一种基于母线群搜索的电磁环网拓扑辨识方法

徐晓亮， 陈根军

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)



一种基于母线群搜索的电磁环网拓扑辨识方法

徐晓亮， 陈根军

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

依据CIM的电网母线-支路模型，提出了一种基于母线群搜索的电磁环网拓扑辨识方法，并介绍了实现的具体步骤。研究了通过深度优先搜索实现同电压等级母线群搜索和母线间连通性的搜索，在此基础上提出了电磁环网存在性判定及环网的边路径搜索方法。最后结合电网实例分析验证了方法的正确性，可准确判断出电网中电磁环网的存在，并可搜索得到具体的环网路径设备。

拓扑分析；电磁环网；CIM；网络模型；电力网络

0 引 言

电磁环网是指不同电压等级线路通过两端变压器构成的电磁回路。由于电网结构及调度管理等因素的制约，高低压电磁环网在某些地区电网至今仍有存在，这对于电力系统的安全稳定运行带来严重的安全隐患。电磁环网的辨识对于识别电网中关键输电断面、避免线路开断后造成的重载潮流转移，抑制大面积连锁事故的发展、蔓延具有重要的意义[1-5]。

在能量管理系统(EMS)中，电磁环网辨识属于电力系统中网络拓扑结构的辨识问题，是其上层网络分析应用如状态估计的环网参数辨识、环网线路N-1分析的基础，它是对不同电压等级线路经变压器所形成环路的拓扑搜索。通用信息模型CIM(Common Information Model)是国际电工技术委员会所推出的IEC61970标准框架的重要基础，拓扑搜索通常采用基于CIM的两种拓扑模型：开关-节点模型和母线-支路模型，这两种模型在拓扑分析中都有不同方面的应用[6]。深度优先搜索和广度优先搜索是比较常用和有效的路径判断、搜索方法，另外通过节点关联矩阵逻辑自乘的分析方法也可以实现路径搜索[7-9]。

本文提出了一种基于母线群搜索的电磁环网拓扑辨识方法。依据基于CIM的母线-支路模型，通过深度优先搜索，在不经过高电压等级厂站前提下搜索局部供电区域内所连通的低电压等级母线群，进而搜索与该母线群存在直接电气联系的高电压等级母线并分析其相互之间的连通性，从而确定电磁环网的存在，并通过环网关键顶点间边的搜索得到环网路径上的具体设备。

1 基于深度优先的连通母线群搜索

常见电磁环网的示意图如图1所示。两个区域之间由高电压等级线路HL1和低电压等级线路LL1、LL2所连接，母线HB1、HB2为供电的高电压等级厂站母线，母线LB1、LB2、LB3为供电区域内低电压等级厂站的母线，母线HB1与LB1、HB2与LB2之间均存在电气联系。当然在实际电网存在的电磁环网中，区域间联络的线路、母线要比这复杂的多。

图1 电磁环网示意图

从图1中可看出，电磁环网的网络结构具有以下特点：(1) 低电压等级线路所连接母线之间相互连通；(2) 高电压等级线路所连接母线之间相互连通；(3) 高低电压等级线路所连接母线之间构成回路。

因此，要实现电磁环网的识别，需要实现两种拓扑连通性的搜索：一个是同电压等级的连通母线群搜索，即图中高电压等级母线群HB1、HB2的搜索、低电压等级母线群LB1、LB2、LB3的搜索；另一个是从低电压等级母线到高电压等级母线的连通性搜索，即母线LB1到HB1、LB2到HB2的搜索。

对于一些网络分析应用(如状态估计、调度员潮流等)，考虑到等电位的情况形成了逻辑上的拓扑节点的概念，电力系统网络表达成为拓扑节点和拓扑节点间带阻抗的电器元件连接，即母线-支路模型，在此利用母线-支路模型和深度优先搜索可以方便地进行母线间连通性的搜索。

1.1 同电压等级连通母线群搜索

同电压等级连通母线群的搜索可以从任意一个厂站的最高电压等级母线开始进行深度优先搜索。当搜索到同电压等级线路一端时，由于其属于双端设备，则找到线路的另一端继续搜索；当搜索到变压器时，则不进行进一步的搜索；当搜索到母线时，只要该母线从属厂站的电压等级与起始母线相同，则继续搜索，否则不进行进一步的搜索。按照此种方法可在不经过高电压等级厂站情况下，找到该供电区域内母线连通的所有同电压等级的母线。

1.2 连通的高电压等级母线搜索

连通的高电压等级母线的搜索可以从任意一个电压等级的母线开始进行深度优先搜索。当搜索到同电压等级线路一端时，则找到线路的另一端继续搜索；当搜索到变压器时，如果是变压器的高压侧则不进行进一步的搜索，如果是变压器的低压侧，则找到变压器的高压侧继续搜索；当搜索到母线时，若电压等级与起始母线相同，则继续搜索，若电压等级高于起始母线则表示已找到目标母线，搜索终止。按照此种方法可找到起始母线所连通的经过最少节点数的高电压等级母线。

2 电磁环网辨识

电磁环网辨识以各变电站中最高电压等级母线作为环网分析对象，在检测两个电压等级之间存在的电磁环网时，电磁环网辨识的步骤如图2所示。

图2 电磁环网辨识流程图

电磁环网辨识的主要步骤包括：

(1) 遍历低电压等级母线，从任一待分析母线出发，在不经由高一级电压等级厂站的前提下，搜索出待分析母线所连通的同电压等级的母线群；

(2) 从连通的低电压等级母线群出发，寻找与各个母线存在直接电气连接的高电压等级母线；

(3) 环网存在判断，若存在属于不同厂站的两个高电压等级母线为低电压等级母线群供电，且两个母线间又经由线路相互连通，即可判断出电磁环网的存在；

(4) 确定环网的顶点和边，并搜索出环网路径上的具体设备。

下面结合图1做进一步的说明。

2.1 连通母线群搜索步骤

先对电网中低电压等级的母线进行遍历，根据前节中搜索同电压等级连通母线的方法，从任意一个低电压等级厂站的同电压等级母线出发，不经由高一级电压等级厂站前提下搜索出一组同电压等级的连通母线群。比如在图1中从母线LB1开始搜索，搜索到母线LB2、LB3。

在搜索出的低电压等级母线群中，按照前节搜索连通的高电压等级母线的方法，依次遍历母线群中的母线，搜索其可能连通的高电压等级母线，最终得到具有直接电气联系的高电压等级母线群。在图1中从母线LB1可搜索到高电压等级母线HB1、从母线LB2可搜索到高电压等级母线HB2。

2.2 电磁环网存在性判断

如果低电压等级母线群所连通的高电压等级母线的所属厂站数不多于1个，则说明此低电压等级母线群是由同一个高电压等级的厂站供电，即不存在电磁环网。否则在搜索得到的高电压等级母线群中，再进一步判断任意两个属于不同厂站的母线之间是否存在通路，在这里同样可采用前节搜索同电压等级连通母线群的方法进行。如果两者之间存在通路，则可判断此低电压等级母线群与两个高电压等级母线的厂站之间存在电磁环网。图1中对高电压等级母线群HB1和HB2进行分析，两者对母线群LB1、LB2、LB3进行供电，而母线HB1和HB2之间存在电气联系且从属与不同厂站，故而可以判定电磁环网的存在。

2.3 环网路径搜索

判断出电磁环网的存在只是确定了环的存在，但还需要确定具体的组成该环的顶点和边。对于一个环网，按照前面搜索的不同电压等级的母线群和厂站，可以首先确定其四个关键顶点，即高电压等级的两个不同厂站内母线、与它们直接电气连接的两个低电压等级厂站内受电母线，之后搜索顶点两两之间组成环路的四条边，最终可得到具体的组成环的设备，如变压器、线路、开关刀闸等。如图1中先确定电磁环网的四个关键顶点HB1、HB2、LB1、LB2，然后搜索每两个顶点之间的边，即可得到所有环网上的设备。

电磁环网的边的搜索同样采用深度优先搜索，从起始母线开始顺藤摸瓜一直搜索到目标母线，可以采用链表和栈这两种数据结构实现。其中：链表用于存放环网上的设备路径；栈用于保存深度优先搜索过程中搜索到的所有设备，采用后进先出策略。首先从电磁环网的搜索起始母线出发，进行入栈操作，然后起始母线设备出栈，加入到链表中，同时搜索与起始母线直接相连的设备，并将搜索到的设备进行入栈；接着进行出栈操作，并将出栈设备加入到链表中，继续搜索与出栈设备相连但未入栈的设备，对这些设备进行入栈操作；以此类推，直到找到目标母线为止，即完成环网一条边的路径的查找。

分别搜索出四条边路径后，汇集起来就组成了完整的环网路径。具体边路径的搜索包括：

(1) 低电压等级母线间路径

从一个低电压等级母线出发，搜索出连接另一个低电压等级母线间所有的设备。

(2) 高低电压等级母线间路径

分别从两个低电压等级母线出发，寻找与对应两个供电的高电压等级母线之间的所有路径设备。

(3) 高电压等级母线间路径

从一个高电压等级母线出发，搜索出连接另一个高电压等级母线间所有的设备。

3 实例分析

图3为某地区局部电网的结构图。其中S1、S2、S3和S4为500 kV变电站，彼此之间由500 kV线路连接，其余为它们供电的220 kV变电站。

图3 某地区局部电网结构图

在判断该区域存在的500 kV/220 kV电磁环网时，首先从220 kV变电站的220 kV母线开始遍历，比如从变电站L1开始，利用同电压等级连通母线群搜索，即可搜索得到不经由500 kV

变电站前提下与之相连通的L1-L12站内所有的220 kV母线群；然后对该母线群内母线遍历，搜索直接对其供电的高电压等级母线，可以得到S1、S3、S4站内500 kV母线群，根据500 kV母线之间经由线路连通性的判断可确定存在电磁环网；最后依据环网的关键顶点即500 kV变电站S1、S3、S4及直接供电的220 kV变电站L1、L6、L8、L11中母线，搜索两两之间的环网边，即可得到具体的环网路径上设备。

基于该地区电网的CIM模型建立母线-支路拓扑模型，按照本文提出的方法进行程序编制，分析得到的环网按照变电站顺序表示为：① S1→L11→L10→L8→S3→S2→S1；② S1→L11→L10→L9→L8→S3→S2→S1；③ S1→L1→L2→L5→L6→L10→L8→S3→S2→S1；④ S1→L1→L2→L5→L6→L10→L9→L8→S3→S2→S1；⑤ S1→L11→L10→L6→S4→S3→S2→S1；⑥ S1→L1→L2→L5→L6→S4→S3→S2→S1；⑦ S3→L8→L10→L6→S4→S3；⑧ S3→L8→L9→L10→L6→S4→S3。程序分析给出的环网辨识结果与实际情况一致，对于嵌套环网也可正确识别，进而验证了该电磁环网辨识方法的正确性。

4 结束语

利用基于CIM的母线-支路模型，本文给出了基于母线群搜索的电磁环网拓扑辨识的具体实现方法。该方法已运用在能量管理系统当中，实践证明可以准确地分析出电网中电磁环网的存在并搜索出具体的环路上的设备，为电网关键输电断面监视、环网线路开断后潮流转移分析等上层网络分析应用功能提供了分析基础，为电网安全稳定运行决策提供了技术支撑。

[1] 孔涛，王洪涛，刘玉田，等．500 kV-电磁环网开环研究[J]．电力自动化设备，2003，23(12)：13-16．

[2] 侯春青，郑惠萍．2005年山西中南部500 kV及220 kV电网的电磁环网运行方式研究[J]．电网技术，2005，29(10)：80-84．

[3] 杨东，刘玉田．特高压初期的电磁环网影响分析[J]．电力自动化设备，2009，29(6)：77-80．

[4] 颜俊，程改红，张中庆，等. 南方电网500 kV/220 kV电磁环网运行方式研究[J]. 南方电网技术，2013，7(6)：76-80.

[5] 刘明松，张健，张文朝. 弱电磁环网运行控制若干问题及对策[J]. 电力系统自动化，2014，38(4)：109-114.

[6] 陈根军，顾全.基于CIM的配电网一体化追踪拓扑[J].电力系统自动化，2009，33(3): 59-63.

[7] 陈星莺,孙恕坚,钱锋. 一种基于追踪技术的快速电力网拓扑分析方法. 电网技术，2004，28(5)：22-24.

[8] 陆承宇，章文立．CIM电网模型的拓扑分析方法[J]．浙江电力，2005，27(4)：5-8．

[9] 钱锋，顾全．电力调度中的网架拓扑及多岛连接设备识别[J]．电网技术，2006，30(S2)：93-96．

An Electromagnetic Loop Network Topology Identification Method Based on Bus-batch Search

Xu Xiaoliang, Chen Genjun

(Nanjing NARI-Relays Electric Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211102, China)

On the basis of a CIM-based grid bus/branch model, this paper presents an electromagnetic loop network topology identification method based on bus-batch search, and describes specific steps of this approach. It discusses how depth-first search is used to realize bus-batch search for the same level of voltage as well as search of connectivity between buses. Furthermore, the paper presents methods for judging existence of the electromagnetic loop network as well as its side path search. Finally, through analysis of actual grid cases, it is verified that the method is correct and that it can accurately judge the existence of the electromagnetic loop network in the grid, and search and locate the specific routing equipment of the looped network.

topology analysis; electromagnetic loop network; CIM; network model; power network

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.021

TM744

A

1000-3886(2016)03-0064-03

徐晓亮(1981-)，男，湖北十堰人，工程师，硕士，从事调度自动化的研究与开发工作。

定稿日期: 2015-11-03