CN109830954A - 适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，包括源数据中的数据表，通过拼合所述数据表的拓扑信息来生成全拓扑结构，并解构所述全拓扑结构中的支路和处理单端点元件，得到全拓扑信息表T、节点信息表F；将所述全拓扑结构中的输电线路支路移除，得到若干彼此孤立的厂站，并通过基于非输电支路‑节点关联矩阵对所述厂站进行辨识后，搜索出所有厂站信息，并制得电气节点‑站点对应表，最后根据厂站信息对站点进行自动命名；通过处理所述全拓扑信息表T、节点信息表F、非输电支路‑节点关联矩阵的行和列以及厂站信息完成站内拓扑识别；通过站内拓扑识别、厂站信息，并基于输电支路‑节点关联矩阵完成站间拓扑识别。

Description

适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法

技术领域

本发明涉及适用于电力系统仿真分析技术领域，具体涉及适用于电网可视化仿真模型自 动生成的拓扑分层识别方法。

背景技术

随着电力系统的发展，电磁暂态仿真已成为现代电力系统分析的必要手段。由于大型电 网电磁暂态建模工作量大、易出错，利用已有机电暂态仿真数据自动生成电磁暂态仿真的基 础数据文件和可视化仿真模型，成为提高建模效率和准确性的有效方法。目前主流电磁暂态 仿真程序(如PSACD、ADPSS等)均具备仿真数据的单线图交互及模块化封装功能，当仿 真节点数较少时，仿真模型可用单线图清晰展示，但在实际大型电网电磁暂态仿真时，由于 其节点数较多，单线图将相互交织、难以清晰布局，往往需按实际厂站对仿真节点进行封装， 以形成清晰的站间布局和站内布局。因此，在可视化仿真模型自动生成时，为保证自动生成 的电磁暂态模型布局清晰、层次清楚、修改便捷，有必要从大规模电网仿真数据中自动识别 出所有节点的厂站归属、站内设备连接关系以及厂站之间的拓扑连接，并根据“站间拓扑+ 站内拓扑”的分层结构进行厂站布局和参数映射。

目前的电网拓扑识别工作大多限于网络的单层拓扑识别，未涉及如何将站间拓扑和站内 拓扑分层识别和布局的问题。相关文献提出一种配电网分层拓扑模型，但其研究对象为辐射 型的中压配电网，不适用于大规模复杂主网拓扑辨识。也有相关文献提出一种基于孤岛搜索 的电力系统拓扑分层方法，利用深度优先搜索算法进行孤岛搜索，可适用于常规省级规模电 网的拓扑识别，但在处理区域级及以上的大型电网或站内节点数巨多的电网数据时运算效率 较低，甚至无法计算。因此，传统方法均难直接适应现代大型电网电磁暂态可视化仿真模型 自动生成中电网拓扑分层识别的分析需要。

发明内容

本发明针对大型电网电磁暂态可视化仿真模型自动生成按实际厂站对仿真节点进行封装 的需求，提出适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，该方法可基于现有 机电暂态仿真数据，快速可靠地识别出“站间拓扑+站内拓扑”，并按需处理数据中的零阻抗 支路，为后续拓扑布局和参数映射工作提供拓扑结构和数据索引，且该发明也可用于大型电 网的其他可视化建模和自动成图领域。

本发明通过下述技术方案实现：

适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，包括以下步骤：

步骤A、通过拼合所述源数据中的数据表的拓扑信息来生成全拓扑结构，并解构所述 全拓扑结构中的支路和处理单端点元件，得到全拓扑信息表T、节点信息表F；

步骤B、将所述全拓扑结构中的输电线路支路移除，得到若干彼此孤立的厂站，并通 过基于非输电支路-节点关联矩阵对所述厂站进行辨识后，搜索出所有厂站信息，并制得电气 节点-站点对应表，最后根据厂站信息对站点进行自动命名；

步骤C、通过处理所述全拓扑信息表T、节点信息表F、非输电支路-节点关联矩阵的行和列以及厂站信息完成站内拓扑识别；

步骤D、通过站内拓扑识别、厂站信息，并基于输电支路-节点关联矩阵完成站间拓扑识别。

进一步的，所述全拓扑结构指由所有电气节点和全部元件所确定的拓扑结构，所述全拓 扑结构为单层拓扑结构。

进一步的，所述源数据为已有的机电暂态仿真数据。

进一步的，所述对源数据进行预处理的步骤还包括对单端点元件的处理。

进一步的，所述对源数据进行预处理的步骤还包括：对所述源数据中的数据表的拓扑信 息中所含有的孤岛进行辨识，生成相应初始拓扑的全拓扑信息表T和节点信息表F。

进一步的，所述步骤B厂站信息搜索的具体步骤如下：

B1、根据全拓扑信息表T生成描述全拓扑结构的支路-节点关联矩阵R₀；

B2、从支路-节点关联矩阵R₀中将输电线路支路移除，得到描述下层拓扑的非输电支 路-节点关联矩阵R₁；

B3、利用基于关联矩阵的连通片辨识方法对关联矩阵R₁进行连通片辨识，其中所述 每一个连通片代表一个厂站，搜索出所有厂站，并制得电气节点-站点对应表；

B4、根据厂站信息对站点进行自动命名，并生成站点信息表。

进一步的，步骤D中所述输电支路-节点关联矩阵，是指厂站节点与输电线路支路之间的 关联矩阵R₂。

进一步的，在进行所述站内拓扑识别时，按需对零阻抗支路做简化处理。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、基于阻抗信息识别出厂站信息并基于站点进行节点分层识别，克服了单层拓扑描述给 大型电网电磁暂态可视化仿真模型带来的布局混乱、可视效果差、修改不便的弊端；

2、可根据实际建模需要选择零阻抗支路的处理简化策略；

3、采用基于关联矩阵的方法实现连通片辨识，其计算可靠性和效率优于采用深度优先的 孤岛搜索算法，克服了其在处理区域级及以上的大规模电网或站内节点数巨多的电网数据时 运算效率较低、甚至不能运算的弊端。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为电气节点-站点对应表示意图；

图2为站点信息表示意图；

图3为简化电力系统的拓扑模型示意图；

图4为利用本发明所提算法得出的下层拓扑识别结果的示意图，其中(a)为下层全拓扑 识别结果示意图，(b)为零阻抗支路简化后的识别结果示意图，(c)为上层拓扑识别结果示 意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。

实施例1

为统一表述，下文叙述中术语约定如下：

拓扑结构表示节点之间或节点与元件之间的连接或关联关系。厂站是一片不包含任何输 电线路元件的连通区域，厂站内部的拓扑称为站内拓扑，厂站之间的拓扑称为站间拓扑。本 文中，全拓扑结构是指由所有电气节点和全部元件确定的拓扑结构，是包含了完整拓扑信息 的单层拓扑结构；下层拓扑结构是指由所有电气节点和非输电线路元件确定的拓扑结构，任 一站内拓扑结构是其子拓扑。上层拓扑结构是指由所有厂站逻辑节点和输电线路元件确定的 拓扑结构，即站间拓扑结构。

步骤A、首先对源数据进行预处理，大型电网电磁暂态可视化仿真模型自动生成工作的 数据源常为已有机电暂态仿真数据(PSASP\BPA\PSSE等数据形式)，其预处理过程主要包括 以下几个部分：

拼合全拓扑信息：由于机电暂态仿真数据常采用“多数据表/卡”数据结构，使得描述电力 系统拓扑的完整信息分散在不同的数据表中，以PSASP 7.3格式数据为例，系统全拓扑信息 分散于“交流线表”、“变压器表”、“直流线表”等多张数据表中，故需将这些数据表中所包含 的拓扑信息自动拼合，以获得完整的全拓扑结构。

原始的全拓扑信息表中至少应包含以下关键字段：支路有效标记、i侧节点名、j侧节点 名、支路原始编号；

解构支路类型：为便于站内拓扑识别及元件参数映射，还需给出全拓扑结构中每条支路 的元件类型。因此需基于支路阻抗信息、节点电压及其他特征进行综合判断，将原始支路自 动解构为交流输电线、短接线、两绕组变压器、三绕组变压器、串联电抗器、串联电容器、 高压并联电抗器、低压并联电抗器、低压并联电容器等支路，并进行标记。具体解构方法视 源数据特点而定，但为排除源数据建模习惯和错误的影响，解构判据应采用阻抗信息而不采 用文本和字符。

解构后的全拓扑信息表T至少应包含以下关键字段：支路有效标记、i侧节点名、j侧节 点名、支路原始编号、支路类型；

处理单端点元件：由于支路-节点关联矩阵仅描述双端点元件拓扑，单端点元件的识别需 单独处理。根据节点上单端点元件的挂接情况，将节点分为发电机节点、负荷节点、并联补 偿节点、联络节点和复合节点，其中联络节点不挂接单端点元件，复合节点挂接两个及以上 单端点元件。单端点元件的相关信息可写入节点数据表予以记录。

节点信息表F至少应包含以下关键字段：节点有效标记、节点名、节点编号、节点类别、 额定电压、节点发电机挂接情况、节点负荷挂接情况、节点补偿装置挂接情况；

孤岛搜索及处理：对于原始的全拓扑中可能含有孤岛的情况，可先运用基于支路-节点关 联矩阵的连通片辨识方法进行连通片辨识，搜索出原始拓扑中的孤岛，再选取最大连通片作 为后续拓扑识别工作的初始拓扑，生成相应的全拓扑信息表T和节点信息表F。

综上，通过预处理过程，可将不同的数据源整理生成用作拓扑分析的统一数据结构：全 拓扑信息表T和节点信息表F。其中全拓扑信息表隐含了所有节点间的拓扑关系及双端点元 件的支路类别、原始编号等信息；节点信息表包含了所有节点的额定电压、编号等信息及单 端点元件的挂接情况。

步骤B、基于非输电支路-节点关联矩阵搜索实际厂站信息，实际厂站信息搜索不仅需从 大规模数据节点中辨识出哪些节点归属于同一个厂站、有多少个厂站，还需判定厂站电压等 级、厂站类别等信息并进行厂站自动命名，是拓扑分层识别的关键步骤。

实际厂站信息搜索的步骤如下：

1)根据全拓扑信息表T生成描述全拓扑结构的支路-节点关联矩阵R₀，用m×n阶矩阵表 示，当支路i和节点j相关联，记为1，否则记为0，即：

其中，i＝1,2,…m，j＝1,2,…n。i∈j表示支路i和节点j相关联。

2)从关联矩阵R₀中将输电线路支路移除，得到描述下层拓扑的关联矩阵R₁；

3)利用基于关联矩阵的连通片辨识方法对关联矩阵R₁进行连通片辨识，搜索出所有厂 站，并形成图1所示的电气节点-站点对应表；

4)搜索站内节点类型，如存在发电机节点，则站点归为发电厂，否则归为变电站；搜索 站内节点的最高电压等级，令其为厂站电压等级；然后根据特定规则对站点进行自动命名， 即可形成如图2所示的站点信息表。

为便于下文描述，设通过对m×n阶R₁的连通片辨识，共搜索出M个站点，其中站点S_i包含s个电气节点、节点编号记为(v_i1，v_i2，…，v_is)。

步骤C、站内全拓扑识别及零阻抗支路处理，实际厂站信息搜索可给出每个站点内部的 成员节点，而站内元件类型及其连接关系需要进一步通过站内拓扑识别获得，有时根据需要 还需简化站内短接线等零阻抗支路，得到不含零阻抗支路的站内拓扑。具体方法如下：

1)站内全拓扑识别

站点S_i的站内拓扑关系可直接从下层拓扑关联矩阵R₁中选取相关行和列得到：选取R₁中与站内节点相关的第v_i1，v_i2，…，v_is列，构成子关联矩：

其中r_vi1表示关联矩阵R₁的第v_i1列，

移除R_i1中的零行(假设有(m-t)条)，即可得到描述站点S_i站内拓扑的t×s阶站内关联 矩阵：

其中表示关联矩阵R'_i1的第v_i1列，

在此基础上，选取全拓扑信息表T中与站内支路相关的t行，形成站点S_i的站内双端点 元件信息表T_i1；选取节点信息表F中与站内节点相关的s行，形成站点S_i的站内单端点元件 和节点信息表F_i1。

站内关联矩阵R_i1’与信息表T_i1、F_i1一起，即可完整描述站点S_i内部的拓扑、支路和节点 信息。

2)零阻抗支路简化处理

对于需简化站内零阻抗支路的情况，可先从站内关联矩阵R_i1’中选取所有零阻抗支路所 在的行，构成零阻抗支路-节点关联矩阵R’_i0，基于R’_i0可得仅含零阻抗支路的连通片(设共有 d个)，其中第k个零阻抗支路连通片包含节点v_ikm、v_ikn、…、v_ikp，将R_i1’中对应的列(第v_ikm、 v_ikn、…、v_ikp列)进行逻辑或运算(记为||)，合成列向量rr′_k：

其中，k＝1,2,…d。用rr'_k替换站内关联矩阵R_i1'中的列并移除站 内关联矩阵中零阻抗支路所在的行，即得到不含零阻抗支路的站内关联矩阵R_i1”。简化零阻抗 支路后，相当于将原零阻抗支路连通片中的若干节点替换为一个新的简化节点，对应修改信 息表T_i1、F_i1，即可得到简化后站内拓扑的完整描述。

步骤D、根据厂站信息生成输电线支路-站点关联矩阵、站间邻接矩阵，完成站间拓扑识 别，方法如下：

在全拓扑结构的关联矩阵R₀中，将站点S_i所有站内节点对应的列(第v_i1、v_i2、…、v_is列) 进行逻辑或运算，合成列向量P_i：

不同厂站节点对应的合成列向量组成矩阵：

R'₂＝[P₁P₂…P_M]

移除R'₂中的非输电线路支路，即得到厂站节点与输电线路支路之间的关联矩阵R₂。

为便于厂站节点的自动布局，站间拓扑用邻接矩阵A₂描述，A₂可由关联矩阵R₂直接转 换生成，其中邻接矩阵的非零元素用以记录站间线路回数。

其中，n表示节点i与节点j相连线路的回数，i∈j表示节点i与节点j相连，表示 节点i与节点j不相连。

至此，适用于大型电网电磁暂态可视化仿真模型自动生成的电力系统拓扑分层识别工 作完成，其中上层拓扑识别结果储存在站间邻接矩阵A₂中；下层拓扑识别结果存放在站内关 联矩阵R_i1'与信息表T_i1、F_i1中，i＝1,2,…M；实际厂站信息存放在站点信息表中。

实施例2

如图3所示的简化电力系统的拓扑模型，其图中v₁～v₉表示9个电气节点，其中节点v₁、 v₂上分别挂接一台发电机，节点v₈、v₉上分别挂接一个负荷和一组并联电容器；1～9表示9 条支路，其中7～9为输电线路支路，3～5是零阻抗支路，图4利用本发明所提算法得出的下 层拓扑识别结果，其中(a)是下层全拓扑识别结果，(b)是零阻抗支路简化后的识别结果， (c)是上层拓扑识别结果。

实施例2

一种电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别系统，包括源数据预处理模块、厂站 信息搜索模块、站内拓扑识别模块、站间拓扑识别模块，其中：

所述源数据预处理模块，用于通过拼合所述源数据中的数据表的拓扑信息来生成全拓扑 结构，并解构所述全拓扑结构中的支路和处理单端点元件，得到全拓扑信息表T、节点信息 表F；

所述厂站信息搜索模块，将所述全拓扑结构中的输电线路支路移除，得到若干彼此孤立 的厂站，并通过基于非输电支路-节点关联矩阵对所述厂站进行辨识后，搜索出所有厂站信息， 并制得电气节点-站点对应表，最后根据厂站信息对站点进行自动命名；

所述站内拓扑识别模块，通过处理所述全拓扑信息表T、节点信息表F、非输电支路-节 点关联矩阵的行和列以及厂站信息完成站内拓扑识别；

所述站间拓扑识别模块，通过站内拓扑识别、厂站信息，并基于输电支路-节点关联矩阵 完成站间拓扑识别。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，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 发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤A、通过拼合所述源数据中的数据表的拓扑信息来生成全拓扑结构，并解构所述全拓扑结构中的支路和处理单端点元件，得到全拓扑信息表T、节点信息表F；

步骤B、将所述全拓扑结构中的输电线路支路移除，得到若干彼此孤立的厂站，并通过基于非输电支路-节点关联矩阵对所述厂站进行辨识后，搜索出所有厂站信息，并制得电气节点-站点对应表，最后根据厂站信息对站点进行自动命名；

步骤C、通过处理所述全拓扑信息表T、节点信息表F、非输电支路-节点关联矩阵的行和列以及厂站信息完成站内拓扑识别；

步骤D、通过站内拓扑识别、厂站信息，并基于输电支路-节点关联矩阵完成站间拓扑识别。

2.根据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，所述全拓扑结构指由所有电气节点和全部元件所确定的拓扑结构，所述全拓扑结构为单层拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，所述源数据为已有的机电暂态仿真数据。

4.根据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，所述对源数据进行预处理的步骤还包括对单端点元件的处理。

5.根据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，所述对源数据进行预处理的步骤还包括：对所述源数据中的数据表的拓扑信息中所含有的孤岛进行辨识，生成相应的全拓扑信息表T和节点信息表F。

6.根据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，所述步骤B厂站信息搜索的具体步骤如下：

B1、根据全拓扑信息表T生成描述全拓扑结构的支路-节点关联矩阵R₀；

B2、从支路-节点关联矩阵R₀中将输电线路支路移除，得到描述下层拓扑的非输电支路-节点关联矩阵R₁；

B3、利用基于关联矩阵的连通片辨识方法对关联矩阵R₁进行连通片辨识，其中所述每一个连通片代表一个厂站，搜索出所有厂站，并制得电气节点-站点对应表；

B4、根据厂站信息对站点进行自动命名，并生成站点信息表。

7.据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，步骤D中所述输电支路-节点关联矩阵，是指厂站节点与输电线路支路之间的关联矩阵R₂。

8.据权利要求1所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，在进行所述站内拓扑识别时，对零阻抗支路做简化处理。

9.一种电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别系统，基于权利要求1至9中任意所述的适用于电网可视化仿真模型自动生成的拓扑分层识别方法，其特征在于，包括源数据预处理模块、厂站信息搜索模块、站内拓扑识别模块、站间拓扑识别模块，其中：

所述源数据预处理模块，用于通过拼合所述源数据中的数据表的拓扑信息来生成全拓扑结构，并解构所述全拓扑结构中的支路和处理单端点元件，得到全拓扑信息表T、节点信息表F；

所述厂站信息搜索模块，将所述全拓扑结构中的输电线路支路移除，得到若干彼此孤立的厂站，并通过基于非输电支路-节点关联矩阵对所述厂站进行辨识后，搜索出所有厂站信息，并制得电气节点-站点对应表，最后根据厂站信息对站点进行自动命名；

所述站内拓扑识别模块，通过处理所述全拓扑信息表T、节点信息表F、非输电支路-节点关联矩阵的行和列以及厂站信息完成站内拓扑识别；

所述站间拓扑识别模块，通过站内拓扑识别、厂站信息，并基于输电支路-节点关联矩阵完成站间拓扑识别。