用OpenMP并行计算技术进行并行任务调度管理。

本发明的技术方案第二方面为一种计算机装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

本发明的技术方案第三方面为一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

本发明的有益效果为：

(1)按照合理规则将电网划分为多个拓扑区域，减小单次拓扑分析的搜索范围

①配网拓扑分析以厂站母线为边界，将电网划分为上级电网和本级电网

②对于本级电网，以配电线为单位实施拓扑区域划分，每条配电线路都是一个相对独立的拓扑区域。

③对于停电区域，以处于分断状态的开关为边界，进一步减小单次拓扑分析的搜索范围。

(2)采用“先拓扑搜索后状态分析”的软件处理流程，有效减少拓扑搜索次数。

①基于设备连接关系进行拓扑搜索并记录为适合状态分析的简单数据结构。

②然后根据拓扑搜索结果实施综合拓扑分析，从而实现一次检索确定多种拓扑状态：接地、停电、带电、合环等等。

(3)提供强大的并行处理机制，可以同时处理很多个设备变位事件。

①通过“两段式”处理，把数据接收和拓扑运算分开。

②采用无锁哈希表进行数据存储，提供卓越的多线程并发访问支持，并抑制单一设备的高频抖动变位。

③采用OpenMp技术实现多任务并行处理，充分利用服务器的多核cpu资源。

附图说明

图1所示为根据本发明的方法的总体流程图。

图2所示为根据本发明的方法中的拓扑分析整体流程图。

图3所示为根据本发明的方法中的拓扑运算子任务流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

电网拓扑分析是指根据电网连接关系和设备的运行状态进行动态分析，从而确定系统中各种电气设备的带电状态，分析电源点和供电路径，以便于电网调控人员直观掌控电网运行状态、供电关系、故障影响范围等。本发明采取了多项措施以提高电网拓扑分析的综合性能，下面结合附图进行详细说明。

(1)划分拓扑区域

鉴于配电网是一个规模庞大的网络，因此把电网划分为很多个相对独立的区域，使得每次的拓扑分析都可以限定在一个较小的范围内进行，对提高配电网拓扑软件性能有着重要意义。根据配电网自身的特点，可以按照以下原则进行拓扑区域划分：

①以厂站母线为边界，把将电网划分为上级电网和本级电网。

厂站母线既是拓扑的区域边界，也被视作本级电网的电源点。上级电网拓扑发生变化，会影响该母线下辖的所有配电线电气拓扑(即上级电网运行方式变化导致厂站母线的供电/停电状态发生变化，则该母线锁连接的全部馈线需要重新做一遍拓扑分析)；而本级电网拓扑发生变化，不会影响上级电网的电气拓扑状态。

附图1所示的简单电气接线图中，蓝色虚线框划分的区域均属各种拓扑区域。其中，“上级电网1”、“上级电网2”所属区域为上级电网，其他区域为本级电网。

②以厂站母线为起点，以处于分位状态的开关为终点，将本级电网划分为若干个配电线区域。

即按照配电线的实时供电范围划分电气拓扑区域。鉴于配电网“闭环设计、开环运行”的现状，绝大多数配电线在运行期间都处于“辐射型”供电模式，每条配电线路都是一个天然独立的拓扑区域。

特别地，在实施线路倒闸操作的过程中，线路之间可能发生短时间的合环运行状态。对于合环两侧线路，在搜索过程中找不到处于分位状态的开关，将会搜索到另一端的厂站母线后终止。其结果是把两条构成合环的线路合并在一起，成为一个共同的拓扑区域。

如附图1所示，“配电线1”～“配电线6”都是配电线区域；特别地，“配电线3”和“配电线4”共同构成一个环网线路区域。

③对于其他情况，以处于分位状态的开关为边界，划分为若干个相对独立的停电区域

如附图1所示，“接地区域n1”和“接地区域n2”都是以分位开关为边界的拓扑区域。

附图1中，各个配电线区域和停电区域都属于本级电网，其特征是区域内的设备状态发生变化，只会影响本区域的拓扑状态，而不会让影响蔓延到其他拓扑区域。一般地，配电网采集到的绝大多数状变信息都是在本级电网发生的。因此，此种拓扑区域划分方法可以把绝大多数的拓扑分析范围限定在一个很小的局部区域内。

(2)拓扑搜索方法及拓扑状态的确定

电网设备的电气拓扑状态有多种：接地、停电、带电、合环等。出于提高拓扑分析性能的目标，应尽可能减少拓扑搜索的次数。为了能够借助一次拓扑搜索确定全部拓扑状态，需要在拓扑搜索过程中存储相关信息。

为了方便计算机编程，把前述章节划分拓扑区域的原则进一步抽象合并，形成一条更一般的原则：在本级电网中，以厂站母线或分位开关为边界，动态划分拓扑区域。

本发明运用拓扑岛的概念来存储拓扑区域搜索信息：把一个相对独立的拓扑区域视作一个拓扑岛对象，拓扑岛的边界为厂站母线(电源点母线)和分位开关。对应的数据结构定义如下：

以任意一个电气设备为起点进行拓扑岛搜索，并把搜索到的相关设备信息存储到上面的结构体中，随后即可确定拓扑岛内任意设备的电气状态：

①当母线电源点vecPowerBus中存在多个对象时，该电气岛处于环网运行状态。其中环网路径上的设备存在vecLoopPath中，其他设备vecDevice均处于带电状态。

②当母线电源点vecPowerBus中存在唯一对象时，该电气岛处于单一电源供电状态。此时vecLoopPath为空，岛内电气设备vecDevice均处于带电状态。

③当母线电源点vecPowerBus为空时，该电气岛处于停电状态。此时vecLoopPath为空。继续考察岛内的接地对象vecGroundObject，如果无接地对象，则岛内电气设备vecDevice均处于停电状态；如果存在接地情况，则岛内电气设备vecDevice均处于接地状态。

如附图1所示，电气接线图上用不同的线条，标示了各个拓扑岛的不同电气拓扑状态(接地、停电、带电、合环等)。

(3)并行拓扑分析

前述方法(1)(2)主要阐述如何缩短单次拓扑分析时间的问题(减小拓扑分析范围+最低拓扑搜索次数)，已经足以满足一般应用场景下的性能要求。

但是，“雪崩测试”要求拓扑分析软件可以每秒响应3000次的开关变位事件，如果采用传统的串行处理流程，即使单次开关变位的综合分析时间缩短到1毫秒以内，仍然不能满足“雪崩”式冲击。为了解决这个问题，可以进一步采用并行拓扑分析方案。

一般地，前置服务会把开关变位信息以“消息队列”的方式通知拓扑分析软件。“队列”为一种先进先出的数据结构，是一种典型的串行处理模式：只有前一个变位信息处理完毕，才会接收后一个变位。当短时间内有大量变位事件产生(例如“雪崩”)，就容易导致消息队列堵塞甚至系统崩溃。需要采取一些特别的措施，从而实现串行任务的并行化分解。

将拓扑分析过程分段进行：

把拓扑分析过程拆分成两个阶段性任务：1:数据接收，2：拓扑运算。

如前所述，“消息队列”的通信模式决定了数据接收过程只能以串行方式进行。那么，为了避免队列堵塞，应该让数据接收线程做的工作尽量简单，而把后续的拓扑运算交给其他线程执行。这样，就把一个拓扑分析任务拆分成了“数据接收”和“拓扑运算”两个可以并行运转的子任务。

“数据接收”线程将设备变位信息存入一个无锁哈希表(Concurrent Hash Map)中；“拓扑运算”的调度线程从该无锁哈希表读取相关信息后再予清除。无锁哈希表确保了线程对数据防问的原子操作，可以有效节省软件在线程同步上的时间开销。

另外，哈希表的<key,value>存储模式，会起到自动抑制高频抖动变位的作用：比如，同一设备在一个扫描周期中发生多次抖动变位，因其设备key相同，最终只有最后一次变位被写入哈希表中，避免了在一次扫描周期内对同一设备重复执行拓扑分析。

把“拓扑运算”拆分成多个独立子任务：

方法(1)描述的拓扑区域划分，已经为并行拓扑运算奠定了良好基础：允许系统同时在多个独立区域实施拓扑分析而互不影响。

具体方法是：周期性(例如以5毫秒为周期)扫描“数据接收”线程写入到无锁哈希表的开关变位信息，针对每个变位信息生成对应的拓扑运算子任务。每个拓扑运算子任务涉及的拓扑范围是：以变位开关自身所处的节点为起始点，以所处的拓扑岛边界为终止点。对于多个拓扑运算子任务，使用OpenMP并行计算技术进行并行任务调度管理，充分发挥服务器的多核cpu计算性能。

整体处理流程如附图2所示。流程包括以下步骤：

S201、配置开关变位消息队列；

S202、启动数据接收线程；

S203、接入变位信息无锁哈希表；

S203、进行给定的周期扫描；

S204、使用OpenMP并行计算技术进行并行任务调度管理；

S205、并行执行每个拓扑运算子任务。

拓扑运算子任务的流程见图3。流程包括以下步骤：

S301、拓扑搜索下一设备；

S302、判断是否是拓扑岛的边界设备，是则执行下一步骤，否则执行步骤S305；

S303、判断拓扑岛的双侧是否都有电源，是则将当前设备信息写入环网设备表然后返回步骤S301，否则将当前设备信息写入普通电气设备表然后执行步骤S304；

S304、判断是否是接地线路，是则将当前设备信息写入接地设备表然后返回步骤S301，否则直接返回步骤S301；

S305、判断是否是母线电源设备，是则将当前设备信息写入母线电源表，否则写入分位开关表；

S306、完成该拓扑岛的拓扑状态的确定。

综上所述，本发明通过“减小单次拓扑搜索范围，减少设备变位时的拓扑搜索次数，采用智能适应的并行拓扑处理机制”等设计方法，大大提高了配电网拓扑分析软件性能。按照我国配电网的雪崩测试环境(配置300个配电采集终端，每个终端每2秒上送20个遥信变位、20个SOE、80个变化遥测，即每秒总计3000个遥信变位请求)进行验证，本软件可以轻松满足各项雪崩测试性能指标，提供流畅的操作体验和稳定的服务支撑，并支持在雪崩模式下同时提供其他方面的拓扑分析支持(如拓扑着色、故障处理、防误校核、潮流计算等)。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (8)

1.一种高效的电网拓扑分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、在电网中，以厂站母线或分位开关为边界，动态划分拓扑区域；

B、将独立的拓扑区域视作一个拓扑岛对象，以一数据结构体来存储拓扑区域搜索信息，该数据结构体包括厂站母线列表、分位开关信息、拓扑岛内的接地对象、拓扑岛内的普通电气设备列表或环路上的设备信息；

C、将拓扑分析任务拆分成了数据接收和拓扑运算两个并行的线程，周期性地扫描数据接收线程，将设备变位信息写入到数据表，针对每个变位信息生成对应的拓扑运算子任务，其中每个拓扑运算子任务以变位开关自身所处的节点为起始点，并且以所处的拓扑岛边界为终止点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行所述步骤A之前，还包括：

根据接地线路、停电线路、正常供电线路或合环运行线路，预定义多个子区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：

通过数据接收线程，将设备变位信息存入无锁哈希表中；

通过拓扑运算的调度线程从该无锁哈希表读取相关信息后再清除。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

拓扑运算线程并行执行一个或多个拓扑运算子任务，其中每个拓扑运算子任务用于搜索拓扑岛对象中的电力设备。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤C中，每个拓扑运算子任务包括以下步骤：

S301、拓扑搜索下一设备；

S302、判断是否是拓扑岛的边界设备，是则执行下一步骤，否则执行步骤S305；

S303、判断拓扑岛的双侧是否都有电源，是则将当前设备信息写入环网设备表然后返回步骤S301，否则将当前设备信息写入普通电气设备表然后执行步骤S304；

S304、判断是否是接地线路，是则将当前设备信息写入接地设备表然后返回步骤S301，否则直接返回步骤S301；

S305、判断是否是母线电源设备，是则将当前设备信息写入母线电源表，否则写入分位开关表；

S306、完成该拓扑岛的拓扑状态的确定。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤C中，对于多个拓扑运算子任务，采用OpenMP并行计算技术进行并行任务调度管理。

7.一种计算机装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

A、在电网中，以厂站母线或分位开关为边界，动态划分拓扑区域；

B、将独立的拓扑区域视作一个拓扑岛对象，以一数据结构体来存储拓扑区域搜索信息，该数据结构体包括厂站母线列表、分位开关信息、拓扑岛内的接地对象、拓扑岛内的普通电气设备列表或环路上的设备信息；

C、将拓扑分析任务拆分成了数据接收和拓扑运算两个并行的线程，周期性地扫描数据接收线程，将设备变位信息写入到数据表，针对每个变位信息生成对应的拓扑运算子任务，其中每个拓扑运算子任务以变位开关自身所处的节点为起始点，并且以所处的拓扑岛边界为终止点。

8.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

A、在电网中，以厂站母线或分位开关为边界，动态划分拓扑区域；

B、将独立的拓扑区域视作一个拓扑岛对象，以一数据结构体来存储拓扑区域搜索信息，该数据结构体包括厂站母线列表、分位开关信息、拓扑岛内的接地对象、拓扑岛内的普通电气设备列表或环路上的设备信息；

C、将拓扑分析任务拆分成了数据接收和拓扑运算两个并行的线程，周期性地扫描数据接收线程，将设备变位信息写入到数据表，针对每个变位信息生成对应的拓扑运算子任务，其中每个拓扑运算子任务以变位开关自身所处的节点为起始点，并且以所处的拓扑岛边界为终止点。