电力系统网络拓扑结构识别.docx

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电力系统网络拓扑结构识别

电力系统网络拓扑结构识别

学院

毕业设计（论文）

题目：

电力系统网络拓扑结构识别

学生姓名：

学号：

学部（系）：

机械与电气工程学部

专业年级：

电气工程及其自动化

指导教师：

职称或学位：

教授

摘要

电力系统拓扑分析是电力能量流（生产、传输、使用）流动过程中，对用于转换、保护、控制这一过程的元件（在电力系统分析中认为阻抗近似为0的元件）状态的分析，目的是形成便于电网分析与计算的模型，它界于EMS底层和高层之间。

就调度自动化而言，底层信息（如SCADA）是拓扑分析的基础，高层应用（如状态估计、安全调度等[1]）是拓扑分析的目的。

可见，电力系统在实时运行中，这些元件的状态变化决定了运行方式的变化。

如何依据厂站实时信息，快速、准确地跟踪这些变化，是实现电力系统调度自动化过程中基础而关键的工作[2]。

拓扑分析在电力系统调度自动化中如此重要的地位，至少应该作到如下几点。

（1）拓扑分析的正确性：

对任何情形下的运行方式，由元件状态的状况，针对各种电气接线关系，如单、双母线接线及旁路母线、3／2接线、角型接线等，均能进行正确的处理，当然这必须在实时信息可靠前提下才能实现。

（2）拓扑分析的直观性：

大规模电力系统的拓扑结构是复杂的，由此拓扑分析本身就是对这一复杂网络的简化，因此其结果的直观性就很重要。

如元件状态（运行、停运）标识，不同电压等级的区分等。

（3）拓扑分析的实时性：

由拓扑分析的目的可知，拓扑分析必须是快速的，必须满足对实时决策与控制的要求。

（4）拓扑分析的通用性：

运行方式变，电网结构就变，也即拓扑结构变，由此在拓扑数据的存储、模型表达等诸多方面都应该考虑其开放性、可扩展性及可维护性等。

综上，电力系统网络拓扑分析的目的是明确的，同时也显现电力系统网络拓扑分析有一定的难度。

关键词：

电力系统；关联矩阵；拓扑分析；网络

ABSTRACT

Powersystemsassociatedtopologyistheelectricalenergy,transportstream（production,use）flow,forconversion,protectionandcontroltheprocesscomponent（thepowersystemsintheanalysisconsideredtheimpedanceapproximationtothecomponents）stateanalysis,theaimistofacilitateanalysisandcalculationofthenetworkmodel,anditboundedontheems.Thebottomandtop.Intheautomation,informationastheunderlying（scada）topologyisthebasisofanalyzinghighapplications,suchasstatesecurity（estimate,thewaiting[1]topologyisthepurposeofanalysis.therefore,theelectricitysysteminreal-timeoperation,thesecomponentsofstatechangestotherunway.howthechangesonplantsstandreal-timeinformation,rapidandpreciseinfollowingthesechangesisthepowersystemsandautomatedschedulersthebasisofthework[2].Topologyanalysisintheelectricitysysteminthedeploymentofautomationissoimportantposition,atleastshouldbeasfollows.

（1）topology：

toanyanalysisofthevalidityoftheoperation,theelementsofthestateofthesituationintheelectricalwiring,suchasasingle,doublebuseswiringandotherbuses3/2connection,thetypeof

一绪论

1.1课题背景及意义

所谓电力系统网络拓扑结构指的实际上是电力系统网络内的各发电厂，变电所和开关站的布局，以及连接他它们的各级电压电力线路的连接方式。

在电网发展初期，电网规模较小，电源布局对电网结构起重要作用。

随着系统规模的不断扩张，尤其是互联大电网的形成，电厂的作用相对弱化，于是电力系统网络主结构的规划设计变得尤为重要。

电网互联，是各国电业工业发展的的客观规律，是世界各国电力发展的必然趋势。

如此庞大的电网中，电网拓扑结构无疑直接决定着电力系统是否稳定，是否存在安全隐患，能否在意外发生的第一时间解决故障等等。

从电网的发展中，为了谋求更多的经济效益和系统运行的稳定性，大电网取代了小电网。

经济上大电网可以在最大的地理环境内获得最好的能源利用,发挥大电网互联的错峰调峰、水火互济、跨流域补偿调节、互为备用和调节余缺等联网效益,实现网间功率交换,在更大范围内优化能源配置方式。

同时,在安全上大电网承受扰动的能力比小电网显著加强,大电网因事故导致大停电的概率明显减小。

在这种情况下，为了考量系统中设备的随机故障和负荷的不确定性，有了量化的电网风险评估。

研究不同的电网系统拓扑结构，对于电网运行减少风险有着重要的意义[1]。

1.2研究现状

随着电网状态估计技术的发展，电力系统拓扑结构分析方法得到了专家和学者的广泛重视，传统的电力系统拓扑分析方法一般将拓扑结构表述为链表关系，用图论中的搜索技术，如深度优先搜索法和广度优先搜索法分析节点的连通性。

这种方法一般需要建立反映拓扑结构的链表，通过处理链表实现拓扑分析。

由于在电网的实际运行过程中，状态频繁发生变化的开关占少数，因此将追踪技术引入拓扑分析中，仅在开关状态发生改变时进行局部拓扑分析，可以减少拓扑分析的计算量。

图论搜索虽易于理解，但较繁琐，不少学者在此基础上进行了更深入地研究和改进。

在给出厂站、网络拓扑结构等概念后，独立进行厂站拓扑结构分析和网络拓扑结构分析，并引入稀疏、分块处理等技术进一步提高网络拓扑结构分析的效率。

1.3本论文研究的主要工作

本篇论文的主要工作是：

（1）熟悉电力系统网络拓扑结构识别在电网风险评估中的运用。

（2）了解基于关联矩阵的电网拓扑辨识具体算法流程如何实现。

（3）使用关联矩阵的方法，写出算法流程图，用matlab编写相应的计算程序。

二电力系统网络拓扑结构

2.1电网拓扑模型

电力系统中的各类设备除输电线路外都集中于发电厂和变电站内，厂站设备和各种输电线路的相互连接构成了电力系统网络拓扑。

厂站包含的一次设备主要有：

发电机、开关变压器、隔离开关、电抗器等。

母线一般有单母线、单母线分段、双母线及双母线带旁母、倍半接线等形式；变压器根据其结构又可分成双绕组变压器和三绕组变压器。

在各种接线形式下，断路器两边一般设置有隔离开关，断路器和隔离开关串用来连接母线、进出线路和变压器等。

元件：

电力系统一次设备集合中的一个元素，称为元件。

元件按照其结构可以分为：

（1）单端点元件，只有一端和电网连接的设备，如发电机组、用电负荷、并联补偿器、调相机等；

（2）双端点元件，有两端和电网连接的设备，如断路器、隔离开关、输电线路、串联补偿器、双绕组变压器等；

（3）多端点元件，有多个端点和电网连接的设备，如三绕组变压器。

在实际计算中，多端点元件可以根据端点的连接情况等值为多个双端点元件．

按照元件的性质，元件又分为：

（1）无阻抗元件，一般将用于转换和控制电力系统运行方式的元件，称为（近似）无阻抗元件（如断路器、隔离开关等）；

（2）有阻抗元件，用于电能转换与传输的元件称为有阻抗元件（如输电线路、变压器等）。

厂站：

由若干元件连成的区域中，不包含任何输电线路元件的整体，若有输电线路仅含有输电线路元件的一个端点，这样的区域称为厂站。

网络：

由厂站拓扑分析后的逻辑节点和有阻抗元件构成的集合称为网络，网络是与厂站对应的。

电气节点：

元件之间的连接点称为电气节点，包含电气连接点和物理母线，所有设备通过电气节点连接在一起。

逻辑节点：

由无阻抗元件直接连接在一起形成的电气节点连通片称为逻辑节点，逻辑节点都集中在厂站内．

系统节点：

一个逻辑节点也称为系统节点，所有逻辑节点的总数是系统的最大节点号．

子系统：

由有阻抗元件连接在一起的系统节点的连通片称为子系统，子系统由网络拓扑分析确定。

基于上述定义，本文的电网拓扑模型由厂站拓扑和网络拓扑两层构成，其中所有的电气节点、除输电线路外的所有元件都集中于厂站，厂站间的节点编号互不关联、彼此独立，厂站由输电线路连接构成电力系统的拓扑模型。

图2-1网络模型

图2-1是基于本文定义的含有三个厂站的电网拓扑模型。

2.2拓扑模型的表达

电力系统主接线图可以由一个节点和边的集合G来描述：

G=（V，E（s））2-1

其中矿为节点集合，E为边集合，ss为边的开断状态（边赋权）。

G在表示厂站拓扑时，V={电气节点}，E={厂站内双端元件}；

G在表示网络拓扑时，V={逻辑节点}，E={有阻抗双端元件}。

也就是说，G由边、点及边赋V的三元集合构成，是一个无向图。

在拓扑分析中，边赋Vs只有0和1两种赋值，边赋Vs=0表示断开，边赋Vs=1表示连通。

对于一个节点数为n的拓扑结构用关联矩阵A作数学表达，矩阵的行，列号对应节点集合V，矩阵A的元素aij表示点i与点j间的连通性，对应边及其赋V集合E（s），具体表示为：

2-2

显然，关联矩阵是对称矩阵，其元素反映网络节点位置及节点间的直接连接关系。

以图2-1所示的网络模型中的变电站2为例，该站有6个电气节点，4个无阻抗元件，一个有阻抗元件（标号为7），对有阻抗元件视为断开，形成初步关联矩阵为：

2-3

节点之间没有电气连接的取值为0，有电气连接的取值根据支路的状态s确定。

变电站2中变压器支路在厂站拓扑中处理为断开，开关支路只有2-4支路断开，则当前状态下变电站的拓扑结构可以由下式关联矩阵表述。

2-4

同样的方法可以确定其它变电站的关联矩阵及网络拓扑的矩阵。

2.3广义乘法与广义加法

关联矩阵的元素值（1或者0）表示节点间的连通关系，故对其值的运算属于布尔代数的运算．基于此本文利用广义乘和广义加两个运算规则，如下：

2-5

其中，表示关联矩阵元素。

和这两种运算，满足以下运算规则：

（1）加法的交换律和结合律

（2）乘法的结合律

（3）乘法与加法间的分配律

（4）加法有幺元0，乘法有幺元1

（5）加法的等幂律

若n×n矩阵A和B均为布尔代数矩阵，则其乘法和加法运算分别为

2-6

2-7

其中，

2.4拓扑的传递性质

拓扑结构中点与点间的连通关系是可以通过边传递的，也就是说连通关系是具有传递性的。

电力网络主接线关联矩阵法拓扑分析就是根据这种连通的传递性质确定拓扑结构中任意两点的连通性。

例如点j与点i相连，同时点i又与点k相连，则点j与点k也一定是相连的（无论点j与点k是否直接相连），该性质可用广义代