面向对象的电网拓扑分析与研究.doc

基于面向对象的电力网络拓扑分析与研究
Electricity Net Topology Analysis and Research Based on the object oriented technology
赵 亮
（华北电力大学 电气与电子工程学院 电力工程系，河北省保定市，071003）
摘要：本文基于面向对象技术，提出了一种的基于连接点与分层搜索相结合的网络拓扑新方法, 并重点介绍基于面向对象技术的电网拓扑模型，详细讨论了基于这种模型的广度优先算法在厂站分析、电气岛分析中的应用。该拓扑模型明确清晰，编程易于实现。实践证明，该模型具有很好的实时性和可靠性。
Abstract: Based on the object oriented technology, a new network-topology technique based on the combination of connected-node and, was put forward in this paper, which put more emphasis on the introduction of network topology model. This paper elaborates the algorithm of board first search’s application in substation anglicize、topological-Island analysis. The model is clear and explicit and the program can be easily realized. Actual application shows that the method is highly effective and reliable.
关键词：面向对象；网络拓扑；广度优先搜索

0引言
自从面向对象技术被引入到电力系统应用软件的开发中以来，电力系统的面向对象建模一直是电力科技工作者研究的热点问题，而面向对象的网络拓扑分析研究则是状态分析、最优潮流、无功优化、稳定分析以及整定计算等的基础。
传统的电网拓扑分析[1]大部分采用基于深度优先或广度优先的拓扑分析方法。这种方法需要建立一些复杂的关联表和关联矩阵，而且在搜索过程中需要进行多次的递归和回溯，计算量大，扩展性差，不易理解。
对于网络拓扑程序，它必须具备良好的实用性、很强的扩展性以及网络分析的快速性。为此，本文提出了一种基于面向技术的网络拓扑建模的新方法，该方法借鉴了成熟的节点融合法[2]和分级搜索法[3]的主要思想，可以快速形成网络结构以及结果变化后的拓扑信息。
1 面向对象的电网拓扑思想
在图形化电力系统分析软件中，可以把一个电网看作是由发电机、开关设备、变压器、输电线路和各种负荷等通过连接点连接在一起的图。进一步分析电网的连接关系，任何一个复杂的电网都可以抽象为“连接点”与“N口元件（设备）”的连接。
所谓连接点是指各种电力设备端点的融合点，亦即各电力设备通过非开关设备的连接点；
拓扑节点是指通过闭合开关合并的一组连接点；电气岛是指通过合闸断路器和有阻抗设备连接在一起的拓扑节点及电网设备所构成的电气上连接的子系统。
从网络拓扑的角度出发，把电力设备分解为连接点、N口元件、拓扑节点和电气岛四大类[4]的分解简单清晰，完全满足高层应用对网络拓扑快速准确的要求。电网设备的复杂连接关系都统一成了“连接点”与“N口元件”之间的连接关系，简单实用，易于扩充，符合面向对象编程思想。将电力系统的对象分为“连接点对象”和“N端口对象”，并确定其属性和行为是本文的面向对象的网络拓扑建模的核心。
面向对象的拓扑分析首先是进行图上连接点与电力设备间的连接关系分析，形成电网结构的连接点/设备关联关系表，即电力网络图；进而采用某种搜索策略如广度优先或深度优先策略进行网络拓扑静态分析；当开关设备（断路器、隔离开关等）状态变化后，进行网络的动态拓扑，给有关的计算分析程序提供新的接线方式下的信息与数据。
电网拓扑分析的实质是把用连接点/设备之间描述的物理连接关系转化为用拓扑节点/非开关设备之间连接关系。
2 面向对象的电网层次建模
设计面向对象的系统拓扑模型时，力图模型整体架构清晰明确，易于扩展。基于面向对象的思想，本文建立了图1所示的电网对象拓扑模型。
（1）拓扑接口类是拓扑模块与上层应用软件的接口。一方面，它保存网络拓扑后的全网拓扑信息，供外部潮流计算、整定计算、稳定分析等调用；同时向电网对象发出各种拓扑消息，进行拓扑分析，如断开一条线路的正序零序网络分析及阻抗矩阵等。仅拓扑分析而言，其数据对象主要由下面组成：
连接点对象记录所有与该连接点相连的N端口设备指针链表，图上自动连接生成；N端口设备对象记录所有与该端口相连的连接点指针，图上自动连接生成；拓扑接口对象记录所有连接点的连接点指针链表，图上自动连接生成；拓扑接口对象记录所有拓扑节点的拓扑节点指针链表；拓扑接口对象记录所有电气岛的电气岛指针链表；拓扑节点对象记录所有属于该拓扑节点的连接点指针链表；电气岛记录所有属于该电气岛的拓扑节点指针链表；拓扑接口对象记录所有厂站的厂站对象指针链表。
（2）厂站类派生自拓扑接口类，在动态拓扑分析中为减小搜索范围而设置，为除线路和负荷外的各电力元件的聚集。其拓扑属性有厂站连接点链表，拓扑节点链表。
（3）图形对象类派生自MFC （MicroSoft
Foundation Class）中的CObject，实现绘图功能。
（4）电力设备类派生自图形类，它是对电力系统所有设备的最高层次上的抽象，其属性行为被电网中所有设备所继承。电力设备类最主要的行为就是设备的自动连接，因为本文的电力网络图是通过图上设备自动连接而自动形成的。

图1 面向对象的网络拓扑模型
（5）电气岛类派生自电力设备类，是拓扑节点与N端口设备的聚集。
（6）连接点类派生自电力设备类，其属性包括连接点号，连接点电压等级，连接点的厂站号、拓扑节点号（拓扑节点指针）、与连接点相连的N端口元件的指针链表等。
（7）拓扑节点类派生自电力设备类，为连接点的聚集。由于拓扑节点是连接点通过拓扑分析后形成的，因此该类的属性有：与对应连接点的关联链表，拓扑节点号、电压等级（即对应物理节点的电压等级），是否为孤立节点的标志等。
（8）母线类派生自连接点类，但具有绘图功能。
（9）N端口设备类派生自电力设备类，其成员主要包括端口数、与端口连接元件的标志（1=节点、0=其它元件），与各端口连接的连接点指针或其它N口元件的指针链表，元件运行状态标志等；其行为有：建立与其它N端口元件的连接，即形成元件端口与连接点的连接；删除元件时断开与节点的连接；取某个端口的连接点等。
（10）对于N端口设备，可以派生出“有阻抗”设备对象和“无阻抗”设备对象两大类。有阻抗设备代表电网中各种阻抗设备，我们称之为“广义支路”；而无阻抗对象代表电网中的开关设备或联络设备，我们称之为“连接设备”。对于有阻抗设备，一般在进行各种电力系统分析计算时都会涉及到；而对于无阻抗设备,它们仅仅起到连通或解裂的作用，只在网络拓扑分析时有用。
（11）根据实际对象的不同类型又可以从有阻抗设备派生出“变压器”、“线路”、“并联设备”等。对无阻抗设备则根据设备功能的不同派生出“逻辑元件”和“联络线”两大类。这些设备进一步细化，最终派生到电网一次设备对象，具体可以参见图1。
这种拓扑分层模型是电网抽象为连接点、拓扑节点、N端口设备和电气岛的体现，可以根据自己的需要灵活地进行修改或扩充。
3 面向对象的电网拓扑分析的实现
3.1电网元件的自动连接
连接点与N端口元件的关联关系是电网拓扑分析的前提。在电网拓扑分析中，我们首先需要得到电网中各种设备对象间的连接关系，形成电力网络图。因此，连接点的属性和行为对网络拓扑分析的实现起着非常关键的作用。
自动连接分析后，形成了连接点与电网设备的关联关系，也即形成了电力网络图，接着就可以进行电网的拓扑分析。
3.2 电网拓扑的静态生成
电网拓扑的静态生成包括两部分：拓扑节点分析和电气岛分析。
3.2.1 拓扑节点分析
拓扑节点分析的对象是网络中的连接点与断路器，采用广度优先搜索法。根据拓扑接口对象的连接点指针链表，依次访问电网中的所有连接点，将通过合闸断路器连接的连接点，处理为一个拓扑节点，然后将这些连接点都添加到该拓扑节点的连接点链表，循环直到全网连接点处理完毕。
从图论的意义上，拓扑点分析就是将断路器所连的连接点映射为图的顶点，顶点之间是否有边相连，则取决于连接点之间是否有闭合断路器相连。拓扑节点分析的流程图见图2。

图2 拓扑节点分析流程
3.2.3 电气岛分析

图3 电气岛分析流程
电气岛分析的对象是拓扑节点和有阻抗设备。拓扑节点分析完成之后，在拓扑接口对象中生成了记录所有拓扑节点的指针链表。因此，通过依次访问拓扑节点指针链表来访问所有的拓扑节点，再根据拓扑节点的连接点指针链表，访问属于该拓扑节点的所有连接点，找到与这些连接点通过有阻抗设备相连的其它所有拓扑节点，将这些拓扑节点添加到电气岛的拓扑节点链表，然后处理下一个拓扑节点，循环直到全网拓扑节点处理完毕。
从图论的意义上，电气岛的分析就是将拓扑点分析得到的拓扑节点映射为图的顶点，顶点之间是否有边相连则取决于拓扑点之间是否有阻抗支路相连。电气岛分析的流程图见图3。
静态拓扑效率提高的关键是连接点和N端口设备关联的数据结构，而不是具体从哪个连接点或厂站开始进行拓扑。
3.3 电网拓扑的动态分析
电力网络拓扑的动态分析是网络拓扑分析最重要的部分。运行方式的任何变化都是靠断路器的开合来决定。因此，为实现对电网结构变化的快速分析，应根据断路器操作的不同加以区分，采用不同方法进行分析。
网络分级搜索的原理[2][3]是依据是电网的分层结构，根据断路器操作对象的不同，限定其动态搜索范围。但对静态拓扑而言，效率并没有提高，且实现复杂，适合于网络的动态拓扑分析。
3.3.1 断路器合闸分析
断路器的合闸操作，将导致网络结构发生以下几种变化：
（1）断路器两端连接点属于同一拓扑节点，合闸操作不引起电网结构的变化，不需拓扑分析；

图4 断路器合闸分析流程
（2）断路器两端节点属于不同的拓扑节点，但两个拓扑节点属于同一个电气岛，合闸操作将引起拓扑节点的合并，并重新编号；
（3）断路器两端节点属于不同的拓扑节点，且拓扑节点也不属于同一个电气岛。合闸操作不但引起拓扑节点的合并，还将引起电气岛的合并。
拓扑节点的合并原则是从拓扑节点链表中删除编号较大的拓扑节点，将属于该拓扑节点的连接点链表添加到另一拓扑节点的节点指针链表中。连接点指针链表项拓扑节点指针并不改变。电气岛合并与拓扑节点的合并类似。合闸流程见图4。
3.3.2 断路器跳闸分析
断路器的跳闸操作，将引起网络结构发生以下的几种变化
（1）断路器断开对网络结构没有影响；
（2）断路器断开仅仅引起电气岛中拓扑节点的分裂，系统不发生解列；
（3）断路器断开不仅引起拓扑节点的分裂，进而引起电气岛的分裂。
断路器断开以后，具体对网络结构会产生何种影响，必须根据拓扑搜索的结果进行判断。下面是面向对象的动态拓扑分析流程：

图5 断路器跳闸分析流程
4 应用分析
4.1导纳矩阵的形成
在电网做分析计算时，网络的节点导纳矩阵或阻抗矩阵是进行分析的基础。拓扑分析完成之后，一般要形成导纳矩阵。
基于面向对象技术，采用广义支路追加法的方法来形成节点导纳矩阵。我们把每个有阻抗设备都当成一个整体来对待，把它看成一个广义的支路。由网络接口对象发出消息给每个有阻抗设备，通知它执行追加到导纳矩阵的行为；而具体这个设备如何执行这个行为，则由设备自身根据其物理特性和拓扑连接情况自行确定。形成导纳矩阵的过程不关心每个设备具体的内部参数，充分体现了面向对象拓扑模型的高效之处。
如果网络中再加入新的N端口阻抗设备，形成导纳矩阵是设备的一个行为，过程不用修改，大大提高了程序的可扩充性，体现了面向对象的多态所带来的灵活性。
4.2网络拓扑的动态着色
通过判断电气岛中有无电源，就可以轻松实现网络的动态着色。
5 结论
本文用面向对象技术对电力系统网络拓扑分析元件进行了建模，采用广度优先搜索的方法，实现了电网拓扑静态分析和动态分析；同时在拓扑分析的基础上，实现了动态着色，适用于各种不同接线形式电网的拓扑分析。形成拓扑节点时，只分析闭合的开关和刀闸，提高了拓扑速度。实际应用中，采用Visual C + +工具实现网络拓扑，应用在潮流计算、动态着色、整定计算等方面，取得了良好效果。
参考文献：
[1] 于尔铿.电力系统状态估计(State Estimation of Electric Power System)[M. 北京：水利水电出版社]
[2] 电力行业标准 DL/T 890.301-2004/IEC 61970.
[3] 韩国政，邱洪泽面向间隔的电力网络拓扑分析方法。电力系统自动化
[4] 于辉，韩肖青（Yu Hui，Han Xiaoqing） 电力系统网络拓扑分层方法的研究。机械管理开发
[5] 吴文传，张伯明（Wu Wenchuan，Zhang Boming）基于图形数据库的网络拓扑及其应用（A graphic database based network topology and its application）[J. 电网技术（Power System Technology）,2002,26(2):14-18
[6] 龙启峰，陈岗（Long Qifeng, Chen Gang）基于面向对象技术的电力网络拓扑分析新方法（New Method of Power NetWork Topology Analysis Based on Object-Oriented Technology）

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