CN117060378A - 一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法 - Google Patents

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CN117060378A CN202310836772.8A CN202310836772A CN117060378A CN 117060378 A CN117060378 A CN 117060378A CN 202310836772 A CN202310836772 A CN 202310836772A CN 117060378 A CN117060378 A CN 117060378A
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Abstract

本发明公开了一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法。为了解决现有负荷供电路径追踪方法计算较复杂致使非必要运行时间增多的问题,本发明包括采集数据并对电网的节点和支路做抽象预处理,形成拓扑图;在拓扑图中追踪所需供电路径涵盖的节点,利用广度优先方法生成树;输出树后,从预设追踪节点触发,沿着树中节点进行遍历,直至追踪到位于首层的平衡节点后结束追踪,输出搜索到信息生成供电路径。本方法通过广度优先搜索算法,对每个节点有且仅访问一次,进行高效地电源追踪,快速找出负荷供电路径,进而提高电力系统的供电可靠性。

Description

一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域,尤其涉及一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法。
背景技术
新型电力系统持续发展,风电、光伏等新能源在电网中占比逐渐增大,增加了电网的规模和复杂性。随着电网规模越来越大,电网中的节点数量逐渐增多,负荷的供电路径也日益复杂,因此采用高效的路径搜索方法来追踪电源供电路径势在必行。电力网络和图论中的抽象网络具有相似的性质,因此可以将图论中拓扑搜索的方法运用到电网的运行分析。针对上述情形,现有追踪方法大多采用矩阵计算方法或树搜索方法中的深度优先算法。然而矩阵计算方法在求取拓扑的全连通矩阵时因为矩阵阶数太大而导致耗时较多;深度优先搜索算法从某一个节点出发,沿着和该节点相邻节点间的支路一直搜索,直到搜索到末端节点,然后再回溯该搜索路径,再搜索新的分支,某些节点可能会被访问多次,增加了算法的开销。
例如,一种在中国专利文献上公开的“基于供电路径逻辑搜索的高压配电网负荷转供方法”,其公告号CN105071395B,包括:获取当前配电网的拓扑图;判断当前配电网中的电源点是否存在负荷过载:通过深度搜索获取由所有电源点闭环路径形成的方向约束集、互斥约束集和顺序约束集;对转供路径上负荷过载的电源点进行负荷转供操作时需同时满足该闭环路径上的方向约束集、互斥约束集和顺序约束集;判断负荷过载的电源点在预先转供操作次数内是否完成负荷转供:若未完成负荷转供目标,对负荷过载的电源点进行负荷减载操作。此方案能够对电源点闭环路径形成约束并实现搜索,但其主要采用的深度优先算法,易产生单个节点多次访问的情况,可能会增加计算开销,因此存在不足。
发明内容
本发明主要解决现有负荷供电路径追踪方法计算较复杂致使非必要运行时间增多的问题;提供一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,对电网进行拓扑处理后,采用广度优先搜索方法生成树,在该生成树的基础上,从制定负荷节点沿着该树搜索该负荷的电源供电路径;经过对标准配电网测试节点、标准输电网测试节点以及某实际电网进行测试,算例结果表明耗时极少,能为电网运行人员提供负荷电源供电路径的辅助信息,并显著降低运行人员工作量。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
本发明包括:采集数据并对电网的节点和支路做抽象预处理,形成拓扑图;在拓扑图中追踪所需供电路径涵盖的节点,利用广度优先方法生成树;输出树后,从预设追踪节点触发,沿着树中节点进行遍历,直至追踪到位于首层的平衡节点后结束追踪,输出搜索到信息生成供电路径。本方法通过广度优先搜索算法,对每个节点有且仅访问一次,进行高效地电源追踪,快速找出负荷供电路径,进而提高电力系统的供电可靠性。
作为优选,所述的采集数据过程包括但不限于收集生成拓扑图所需的电网节点和支路数据;所述抽象预处理过程包括关联电网节点与支路数据的信息,并将其均生成于同一拓扑图内。电网通过预设连接方式将发电机、变压器、电力线路与负荷共同组成网络体系,通过图论方法将电网中的设备抽象成图论中的节点和支路,并在忽略设备其他属性的情况下,单独分析电网的拓扑结构。本发明将电网中的设备处理为节点类和支路类两种抽象模型,显著提高了电网中各设备的分析效率,节省了计算时间。
作为优选,所述的用于生成树的广度优先方法包括:设开始搜索的初始节点为fNode,其所在层号设为frLayer;访问初始节点fNode的邻接节点队列的第一个节点tNode,并将tNode压入待访问队列queue;判断tNode所在层号是否为空,若为空则持续重新判断,不为空则计算tNode所在层号;将fNode至tNode的支路属性设为辐射状树支,得到tNode所在层号toLayer=frLayer+1。上述过程中使用队列queue的好处在于有效避免单个节点或单条支路被重复访问,显著提高访问效率;此外队列queue还能够存放已经访问过的各个邻接顶点,增加了访问记录可查性,能够在访问出错时进行及时审查和订正,提高了寻路准确性。
作为优选,所述的用于生成树的广度优先方法还包括:判断若fNode至tNode的支路属性为树支,则不改变其属性;否则设为连支;从fNode的邻接节点中队列中删除tNode,判断fNode邻接节点是否访问完毕;未访问完毕则重复访问tNode,并以此完成后续循环,直至所有邻接节点访问完毕,后进行队列空判断。对于不同支路进行分类设置,便于确定下一步访问路径,并且在形成搜索路径时对形成的路径进行正确的判断。
作为优选,所述的用于生成树的广度优先方法还包括:队列空判断为访问队列queue的空判断,若queue不为空则将queue中第一个节点设置为初始节点fNode,并在queue中删除fNode;直至queue为空,输出搜索到的树。进行队列空判断之后能够有效确保所有相关节点均访问完毕,能够避免节点和支路的错漏访问,从而提高搜索精确度。
作为优选,所述的方法还包括:基于链式存储方式,设置n个带有头结点的单链表代替邻接矩阵的n行,形成邻接表,并对拓扑图中的每个顶点v建立一个带头结点的单链表,将顶点v的相关信息存放在表头,单链表中的其余顶点用来存放与顶点v相关边的信息,包括但不限于其邻接点的编号、相应的边的权值。考虑实际电网形成的网络拓扑中,边的数量远远少于顶点数量的平方,因此该网络拓扑是一个稀疏图结构;而选取邻接表来存储图能够显著加快求解速度和提高图存储的效率。
作为优选,所述的单链表表头节点包含数据域data以及指针域firstarc,其指针域指向第一个与之邻接的顶点,若没有邻接点,则该指针置空,初始化时需将全部的顶点指针域置空;单链表边节点中包含邻接点域adjvex、数据域info以及链域nextarc;其中,邻接点域指向与表头结点相邻接的顶点;数据域指示该边的信息,包括但不限于权重;链域指示下一个与顶点v相邻接的顶点。上述表被访问时具有独立性和不可逆性,因此也能够实现对节点和支路的单一访问,此外其储存空间可设置,也能够通过设置合适的储存空间容纳数据,从而减少储存耗量,从而更精确地把握运行走向。
作为优选,所述的方法还包括:在广度优先搜索方法生成树过程中:从输电网平衡节点开始向下逐层搜索,所述平衡节点位于第0层;已知配电网设置至少一个电源,因此将所有电源节点均作为初始搜索节点,即处于第0层,再分别遍历所有电源作为初始节点开始搜索,最终合并输出搜索到的树。上述设置能够保证在搜索时不遗漏任何一个电源节点,并且完整获得其对应的供电路径。
本发明的有益效果是:
1.本发明的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,采用广度优先搜索方法生成树,对树中每个节点有且仅访问一次,进行高效地电源追踪,能欧快速找出负荷供电路径,进而提高电力系统的供电可靠性;
2.本发明的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,采用队列方式储存已经访问过的各个邻接顶点;并将网络拓扑图用邻接表形式存储,上述方式均能够提高储存和求解的效率,并且有效防止单个节点或支路的重复访问,显著提高了运行效率。
附图说明
图1是本发明的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法流程图;
图2是本发明的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法示意图;
图3是本发明的实施例1的简单网络拓扑图;
图4是本发明的实施例1的简单网络图对应的邻接表构成图;
图5是本发明的实施例2的IEEE-33节点测试系统的拓扑结构;
图6是本发明的实施例2的追溯bus-33的电源供电路径示意图;
图7是本发明的实施例2的IEEE-30节点测试系统的拓扑结构;
图8是本发明的实施例2的追溯Bus-26的电源供电路径示意图。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1:
本实施例的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,如图2所示,包括S1.采集数据并对电网的节点和支路做抽象预处理,形成拓扑图;S2.在拓扑图中追踪所需供电路径涵盖的节点,利用广度优先方法生成树;S3.输出树后,从预设追踪节点触发,沿着树中节点进行遍历,直至追踪到位于首层的平衡节点后结束追踪,输出搜索到信息生成供电路径。
其具体流程如图2所示:
S101:收集电网参数;
S102:确定电网的节点和支路,将电网抽象成一个图。
S2:确定需要进行电源供电路径追踪的节点,利用广度优先方法生成树,具体步骤如下:
S201:从初始节点fNode开始搜索,所在层号为frLayer;
S202:访问fNode的邻接节点队列的第一个节点tNode,并将tNode压入待访问队列queue;S203:邻接节点所在层号是否为空?为空跳到S203,否则跳至S204;
S204:将fNode至tNode的支路属性设为辐射状树支,tNode所在层号toLayer=frLayer+1;S205:若fNode至tNode的支路属性为树支,则不改变其属性;否则设为连支;
S206:从fNode的邻接节点中队列中删除tNode,判断fNode邻接节点是否访问完毕。未访问完毕转至S306,否则转至S307;
S207:转至S302继续进行循环;
S208:判断队列queue是否为空。不为空转至S309,否则转移至S310;
S209:将queue中第一个节点设置为初始节点fNode,并在queue中删除fNode;
S210:输出搜索到的树。
S201:从需要进行电源供电路径追踪的节点出发,沿着上述搜索到的树,层层遍历,直到追踪到位于首层的平衡节点时结束搜索;
S302:输出搜索到的供电路径。
上述步骤中将设备处理成如下两类抽象模型:
(1)节点类,表示网络图中的节点。包括单端口有源设备和设备间的电气连接点,有源设备如母线、负荷、发电机等;
(2)支路类,表示网络图的两端口支路。包括单端口设备(如并联电容器、并联电抗器,可等效为一端接地的支路)、双端口设备(如闭合开关和刀闸、线路、双绕组变压器、串联电抗器,等效为二端口的支路)和三端口设备(如三绕组变压器,等效为Y形分布的三条支路)。
当只研究网络的拓扑约束时,网络元件的物理特性便无关紧要,可以把网络抽象成一个图。图G(v,e)是由一系列的顶点Vertex和连接各个顶点的边Edge边组成。
步骤S2中的广度优先搜索算法生成树过程中用到队列queue,使用队列queue的好处就是可以避免重复访问,还可以存放已经访问过的各个邻接顶点。同时考虑到实际电网形成的网络拓扑中,边的数量远远少于顶点数量的平方,因此该网络拓扑是一个稀疏图结构。由于邻接矩阵的顺序存储结构,其内存空间预先分配,容易导致空间的溢出或者浪费。
为了加快求解速度和提高图存储的效率,本方法选取邻接表来存储图。邻接表是一种链式存储结构。设置n个带有头结点的单链表代替邻接矩阵的n行,并对拓扑图中的每个顶点v建立一个带头结点的单链表,将顶点v的相关信息存放在表头,表中的其余顶点用来存放与顶点v相关边的信息,包括但不限于其邻接点的编号、相应的边的权值。其结构为表头节点[data,firstarc],边节点[adjvex,info,nextarc]。
表头节点包含数据域data以及指针域firstarc,其指针域指向第一个与之邻接的顶点,若没有邻接点,则该指针置空,初始化时需将全部的顶点指针域置空;单链表边节点中包含邻接点域adjvex、数据域info以及链域nextarc;其中,邻接点域指向与表头结点相邻接的顶点;数据域指示该边的信息,包括但不限于权重;链域指示下一个与顶点v相邻接的顶点。
在广度优先搜索生成树过程中,对于输电网一般是从其平衡节点开始向下逐层搜索,即平衡节点位于第0层;对于配电网而言,可能有多个电源,因此将这些电源节点都作为初始搜索节点,即处于第0层,再遍历多个电源作为初始节点开始搜索,最终输出搜索到的树。
如图3和图4所示,这里以V0为访问起始点为例说明访问顺序:
1、首先访问0,即V0,访问后标记已访问过,使其入队,然后删除当前队头顶点,队列中包含顶点为:[V0];
2、遍历V0单链表,使其未访问的邻接顶点V2、V1入队并标记,队列中包含顶点为:[V1、V2];
3、访问队头结点1并删除,然后遍历1对应的V1单链表,使其未访问的邻接顶点4、3入队并标记,队列中包含顶点为:[V2、V3、V4];
4、访问队头结点2并删除,然后遍历2对应的V2单链表,使其未访问的邻接顶点6、5入队并标记,队列中包含顶点为:[V3、V4、V5、V6];
5、访问队头结点3并删除,然后遍历3对应的V3单链表,使其未访问的邻接顶点7入队并标记,队列中包含顶点为:[V4、V5、V6、V7];
6、访问队头结点4并删除,然后遍历4对应的V4单链表,该单链表中无未访问的顶点,队列中包含顶点为:[V5、V6、V7];
7、访问队头结点5并删除,然后遍历5对应的V5单链表,该单链表中无未访问的顶点,队列中包含顶点为:[V7、V8];
8、访问队头结点6并删除,然后遍历6对应的V6单链表,该单链表中无未访问的顶点,队列中包含顶点为:[V8];
9、访问队头结点7并删除,然后遍历7对应的V7单链表,该单链表中无未访问的顶点,此时队列为空,遍历结束,队列中包含顶点为:[](表示包含顶点数量为空)。
此时队列为空,故该图的深度优先遍历序列为:V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7。
本发明的搜索算法类似于树的层次遍历,以指定顶点为中心,依次向外一层一层进行搜索,直到搜索到最末端节点。图的树是指:对于连通图G的一个连通子图Gi,它包含G中的所有节点但是不包含任何回路。图的遍历指从图中某一顶点出发(任意一个顶点都可以作为访问的起始顶点),按照某种遍历方法,对图中所有的顶点访问一次且只访问一次。因此,可以利用上述的广度优先搜索方法搜索电网中的一棵树,在此基础上,对于电网中任意节点上的负荷,可以沿着上述生成的树追溯其电源供电路径。对于输电网一般是从其平衡节点开始向下逐层搜索,即平衡节点位于第0层;对于配电网而言,可能有多个电源,因此将这些电源节点都作为初始搜索节点,即处于第0层,再遍历多个电源作为初始节点开始搜索,最终输出搜索到的树。
实施例2:
本实施例的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,基础设置与实施例相同,本实施例在实施例1的基础上采用C++语言编程,对IEEE-33节点和IEEE-30节点测试算例进行电源追踪仿真测试。仿真环境为Microsoft Visual Studio 2015,计算机硬件配置为Intel(R)Core(TM)i12-12400 CPU,32GB内存。其中IEEE-33节点代表配电网,IEEE-30节点代表输电网,两个测试系统的计算结果表明本方法既适用于配电网同时也适用于输电网。
如图4和图6所示,为对IEEE-33节点的测试算例拓扑图和路径图,对上述IEEE-33节点测试系统进行广度优先搜索生成的树包含的支路如下表1所示。从节点33开始沿着生成的树进行电源追踪,最终搜索到的供电路径示意图如下图5所示,其中红色线表示Bus-33的电源供电路径,Bus-1为平衡节点。
表1IEEE-33节点系统中生成的树包含支路
支路 起始节点 到达节点 支路 起始节点 到达节点
line_1-2 Bus-1 Bus-2 line_8-9 Bus-8 Bus-9
line_2-3 Bus-2 Bus-3 line_27-28 Bus-27 Bus-28
line_2-19 Bus-2 Bus-19 line_9-10 Bus-9 Bus-10
line_3-4 Bus-3 Bus-4 line_28-29 Bus-28 Bus-29
line_3-23 Bus-3 Bus-23 line_10-11 Bus-10 Bus-11
line_19-20 Bus-19 Bus-20 line_29-30 Bus-29 Bus-30
line_4-5 Bus-4 Bus-5 line_11-12 Bus-11 Bus-12
line_23-24 Bus-23 Bus-24 line_30-31 Bus-30 Bus-31
line_20-21 Bus-20 Bus-21 line_12-13 Bus-12 Bus-13
line_5-6 Bus-5 Bus-6 line_31-32 Bus-31 Bus-32
line_24-25 Bus-24 Bus-25 line_13-14 Bus-13 Bus-14
line_21-22 Bus-21 Bus-22 line_32-33 Bus-32 Bus-33
line_6-7 Bus-6 Bus-7 line_14-15 Bus-14 Bus-15
line_6-26 Bus-6 Bus-26 line_15-16 Bus-15 Bus-16
line_7-8 Bus-7 Bus-8 line_16-17 Bus-16 Bus-17
line_26-27 Bus-26 Bus-27 line_17-18 Bus-17 Bus-18
如图7和图8所示,为对IEEE-30节点的测试算例拓扑图和路径图,对上述IEEE-30节点测试系统进行广度优先搜索生成的树包含的支路如下表2所示。从Bus-26开始沿着生成的树进行电源追踪,最终搜索到的供电路径示意图如下图7所示,其中红色线表示Bus-26的电源供电路径,Bus-1为平衡节点。
表2IEEE-33节点系统中生成的树包含支路
支路名称 起始节点 到达节点 支路名称 起始节点 到达节点
line_1-2 Bus-1 Bus-2 line_6-9 Bus-6 Bus-9
line_1-3 Bus-1 Bus-3 line_12-13 Bus-12 Bus-13
line_2-4 Bus-2 Bus-4 line_12-14 Bus-12 Bus-14
line_2-5 Bus-2 Bus-5 line_12-15 Bus-12 Bus-15
line_2-6 Bus-2 Bus-6 line_12-16 Bus-12 Bus-16
line_4-12 Bus-4 Bus-12 line_28-27 Bus-28 Bus-27
line_5-7 Bus-5 Bus-7 line_10-17 Bus-10 Bus-17
line_6-28 Bus-6 Bus-28 line_10-20 Bus-10 Bus-20
line_6-8 Bus-6 Bus-8 line_10-21 Bus-10 Bus-21
line_6-10 Bus-6 Bus-10 line_10-22 Bus-10 Bus-22
line_6-9 Bus-6 Bus-9 line_9-11 Bus-9 Bus-11
line_12-13 Bus-12 Bus-13 line_15-18 Bus-15 Bus-18
line_12-14 Bus-12 Bus-14 line_15-23 Bus-15 Bus-23
line_12-15 Bus-12 Bus-15 line_27-25 Bus-27 Bus-25
line_12-16 Bus-12 Bus-16 line_27-29 Bus-27 Bus-29
line_28-27 Bus-28 Bus-27 line_27-30 Bus-27 Bus-30
line_10-17 Bus-10 Bus-17 line_20-19 Bus-20 Bus-19
line_10-20 Bus-10 Bus-20 line_22-24 Bus-22 Bus-24
line_10-21 Bus-10 Bus-21 line_25-26 Bus-25 Bus-26
line_10-22 Bus-10 Bus-22
应理解,实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,包括:
采集数据并对电网的节点和支路做抽象预处理,形成拓扑图;
在拓扑图中追踪所需供电路径涵盖的节点,利用广度优先方法生成树;
输出树后,从预设追踪节点触发,沿着树中节点进行遍历,直至追踪到位于首层的平衡节点后结束追踪,输出搜索到信息生成供电路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,所述采集数据过程包括但不限于收集生成拓扑图所需的电网节点和支路数据;所述抽象预处理过程包括关联电网节点与支路数据的信息,并将其均生成于同一拓扑图内。
3.根据权利要求1所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,所述用于生成树的广度优先方法包括:
设开始搜索的初始节点为fNode,其所在层号设为frLayer;访问初始节点fNode的邻接节点队列的第一个节点tNode,并将tNode压入待访问队列queue;判断tNode所在层号是否为空,若为空则持续重新判断,不为空则计算tNode所在层号;将fNode至tNode的支路属性设为辐射状树支,得到tNode所在层号toLayer=frLayer+1。
4.根据权利要求3所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,所述用于生成树的广度优先方法还包括:
判断若fNode至tNode的支路属性为树支,则不改变其属性;否则设为连支;从fNode的邻接节点中队列中删除tNode,判断fNode邻接节点是否访问完毕;未访问完毕则重复访问tNode,并以此完成后续循环,直至所有邻接节点访问完毕,后进行队列空判断。
5.根据权利要求4所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,所述用于生成树的广度优先方法还包括:
所述队列空判断为访问队列queue的空判断,若queue不为空则将queue中第一个节点设置为初始节点fNode,并在queue中删除fNode;直至queue为空,输出搜索到的树。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,还包括:
基于链式存储方式,设置n个带有头结点的单链表代替邻接矩阵的n行,形成邻接表,并对拓扑图中的每个顶点v建立一个带头结点的单链表,将顶点v的相关信息存放在表头,单链表中的其余顶点用来存放与顶点v相关边的信息,包括但不限于其邻接点的编号、相应的边的权值。
7.根据权利要求6所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,所述单链表表头节点包含数据域data以及指针域firstarc,其指针域指向第一个与之邻接的顶点,若没有邻接点,则该指针置空,初始化时需将全部的顶点指针域置空;单链表边节点中包含邻接点域adjvex、数据域info以及链域nextarc;其中,邻接点域指向与表头结点相邻接的顶点;数据域指示该边的信息,包括但不限于权重;链域指示下一个与顶点v相邻接的顶点。
8.根据权利要求3或4或5或7所述的一种基于广度优先搜索生成树的负荷供电路径追踪方法,其特征在于,
还包括:在广度优先搜索方法生成树过程中:从输电网平衡节点开始向下逐层搜索,所述平衡节点位于第0层;已知配电网设置至少一个电源,因此将所有电源节点均作为初始搜索节点,即处于第0层,再分别遍历所有电源作为初始节点开始搜索,最终合并输出搜索到的树。
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