基于面向对象技术的舰船综合电力系统电力网络故障模拟及拓扑跟踪

吕昊 王吉忠

(1. 海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室, 武汉 430033; 2. 海军驻712所军事代表室，武汉 430064)

1 引言

舰船综合电力系统是在舰船全电力推进的基础上提出一种将舰船发供电与推进用电、舰载设备用电集成，从而实现发电、配电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制的系统，目前国内外对舰船综合电力系统开展了一系列的研究，并取得了一定的技术进展[1-3]。

同一般的陆地电力系统一样，舰船综合电力系统电力网络也是由发电设备、输电和配电设备以及负荷通过开关连接在一起的复杂网络，当开关状态发生变化时，系统的结构和运行方式势必随之发生变化。从保障系统安全的角度出发，调度运行人员必须实时掌握这种系统结构和运行方式的变化，并加以适当的自动或者手动控制调整，使得系统按照某种安全最优准则运行。进行电网拓扑分析从而实时掌握系统结构变化，即各电气设备之间联结关系的变化，是面向系统重构等高级应用的基础，能够实现故障后网络拓扑的快速跟踪是电网拓扑分析的基本要求[4-5]。

本文针对舰船综合电力系统网络结构的特点，采用面向对象技术实现舰船电力系统的拓扑建模和分析，采用随机变量模拟供配电网故障，即模拟电网拓扑结构变化，采用深度优先算法跟踪供配电网拓扑变化，从而实现对电网拓扑跟踪。算例对舰船综合电力系统可能采取的复杂的辐射网状电力网络进行了分析，给出了拓扑分析的结果，并通过重构算法实现了对电网拓扑结构的重构，验证了方法的有效性。

2 舰船综合电力系统的电网结构特点

综合电力系统除了为舰船日常用电负荷以及武器防空和通信系统供电之外，还担负了全船的推进负荷，系统容量远大于常规舰船电力系统，为此综合电力系统必须采用中压供电方式。和常规舰船电力系统电网相比，综合电力系统的电网结构主要有如下特点：

（1） 系统包含中压和低压两个电压等级的电网；

（2） 中压电网包括各电站中压发电机和中压主配电板，中压主配电板之间可以通过联络开关和联络电缆构成干馈式供电方式或者环形供电方式；

（3） 低压电网以各低压主配电板构成辐射式供电网络，其结构类似于常规舰船供电系统；

（4） 电制可以是交流制式，也可以是直流制式，或者混合制式。

3 基于无向图的拓扑建模与分析

舰船综合电力系统电网电气元件主要包括发电机、开关、中压主配电板、低压主配电板、分配电板以及各类负荷等。现考虑采用无向图来作为舰船电网的拓扑模型。图是一个二元组G=＜V，E＞，其中V（V≠Ф）是顶点集，E是边集。当E是无序积V&V的多重子集时，其元素为无向边，图G则为无向图[6]。把电网中的每个电气元件看成无向图中的顶点，若某两个电气元件有直接的电气连接关系，则该两个电气元件所对应的顶点间通过无向边相连，否则没有连接关系。这样就建立起电网的无向图模型。可以看到，电网对应的无向图中的顶点数是不变的，开关的状态变化只会改变边的数量和连接状态。为建立网络的关联矩阵和节点导纳矩阵，将无向图模型转换为节点/支路模型，无向图模型中的顶点相当于节点/支路模型中的支路，也就是说无向图中的顶点也都拥有对应的若干个节点。首先确定每类顶点所拥有的节点数，如发电机类、负荷类顶点拥有 1个节点，开关类、双绕组变压器类拥有2个节点，ABT/MBT类顶点拥有3个节点等等），然后按一定的顺序给各类顶点赋节点号，建立起节点/支路模型，如图1所示。

图1 电网的无向图模型和节点/支路模型

4 基于面向对象技术的网络故障模拟及拓扑跟踪

4.1 舰船综合电力系统配电网络的面向对象拓扑模型[7-8]

面向对象程序设计与传统的结构化程序设计方法相比，具有程序易于维护扩展、可重用性好等优点。将面向对象技术应用到配电网络的建模中，在封装性、继承性和多态性的基础上，还应用了对象组合、类结构递归等方法来设计配电网的模型，使该模型既能直观地表达配电网，也能方便地用于配网计算。

（1） 利用面向对象中的类对电气元件进行描述；

例如：

发电机

{

网络所有电器元件中的编号；

发电机类中的编号；

发电机状态；

对应的节点编码；

}

（2） 根据初始的输入数据生成初始的邻接矩阵(假定所有开关是闭合的)，再由故障模拟过程中生成的开关状态修改初始邻接矩阵，得到当前状态下的邻接矩阵，最后由当前状态的邻接矩阵得到邻接表；

图2 基于面向对象的电网静态拓扑生成

（3）整个静态拓扑生成的流程如图2所示。

4.2 网络故障模拟

舰船综合电力系统配电网络由于各种原因，导致的网络故障，例如受到攻击导致的设备损毁，人为操作失误导致的开关误动作等。反映在电网的拓扑模型中，即表现为网络拓扑结构的改变。实际情况中表现出来的这种配电网络拓扑结构的变化具有随机性。为了突出这种随机性，网络的故障模拟调用了面向对象函数库"stdlib.h"中的随机数生成函数 srand()和 rand()。这两个函数能实现对随机故障的合理模拟。生成的开关状态再返回到主程序中实现故障状态的邻接矩阵的生成。

4.3 基于深度优先算法的对故障的拓扑跟踪

深度优先搜索法（DFS）是用来判断图中顶点间连通性的一种常用方法。DFS的具体搜索过程如下：访问节点v0以后，访问一个v0邻接到的未被访问过的节点v1，再从v1出发按深度方向搜索。当遇到一个所有邻接于它的节点都被访问过的节点u时，回到已访问节点序列中最后一个拥有未被访问过的相邻节点的节点w，再从w出发按深度方向搜索。最后，当任何已被访问过的节点都没有未被访问的相邻节点时，搜索结束。深度优先搜索是一种先根遍历的过程，其本质上是对每个顶点查找其邻接点的过程[9]。

深度优先搜索法的实现主要是利用堆栈技术，从一个顶点出发，利用一个“先进后出”的堆栈存放中间分支点，沿一条路径走到尽头，再通过出栈操作，按原路逐步退回，直至找到一条新的未被访问过的分支路径，再沿此路径走到尽头，依此类推。

在面向对象环境中建立起电网拓扑模型后，就可以采用深度优先搜索法进行电网拓扑的连通性分析，实现对元件带电情况进行判断。即判断某个负荷或者某个电气元件的带电情况，等价于判断该负荷或电气元件所对应的顶点是否与某个发电机类顶点连通。搜索程序的流程如图3所示。

5 算例分析

对舰船综合电力系统可能采取的有四个电站的交流辐射状配电网络采用上述基于面向对象技术的拓扑建模、故障模拟及拓扑跟踪进行算例分析。网络规模为：470个节点，包含4台发电机，5个负荷中心，49个负载支路，163个断路器，57个自动或手动转换开关。

图3 基于面向对象的电网故障拓扑跟踪

初始情况为所有开关均闭合，所有自动或手动转换开关常规开关闭合，备用开关断开。然后调用随机数生成函数 srand()和 rand()模拟生成两个随机的故障，即两个断路器断开，生成故障状态下的邻接矩阵及邻接表。然后程序用深度优先算法进行拓扑跟踪。最后采用开关分类分析重构算法进行自动或手动转换开关动作看能否实现网络重构达到失电负荷恢复供电。

开关分类分析重构算法是基于对开关的分类，然后就分类组合后的所有失电情况进行装换开关动作，算例电网共有 163个开关，分为 11类，如表1所示。两处故障（开关动作）时，共有失电情况12种，对每一种进行相应的分析，得到相应的自动或手动转换开关动作规律。

两处故障（开关动作）分类分析示意图如图4所示。

表1 电网开关分类表

进行了三次故障模拟，结果如表2所示。

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6 结束语

(1) 本文从舰船综合电力系统的电力网络结构特点出发，建立了电网的无向图模型与节点/支路模型，并基于面向对象技术实现了对整个配电网络的拓扑建模和静态拓扑表达。

(2) 并针对舰船综合电力系统故障的随机性特点，在面向对象的拓扑分析程序中调用了随机数生成函数模拟故障及开关动作，并采用深度优先算法，在面向对象程序中对实现对负荷失电的动态拓扑跟踪。

(3) 本文在算例分析中，对舰船综合电力系统可能采取的四个电站的交流辐射状配电网络采用上述基于面向对象技术的拓扑建模、故障模拟及拓扑跟踪，并结合开关分类重构算法给出了恢复供电方案。算例分析证明了该方法对电网拓扑建模成功，并能够实现对故障的随机模拟及快速的拓扑跟踪。

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[8] 董张卓，秦红霞，孙启宏等.采用面向对象技术和方法的电力系统网络拓扑的快速跟踪（二）[J].中国电机工程学报，1998，18(4)：283-286.

[9] 卢开澄, 卢华明. 图论及其应用[M]. 北京：清华大学出版社.