徐曉亮， 陳根軍

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

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一種基于母線群搜索的電磁環(huán)網(wǎng)拓撲辨識方法

徐曉亮， 陳根軍

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

依據(jù)CIM的電網(wǎng)母線-支路模型，提出了一種基于母線群搜索的電磁環(huán)網(wǎng)拓撲辨識方法，并介紹了實現(xiàn)的具體步驟。研究了通過深度優(yōu)先搜索實現(xiàn)同電壓等級母線群搜索和母線間連通性的搜索，在此基礎上提出了電磁環(huán)網(wǎng)存在性判定及環(huán)網(wǎng)的邊路徑搜索方法。最后結(jié)合電網(wǎng)實例分析驗證了方法的正確性，可準確判斷出電網(wǎng)中電磁環(huán)網(wǎng)的存在，并可搜索得到具體的環(huán)網(wǎng)路徑設備。

拓撲分析；電磁環(huán)網(wǎng)；CIM；網(wǎng)絡模型；電力網(wǎng)絡

0 引 言

電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級線路通過兩端變壓器構(gòu)成的電磁回路。由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及調(diào)度管理等因素的制約，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)在某些地區(qū)電網(wǎng)至今仍有存在，這對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重的安全隱患。電磁環(huán)網(wǎng)的辨識對于識別電網(wǎng)中關(guān)鍵輸電斷面、避免線路開斷后造成的重載潮流轉(zhuǎn)移，抑制大面積連鎖事故的發(fā)展、蔓延具有重要的意義[1-5]。

在能量管理系統(tǒng)(EMS)中，電磁環(huán)網(wǎng)辨識屬于電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的辨識問題，是其上層網(wǎng)絡分析應用如狀態(tài)估計的環(huán)網(wǎng)參數(shù)辨識、環(huán)網(wǎng)線路N-1分析的基礎，它是對不同電壓等級線路經(jīng)變壓器所形成環(huán)路的拓撲搜索。通用信息模型CIM(Common Information Model)是國際電工技術(shù)委員會所推出的IEC61970標準框架的重要基礎，拓撲搜索通常采用基于CIM的兩種拓撲模型：開關(guān)-節(jié)點模型和母線-支路模型，這兩種模型在拓撲分析中都有不同方面的應用[6]。深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索是比較常用和有效的路徑判斷、搜索方法，另外通過節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣邏輯自乘的分析方法也可以實現(xiàn)路徑搜索[7-9]。

本文提出了一種基于母線群搜索的電磁環(huán)網(wǎng)拓撲辨識方法。依據(jù)基于CIM的母線-支路模型，通過深度優(yōu)先搜索，在不經(jīng)過高電壓等級廠站前提下搜索局部供電區(qū)域內(nèi)所連通的低電壓等級母線群，進而搜索與該母線群存在直接電氣聯(lián)系的高電壓等級母線并分析其相互之間的連通性，從而確定電磁環(huán)網(wǎng)的存在，并通過環(huán)網(wǎng)關(guān)鍵頂點間邊的搜索得到環(huán)網(wǎng)路徑上的具體設備。

1 基于深度優(yōu)先的連通母線群搜索

常見電磁環(huán)網(wǎng)的示意圖如圖1所示。兩個區(qū)域之間由高電壓等級線路HL1和低電壓等級線路LL1、LL2所連接，母線HB1、HB2為供電的高電壓等級廠站母線，母線LB1、LB2、LB3為供電區(qū)域內(nèi)低電壓等級廠站的母線，母線HB1與LB1、HB2與LB2之間均存在電氣聯(lián)系。當然在實際電網(wǎng)存在的電磁環(huán)網(wǎng)中，區(qū)域間聯(lián)絡的線路、母線要比這復雜的多。

圖1 電磁環(huán)網(wǎng)示意圖

從圖1中可看出，電磁環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)具有以下特點：(1) 低電壓等級線路所連接母線之間相互連通；(2) 高電壓等級線路所連接母線之間相互連通；(3) 高低電壓等級線路所連接母線之間構(gòu)成回路。

因此，要實現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)的識別，需要實現(xiàn)兩種拓撲連通性的搜索：一個是同電壓等級的連通母線群搜索，即圖中高電壓等級母線群HB1、HB2的搜索、低電壓等級母線群LB1、LB2、LB3的搜索；另一個是從低電壓等級母線到高電壓等級母線的連通性搜索，即母線LB1到HB1、LB2到HB2的搜索。

對于一些網(wǎng)絡分析應用(如狀態(tài)估計、調(diào)度員潮流等)，考慮到等電位的情況形成了邏輯上的拓撲節(jié)點的概念，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡表達成為拓撲節(jié)點和拓撲節(jié)點間帶阻抗的電器元件連接，即母線-支路模型，在此利用母線-支路模型和深度優(yōu)先搜索可以方便地進行母線間連通性的搜索。

1.1 同電壓等級連通母線群搜索

同電壓等級連通母線群的搜索可以從任意一個廠站的最高電壓等級母線開始進行深度優(yōu)先搜索。當搜索到同電壓等級線路一端時，由于其屬于雙端設備，則找到線路的另一端繼續(xù)搜索；當搜索到變壓器時，則不進行進一步的搜索；當搜索到母線時，只要該母線從屬廠站的電壓等級與起始母線相同，則繼續(xù)搜索，否則不進行進一步的搜索。按照此種方法可在不經(jīng)過高電壓等級廠站情況下，找到該供電區(qū)域內(nèi)母線連通的所有同電壓等級的母線。

1.2 連通的高電壓等級母線搜索

連通的高電壓等級母線的搜索可以從任意一個電壓等級的母線開始進行深度優(yōu)先搜索。當搜索到同電壓等級線路一端時，則找到線路的另一端繼續(xù)搜索；當搜索到變壓器時，如果是變壓器的高壓側(cè)則不進行進一步的搜索，如果是變壓器的低壓側(cè)，則找到變壓器的高壓側(cè)繼續(xù)搜索；當搜索到母線時，若電壓等級與起始母線相同，則繼續(xù)搜索，若電壓等級高于起始母線則表示已找到目標母線，搜索終止。按照此種方法可找到起始母線所連通的經(jīng)過最少節(jié)點數(shù)的高電壓等級母線。

2 電磁環(huán)網(wǎng)辨識

電磁環(huán)網(wǎng)辨識以各變電站中最高電壓等級母線作為環(huán)網(wǎng)分析對象，在檢測兩個電壓等級之間存在的電磁環(huán)網(wǎng)時，電磁環(huán)網(wǎng)辨識的步驟如圖2所示。

圖2 電磁環(huán)網(wǎng)辨識流程圖

電磁環(huán)網(wǎng)辨識的主要步驟包括：

(1) 遍歷低電壓等級母線，從任一待分析母線出發(fā)，在不經(jīng)由高一級電壓等級廠站的前提下，搜索出待分析母線所連通的同電壓等級的母線群；

(2) 從連通的低電壓等級母線群出發(fā)，尋找與各個母線存在直接電氣連接的高電壓等級母線；

(3) 環(huán)網(wǎng)存在判斷，若存在屬于不同廠站的兩個高電壓等級母線為低電壓等級母線群供電，且兩個母線間又經(jīng)由線路相互連通，即可判斷出電磁環(huán)網(wǎng)的存在；

(4) 確定環(huán)網(wǎng)的頂點和邊，并搜索出環(huán)網(wǎng)路徑上的具體設備。

下面結(jié)合圖1做進一步的說明。

2.1 連通母線群搜索步驟

先對電網(wǎng)中低電壓等級的母線進行遍歷，根據(jù)前節(jié)中搜索同電壓等級連通母線的方法，從任意一個低電壓等級廠站的同電壓等級母線出發(fā)，不經(jīng)由高一級電壓等級廠站前提下搜索出一組同電壓等級的連通母線群。比如在圖1中從母線LB1開始搜索，搜索到母線LB2、LB3。

在搜索出的低電壓等級母線群中，按照前節(jié)搜索連通的高電壓等級母線的方法，依次遍歷母線群中的母線，搜索其可能連通的高電壓等級母線，最終得到具有直接電氣聯(lián)系的高電壓等級母線群。在圖1中從母線LB1可搜索到高電壓等級母線HB1、從母線LB2可搜索到高電壓等級母線HB2。

2.2 電磁環(huán)網(wǎng)存在性判斷

如果低電壓等級母線群所連通的高電壓等級母線的所屬廠站數(shù)不多于1個，則說明此低電壓等級母線群是由同一個高電壓等級的廠站供電，即不存在電磁環(huán)網(wǎng)。否則在搜索得到的高電壓等級母線群中，再進一步判斷任意兩個屬于不同廠站的母線之間是否存在通路，在這里同樣可采用前節(jié)搜索同電壓等級連通母線群的方法進行。如果兩者之間存在通路，則可判斷此低電壓等級母線群與兩個高電壓等級母線的廠站之間存在電磁環(huán)網(wǎng)。圖1中對高電壓等級母線群HB1和HB2進行分析，兩者對母線群LB1、LB2、LB3進行供電，而母線HB1和HB2之間存在電氣聯(lián)系且從屬與不同廠站，故而可以判定電磁環(huán)網(wǎng)的存在。

2.3 環(huán)網(wǎng)路徑搜索

判斷出電磁環(huán)網(wǎng)的存在只是確定了環(huán)的存在，但還需要確定具體的組成該環(huán)的頂點和邊。對于一個環(huán)網(wǎng)，按照前面搜索的不同電壓等級的母線群和廠站，可以首先確定其四個關(guān)鍵頂點，即高電壓等級的兩個不同廠站內(nèi)母線、與它們直接電氣連接的兩個低電壓等級廠站內(nèi)受電母線，之后搜索頂點兩兩之間組成環(huán)路的四條邊，最終可得到具體的組成環(huán)的設備，如變壓器、線路、開關(guān)刀閘等。如圖1中先確定電磁環(huán)網(wǎng)的四個關(guān)鍵頂點HB1、HB2、LB1、LB2，然后搜索每兩個頂點之間的邊，即可得到所有環(huán)網(wǎng)上的設備。

電磁環(huán)網(wǎng)的邊的搜索同樣采用深度優(yōu)先搜索，從起始母線開始順藤摸瓜一直搜索到目標母線，可以采用鏈表和棧這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。其中：鏈表用于存放環(huán)網(wǎng)上的設備路徑；棧用于保存深度優(yōu)先搜索過程中搜索到的所有設備，采用后進先出策略。首先從電磁環(huán)網(wǎng)的搜索起始母線出發(fā)，進行入棧操作，然后起始母線設備出棧，加入到鏈表中，同時搜索與起始母線直接相連的設備，并將搜索到的設備進行入棧；接著進行出棧操作，并將出棧設備加入到鏈表中，繼續(xù)搜索與出棧設備相連但未入棧的設備，對這些設備進行入棧操作；以此類推，直到找到目標母線為止，即完成環(huán)網(wǎng)一條邊的路徑的查找。

分別搜索出四條邊路徑后，匯集起來就組成了完整的環(huán)網(wǎng)路徑。具體邊路徑的搜索包括：

(1) 低電壓等級母線間路徑

從一個低電壓等級母線出發(fā)，搜索出連接另一個低電壓等級母線間所有的設備。

(2) 高低電壓等級母線間路徑

分別從兩個低電壓等級母線出發(fā)，尋找與對應兩個供電的高電壓等級母線之間的所有路徑設備。

(3) 高電壓等級母線間路徑

從一個高電壓等級母線出發(fā)，搜索出連接另一個高電壓等級母線間所有的設備。

3 實例分析

圖3為某地區(qū)局部電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖。其中S1、S2、S3和S4為500 kV變電站，彼此之間由500 kV線路連接，其余為它們供電的220 kV變電站。

圖3 某地區(qū)局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在判斷該區(qū)域存在的500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)時，首先從220 kV變電站的220 kV母線開始遍歷，比如從變電站L1開始，利用同電壓等級連通母線群搜索，即可搜索得到不經(jīng)由500 kV

變電站前提下與之相連通的L1-L12站內(nèi)所有的220 kV母線群；然后對該母線群內(nèi)母線遍歷，搜索直接對其供電的高電壓等級母線，可以得到S1、S3、S4站內(nèi)500 kV母線群，根據(jù)500 kV母線之間經(jīng)由線路連通性的判斷可確定存在電磁環(huán)網(wǎng)；最后依據(jù)環(huán)網(wǎng)的關(guān)鍵頂點即500 kV變電站S1、S3、S4及直接供電的220 kV變電站L1、L6、L8、L11中母線，搜索兩兩之間的環(huán)網(wǎng)邊，即可得到具體的環(huán)網(wǎng)路徑上設備。

基于該地區(qū)電網(wǎng)的CIM模型建立母線-支路拓撲模型，按照本文提出的方法進行程序編制，分析得到的環(huán)網(wǎng)按照變電站順序表示為：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。程序分析給出的環(huán)網(wǎng)辨識結(jié)果與實際情況一致，對于嵌套環(huán)網(wǎng)也可正確識別，進而驗證了該電磁環(huán)網(wǎng)辨識方法的正確性。

4 結(jié)束語

利用基于CIM的母線-支路模型，本文給出了基于母線群搜索的電磁環(huán)網(wǎng)拓撲辨識的具體實現(xiàn)方法。該方法已運用在能量管理系統(tǒng)當中，實踐證明可以準確地分析出電網(wǎng)中電磁環(huán)網(wǎng)的存在并搜索出具體的環(huán)路上的設備，為電網(wǎng)關(guān)鍵輸電斷面監(jiān)視、環(huán)網(wǎng)線路開斷后潮流轉(zhuǎn)移分析等上層網(wǎng)絡分析應用功能提供了分析基礎，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行決策提供了技術(shù)支撐。

[1] 孔濤，王洪濤，劉玉田，等．500 kV-電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)研究[J]．電力自動化設備，2003，23(12)：13-16．

[2] 侯春青，鄭惠萍．2005年山西中南部500 kV及220 kV電網(wǎng)的電磁環(huán)網(wǎng)運行方式研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(10)：80-84．

[3] 楊東，劉玉田．特高壓初期的電磁環(huán)網(wǎng)影響分析[J]．電力自動化設備，2009，29(6)：77-80．

[4] 顏俊，程改紅，張中慶，等. 南方電網(wǎng)500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)運行方式研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2013，7(6)：76-80.

[5] 劉明松，張健，張文朝. 弱電磁環(huán)網(wǎng)運行控制若干問題及對策[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2014，38(4)：109-114.

[6] 陳根軍，顧全.基于CIM的配電網(wǎng)一體化追蹤拓撲[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(3): 59-63.

[7] 陳星鶯,孫恕堅,錢鋒. 一種基于追蹤技術(shù)的快速電力網(wǎng)拓撲分析方法. 電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(5)：22-24.

[8] 陸承宇，章文立．CIM電網(wǎng)模型的拓撲分析方法[J]．浙江電力，2005，27(4)：5-8．

[9] 錢鋒，顧全．電力調(diào)度中的網(wǎng)架拓撲及多島連接設備識別[J]．電網(wǎng)技術(shù)，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

徐曉亮(1981-)，男，湖北十堰人，工程師，碩士，從事調(diào)度自動化的研究與開發(fā)工作。

定稿日期: 2015-11-03