郝 騫，馬慧卿，楊 風，齊明思，蔣永建

（1.中北大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，山西 太原 030051；2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；3.青島青咨工程咨詢有限公司 山西 青島 266071）

配電網(wǎng)是一種有復雜拓撲結(jié)構(gòu)的大型電力網(wǎng)絡，呈現(xiàn)典型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。電網(wǎng)拓撲跟蹤算法就是根據(jù)電網(wǎng)開關設備狀態(tài)的變化來重構(gòu)電網(wǎng)拓撲的一種算法。跟蹤算法的性能是影響狀態(tài)仿真、潮流計算、故障定位等高級功能推理過程性能的關鍵因素。人們不斷提出更為有效的方法用于提高跟蹤算法的性能。Mauro Prais在文獻[1]中提出了一種延時（over time）跟蹤算法用于提高跟蹤速度。區(qū)別于傳統(tǒng)的跟蹤算法，該算法采用累積更新技術，以減少拓撲重構(gòu)的次數(shù)。但該積累后還是需要對整個電網(wǎng)遍歷，計算量相當大。在前一算法的基礎上，Phongsak D.Yehsakul于文獻[2]中提出一種基于拓撲的局部更新（Local Update）實時跟蹤算法。該算法實現(xiàn)了電網(wǎng)拓撲實時跟蹤，并且使計算量顯著下降。但是該算法劃分的子網(wǎng)單元中母線數(shù)目還是相當大，采用深度優(yōu)先搜索技術遍歷子網(wǎng)，仍需一定的計算量。另外以上兩種算法描述電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的初始數(shù)據(jù)，需人工輸入數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，使得更新維護不是很方便。

結(jié)合前兩種算法，Ying He在文獻[3]中提出了一種基于面向?qū)ο蠹夹g的拓撲跟蹤算法。該算法在面向?qū)ο蟓h(huán)境中實現(xiàn)了對隨機故障的模擬，同時用深度優(yōu)先算法進行了快速的拓撲跟蹤[4-6]，但由于利用C++編程封裝各個抽象類，使得初始化需要使用大量的時間和的內(nèi)存空間。

結(jié)合以上3種算法以及實際需求，本文提出了一種電網(wǎng)全局以母線為節(jié)點遍歷和設備單元局部更新相結(jié)合的新型實時跟蹤算法。

1 電網(wǎng)拓撲變化

在電力系統(tǒng)中，典型的配電網(wǎng)系統(tǒng)圖如圖1所示，由開關、閘刀、母線、連接線、變壓器、負載、接地等設備連接而成。電網(wǎng)拓撲會隨著開關設備的狀態(tài)變化而不斷變化。經(jīng)過分析，我們可以看到不同位置開關設備狀態(tài)的變化，對電網(wǎng)拓撲產(chǎn)生不同程度的影響。

當連接負載的開關設備（如開關89121）狀態(tài)變化時，將只對電網(wǎng)局部的負載，連接的母線狀態(tài)產(chǎn)生影響，而對整個基于母線的電網(wǎng)拓撲幾乎沒有影響。

圖1 電力系統(tǒng)配電網(wǎng)Fig.1 Distributiont network of power system

而當連接母線的開關設備（如開關89112）改變狀態(tài)時，將會導致該設備所連接的母線之間的連接狀態(tài)發(fā)生改變。從而對整個電網(wǎng)的拓撲產(chǎn)生影響，而不僅僅只是對局部的設備連接狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，我們有必要采用不同的方法來處理不同位置上設備狀態(tài)變化的情況，以致跟蹤算法更有針對性和有效性。

為了對不同的設備采用不同的方法處理，我們對不同的設備進行歸類；為了對電網(wǎng)拓撲實現(xiàn)局部更新，我們對電網(wǎng)進行區(qū)域劃分。這里提出了一種適合本跟蹤算法的電網(wǎng)拓撲模型描述方法，實現(xiàn)了有效的設備歸類和恰當?shù)碾娋W(wǎng)區(qū)域劃分。本描述方法采用一種基于對象和關系數(shù)據(jù)庫技術來描述電網(wǎng)拓撲模型。

2 拓撲跟蹤算法

電網(wǎng)的拓撲在電網(wǎng)運行中會根據(jù)操作設備的狀態(tài)不斷變化。拓撲跟蹤就是要及時跟蹤電網(wǎng)拓撲的變化，確定新的網(wǎng)絡拓撲。在傳統(tǒng)的跟蹤算法中，每個開關設備的狀態(tài)變化都要導致整個網(wǎng)絡拓撲的更新、重構(gòu)。由于電網(wǎng)的設備非常多，拓撲相當復雜，導致跟蹤算法計算量很大。

本文根據(jù)電網(wǎng)拓撲變化的分析和電網(wǎng)拓撲模型的建立，提出了一種電網(wǎng)全局以母線為節(jié)點遍歷和設備單元局部更新相結(jié)合的新型實時跟蹤算法。本算法核心就是對改變狀態(tài)的不同類型開關設備，采取不同的處理方法來跟蹤電網(wǎng)拓撲。

1）葉支路類設備改變狀態(tài) 這種情況下，只需在該負載設備單元內(nèi)使用基于規(guī)則的推理算法進行拓撲跟蹤，更新本單元內(nèi)的設備狀態(tài)即可。

2）母線連接類設備改變狀態(tài) 這種情況下，如果沒有改變兩母線的連接狀態(tài)，就不會改變整個電網(wǎng)拓撲，則只需跟蹤母線連接設備單元內(nèi)的拓撲，更新本單元內(nèi)的設備狀態(tài)。如果兩個母線的連接狀態(tài)發(fā)生改變，則會改變母線間的連接狀態(tài)，也就改變了整個網(wǎng)絡拓撲。則需要重構(gòu)整個以母線為節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲。還要繼續(xù)跟蹤，改變狀態(tài)母線對負載設備單元和母線連接設備單元的影響。

3）接地設備類改變狀態(tài) 因為接地設備必須在連接線無電時才可操作，因此接地設備類設備的狀態(tài)變化對電網(wǎng)拓撲的影響，可以不給考慮。

下面將結(jié)合實際應用，詳細說明跟蹤算法的具體流程。

3 跟蹤算法應用

本文根據(jù)實際電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中電網(wǎng)設備狀態(tài)推理的實際需求和以上的電網(wǎng)跟蹤算法，提出了母線為節(jié)點的電網(wǎng)拓撲以一種近似的寬度優(yōu)先的算法，設備單元內(nèi)部采用基于規(guī)則的推理算法。整個跟蹤算法的推理流程如圖2所示。

圖2 算法應用程序流程圖Fig.2 Chart of algorithmic application program

在算法實現(xiàn)以前，需要把設備的拓撲模型相關內(nèi)容保存到數(shù)據(jù)庫中。這里可以由輔助程序，自動從所畫的電網(wǎng)系統(tǒng)圖生成相應的拓撲結(jié)構(gòu)知識，無須人工輸入數(shù)據(jù)庫。

當推理算法啟動后，首先查詢“設備表”獲取該設備的相關信息。然后判斷設備的類型是葉支路類還是母線連接設備類。如果是葉支路類設備則進入“葉支路設備推理程序”，根據(jù) ‘系統(tǒng)圖名’、‘邏輯圖號’、‘連接單元號’、對設備進行定位，并查詢 “負載設備連接單元表”，獲取該設備所在單元的拓撲結(jié)構(gòu)，并根據(jù)基于規(guī)則的推理算法，跟蹤單元內(nèi)的拓撲，獲得各設備的有電無電狀態(tài)。然后，再更新該單元的拓撲結(jié)構(gòu)和設備狀態(tài)。

如果是母線連接設備類設備，則進入“母線連接設備單元推理程序”。同理，對設備進行定位查詢，結(jié)合“母線連接設備邏輯單元連接關系表”和“母線連接設備邏輯單元母線狀態(tài)表”，對該設備所在的單元進行有電遍歷算法。跟蹤該單元的拓撲，獲取該單元所有有點的設備。然后更新該設備單元的設備狀態(tài)。所謂有電遍歷算法，就是遍歷所有前提設備有電，連接設備狀態(tài)為連通，得到結(jié)論設備為有電。

如果是母線連接設備類設備，則還需要進入“母線連接狀態(tài)處理程序”，判斷該設備狀態(tài)的變化，是否導致了母線連接狀態(tài)的改變。這里由“母線連接設備狀態(tài)表”中同一‘連接號’下，各設備的“母線連接設備狀態(tài)”確定。如果導致‘母線連接設備狀態(tài)’的“與”值改變，則該設備狀態(tài)的變化，改變了母線連接狀態(tài)。就要更新 “母線連接關系表”中同一連接號對應的‘母線連接狀態(tài)’。

如果改變了母線連接狀態(tài)，也就改變了電網(wǎng)的拓撲。那就需要進入“母線狀態(tài)處理程序”，對以母線為節(jié)點的電網(wǎng)拓撲進行遍歷、重構(gòu)。首先，要確定整個電網(wǎng)的供電電源，這里作為一個特殊的前提母線處理。即把為供電電源的‘前提母線’置為“有電”。然后，把‘前提母線’有電，并且‘連接狀態(tài)’為連通的‘結(jié)論母線’在‘母線狀態(tài)表’中置為“有電”。并把‘母線狀態(tài)表’中作過‘前提母線’的使用標志置為“使用過”。然后遍歷母線狀態(tài)表中所有“有電”的母線，到所有“有電”的母線都使用過，則停止遍歷。其中遍歷的可能最大次數(shù)就是母線的數(shù)目。由此跟蹤網(wǎng)絡拓撲，并“有電推理”獲取所有母線的新的狀態(tài)。

這里雖然電網(wǎng)拓撲變化，但是電網(wǎng)母線的狀態(tài)有可能沒有產(chǎn)生變化。電網(wǎng)狀態(tài)推理可以結(jié)束。如果母線狀態(tài)產(chǎn)生變化，雖然不會影響負載設備單元和母線連接設備單元的拓撲結(jié)構(gòu)，但是會對內(nèi)部設備狀態(tài)產(chǎn)生影響。這就需要對影響到的單元進行重新的局部更新，獲取新的設備狀態(tài)。

4 性能測試分析

本跟蹤算法在一個大型鋼鐵企業(yè)的配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中進行了實際的應用。系統(tǒng)由VB編寫ActiveX控件嵌入網(wǎng)頁實現(xiàn)B/S模式。其中配電網(wǎng)拓撲模型由關系數(shù)據(jù)庫SQL SERVER的數(shù)據(jù)表來描述，而跟蹤算法由VB編程實現(xiàn)。配電網(wǎng)的特性如下表1所示。

系統(tǒng)測試的運行環(huán)境如下：服務器端CPU 1.4 GHz，內(nèi)存256 MB，瀏覽器端CPU為1.2 GHz，內(nèi)存128 MB。兩端網(wǎng)絡速度為100 Mb/S，網(wǎng)絡環(huán)境良好。測試結(jié)果滿足電網(wǎng)實時狀態(tài)推理的需要。

表1 配電網(wǎng)特性Tab.1 Distribution Network Character

5 結(jié) 論

本文在一個基于對象和數(shù)據(jù)庫技術描述的電網(wǎng)拓撲模型基礎上，提出了一種新型有效的電網(wǎng)拓撲實時跟蹤算法，即電網(wǎng)全局以母線為節(jié)點遍歷和設備單元局部更新分步計算相結(jié)合的算法。并在一個B/S模式的配電電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中應用驗證了該算法是有效的。

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