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
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电力系统网络拓扑结构识别
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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
目录TOC\o"1-3"\u
摘要PAGEREF_Toc263343294\h3
ABSTRACTPAGEREF_Toc263343295\h4
一绪论PAGEREF_Toc263343296\h6
1.1课题背景及意义PAGEREF_Toc263343297\h6
1.2研究现状PAGEREF_Toc263343298\h6
1.3本论文研究的主要工作PAGEREF_Toc263343299\h7
二电力系统网络拓扑结构PAGEREF_Toc263343300\h7
2.1电网拓扑模型PAGEREF_Toc263343301\h7
2.2拓扑模型的表达PAGEREF_Toc263343302\h9
2.3广义乘法与广义加法PAGEREF_Toc263343303\h10
2.4拓扑的传递性质PAGEREF_Toc263343304\h11
三矩阵方法在电力系统网络拓扑的应用PAGEREF_Toc263343305\h13
3.1网络拓扑的基本概念PAGEREF_Toc263343306\h13
3.1.1规定PAGEREF_Toc263343307\h13
3.1.2定义PAGEREF_Toc263343308\h14
3.1.3连通域的分离PAGEREF_Toc263343309\h14
3.2电网元件的等值方法PAGEREF_Toc263343310\h15
3.2.1厂站级两络拓扑PAGEREF_Toc263343311\h15
3.2.2元件级网络拓扑PAGEREF_Toc263343312\h16
3.3矩阵方法与传统方法的比较PAGEREF_Toc263343313\h16
四基于关联矩阵的网络拓扑结构识别方法研究PAGEREF_Toc263343314\h17
4.1关联矩阵PAGEREF_Toc263343315\h17
4.1.1算法PAGEREF_Toc263343316\h17
4.1.2定义PAGEREF_Toc263343317\h17
4.1.3算法基础PAGEREF_Toc263343318\h18
4.2拓扑识别PAGEREF_Toc263343319\h19
4.3主接线拓扑辨识原理PAGEREF_Toc263343320\h20
4.4算法的简化与加速PAGEREF_Toc263343321\h24
4.5流程图PAGEREF_Toc263343322\h25
4.5.1算法流程图PAGEREF_Toc263343323\h25
4.5.2节点编号的优化PAGEREF_Toc263343324\h26
4.5.3消去中间节点和开关支路PAGEREF_Toc263343325\h26
4.5.4算法的实现PAGEREF_Toc263343326\h27
4.6分布式拓扑辨识法PAGEREF_Toc263343327\h27
4.7举例和扩展PAGEREF_Toc263343328\h28
五全文总结PAGEREF_Toc263343329\h29
参考文献PAGEREF_Toc263343330\h30
致谢PAGEREF_Toc263343331\h31
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,thetypeofoperator,wecorrectlyhandled,ofcoursethismustbeinareal-timebasisofreliableinformationwillberealized.
（2）topologyanalysis,visualization：
large-scalepowersystemsoftheassociatedtopologystructurearecomplexandtheassociatedtopologyanalysisisthecomplexnetwork,theimmediacyoftheresultisveryimportant.ifelementsstate（run,stopped）identity,thevoltagebetweendifferentlevels,etc.
（3）topologyanalysistimely：
topologyanalysisbytheendoftheassociatedtopologyanalysismustbequick;wemustmeettherealdecisionsandcontrol.
（4）topologyanalysisuniversality：
runway,andnetworkconstruction,alsotheassociatedtopologystructure,thedatastoredinthetopology,modelofexpressionandsoonshouldconsideritopen,scalabilityandcanmaintainsuch.
Thepowersystem,networktopologythatthepurposeofanalysisisclear,andalsothepowersystemofnetworktopologyanalysisofdifficulty.
Keywords：
powersystem；incidencematrix；topologyidentification；network
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），该性质可用广义代数运算表示为：
2-8
例如式（2-4）中，=0说明图2-1变电站内节点1和节点2无连接关系，但由于且则节点1和节点2可以通过节点3间接相连。
式（2-6）中表示点j与点k的直接连接关系，即节点通过1阶支路的连通性；表示点j与点k通过2阶（及以下）支路的连通性，其中2阶支路的连通是通过节点的间接连通。
这里的支路均为“简单路径”，即排除了有局部回路的支路。
一个节点数为n的拓扑图中，最多通过n-1阶支路（简单路径）传递即可确定任意两点（点j与点k）之间的连通性，只要拓扑结构中点j与点k存在可以连接的支路，经传递性运算后必定满足=1。
对式（2-4）进行矩阵广义乘法和加法计算，得
2-9
可以看出，矩阵内点1-点2，点3-点4对应位置的元素由0变为1，说明变电站内这两对点存在着连通的2阶路径，即支路1-3-2和支路4-1-3。
继续计算矩阵广义乘法和加法计算，得
2-10
同样可发现，矩阵内点2-点4对应位置的元素由0变为1，说明变电站内存在这一对节点的3阶连通路径，即路径4-1-3-2。
再进行计算，得
2-11
可发现对比不再有元素值发生变化，说明变电站2内最高阶的路径是3阶路径。
至此，变电站2内任意两点之间的连通状态就确定了。
三矩阵方法在电力系统网络拓扑的应用
3.1网络拓扑的基本概念
现代电力系统是由多个不同类型的元件所构成的结构复杂的网络系统，随着电网结构的不断发展，许多在电力生产实践中遇到的问题必须运用计算机进行分析和求解，做为分析电力系统潮流分布、稳定分析、人工智能专家系统等问题的根据将已知的电力系统网络变成计算机可以识别的网络结构，就必须运用网络拓扑技术加以解决。
根据电力发展，建立怎样的网络拓扑结构，对运算结果的精确性及网络拓扑结构的可扩展性有很大影响．因此选择什么样的系统模型建立网络拓扑结构，是进行电网分析计算、解决复杂问题的关键。
传统的网络拓扑技术是采用链路连接实现的方法．在计算机中实现电力系统网络拓扑结构，这种方法以已知节点出发，按照各节点问是否存在相关参数来建立网络拓扑结构．逐次形成整个电网的网络拓扑结构。
该方法在电网结构发生一定的变化时，扩展性显得不够灵活，需要修正计算机程序中的许多内容，运行维护较复杂。
下面介绍采用设立网络矩阵的方法．实现电网结构的网络拓扑模型。
3.1.1规定
设网络节点数为N，节点依次编号，起始节点为1，终止节点为N；
节点i和节点j之间有直接连线时．元素Ap等于1，元素Aji等于1；
矩阵元素Aa等于0；
节点i和节点j之间没有直接连线时，元素Aq等于0，元素Aij等于0；
根据以上3条规定构成矩阵A，矩阵A有如下特点：
是N阶方阵；是主对角线元素等于0的对角矩阵；是元素大部分为0的稀疏矩阵。
3.1.2定义
节点i与节点j连通：
节点i与节点j至少有一条直接连线；
连通域：
某一节点集合中，从任意一个节点出发，每次经过一条连线到达另一节点，总可以找到该集合中所有的节点；
非连通域：
某一节点集合S和另一节点集合P，从集合P中的任意节点出发，无论经过多少条连线，都找不到集合S中的节点。
3.1.3连通域的分离
N阶方阵A所代表的N个节点．可能构成一个连通域．也可能构成M个连通域（M小于等N）。
把在同一个连通域中的所有节点都找出来是问题的关键，举例说明分离连通域的方法。
图3-1网络节点连接情况
例：
某一网络有5个节点（a，b，c，d．e），它们的连接情况如图3-1。
从网络图中可知节点（a，b，d）构成一个连通域，节点（c，e）构成一个连通域。
下面利用状态矩阵A得到这个结论。
根据规定，这5个节点构成的网络形成的矩阵
A是
先从矩阵的第1行开始查找，第2列有1，记下列号，该行投有l了，转入第2步，把刚才记下的列号当作行号，即查找第2行，第l列、第4列有l，记下列号，因为第l行已查过，故从第4行查找，第2列有1．因为第2行已查过，不能转到其他行，停止查找，得到区域（1，2，4）；同样从第3行开始查找，重复以上过程，得到区域（3，5）。
查找过程用计算机程序流程图表示如图3-2。
图3-2程序流程图
流程图中X（Nx，P1）中存放得到的各区域的节点号，Nx是区域的个数，P1是每个区域中节点个数。
此程序已用VB语言在AcceSs数据库下调试通过。
3.2电网元件的等值方法
3.2.1厂站级两络拓扑
把一个厂站（包括不同电压等级的母线、变压器、发电机等）看成整体当作一个节点，厂站i与厂站j之间有一条联络线且运行，则Aij=Aji=1，有两条运行的联络线，则Aij=Aji=2。
若停一条线路，相应的矩阵元素减1，利用上面原理很容易判定某操作是否将造成电网解列。
3.2.2元件级网络拓扑
厂站外部同上。
厂站内部元件的等值方法如下：
每1条母线是1个节点；
母联开关看作联系母线节点的联线；
两卷变压器看作联系不同电压等级母线节点的联线；
三卷变压器的等值，需要增加一个虚拟节点，与该变压器相连不同电压等级的母线节点与该虚拟节点之间增加一条联线。
整个电网用上述方法构成矩阵A，操作电网中任意元件将改变矩阵A中元素的值，利用上面原理很容易判定某操作是否将造成电网解列。
3.3矩阵方法与传统方法的比较
矩阵方法与传统的网络拓扑方法比较，当矩阵阶数较大时，直接使用存在参数较多的缺点。
因此，首先应进行一定的结构处理，即可采用此方法。
利用矩阵结构的网络拓扑技术，可以实现各种复杂结构的电力网在电子计算机中形成网络拓
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