CN111210169B - 基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法。所述方法包括以下步骤：输入配电网络生成所需的数据，并初始化所需矩阵；进行初步的配电网络生成决策；对所有节点检查是否孤立，并修正孤立节点；对所有生成线路检查是否存在双电源供电情况，并修正双电源线路；对所有生成线路检查是否为孤链，并修正孤链；输出无环网无孤岛配电网络的branch矩阵和邻接矩阵。本发明为了减少配电网一次系统网架规划过程中生成的大量不满足网架约束的网架，提出一种无环网无孤岛配电网络生成方法，而且由于是基于branch矩阵生成一次系统网架，该方法的结果能更便于和一次系统网架规划过程后续的潮流计算和可靠性计算对接。
Description
技术领域
本发明涉及配电网一次系统网架规划领域，尤其涉及一种基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法。
背景技术
配电网一次系统网架规划流程一般是给定新建园区控规图，预测各个地块的负荷大小，规划每个地块的电房选址，规划新建园区内变电站与各电房的连接关系，形成包含多馈线的配电网一次系统网架。
其中，采用数学建模和智能算法优化的方法规划新建园区内变电站与各电房的连接关系时，经常需要生成许多配电网一次系统网架，这些新网架是智能算法在解空间寻优的新搜索范围，并根据新生成的一次系统网架计算其可靠性、经济性和潮流等指标，来判断该网架的优劣，以此作为迭代寻优的依据。通常，对配电网网架有一定的约束条件，这些约束包括网架的辐射状约束、所有负荷点能与电源点连通的约束、一条馈线不能由两个电源点供电的约束。而在生成配电网一次系统网架时，目前主流的生成方法之一是随机生成的方法(基于改进二进制入侵杂草优化算法的主动配电网网架规划，CN108229755A)，这种方法虽然实现起来比较简单，但会使得智能算法在寻优时产生许多不满足网架约束的不可行解。面对这些不可行解，大多数的做法是让该解对应的目标函数计算中加入一个惩罚项，使得寻优过程中尽量远离该不可行解，但这使得智能优化算法在配电网一次系统网架规划这个问题上寻优效率很低。还有另外一种主流的网架生成算法是最小生成树算法(基于负荷点聚类分区并计及地理因素的配电网网架规划方法，CN108429257A)，可以实现对所有的点生成最少的边，使得这些点之间满足连通性、这些边组成的网架满足辐射性，但是难以运用在同时生成多个辐射状配电网络的情况下，因为这种算法是对一个点集中的所有点生成一个辐射状网络。
branch矩阵是除了邻接矩阵以外，表达图的另外一种方式，该矩阵的每一行存放的是图中的路的相关信息，例如两端节点编号、路的长度等等(这里所述的“路”即图论中“边”的概念)。branch矩阵尤其适合表达邻接矩阵很稀疏的图，它能使得这类图的储存空间比用邻接矩阵存储的情况小得多。配电网一次系统的网架被抽象成由节点和节点之间的路组成的图后，正是邻接矩阵较稀疏的图。配电网的规模越大、电气节点数目越多，则其邻接矩阵越稀疏，因为配电网节点的出线度较小，负荷点的出线度一般不超过5，而且配电网节点的出线度不随配电网规模的增大而增大，配电网包含电气节点的多少不影响节点的出线度。目前的配电网网架生成方法大多是基于邻接矩阵的形式，没有基于branch矩阵形式的，而配电网规划中的潮流计算、可靠性计算等步骤使用branch矩阵形式表达配电网网架会更方便。
综上，现有的配电网规划中的配电网网架生成技术存在难以一次性生成多个满足辐射状约束、所有负荷点能与电源点连通的约束、一条馈线不能由两个电源点供电的约束的配电网网架的不足，也不存在基于branch矩阵形式的配电网网架生成方法。
因此，本发明提出了一种配电网络生成方法，使得生成出来的配电网一次系统网架已经满足网架约束。而且本方法是基于branch矩阵生成网架的，生成的网架也是表达为branch矩阵的形式，该模式十分便于配电网一次系统网架规划流程中后续的潮流计算和可靠性计算，网架的branch矩阵只需经过少量简单的处理便可直接作为MATLAB平台中的matpower潮流计算工具的输入，根据潮流计算结果对branch矩阵进行少量简单的处理便可作为可靠性算法的输入。
发明内容
本发明提出了一种基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，大大减少了智能算法在求解配电网一次系统网架规划的寻优过程中产生的不可行解，还使得生成的网架的表达形式更便于与后续的潮流计算和可靠性计算对接。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，包括以下步骤：
S1、输入配电网络生成所需的数据，并初始化所需矩阵；
S2、进行初步的配电网络生成决策；
S3、对所有节点检查是否孤立，并修正孤立节点；
S4、对所有生成线路检查是否存在双电源供电情况，并修正双电源线路；
S5、对所有生成线路检查是否为孤链，并修正孤链；
S6、输出无环网无孤岛配电网络的branch矩阵和邻接矩阵，完成基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络的生成。
进一步地，步骤S1中，配电网络生成所需的数据包括新建园区的负荷点数量及其编号、新建园区的电源点数量及其编号、各电气节点之间的能否直接建立馈线连接关系；其中，所述各电气节点即负荷点与电源点，所有电气节点的编号从1开始，按照从负荷点再到电源点的顺序编号；
其中，各电气节点之间的能否直接建立馈线连接关系可以用branch矩阵表示；负荷点数量及其编号、电源点数量及其编号可以统一用bus矩阵表示；branch矩阵的每一行表示两个电气节点之间可以直接建立馈线连接关系，即可以建设配电网线路的馈线段；branch矩阵的第一列存放该馈线段的首节点，第二列存放该馈线段的末节点；首节点定义为该馈线段的两端节点中，编号较小的电气节点；末节点定义为该馈线段的两端节点中，编号较大的电气节点；bus矩阵的每一行存放一个电气节点的信息，第一列存放该电气节点的编号，第二列存放该电气节点的性质，用1表示该电气节点为负荷点，用2表示该电气节点为电源点；bus矩阵的行数即为新建园区内的电气节点数量，存放在变量num_node中；
在进入后续步骤之前，首先对branch矩阵的每一行按照第一列元素的大小进行从小到大的排序，以保证首节点一样的馈线段在相邻的行，方便后续步骤对branch矩阵的搜索。
进一步地，步骤S1中，初始化所需矩阵包括以下步骤：
S1.1、branch矩阵的第三列初始化为0，用以存放该馈线段是否投入建设形成网架的组成部分，用1表示建设，用0表示不建设；
S1.2、设置一个维数等于num_node的行向量net_num，令其各元素初始化为0，用以存放每个电气节点所属子网络的编号；凡是两个电气节点之间存在拓扑上的连通性，则认为它们属于同一个子网络；一般新建园区包括多少个电源点，就会产生多少个子网络；行向量net_num用于方便判断两个电气节点之间的拓扑连通性，从而便于检查网架的双电源馈线、环网、孤链的情况；
S1.3、设置一个维数等于num_node的行向量net_cxd，令其各元素初始化为0，用以存放每个电气节点的出线度，即表示该电气节点作为多少条拟建设的馈线段的端节点；行向量net_cxd用于方便对该网架进行拓扑搜索的过程，拓扑搜索是修正双电源馈线、环网、孤链等情况必不可少的一步；
S1.4、设置一个维数不确定的行向量node_notfirst，先初始化为一维，值为0，用以存放没有作为过馈线段首节点的电气节点；行向量node_notfirst随着步骤S2中对branch的搜索过程而扩充；
S1.5、初始化一个变量netnum_temporary为1，作为下一个被赋予的子网络编号的值；每次对一个子网络进行赋予新编号的操作后，该值都会被加1。
进一步地，步骤S2中，对矩阵branch第一列元素按照电气节点的编号从1到num_node进行遍历并决策每一行代表的馈线段是否建设，具体如下：
遍历时，选定当前搜索的电气节点编号，若它在branch矩阵第一列中没有出现过，则将这个编号存入向量node_notfirst；若它在branch矩阵第一列中有出现，那么以此当前搜索的节点编号所表示的节点为首节点的馈线段的在branch矩阵中的行数都是相邻的，记为row1～row2；对这些相邻的、首节点都是当前选定的节点编号所表示的节点的馈线段，通过给定随机数确定是否建设；具体地，对row1～row2的第三列元素赋值round(rand)，其中，rand表示属于区间(0,1)内服从均匀分布的随机数，round表示四舍五入取整操作；
然后，检查当前选定的节点编号所表示的节点是否为孤立节点；孤立节点是指该电气节点不是任何一条拟建设的馈线段的端节点，即孤立节点的出线度为0；通过行向量net_cxd检查当前选定的节点编号所表示的节点的出线度，若该节点的出线度为0，而且branch矩阵的row1～row2行的第三列元素都为0，则表示该节点为孤立节点；若该节点的出线度不为0，或者branch矩阵的row1～row2行的第三列元素不全为0，则表示该节点不是孤立节点；当前选定的节点编号所表示的节点作为首节点的馈线段对应branch矩阵的row1～row2行，当前选定的节点编号所表示的节点作为末节点的馈线段出现在branch矩阵的1～(row1-1)行中，所以当前选定的节点编号所表示的节点作为首节点或末节点的馈线段都已经作过决策；若检查结果显示当前选定的节点编号是孤立节点，则随机指定row1～row2中的一行所代表的馈线段，令该行第三列元素等于1；
然后，检查针对当前选定的节点编号，在row1～row2行的馈线段的决策过程中，是否产生环网，若产生环网则需要修正；具体地，有两项检查内容：一是对照向量net_num，检查row1～row2行中第三列元素为1的馈线段的首节点和末节点的子网络号是否为相等的正数，若是，则令该行的第三列元素为0；二是对照向量net_num，挑出row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，两两比较这些馈线段的末节点的子网络号是否为相等的正数，若是，则随机选择两者之一的馈线段，令其第三列元素为0；至此，完成对当前选定的电气节点的相关馈线段初步决策。
进一步地，最后，需要针对刚刚完成的初步决策，更新相关节点的出线度和子网络号，具体如下：
遍历row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，令该馈线段的首节点和末节点的出线度加1，相应修改向量net_cxd；
遍历row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，对照向量net_num，若该馈线段的首节点和末节点的子网络号为0，即从来没有被赋予过子网络号，则赋予这两个节点新的子网络号，相应修改向量net_num，变量netnum_temporary加1；若首节点和末节点中，其中一个节点的子网络号为0，另一个节点的子网络号为整数，则令子网络号为0的节点的子网络号等于另外一个节点的子网络号，相应修改向量net_num；若首节点和末节点两者的子网络号都是正数且不相等，则令子网络号较大的节点的子网络号修改为子网络号较小的节点的子网络号，相应修改向量net_num中所有子网络号等于所述较大的子网络号的节点的子网络号。
进一步地，因为经过步骤S2后，所有作为过馈线段的首节点的电气节点都排除了孤立的可能，步骤S3中，主要是检查行向量node_notfirst中存放的节点是否为孤立节点，具体如下：
遍历行向量node_notfirst中存放的节点编号，对应查看net_cxd中的该节点编号所对应的节点的出线度，若出线度为0则证明该节点孤立，需要被修正；
对于孤立节点，把branch矩阵中末节点等于该孤立节点编号的馈线段都挑出来，随机指定其中一行的第三列元素设置为1；然后修改该孤立节点的出线度为1，修改该孤立节点的子网络号等于随机指定建设的馈线段的首节点的子网络号。
进一步地，步骤S4中，通过两两对比net_num中所有电源点的子网络号，可以检查是否存在双电源对同一条线路供电情况，具体如下：
若存在两个电源点的子网络号一致，则表示存在这两个电源点有对同一条线路供电的情况；假设有多于一条同时连接了这两个电源点的线路，则该配电网网架将出现由这些同时连接了这两个电源点的线路形成的环路，但是经过步骤S2的检查与修正，到步骤S4为止所生成的配电网网架不会形成环路，因此经过以上分析得知，有且只有一条同时连接了这两个电源点的线路，在后续的步骤中需要找到这一条同时连接了这两个电源点的线路，并修正它；
若电源点a与电源点b的子网络号一致，则修正它们之间的双电源线路，以满足所有线路只由单个电源供电的配电网一次系统网架约束，具体如下：
采用深度优先搜索算法，以步骤S3中决策后的branch矩阵为搜索对象，找出所有从电源点a出线的完整馈线，以搜索到出线度为1的节点或搜索到另外一个电源点作为本次搜索的馈线已到尽头的结束搜索判据；从电源点a出线的所有完整馈线中，找到馈线尽头为电源点b的馈线；设该馈线包含n段馈线段，若n为奇数，则令第(n+1)/2段馈线段在branch矩阵中对应行的第三列元素为0，即不建设该馈线段；若n为偶数，则在第n/2段和第n/2+1段馈线段两者之中随机选一段，使其在branch矩阵中对应行的第三列元素为0，即不建设该馈线段；至此，已修复好同时由电源点a与电源点b供电的线路；
最后需要更新部分节点的出线度和子网络号，具体如下：
令修正双电源线路时设为不建设的馈线段的首节点和末节点的出线度减1，对应修改它们在向量net_cxd中的值；采用深度优先搜索算法，以取消了上述一段馈线段建设的步骤S3决策后的branch矩阵为搜索对象，再次找出所有从电源点a出线的所有完整馈线，也是以搜索到出线度为1的节点或搜索到另外一个电源点作为本次搜索的馈线已到尽头的结束搜索判据；对所有从电源点a出线的完整馈线涉及到的所有电气节点赋予新的子网络号，并对应修改它们在向量net_num中的值。
进一步地，步骤S5中，通过检查net_num中所有负荷点和所有电源点的子网络号得出该配电网目前的网架决策是否存在孤链，具体如下：
遍历net_num中每个负荷点的子网络号，分别将每个负荷点的子网络号和所有电源点的子网络号进行对比，若发现有负荷点的子网络号不等于任意一个电源点的子网络号，则该负荷点的子网络号所代表的子网络没有电源供电，是孤立网络，该子网络中的所有馈线都是孤链，则需要进行修正；新建一个维数等于num_node的行向量isolate，用以标记每个电气节点是否处于孤立网络中，用1表示该节点处于孤立网络，用0表示该节点处于有电源点供电的网络即非孤立网络；所有电源点在向量isolate中对应的值设为0；
若子网络号c所代表的子网络没有电源供电，对该孤立网络的修正如下：
给定一个属于区间[1,num_node]的随机整数m，按照从m到num_node、然后从1到m-1的顺序遍历向量net_num，找到子网络号等于c的负荷点d，然后暂停对向量net_num的遍历，然后遍历矩阵branch，对应着向量isolate，找到一段馈线段的其中一端节点为负荷点d、另一端节点处于有电源点供电的网络，令这段馈线段的第三列元素为1，即建设该段馈线段；然后可以跳出对矩阵branch的遍历，同时终止对向量net_num的遍历；若遍历完矩阵branch都没有找到满足其中一端节点为负荷点d、另一端节点处于有电源点供电的网络的馈线段，则继续对向量net_num的遍历，找到子网络号等于c的另一个负荷点e，重复对矩阵branch的遍历操作，再针对负荷点e寻找满足其中一端节点为负荷点e、另一端节点处于有电源点供电的网络的馈线段，以此类推，直至完成遍历或终止遍历；
通过建设遍历矩阵branch寻找到的馈线段，就能把子网络号c所代表的子网络由孤立状态修正为非孤立状态；修正完后还需要对应修改部分节点的子网络号和出线度；对修正过程中设置为建设的馈线段的两端节点，使它们的出线度加1，对应修改它们在向量net_cxd中的值；令net_num中所有子网络号等于c的节点的子网络号都改为等于所述设置为建设的馈线段中的原本就处于非孤立网络的一端节点的子网络号；
当子网络号c所代表的子网络被其他也是孤立的子网络包围时，上述对向量net_num的遍历操作结束后，都不能找到令子网络号c所代表的子网络从孤立变成非孤立的馈线段。这种情况下，只要重复修正子网络孤立状态的操作，就能实现先把包围子网络号c所代表的子网络的其他孤立子网络由孤立状态修正为非孤立状态、再把子网络号c所代表的子网络由孤立状态修正为非孤立状态；即修正子网络孤立状态的操作需要不断被重复，直到向量isolate为0向量。
进一步地，步骤S6中，经过步骤S2-S5决策的配电网一次系统网架已满足辐射状、所有负荷点能与电源点连通、一条馈线不能由两个电源点供电的网架约束；
新建一个num_node行、num_node列的矩阵A，作为该配电网一次系统网架的邻接矩阵；先把矩阵A初始化为全0矩阵，然后遍历矩阵branch中的每一行，若该行的第三列元素为1，假设该行代表的馈线段的两端节点编号为i和j，则令A(i,j)＝A(j,i)＝1；若该行的第三列元素为0，则跳过该行；完成对矩阵branch的上述遍历操作后，即可获得该配电网一次系统网架的邻接矩阵A；输出此时的矩阵branch和矩阵A，作为该配电网一次系统网架的两种形式，供给配电网规划中的后续步骤使用。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，弥补了传统的用智能算法对配电网一次系统网架寻优时会产生大量不满足网架约束的不可行解的缺陷，同时该方法是基于branch矩阵实现无环网无孤岛配电网一次系统网架的生成，使得生成的配电网一次系统网架的表达形式自然而然就是branch矩阵的形式，更方便配电网一次系统网架规划的后续潮流计算、可靠性计算等过程中输入一次系统网架。
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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例中提供的一个新建园区待建配电网的电源点和负荷点布点示意图，其中，实心圆点表示电源点，空心圆点表示负荷点，虚线表示两个电气节点之间可以直接建立馈线连接关系；
图2为根据图1初步随机生成的网架示意图，其中，实线表示两个电气节点之间直接建立馈线连接关系，虚线表示两个电气节点之间有条件直接建立馈线连接关系但不建立；
图3为在图2基础上修正孤立节点后的网架示意图；
图4为在图3基础上修正双电源线路后的网架示意图；
图5为在图4基础上修正孤链后的网架示意图；
图6为本发明实施例中的步骤流程图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，使得生成的配电网一次系统网架满足辐射状、所有负荷点能与电源点连通、一条馈线不能由两个电源点供电的网架约束，而且网架的表达形式为branch矩阵的形式，便于规划后续的潮流计算、可靠性计算等过程中输入一次系统网架。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一个新建园区待建配电网的电源点和负荷点布点示意图；基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，如图6所示，包括以下步骤：
S1、输入配电网络生成所需的数据，并初始化所需矩阵；
配电网络生成所需的数据包括新建园区的负荷点数量及其编号、新建园区的电源点数量及其编号、各电气节点之间的能否直接建立馈线连接关系；其中，本实施例中，所述新建园区的电源点即变低侧为10kV的变电站，所述各电气节点即负荷点与电源点，所有电气节点的编号从1开始，按照从负荷点再到电源点的顺序编号；
其中，各电气节点之间的能否直接建立馈线连接关系可以用branch矩阵表示；负荷点数量及其编号、电源点数量及其编号可以统一用bus矩阵表示；branch矩阵的每一行表示两个电气节点之间可以直接建立馈线连接关系，即可以建设配电网线路的馈线段；branch矩阵的第一列存放该馈线段的首节点，第二列存放该馈线段的末节点；首节点定义为该馈线段的两端节点中，编号较小的电气节点；末节点定义为该馈线段的两端节点中，编号较大的电气节点；bus矩阵的每一行存放一个电气节点的信息，第一列存放该电气节点的编号，第二列存放该电气节点的性质，用1表示该电气节点为负荷点，用2表示该电气节点为电源点；bus矩阵的行数即为新建园区内的电气节点数量，存放在变量num_node中；
在进入后续步骤之前，首先对branch矩阵的每一行按照第一列元素的大小进行从小到大的排序，以保证首节点一样的馈线段在相邻的行，方便后续步骤对branch矩阵的搜索。
初始化所需矩阵包括以下步骤：
S1.1、branch矩阵的第三列初始化为0，用以存放该馈线段是否投入建设形成网架的组成部分，用1表示建设，用0表示不建设；
S1.2、设置一个维数等于num_node的行向量net_num，令其各元素初始化为0，用以存放每个电气节点所属子网络的编号；凡是两个电气节点之间存在拓扑上的连通性，则认为它们属于同一个子网络；一般新建园区包括多少个电源点，就会产生多少个子网络；行向量net_num用于方便判断两个电气节点之间的拓扑连通性，从而便于检查网架的双电源馈线、环网、孤链的情况；
S1.3、设置一个维数等于num_node的行向量net_cxd，令其各元素初始化为0，用以存放每个电气节点的出线度，即表示该电气节点作为多少条拟建设的馈线段的端节点；行向量net_cxd用于方便对该网架进行拓扑搜索的过程，拓扑搜索是修正双电源馈线、环网、孤链等情况必不可少的一步；
S1.4、设置一个维数不确定的行向量node_notfirst，先初始化为一维，值为0，用以存放没有作为过馈线段首节点的电气节点；行向量node_notfirst随着步骤S2中对branch的搜索过程而扩充；
S1.5、初始化一个变量netnum_temporary为1，作为下一个被赋予的子网络编号的值；每次对一个子网络进行赋予新编号的操作后，该值都会被加1。
S2、进行初步的配电网络生成决策；
对矩阵branch第一列元素按照电气节点的编号从1到num_node进行遍历并决策每一行代表的馈线段是否建设，具体如下：
遍历时，选定当前搜索的电气节点编号，若它在branch矩阵第一列中没有出现过，则将这个编号存入向量node_notfirst；若它在branch矩阵第一列中有出现，那么以此当前搜索的节点编号所表示的节点为首节点的馈线段的在branch矩阵中的行数都是相邻的，记为row1～row2；对这些相邻的、首节点都是当前选定的节点编号所表示的节点的馈线段，通过给定随机数确定是否建设；具体地，对row1～row2的第三列元素赋值round(rand)，其中，rand表示属于区间(0,1)内服从均匀分布的随机数，round表示四舍五入取整操作；
然后，检查当前选定的节点编号所表示的节点是否为孤立节点；孤立节点是指该电气节点不是任何一条拟建设的馈线段的端节点，即孤立节点的出线度为0；通过行向量net_cxd检查当前选定的节点编号所表示的节点的出线度，若该节点的出线度为0，而且branch矩阵的row1～row2行的第三列元素都为0，则表示该节点为孤立节点；若该节点的出线度不为0，或者branch矩阵的row1～row2行的第三列元素不全为0，则表示该节点不是孤立节点。当前选定的节点编号所表示的节点作为首节点的馈线段对应branch矩阵的row1～row2行，当前选定的节点编号所表示的节点作为末节点的馈线段出现在branch矩阵的1～(row1-1)行中，所以当前选定的节点编号所表示的节点作为首节点或末节点的馈线段都已经作过决策；若检查结果显示当前选定的节点编号是孤立节点，则随机指定row1～row2中的一行所代表的馈线段，令该行第三列元素等于1；
然后，检查针对当前选定的节点编号，在row1～row2行的馈线段的决策过程中，是否产生环网，若产生环网则需要修正；具体地，有两项检查内容：一是对照向量net_num，检查row1～row2行中第三列元素为1的馈线段的首节点和末节点的子网络号是否为相等的正数，若是，则令该行的第三列元素为0；二是对照向量net_num，挑出row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，两两比较这些馈线段的末节点的子网络号是否为相等的正数，若是，则随机选择两者之一的馈线段，令其第三列元素为0；至此，完成对当前选定的电气节点的相关馈线段初步决策。
最后，需要针对刚刚完成的初步决策，更新相关节点的出线度和子网络号，具体如下：
遍历row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，令该馈线段的首节点和末节点的出线度加1，相应修改向量net_cxd；
遍历row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，对照向量net_num，若该馈线段的首节点和末节点的子网络号为0，即从来没有被赋予过子网络号，则赋予这两个节点新的子网络号，相应修改向量net_num，变量netnum_temporary加1；若首节点和末节点中，其中一个节点的子网络号为0，另一个节点的子网络号为整数，则令子网络号为0的节点的子网络号等于另外一个节点的子网络号，相应修改向量net_num；若首节点和末节点两者的子网络号都是正数且不相等，则令子网络号较大的节点的子网络号修改为子网络号较小的节点的子网络号，相应修改向量net_num中所有子网络号等于所述较大的子网络号的节点的子网络号。
如图2所示，是根据图1初步随机生成的网架。可以看到目前的网架有孤立节点52号、有由51号和54号电源点同时供电的线路、有若干个孤立子网络。
S3、对所有节点检查是否孤立，并修正孤立节点；
因为经过步骤S2后，所有作为过馈线段的首节点的电气节点都排除了孤立的可能，步骤S3中，主要是检查行向量node_notfirst中存放的节点是否为孤立节点，具体如下：
遍历行向量node_notfirst中存放的节点编号，对应查看net_cxd中的该节点编号所对应的节点的出线度，若出线度为0则证明该节点孤立，需要被修正；
对于孤立节点，把branch矩阵中末节点等于该孤立节点编号的馈线段都挑出来，随机指定其中一行的第三列元素设置为1；然后修改该孤立节点的出线度为1，修改该孤立节点的子网络号等于随机指定建设的馈线段的首节点的子网络号。
如图3所示，是对图2进行步骤S3处理后的网架。可以看到目前的网架已经不存在孤立节点，图2中的孤立节点52号已经和14号节点相连。
S4、对所有生成线路检查是否存在双电源供电情况，并修正双电源线路；
通过两两对比net_num中所有电源点的子网络号，可以检查是否存在双电源对同一条线路供电情况，具体如下：
若存在两个电源点的子网络号一致，则表示存在这两个电源点有对同一条线路供电的情况。假设有多于一条同时连接了这两个电源点的线路，则该配电网网架将出现由这些同时连接了这两个电源点的线路形成的环路，但是经过步骤S2的检查与修正，到步骤S4为止所生成的配电网网架不会形成环路，因此经过以上分析得知，有且只有一条同时连接了这两个电源点的线路，在后续的步骤中需要找到这一条同时连接了这两个电源点的线路，并修正它；
若电源点a与电源点b的子网络号一致，则修正它们之间的双电源线路，以满足所有线路只由单个电源供电的配电网一次系统网架约束，具体如下：
采用深度优先搜索算法，以步骤S3中决策后的branch矩阵为搜索对象，找出所有从电源点a出线的完整馈线，以搜索到出线度为1的节点或搜索到另外一个电源点作为本次搜索的馈线已到尽头的结束搜索判据；从电源点a出线的所有完整馈线中，找到馈线尽头为电源点b的馈线；设该馈线包含n段馈线段，若n为奇数，则令第(n+1)/2段馈线段在branch矩阵中对应行的第三列元素为0，即不建设该馈线段；若n为偶数，则在第n/2段和第n/2+1段馈线段两者之中随机选一段，使其在branch矩阵中对应行的第三列元素为0，即不建设该馈线段；至此，已修复好同时由电源点a与电源点b供电的线路；
最后需要更新部分节点的出线度和子网络号，具体如下：
令修正双电源线路时设为不建设的馈线段的首节点和末节点的出线度减1，对应修改它们在向量net_cxd中的值；采用深度优先搜索算法，以取消了上述一段馈线段建设的步骤S3决策后的branch矩阵为搜索对象，再次找出所有从电源点a出线的所有完整馈线，也是以搜索到出线度为1的节点或搜索到另外一个电源点作为本次搜索的馈线已到尽头的结束搜索判据；对所有从电源点a出线的完整馈线涉及到的所有电气节点赋予新的子网络号，并对应修改它们在向量net_num中的值。
如图4所示，是对图3进行步骤S4处理后的网架。可以看到目前的网架已经不存在双电源供电的线路，图3中的由51号和54号电源点同时供电的线路已由于取消建设17号和18号节点之间的馈线段而修正。
S5、对所有生成线路检查是否为孤链，并修正孤链；
通过检查net_num中所有负荷点和所有电源点的子网络号得出该配电网目前的网架决策是否存在孤链，具体如下：
遍历net_num中每个负荷点的子网络号，分别将每个负荷点的子网络号和所有电源点的子网络号进行对比，若发现有负荷点的子网络号不等于任意一个电源点的子网络号，则该负荷点的子网络号所代表的子网络没有电源供电，是孤立网络，该子网络中的所有馈线都是孤链，则需要进行修正；新建一个维数等于num_node的行向量isolate，用以标记每个电气节点是否处于孤立网络中，用1表示该节点处于孤立网络，用0表示该节点处于有电源点供电的网络即非孤立网络；所有电源点在向量isolate中对应的值设为0；
若子网络号c所代表的子网络没有电源供电，对该孤立网络的修正如下：
给定一个属于区间[1,num_node]的随机整数m，按照从m到num_node、然后从1到m-1的顺序遍历向量net_num，找到子网络号等于c的负荷点d，然后暂停对向量net_num的遍历，然后遍历矩阵branch，对应着向量isolate，找到一段馈线段的其中一端节点为负荷点d、另一端节点处于有电源点供电的网络，令这段馈线段的第三列元素为1，即建设该段馈线段；然后可以跳出对矩阵branch的遍历，同时终止对向量net_num的遍历；若遍历完矩阵branch都没有找到满足其中一端节点为负荷点d、另一端节点处于有电源点供电的网络的馈线段，则继续对向量net_num的遍历，找到子网络号等于c的另一个负荷点e，重复对矩阵branch的遍历操作，再针对负荷点e寻找满足其中一端节点为负荷点e、另一端节点处于有电源点供电的网络的馈线段，以此类推，直至完成遍历或终止遍历；
通过建设遍历矩阵branch寻找到的馈线段，就能把子网络号c所代表的子网络由孤立状态修正为非孤立状态；修正完后还需要对应修改部分节点的子网络号和出线度；对修正过程中设置为建设的馈线段的两端节点，使它们的出线度加1，对应修改它们在向量net_cxd中的值；令net_num中所有子网络号等于c的节点的子网络号都改为等于所述设置为建设的馈线段中的原本就处于非孤立网络的一端节点的子网络号；
当子网络号c所代表的子网络被其他也是孤立的子网络包围时，上述对向量net_num的遍历操作结束后，都不能找到令子网络号c所代表的子网络从孤立变成非孤立的馈线段。这种情况下，只要重复修正子网络孤立状态的操作，就能实现先把包围子网络号c所代表的子网络的其他孤立子网络由孤立状态修正为非孤立状态、再把子网络号c所代表的子网络由孤立状态修正为非孤立状态；即修正子网络孤立状态的操作需要不断被重复，直到向量isolate为0向量。
如图5所示，是对图4进行步骤S5处理后的网架。可以看到目前的网架已经不存在孤立网络，已满足所有网架约束，包括辐射状约束、所有负荷点能与电源点连通的约束、一条馈线不能由两个电源点供电的网架约束。
S6、输出无环网无孤岛配电网络的branch矩阵和邻接矩阵，完成基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络的生成；
经过步骤S2-S5决策的配电网一次系统网架已满足辐射状、所有负荷点能与电源点连通、一条馈线不能由两个电源点供电的网架约束；
新建一个num_node行、num_node列的矩阵A，作为该配电网一次系统网架的邻接矩阵；先把矩阵A初始化为全0矩阵，然后遍历矩阵branch中的每一行，若该行的第三列元素为1，假设该行代表的馈线段的两端节点编号为i和j，则令A(i,j)＝A(j,i)＝1；若该行的第三列元素为0，则跳过该行；完成对矩阵branch的上述遍历操作后，即可获得该配电网一次系统网架的邻接矩阵A；输出此时的矩阵branch和矩阵A，作为该配电网一次系统网架的两种形式，供给配电网规划中的后续步骤使用。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、输入配电网络生成所需的数据，并初始化所需矩阵；配电网络生成所需的数据包括新建园区的负荷点数量及其编号、新建园区的电源点数量及其编号、各电气节点之间的能否直接建立馈线连接关系；其中，所述各电气节点即负荷点与电源点，所有电气节点的编号从1开始，按照从负荷点再到电源点的顺序编号；
其中，各电气节点之间的能否直接建立馈线连接关系用branch矩阵表示；负荷点数量及其编号、电源点数量及其编号统一用bus矩阵表示；branch矩阵的每一行表示两个电气节点之间可以直接建立馈线连接关系，即可以建设配电网线路的馈线段；branch矩阵的第一列存放该馈线段的首节点，第二列存放该馈线段的末节点；首节点定义为该馈线段的两端节点中，编号较小的电气节点；末节点定义为该馈线段的两端节点中，编号较大的电气节点；bus矩阵的每一行存放一个电气节点的信息，第一列存放该电气节点的编号，第二列存放该电气节点的性质，用1表示该电气节点为负荷点，用2表示该电气节点为电源点；bus矩阵的行数即为新建园区内的电气节点数量，存放在变量num_node中；
在进入后续步骤之前，首先对branch矩阵的每一行按照第一列元素的大小进行从小到大的排序，以保证首节点一样的馈线段在相邻的行，方便后续步骤对branch矩阵的搜索；
S2、进行初步的配电网络生成决策；
S3、对所有节点检查是否孤立，并修正孤立节点；检查行向量node_notfirst中存放的节点是否为孤立节点，具体如下：
遍历行向量node_notfirst中存放的节点编号，对应查看net_cxd中的该节点编号所对应的节点的出线度，若出线度为0则证明该节点孤立，需要被修正；
对于孤立节点，把branch矩阵中末节点等于该孤立节点编号的馈线段都挑出来，随机指定其中一行的第三列元素设置为1；然后修改该孤立节点的出线度为1，修改该孤立节点的子网络号等于随机指定建设的馈线段的首节点的子网络号；
S4、对所有生成线路检查是否存在双电源供电情况，并修正双电源线路；通过两两对比net_num中所有电源点的子网络号，检查是否存在双电源对同一条线路供电情况，具体如下：
若存在两个电源点的子网络号一致，则表示存在这两个电源点有对同一条线路供电的情况；
若电源点a与电源点b的子网络号一致，则修正它们之间的双电源线路，以满足所有线路只由单个电源供电的配电网一次系统网架约束，具体如下：
采用深度优先搜索算法，以步骤S3中决策后的branch矩阵为搜索对象，找出所有从电源点a出线的完整馈线，以搜索到出线度为1的节点或搜索到另外一个电源点作为本次搜索的馈线已到尽头的结束搜索判据；从电源点a出线的所有完整馈线中，找到馈线尽头为电源点b的馈线；设该馈线包含n段馈线段，若n为奇数，则令第(n+1)/2段馈线段在branch矩阵中对应行的第三列元素为0，即不建设该馈线段；若n为偶数，则在第n/2段和第n/2+1段馈线段两者之中随机选一段，使其在branch矩阵中对应行的第三列元素为0，即不建设该馈线段；至此，已修复好同时由电源点a与电源点b供电的线路；
最后需要更新部分节点的出线度和子网络号，具体如下：
令修正双电源线路时设为不建设的馈线段的首节点和末节点的出线度减1，对应修改它们在向量net_cxd中的值；采用深度优先搜索算法，以取消了上述一段馈线段建设的步骤S3决策后的branch矩阵为搜索对象，再次找出所有从电源点a出线的所有完整馈线，也是以搜索到出线度为1的节点或搜索到另外一个电源点作为本次搜索的馈线已到尽头的结束搜索判据；对所有从电源点a出线的完整馈线涉及到的所有电气节点赋予新的子网络号，并对应修改它们在向量net_num中的值;
S5、对所有生成线路检查是否为孤链，并修正孤链；
S6、输出无环网无孤岛配电网络的branch矩阵和邻接矩阵，完成基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络的生成。
2.根据权利要求1所述基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，其特征在于，步骤S1中，初始化所需矩阵包括以下步骤：
S1.1、branch矩阵的第三列初始化为0，用以存放该馈线段是否投入建设形成网架的组成部分，用1表示建设，用0表示不建设；
S1.2、设置一个维数等于num_node的行向量net_num，令其各元素初始化为0，用以存放每个电气节点所属子网络的编号；凡是两个电气节点之间存在拓扑上的连通性，则认为它们属于同一个子网络；新建园区包括多少个电源点，就会产生多少个子网络；行向量net_num用于方便判断两个电气节点之间的拓扑连通性，从而便于检查网架的双电源馈线、环网、孤链的情况；
S1.3、设置一个维数等于num_node的行向量net_cxd，令其各元素初始化为0，用以存放每个电气节点的出线度，即表示该电气节点作为多少条拟建设的馈线段的端节点；行向量net_cxd用于方便对该网架进行拓扑搜索的过程；
S1.4、设置一个维数不确定的行向量node_notfirst，先初始化为一维，值为0，用以存放没有作为过馈线段首节点的电气节点；行向量node_notfirst随着步骤S2中对branch的搜索过程而扩充；
S1.5、初始化一个变量netnum_temporary为1，作为下一个被赋予的子网络编号的值；每次对一个子网络进行赋予新编号的操作后，该值都会被加1。
3.根据权利要求1所述基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，其特征在于，步骤S2中，对矩阵branch第一列元素按照电气节点的编号从1到num_node进行遍历并决策每一行代表的馈线段是否建设，具体如下：
遍历时，选定当前搜索的电气节点编号，若它在branch矩阵第一列中没有出现过，则将这个编号存入向量node_notfirst；若它在branch矩阵第一列中有出现，那么以此当前搜索的节点编号所表示的节点为首节点的馈线段的在branch矩阵中的行数都是相邻的，记为row1～row2；对这些相邻的、首节点都是当前选定的节点编号所表示的节点的馈线段，通过给定随机数确定是否建设；具体地，对row1～row2的第三列元素赋值round(rand)，其中，rand表示属于区间(0,1)内服从均匀分布的随机数，round表示四舍五入取整操作；
然后，检查当前选定的节点编号所表示的节点是否为孤立节点；孤立节点是指该电气节点不是任何一条拟建设的馈线段的端节点，即孤立节点的出线度为0；通过行向量net_cxd检查当前选定的节点编号所表示的节点的出线度，若该节点的出线度为0，而且branch矩阵的row1～row2行的第三列元素都为0，则表示该节点为孤立节点；若该节点的出线度不为0，或者branch矩阵的row1～row2行的第三列元素不全为0，则表示该节点不是孤立节点；当前选定的节点编号所表示的节点作为首节点的馈线段对应branch矩阵的row1～row2行，当前选定的节点编号所表示的节点作为末节点的馈线段出现在branch矩阵的1～(row1-1)行中，所以当前选定的节点编号所表示的节点作为首节点或末节点的馈线段都已经作过决策；若检查结果显示当前选定的节点编号是孤立节点，则随机指定row1～row2中的一行所代表的馈线段，令该行第三列元素等于1；
然后，检查针对当前选定的节点编号，在row1～row2行的馈线段的决策过程中，是否产生环网，若产生环网则需要修正；具体地，有两项检查内容：一是对照向量net_num，检查row1～row2行中第三列元素为1的馈线段的首节点和末节点的子网络号是否为相等的正数，若是，则令该行的第三列元素为0；二是对照向量net_num，挑出row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，两两比较这些馈线段的末节点的子网络号是否为相等的正数，若是，则随机选择两者之一的馈线段，令其第三列元素为0；至此，完成对当前选定的电气节点的相关馈线段初步决策。
4.根据权利要求1所述基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，其特征在于，最后，需要针对完成的初步决策，更新相关节点的出线度和子网络号，具体如下：
遍历row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，令该馈线段的首节点和末节点的出线度加1，相应修改向量net_cxd；
遍历row1～row2行中第三列元素为1的馈线段，对照向量net_num，若该馈线段的首节点和末节点的子网络号为0，即从来没有被赋予过子网络号，则赋予这两个节点新的子网络号，相应修改向量net_num，变量netnum_temporary加1；若首节点和末节点中，其中一个节点的子网络号为0，另一个节点的子网络号为整数，则令子网络号为0的节点的子网络号等于另外一个节点的子网络号，相应修改向量net_num；若首节点和末节点两者的子网络号都是正数且不相等，则令子网络号较大的节点的子网络号修改为子网络号较小的节点的子网络号，相应修改向量net_num中所有子网络号等于所述较大的子网络号的节点的子网络号。
5.根据权利要求1所述基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，其特征在于，步骤S5中，通过检查net_num中所有负荷点和所有电源点的子网络号得出该配电网目前的网架决策是否存在孤链，具体如下：
遍历net_num中每个负荷点的子网络号，分别将每个负荷点的子网络号和所有电源点的子网络号进行对比，若发现有负荷点的子网络号不等于任意一个电源点的子网络号，则该负荷点的子网络号所代表的子网络没有电源供电，是孤立网络，该子网络中的所有馈线都是孤链，则需要进行修正；新建一个维数等于num_node的行向量isolate，用以标记每个电气节点是否处于孤立网络中，用1表示该节点处于孤立网络，用0表示该节点处于有电源点供电的网络即非孤立网络；所有电源点在向量isolate中对应的值设为0；
若子网络号c所代表的子网络没有电源供电，对该孤立网络的修正如下：
给定一个属于区间[1,num_node]的随机整数m，按照从m到num_node、然后从1到m-1的顺序遍历向量net_num，找到子网络号等于c的负荷点d，然后暂停对向量net_num的遍历，然后遍历矩阵branch，对应着向量isolate，找到一段馈线段的其中一端节点为负荷点d、另一端节点处于有电源点供电的网络，令这段馈线段的第三列元素为1，即建设该段馈线段；然后跳出对矩阵branch的遍历，同时终止对向量net_num的遍历；若遍历完矩阵branch都没有找到满足其中一端节点为负荷点d、另一端节点处于有电源点供电的网络的馈线段，则继续对向量net_num的遍历，找到子网络号等于c的另一个负荷点e，重复对矩阵branch的遍历操作，再针对负荷点e寻找满足其中一端节点为负荷点e、另一端节点处于有电源点供电的网络的馈线段，以此类推，直至完成遍历或终止遍历；
通过建设遍历矩阵branch寻找到的馈线段，就能把子网络号c所代表的子网络由孤立状态修正为非孤立状态；修正完后还需要对应修改部分节点的子网络号和出线度；对修正过程中设置为建设的馈线段的两端节点，使它们的出线度加1，对应修改它们在向量net_cxd中的值；令net_num中所有子网络号等于c的节点的子网络号都改为等于所述设置为建设的馈线段中的原本就处于非孤立网络的一端节点的子网络号；
当子网络号c所代表的子网络被其他也是孤立的子网络包围时，只要重复修正子网络孤立状态的操作，实现先把包围子网络号c所代表的子网络的其他孤立子网络由孤立状态修正为非孤立状态、再把子网络号c所代表的子网络由孤立状态修正为非孤立状态；即修正子网络孤立状态的操作需要不断被重复，直到向量isolate为0向量。
6.根据权利要求1所述基于branch矩阵的无环网无孤岛配电网络生成方法，其特征在于，步骤S6中，经过步骤S2-S5决策的配电网一次系统网架已满足辐射状、所有负荷点能与电源点连通、一条馈线不能由两个电源点供电的网架约束；
新建一个num_node行、num_node列的矩阵A，作为该配电网一次系统网架的邻接矩阵；先把矩阵A初始化为全0矩阵，然后遍历矩阵branch中的每一行，若该行的第三列元素为1，假设该行代表的馈线段的两端节点编号为i和j，则令A(i,j)＝A(j,i)＝1；若该行的第三列元素为0，则跳过该行；完成对矩阵branch的上述遍历操作后，即可获得该配电网一次系统网架的邻接矩阵A；输出此时的矩阵branch和矩阵A，作为该配电网一次系统网架的两种形式，供给配电网规划中的后续步骤使用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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