一种配电网拓扑跟踪方法及其应用

郝 骞，马慧卿，杨 风，齐明思，蒋永建

（1.中北大学 国家级电工电子实验教学示范中心，山西 太原 030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3.青岛青咨工程咨询有限公司 山西 青岛 266071）

配电网是一种有复杂拓扑结构的大型电力网络，呈现典型网状结构。电网拓扑跟踪算法就是根据电网开关设备状态的变化来重构电网拓扑的一种算法。跟踪算法的性能是影响状态仿真、潮流计算、故障定位等高级功能推理过程性能的关键因素。人们不断提出更为有效的方法用于提高跟踪算法的性能。Mauro Prais在文献[1]中提出了一种延时（over time）跟踪算法用于提高跟踪速度。区别于传统的跟踪算法，该算法采用累积更新技术，以减少拓扑重构的次数。但该积累后还是需要对整个电网遍历，计算量相当大。在前一算法的基础上，Phongsak D.Yehsakul于文献[2]中提出一种基于拓扑的局部更新（Local Update）实时跟踪算法。该算法实现了电网拓扑实时跟踪，并且使计算量显著下降。但是该算法划分的子网单元中母线数目还是相当大，采用深度优先搜索技术遍历子网，仍需一定的计算量。另外以上两种算法描述电网拓扑结构的初始数据，需人工输入数据库实现，使得更新维护不是很方便。

结合前两种算法，Ying He在文献[3]中提出了一种基于面向对象技术的拓扑跟踪算法。该算法在面向对象环境中实现了对随机故障的模拟，同时用深度优先算法进行了快速的拓扑跟踪[4-6]，但由于利用C++编程封装各个抽象类，使得初始化需要使用大量的时间和的内存空间。

结合以上3种算法以及实际需求，本文提出了一种电网全局以母线为节点遍历和设备单元局部更新相结合的新型实时跟踪算法。

1 电网拓扑变化

在电力系统中，典型的配电网系统图如图1所示，由开关、闸刀、母线、连接线、变压器、负载、接地等设备连接而成。电网拓扑会随着开关设备的状态变化而不断变化。经过分析，我们可以看到不同位置开关设备状态的变化，对电网拓扑产生不同程度的影响。

当连接负载的开关设备（如开关89121）状态变化时，将只对电网局部的负载，连接的母线状态产生影响，而对整个基于母线的电网拓扑几乎没有影响。

图1 电力系统配电网Fig.1 Distributiont network of power system

而当连接母线的开关设备（如开关89112）改变状态时，将会导致该设备所连接的母线之间的连接状态发生改变。从而对整个电网的拓扑产生影响，而不仅仅只是对局部的设备连接状态产生影响。因此，我们有必要采用不同的方法来处理不同位置上设备状态变化的情况，以致跟踪算法更有针对性和有效性。

为了对不同的设备采用不同的方法处理，我们对不同的设备进行归类；为了对电网拓扑实现局部更新，我们对电网进行区域划分。这里提出了一种适合本跟踪算法的电网拓扑模型描述方法，实现了有效的设备归类和恰当的电网区域划分。本描述方法采用一种基于对象和关系数据库技术来描述电网拓扑模型。

2 拓扑跟踪算法

电网的拓扑在电网运行中会根据操作设备的状态不断变化。拓扑跟踪就是要及时跟踪电网拓扑的变化，确定新的网络拓扑。在传统的跟踪算法中，每个开关设备的状态变化都要导致整个网络拓扑的更新、重构。由于电网的设备非常多，拓扑相当复杂，导致跟踪算法计算量很大。

本文根据电网拓扑变化的分析和电网拓扑模型的建立，提出了一种电网全局以母线为节点遍历和设备单元局部更新相结合的新型实时跟踪算法。本算法核心就是对改变状态的不同类型开关设备，采取不同的处理方法来跟踪电网拓扑。

1）叶支路类设备改变状态 这种情况下，只需在该负载设备单元内使用基于规则的推理算法进行拓扑跟踪，更新本单元内的设备状态即可。

2）母线连接类设备改变状态 这种情况下，如果没有改变两母线的连接状态，就不会改变整个电网拓扑，则只需跟踪母线连接设备单元内的拓扑，更新本单元内的设备状态。如果两个母线的连接状态发生改变，则会改变母线间的连接状态，也就改变了整个网络拓扑。则需要重构整个以母线为节点的网络拓扑。还要继续跟踪，改变状态母线对负载设备单元和母线连接设备单元的影响。

3）接地设备类改变状态 因为接地设备必须在连接线无电时才可操作，因此接地设备类设备的状态变化对电网拓扑的影响，可以不给考虑。

下面将结合实际应用，详细说明跟踪算法的具体流程。

3 跟踪算法应用

本文根据实际电网仿真系统中电网设备状态推理的实际需求和以上的电网跟踪算法，提出了母线为节点的电网拓扑以一种近似的宽度优先的算法，设备单元内部采用基于规则的推理算法。整个跟踪算法的推理流程如图2所示。

图2 算法应用程序流程图Fig.2 Chart of algorithmic application program

在算法实现以前，需要把设备的拓扑模型相关内容保存到数据库中。这里可以由辅助程序，自动从所画的电网系统图生成相应的拓扑结构知识，无须人工输入数据库。

当推理算法启动后，首先查询“设备表”获取该设备的相关信息。然后判断设备的类型是叶支路类还是母线连接设备类。如果是叶支路类设备则进入“叶支路设备推理程序”，根据 ‘系统图名’、‘逻辑图号’、‘连接单元号’、对设备进行定位，并查询 “负载设备连接单元表”，获取该设备所在单元的拓扑结构，并根据基于规则的推理算法，跟踪单元内的拓扑，获得各设备的有电无电状态。然后，再更新该单元的拓扑结构和设备状态。

如果是母线连接设备类设备，则进入“母线连接设备单元推理程序”。同理，对设备进行定位查询，结合“母线连接设备逻辑单元连接关系表”和“母线连接设备逻辑单元母线状态表”，对该设备所在的单元进行有电遍历算法。跟踪该单元的拓扑，获取该单元所有有点的设备。然后更新该设备单元的设备状态。所谓有电遍历算法，就是遍历所有前提设备有电，连接设备状态为连通，得到结论设备为有电。

如果是母线连接设备类设备，则还需要进入“母线连接状态处理程序”，判断该设备状态的变化，是否导致了母线连接状态的改变。这里由“母线连接设备状态表”中同一‘连接号’下，各设备的“母线连接设备状态”确定。如果导致‘母线连接设备状态’的“与”值改变，则该设备状态的变化，改变了母线连接状态。就要更新 “母线连接关系表”中同一连接号对应的‘母线连接状态’。

如果改变了母线连接状态，也就改变了电网的拓扑。那就需要进入“母线状态处理程序”，对以母线为节点的电网拓扑进行遍历、重构。首先，要确定整个电网的供电电源，这里作为一个特殊的前提母线处理。即把为供电电源的‘前提母线’置为“有电”。然后，把‘前提母线’有电，并且‘连接状态’为连通的‘结论母线’在‘母线状态表’中置为“有电”。并把‘母线状态表’中作过‘前提母线’的使用标志置为“使用过”。然后遍历母线状态表中所有“有电”的母线，到所有“有电”的母线都使用过，则停止遍历。其中遍历的可能最大次数就是母线的数目。由此跟踪网络拓扑，并“有电推理”获取所有母线的新的状态。

这里虽然电网拓扑变化，但是电网母线的状态有可能没有产生变化。电网状态推理可以结束。如果母线状态产生变化，虽然不会影响负载设备单元和母线连接设备单元的拓扑结构，但是会对内部设备状态产生影响。这就需要对影响到的单元进行重新的局部更新，获取新的设备状态。

4 性能测试分析

本跟踪算法在一个大型钢铁企业的配电网仿真系统中进行了实际的应用。系统由VB编写ActiveX控件嵌入网页实现B/S模式。其中配电网拓扑模型由关系数据库SQL SERVER的数据表来描述，而跟踪算法由VB编程实现。配电网的特性如下表1所示。

系统测试的运行环境如下：服务器端CPU 1.4 GHz，内存256 MB，浏览器端CPU为1.2 GHz，内存128 MB。两端网络速度为100 Mb/S，网络环境良好。测试结果满足电网实时状态推理的需要。

表1 配电网特性Tab.1 Distribution Network Character

5 结 论

本文在一个基于对象和数据库技术描述的电网拓扑模型基础上，提出了一种新型有效的电网拓扑实时跟踪算法，即电网全局以母线为节点遍历和设备单元局部更新分步计算相结合的算法。并在一个B/S模式的配电电网仿真系统中应用验证了该算法是有效的。

[1]Prais M，Bose A.A Topology Processor That Tracks Network Modifications Over Time[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and System， August，1988，3（3）:992-998.

[2]Phogsak D，Dabbaghchi I.A topology-based agorithm for tracking network connectivity [J].IEEE Trans.On Power Systems，1995，10（1）：339-346.

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