王一葦，胡林麟，羅程，徐堯燚，閔鑫，梁海鎮(zhèn)

(1. 華南理工大學 電力學院，廣州 510640；2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局電力調(diào)度控制中心(系統(tǒng)運行部)，廣州 510620)

0 引 言

現(xiàn)代城市的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)龐大復雜，而社會的發(fā)展對于電網(wǎng)調(diào)度的安全性和經(jīng)濟性的要求逐漸提高，電網(wǎng)發(fā)生故障造成設(shè)備停電時，能快速、智能地生成轉(zhuǎn)供電方案十分重要，而電網(wǎng)拓撲分析是自動生成轉(zhuǎn)供電方案的核心內(nèi)容。

在電網(wǎng)拓撲的表示方面，目前電力系統(tǒng)中主要采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或XML文件存儲包括設(shè)備連接關(guān)系在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)，在進行連接關(guān)系較多的數(shù)據(jù)查找時會導致查詢返回時間嚴重增加，數(shù)據(jù)量越大，連接關(guān)系越多，查詢檢索時間隨之嚴重增長[1-3]。大數(shù)據(jù)的發(fā)展以及數(shù)據(jù)的多樣性、復雜性和互聯(lián)性使專為表格數(shù)據(jù)設(shè)計的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫使用十分不便，對此，許多學者提出使用圖形數(shù)據(jù)庫替代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫[4-5]，文獻[6]介紹了圖數(shù)據(jù)庫的概念，分析了圖數(shù)據(jù)庫的優(yōu)缺點。由于圖數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲的特點，基于“圖論”對具有復雜關(guān)系的大數(shù)據(jù)存儲和計算十分方便[7-8]，圖數(shù)據(jù)庫及其相關(guān)算法已成為大數(shù)據(jù)時代研究的重點之一。近年來，基于“圖論”的圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)作為一種新型的數(shù)據(jù)管理方式及計算模式[9-12]，由于其可以實現(xiàn)網(wǎng)絡型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的分布式存儲與并行處理[13-14]，成為具有復雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的海量數(shù)據(jù)存儲和計算的熱點模式[15-16]。

基于圖對電力網(wǎng)絡進行拓撲分許有許多方法，其中，樹搜索算法應用較為廣泛,但是在計算機處理過程中,需要占用較高CPU。有學者對故障處理的相關(guān)算法進行了改進研究，文獻[17]為快速得到多條故障恢復路徑，提出了一種基于頂點分裂的路徑搜索方法，將電網(wǎng)等值為子系統(tǒng)—邊模型，根據(jù)節(jié)點的度實現(xiàn)頂點和邊的轉(zhuǎn)換，在生成恢復方案的過程中，需要跟隨頂點和邊的變化對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行改變。文獻[18]在全網(wǎng)圖上采用深度優(yōu)先搜索策略搜索負荷轉(zhuǎn)移路徑，并結(jié)合電網(wǎng)經(jīng)濟性和安全性原則進行合理剪枝縮小搜索范圍，根據(jù)風險評估指標決策出最佳供電路徑方案。文獻[19]基于線路參數(shù)、系統(tǒng)潮流和復雜網(wǎng)絡理論分別建立相應的系統(tǒng)恢復路徑權(quán)值模型，并構(gòu)建地理信息位置的A*算法的估值函數(shù)，提出了一種系統(tǒng)恢復路徑的新算法，能按不同需求對全網(wǎng)進行搜索生成恢復路徑。文獻[20]先利用圖論對基于CIM建立的圖數(shù)據(jù)庫進行網(wǎng)絡簡化，然后采用深度優(yōu)先路徑搜索算法在簡化的電網(wǎng)圖上搜索得到所有可能的供電路徑。文獻[21]提出了一種基于改進的Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障恢復算法，在故障恢復操作之前對最優(yōu)目標狀態(tài)進行計算，避免在故障發(fā)生時進行復雜搜索，但文章模型較復雜，最優(yōu)目標狀態(tài)求解比較困難。以上算法均基于已有的圖相關(guān)算法對路徑搜索進行了優(yōu)化，通過對圖進行簡化或在搜索過程中對圖進行剪枝處理，使在圖上的運算時間有所減少。但對于主要由110 kV和220 kV電壓等級構(gòu)成的城市電網(wǎng)，其主接線和網(wǎng)絡接線方式具有一定的模式化特征。為實現(xiàn)電網(wǎng)拓撲的快速分析和轉(zhuǎn)供路徑的智能生成，應考慮電網(wǎng)的主接線方式和網(wǎng)絡連接方式特點。對220 kV及以下電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行模式化分析，基于其提取出的特征簡化拓撲分析的算法復雜度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)供路徑的快速生成。

文中提出了一種基于圖數(shù)據(jù)庫算法和模式匹配的轉(zhuǎn)供電方案生成方法，通過構(gòu)建圖數(shù)據(jù)庫將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以圖的方式進行存儲，首先對廠站主接線方式進行特征提取存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，在進行轉(zhuǎn)供電方案生成時，根據(jù)提取出的模式特征得到可能的轉(zhuǎn)供電路徑，并基于操作的快捷性和系統(tǒng)的安全性設(shè)置評價指標，選擇最佳轉(zhuǎn)供電方案。文中第五部分以包含不同接線方式廠站的220 kV片網(wǎng)中的110 kV線路故障為例，對提出的主接線模式識別和轉(zhuǎn)供電方案生成方法的有效性進行驗證。

1 基于模式匹配的轉(zhuǎn)供電方案生成

1.1 智能生成轉(zhuǎn)供路徑方案的基本框架

電網(wǎng)發(fā)生故障時，需要對電網(wǎng)進行有源性分析，找出無源區(qū)域和可對無源區(qū)域供電的源設(shè)備，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下恢復無源區(qū)域供電，并應使轉(zhuǎn)供的操作步驟盡量簡單，轉(zhuǎn)供電方案生成框架如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)供電方案生成框架

1.2 失壓母線和設(shè)備判別

1.2.1 圖數(shù)據(jù)庫相關(guān)算法

文中采用Neo4j構(gòu)建圖數(shù)據(jù)庫，Neo4j有專為操作圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計的Cypher語言，集成了多種圖算法如深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、Dijkstra算法和A*算法等，能高效地對圖數(shù)據(jù)庫進行檢索，由此可基于圖數(shù)據(jù)庫對電網(wǎng)拓撲進行快速分析。使用時可自行選擇適合的算法，并通過where或evaluator等語句添加搜索的約束條件進行圖搜索。

1.2.2 設(shè)備連通分析及有源性分析

設(shè)備連通分析是電網(wǎng)拓撲分析的基礎(chǔ)，采用廣度優(yōu)先搜索和深度優(yōu)先搜索[22]算法查詢圖中各節(jié)點之間的連接關(guān)系。根據(jù)拓撲分析需求設(shè)定起始節(jié)點和目標節(jié)點，使用圖算法得到兩點之間的連接路徑，結(jié)合路徑上各開關(guān)刀閘的實時狀態(tài)則能對電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備間的實時拓撲進行分析。

基于設(shè)備連通分析，對主分析設(shè)備設(shè)定相應的源節(jié)點，進行源節(jié)點與設(shè)備節(jié)點的連通分析即可完成無源區(qū)域的劃分。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要進行有源性分析找出失壓設(shè)備，從而盡快恢復無源區(qū)域的供電。

1.2.3 基于圖的失壓母線和設(shè)備判別

在收到故障告警信息時，根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)對與告警設(shè)備、故障設(shè)備或動作開關(guān)直接相連的負荷側(cè)設(shè)備進行有源性分析，即以負荷側(cè)設(shè)備為主分析設(shè)備，從設(shè)備所屬主接線信息中提取出可能為該設(shè)備供電的線路或主變作為源設(shè)備，逐一進行該設(shè)備與其源設(shè)備之間的連通性分析。若該負荷側(cè)設(shè)備無源，則屬于該負荷設(shè)備電壓等級及以下的連通區(qū)域均屬于無源區(qū)域，根據(jù)停電設(shè)備進行轉(zhuǎn)供電方案生成。在停電設(shè)備無法恢復供電時，若為非母線設(shè)備，則需提取出該無源區(qū)域中的母線設(shè)備，將失壓母線作為停電時設(shè)備進行轉(zhuǎn)供電方案生成。

具體步驟如下：(1)將與告警設(shè)備、故障設(shè)備或動作開關(guān)直接相連的負荷側(cè)設(shè)備作為主分析設(shè)備；(2)根據(jù)主分析設(shè)備的主接線組信息確定所有其可能的包括主變和線路的供電設(shè)備集合S；(3)將S中的所有設(shè)備設(shè)置為源節(jié)點，對每一個源節(jié)點，進行源節(jié)點與主分析設(shè)備節(jié)點的連通性分析，若連通，則結(jié)束流程，主分析設(shè)備處于有源區(qū)域；(4)若遍歷S不存在連通設(shè)備的源節(jié)點，則主分析設(shè)備處于無源區(qū)域，其連通的同電壓等級設(shè)備及以下的設(shè)備均停電。

1.3 基于主接線的轉(zhuǎn)供電方案

對于220 kV及以下的城市電網(wǎng)，其接線方式較規(guī)范，10 kV電壓等級的主接線方式一般為：單母線、單母線分段(雙分段、三分段或四分段)，110 kV電壓等級的主接線方式一般為：單母線分段、雙母線、雙母線分段(單分段或雙分段)、雙母線帶旁路、雙母線分段(單分段或雙分段)帶旁路、單元接線(線路—變壓器接線)，220 kV電壓等級的主接線方式一般為：雙母線、雙母線分段(單分段或雙分段)、雙母線帶旁路、雙母線分段(單分段或雙分段)帶旁路。

電網(wǎng)故障類型常分為主變故障、母線故障和線路故障，而事故造成的停電實則都是低壓側(cè)母線上負荷失去供電。對于不同的故障和主接線方式，常有相應的失壓設(shè)備和轉(zhuǎn)供電措施。下文中將單母線及其衍生接線方式稱為單母線接線方式組，將雙母線及其衍生接線方式稱為雙母線接線方式組，對各故障時不同主接線類型的轉(zhuǎn)供電模式進行分析。

1.3.1 母線故障

母線發(fā)生故障，該母線所屬主接線方式為單母線接線方式組時：如果為直接與饋線或其它負荷相連的低壓側(cè)母線，則無法將故障母線上的負荷轉(zhuǎn)為其他母線供；如果為高壓側(cè)母線，則需要將廠站低壓側(cè)母線轉(zhuǎn)為其它高壓側(cè)母線供；如果該故障母線通過線路供其他廠站母線，則需要將該相連母線轉(zhuǎn)其它線路供。

而雙母線接線方式組的母線發(fā)生故障時，可將故障母線故障前帶的所有負荷和電源側(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)到其相鄰母線上，對應的源設(shè)備為該故障母線所屬廠站同電壓等級的其它母線。

由故障母線上原負荷轉(zhuǎn)供造成的電網(wǎng)其它設(shè)備負荷加重，在負載率分析中進行校核，母線故障的轉(zhuǎn)供模式如圖2所示。

圖2 母線負荷的轉(zhuǎn)供電模式Fig.2 Transfer power supply mode of bus load

圖3為某220 kV片網(wǎng)示意圖，圖中，虛線框內(nèi)設(shè)備屬于同一廠站，矩形表示斷路器，實心矩形代表此時斷路器為閉合狀態(tài)，空心矩形表示此時斷路器為分閘狀態(tài)，加粗母線表示正在母線處于運行狀態(tài)，圖中省略了非雙母接線上斷路器兩旁的隔離開關(guān)、10 kV母線上的饋線以及其它與本文案例無關(guān)的線路。圖3中G站的110 kV M1母線因自身故障停電時，將其原本相連設(shè)備通過刀閘轉(zhuǎn)到110 kV M2母線上。

圖3 220 kV片網(wǎng)示意圖

1.3.2 主變故障

主變故障，通常需要將該主變副邊母線轉(zhuǎn)為站內(nèi)其它主變供。根據(jù)該廠站的主接線信息得到相鄰主變及相鄰主變與故障主變所帶負荷之間的連接關(guān)系，結(jié)合斷路器和隔離開關(guān)的實時狀態(tài)得到相應開關(guān)操作，根據(jù)評價指標確定最優(yōu)轉(zhuǎn)供方案。因此，主變自身故障造成停電時的源設(shè)備為故障主變所屬廠站內(nèi)的其它主變。由此造成的電網(wǎng)其它設(shè)備負荷加重，在負載率分析中進行校核。

圖3中C站B1主變故障時，其轉(zhuǎn)供電方案生成時源設(shè)備設(shè)定為C站B2或B3主變。

1.3.3 線路故障

城市電網(wǎng)中的線路可分為雙端接線和T形線路兩種形式，如圖3中戊線為雙端接線，甲線、乙線、丙線和丁線為T形接線。線路故障，其各段分支線路所帶負荷可獨立地進行處理，負荷側(cè)母線設(shè)備轉(zhuǎn)該母線所屬主接線組的其他線路供，若無法轉(zhuǎn)供則按1.3.1母線故障處理，負荷側(cè)主變設(shè)備按照1.3.2主變故障進行處理。對由此造成的電網(wǎng)負荷轉(zhuǎn)移進行負載率分析，并根據(jù)評價指標確定最佳方案。

圖3中丙線自身故障造成停電時，其轉(zhuǎn)供電方案生成時源設(shè)備設(shè)定為C站B1主變、C站B3主變和丁線。

1.4 轉(zhuǎn)供電方案的負載率分析

對于需要修改運行方式的電網(wǎng)或故障后搜索得到的轉(zhuǎn)供電方案，需要根據(jù)相應的電網(wǎng)拓撲和負荷數(shù)據(jù)確定新運行方式的可行性。因為220 kV及以下電壓等級網(wǎng)絡為輻射型結(jié)構(gòu)，即可轉(zhuǎn)化為分析樹各節(jié)點和各支路的負載率問題，其算法步驟如圖4所示。

圖4 負載率分析流程圖

在電網(wǎng)發(fā)生多處運行方式改變時，根據(jù)各運行方式改變時受影響的供電設(shè)備進行相關(guān)區(qū)域劃分。以停電設(shè)備為起點，根據(jù)生成的新運行方式，往上到220 kV廠站終止，往下到相連及級聯(lián)的110 kV廠站終止。對于各運行方式劃分出的220 kV片網(wǎng)，將互相存在影響的運行方式一同進行負載率校核，即合并存在重合區(qū)域的運行方式片網(wǎng)，以220 kV主變?yōu)楦?jié)點生成片網(wǎng)樹，根據(jù)負荷節(jié)點(通常為10 kV母線)的負荷數(shù)據(jù)，自葉節(jié)點往根節(jié)點層層計算各節(jié)點和支路的對應負載率，確認運行方式更改或轉(zhuǎn)供電方案的可行性。

2 圖數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和主接線模式識別

2.1 圖數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

對于節(jié)點數(shù)目眾多的大電網(wǎng)，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫無法清晰明了地表達其拓撲結(jié)構(gòu)，當需要查找某一次設(shè)備的連接關(guān)系時，需通過對每一個相關(guān)設(shè)備節(jié)點進行遍歷才能完成，對第三方服務的執(zhí)行效率造成很大影響。而圖形數(shù)據(jù)庫將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲在圖網(wǎng)絡中，便于搜索設(shè)備連接關(guān)系，為此，文中基于CIM采用圖數(shù)據(jù)庫存儲電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖數(shù)據(jù)庫根據(jù)電氣設(shè)備的連接關(guān)系將電氣網(wǎng)絡拓撲圖描述為一個由節(jié)點和邊組成的集合，每個節(jié)點和邊均擁有自己的屬性。將CIM模型解析為csv格式的表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，采用Neo4j的import功能，將節(jié)點、邊和屬性導入圖形數(shù)據(jù)庫中。本文建立的圖數(shù)據(jù)庫具體的描述規(guī)則如下：

(1)節(jié)點：母線、發(fā)電機、變壓器、斷路器、隔離刀閘、線路和電抗器等電氣一次設(shè)備為圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點。其中變壓器設(shè)備在圖數(shù)據(jù)庫中為由其各繞組組成的節(jié)點集合，三繞組、雙繞組變壓器分別為三節(jié)點、兩節(jié)點集合，各繞組與對應電壓等級的設(shè)備相連。各繞組之間彼此相連，在主變處于運行狀態(tài)時，此連接關(guān)系為實際連接狀態(tài)，主變處于停運狀態(tài)時，此連接關(guān)系狀態(tài)為斷開狀態(tài)；

(2)邊：在本文建立的圖數(shù)據(jù)庫中表示電氣設(shè)備之間的連接關(guān)系，若電氣設(shè)備A和電氣設(shè)備B之間為存在連接關(guān)系，則表示為A-B；

(3)屬性：是一個由屬性名稱和值域組成的二元組，可在節(jié)點和邊上任意多地進行定義。在本文中主要為各一次設(shè)備參數(shù)，如設(shè)備編號、設(shè)備名稱、額定電壓和所屬廠站等。

以圖3片網(wǎng)圖為例，在圖數(shù)據(jù)庫中示意圖如圖5所示，實心圖形表示設(shè)備處于運行狀態(tài)。

圖5 220 kV片網(wǎng)圖數(shù)據(jù)庫示意圖

2.2 主接線模式分析

根據(jù)220 kV及以下城市電網(wǎng)的規(guī)范接線方式(見1.3節(jié))建立接線方式庫，存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。本文采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行存儲，使用標準SQL實現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的查詢。在圖數(shù)據(jù)庫采用相關(guān)圖算法，能將屬于接線方式庫中的廠站主接線的相關(guān)信息進行提取，并根據(jù)設(shè)計的表結(jié)構(gòu)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中進行存儲。通過分析各接線方式下的轉(zhuǎn)供電方案生成的通用模式后，建立如表1所示結(jié)構(gòu)：(1)對于各廠站的各個電壓等級，將母線、主變、發(fā)電機、線路和負荷作為節(jié)點設(shè)備；(2)將節(jié)點設(shè)備之間的連接路徑上的斷路器和刀閘作為路徑設(shè)備；(3)對各節(jié)點設(shè)備和路徑設(shè)備進行帶有設(shè)備類型標識和數(shù)字標識的唯一編碼：設(shè)備類型包括母線-B，主變-P，發(fā)電機-G，線路-A，饋線-E，斷路器-Br，隔離開關(guān)-D，數(shù)字為自1開始的自然數(shù)，按內(nèi)部編號將設(shè)備進行存儲；(4)建立對應的節(jié)點設(shè)備-節(jié)點設(shè)備連通矩陣，在有母線的主接線組中，連通矩陣行為母線節(jié)點，列節(jié)點設(shè)備依次為主變、發(fā)電機、線路和負荷；在無母線的主接線組中，行為主變節(jié)點，列節(jié)點設(shè)備依次為發(fā)電機、線路、負荷。若該主接線組沒有某類設(shè)備則跳過該類，各位置元素為對應的行列節(jié)點設(shè)備之間不經(jīng)過其它節(jié)點設(shè)備的連通路徑，按拓撲中實際經(jīng)過的路徑設(shè)備順序進行存儲；(5)對于存在母線的主接線方式，建立母線組關(guān)系矩陣，行列均為母線節(jié)點，各位置元素為對應行列母線之間不經(jīng)過其它節(jié)點設(shè)備的連通路徑。

表1 主接線模式存儲格式

對于有n條母線、m臺主變、p臺發(fā)電機、q條線路和t條饋線的主接線組，設(shè)備關(guān)系矩陣R如式(1)所示，Bi為對應第i行母線元素的行向量如式(2)所示，其中元素I為編號為i的母線依次與各主變、發(fā)電機、線路和負荷的連通路徑，將由行母線到列節(jié)點設(shè)備路徑上隔離開關(guān)和斷路器經(jīng)過的順序依次以“/”號連接存儲。母線組關(guān)系矩陣RB如式(3)所示，其主對角線元素為1，RBi為對應第i行母線元素的行向量如式(4)所示，元素C為編號為i的母線依次與其它母線的連通路徑，將由行母線到列母線路徑上隔離開關(guān)和斷路器經(jīng)過的順序依次以“/”號連接存儲。

R=(B1…Bi…Bn)T

(1)

Bi=(I1…ImIm+1…Im+pIm+p+1…Im+p+qIm+p+q+1…Im+p+q+t)

(2)

RB=(RB1…RBi…RBn)T

(3)

RBi=(C1…1…Cn)

(4)

2.3 基于DBFS的主接線模式識別

將各廠站各電壓等級作為一個主接線組，提取該主接線的相關(guān)一次設(shè)備、接線方式及連接關(guān)系進行存儲，主要步驟如圖6所示。

圖6 主接線識別流程圖

各步驟具體說明如下：(1)簡化：對于地刀、電壓互感器、電流互感器及電抗器等一次設(shè)備，對于主接線連接方式并無影響，在進行主接線模式識別前將其簡化，將地刀和電壓互感器設(shè)備節(jié)點及與該節(jié)點直接相關(guān)的關(guān)系從圖上消去，在進行路徑設(shè)備提取時忽略電流互感器和電抗器設(shè)備節(jié)點。這既能略去大量的無用節(jié)點，又不會影響對主接線方式的判斷；(2)根據(jù)各一次設(shè)備的廠站屬性，提取該廠站內(nèi)的節(jié)點設(shè)備和路徑設(shè)備，按電壓等級歸為各主接線組并按設(shè)備類型進行存儲；(3)對于有母線接線的主接線組，搜索各母線之間的連接路徑生成母線組關(guān)系矩陣，根據(jù)各母線與其它節(jié)點設(shè)備之間的連接關(guān)系生成設(shè)備連通矩陣，綜合該主接線組的母線數(shù)量、母線間的連接關(guān)系以及母線上設(shè)備與母線的連接方式判定其主接線方式，例兩母線通過兩不同刀閘與同一開關(guān)相連，即為雙母線接線組；對于無母線接線的主接線組，搜索主變和其他設(shè)備之間的連接路徑生成對應的設(shè)備連通矩陣并確定其接線方式。

文中采用雙向廣度優(yōu)先算法(Double Breadth First Search, DBFS)進行站內(nèi)各節(jié)點設(shè)備之間連接關(guān)系的搜索，DBFS相較于廣度優(yōu)先算法能使搜索樹的深度明顯減少，適用于起始節(jié)點和目標節(jié)點之間路徑較短的情況，DBFS算法具體步驟如圖7所示。

圖7 DBFS步驟

以圖3中G站的110 kV主接線組為例，首先根據(jù)各節(jié)點的廠站和電壓屬性，提取出屬于該站的110 kV所有一次設(shè)備，按類型屬性進行編號。由于此主接線組中存在母線設(shè)備，則先搜索兩母線之間的連接方式生成母線組連接矩陣，根據(jù)母線數(shù)量為二，兩母線之間經(jīng)母聯(lián)開關(guān)相連，以及兩母線通過不同刀閘與同一開關(guān)相連匹配出其為雙母線接線方式，再搜索母線設(shè)備和其它設(shè)備之間的連接路徑生成設(shè)備連通矩陣。

運用生成的主接線模式，能迅速地定位能作為失壓設(shè)備源節(jié)點的設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備關(guān)系矩陣得到恢復供電后的路徑，結(jié)合設(shè)備實時狀態(tài)，則能得到相應需要的開關(guān)操作，結(jié)合轉(zhuǎn)供電方案評價體系，即可得到最佳轉(zhuǎn)供電方案。

3 轉(zhuǎn)供電方案的評價決策機制

3.1 轉(zhuǎn)供電方案評價指標

電網(wǎng)發(fā)生故障時需要盡快恢復供電，在搜索轉(zhuǎn)供路徑時，針對城市電網(wǎng)220 kV及以下電壓等級片網(wǎng)為輻射型網(wǎng)絡的特征，為盡快恢復失壓負荷，搜索得到的轉(zhuǎn)供路徑應具有以下特點：(1)盡可能多的恢復失壓負荷；(2)恢復供電過程中一次設(shè)備的操作盡可能少；(3)新運行方式下的電網(wǎng)能安全穩(wěn)定運行。對此，結(jié)合電網(wǎng)基礎(chǔ)運行要求可設(shè)置轉(zhuǎn)供電方案評價體系中各指標如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)供電方案評價指標

3.2 最佳轉(zhuǎn)供電方案的確定

轉(zhuǎn)供路徑方案的評價體系如圖8所示。一級評價指標為(1)未恢復的負荷總量U，值越小即造成的損失最少，方案愈佳。在一級評價指標最優(yōu)的情況下，盡可能少地操作一次設(shè)備(2)。指標(3)和指標(4)是對負載率的限制，分別要求新的運行方式下沒有線路過載現(xiàn)象以及該區(qū)域內(nèi)的所有源節(jié)點未超過可供容量限制，過載值即為未成功轉(zhuǎn)供的負荷量，計算可得未恢復的負荷總量U。

圖8 轉(zhuǎn)供電方案評價體系

4 實例

以圖3所示220 kV片網(wǎng)為例，以110 kV線路故障為例說明本算法的適用性。

4.1 片網(wǎng)主接線信息提取

故障發(fā)生前，已基于圖數(shù)據(jù)庫采用DBFS將圖3片網(wǎng)中各廠站的主接線信息進行提取，其中部分主接線信息示例：A站的110 kV側(cè)、B站的110 kV側(cè)和C站的10 kV側(cè)主接線信息如表3所示。

以A站110 kV側(cè)為例，表中：

表3 部分主接線信息表

4.2 線路故障時的轉(zhuǎn)供電方案生成

在圖3甲線發(fā)生故障時，甲線上四個開關(guān)均跳開，所帶母線負荷及所帶主變下的母線負荷未自動轉(zhuǎn)至相鄰母線供，且經(jīng)過核查確認僅有甲線故障且短時不可恢復，其他設(shè)備均正常。此時，需要盡快生成相應的轉(zhuǎn)供電方案。

最佳轉(zhuǎn)供電方案的具體步驟為：(1)提取包含甲線的主接線組，根據(jù)設(shè)備連通矩陣結(jié)合故障前系統(tǒng)狀態(tài)可知甲線電源側(cè)為A站110 kV M1母線，負荷側(cè)包括B站B2主變、C站B1主變以及D站110 kV M1母線；(2)對上述負荷側(cè)設(shè)備進行有源性分析，即依次對各負荷側(cè)設(shè)備除了甲線以外的可能的供電設(shè)備進行連通性分析，確認負荷側(cè)設(shè)備均已失去供電。并由于B站和C站主變無法進行轉(zhuǎn)供，D站110 kV M1為D站110 kV M2和E站110 kV母線供電，得到實際需要進行負荷轉(zhuǎn)供的設(shè)備包括B站10 kV M2母線，C站10 kV M1母線、D站110 kV側(cè)母線和E站110 kV母線；(3)基于主接線信息對各需轉(zhuǎn)供設(shè)備提取可能的源設(shè)備，生成的可能的轉(zhuǎn)供電方案組合，對各轉(zhuǎn)供電方案組合進行負載率分析并計算其未恢復負荷量和一次設(shè)備操作數(shù)，選擇未恢復負荷量最少的轉(zhuǎn)供電方案為最佳的轉(zhuǎn)供電方案；當存在多個方案未恢復負荷量同為最小的情況下，選擇其中設(shè)備操作次數(shù)最少者作為最佳轉(zhuǎn)供電方案。

為體現(xiàn)算法的選擇性，設(shè)置兩種故障前的C站主變負載狀態(tài)如表4所示，其中C.B2主變的表中數(shù)據(jù)均為兩個變低開關(guān)之和，其余相關(guān)設(shè)備如乙線、丙線、丁線、戊線、G站220 kV主變和F站220 kV主變負載情況因在情景一、二中均未過載在表中省略。

表4 兩種情況下的相關(guān)設(shè)備負荷及容量

將對應不同情景生成轉(zhuǎn)供電方案的過程中主要計算和分析的數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 可能的轉(zhuǎn)供電方案及其相關(guān)數(shù)據(jù)

由評價體系可得對應各情景的最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案：情景一時，最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案為：B站B2主變負荷轉(zhuǎn)B1主變供，C站B1主變負荷轉(zhuǎn)B2主變供，D站110 kV母線、E站110 kV母線轉(zhuǎn)由乙線供電；情景二時，最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案為：B站B2主變負荷轉(zhuǎn)B1主變供，C站B1主變負荷轉(zhuǎn)B2主變供、B2主變轉(zhuǎn)B3主變供，D站110 kV母線、E站110 kV母線轉(zhuǎn)由乙線供電。

使用基于模式的轉(zhuǎn)供電方案生 成方法，將相關(guān)拓撲信息提前提取并存儲，能得到可能的源節(jié)點及轉(zhuǎn)供電路徑，避免了在故障時在復雜網(wǎng)絡中搜索路徑，能迅速得到滿足相應約束的最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案。

5 結(jié)束語

文章提出了一種基于圖數(shù)據(jù)庫算法和模式匹配的城市高壓電網(wǎng)轉(zhuǎn)供電方案生成方法，首先將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以圖的形式存儲于圖數(shù)據(jù)庫，基于圖數(shù)據(jù)庫及圖算法進行設(shè)備連通性分析、有源性分析和負荷率分析，極大地降低了根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行拓撲分析的復雜度。并結(jié)合實際電網(wǎng)和轉(zhuǎn)供電方案生成的特點，將廠站主接線組的特征進行提取，在發(fā)生故障時使轉(zhuǎn)供電方案的生成更加迅速。

由于文中基于模式匹配的轉(zhuǎn)供電方案生成特點，在電網(wǎng)出現(xiàn)新的主接線方式時，需要分析新方式的特征，對新的接線方式設(shè)定對應的方案生成體系。