基于GIS的10+kV配电网络电气连通性分析

第38卷第10期 电力系统保护与控制 VoJ．38No．10 !Q!!兰!旦!鱼旦 呈竺!!!墅!!!里!12生!!12璺曼里皇竺旦翌坚21 坚型!鱼：!!!! 基于GIS的1OkV配电网络电气连通性 周云成，付立思，许童羽，朴在林 (沈阳农业大学信息与电气学院，辽宁沈阳110161) 摘要：为了能在GIs系统上对复杂配电网进行直观且高效的网络分析，采用在变电站馈出口处虚设电源点的方式对复杂配电 网进行简化，提出了一种基于唯一编码的、且利于数据库实现的描述简化配电网电气设备连接关系的网络拓扑模型。提出将 开关、线路分歧连接处．电源点一线路连接处转换为支路，电源点和由开关分割的线路连通段转换为节点的网络节点划分方 法，该方法可降低网络节点数量。采用邻接矩阵法对网络进行连通性分析，详细描述了从网络拓扑数据中提取节点邻接矩阵 所需的网络节点和连接支路的算法。描述了由节点邻接矩阵通过运算生成节点连通矩阵，进而判断节点连通关系的矩阵运算 方法，以及确定配电网停电范围的算法。算例表明，提出的网络拓扑模型和邻接矩阵生成及运算方法，可以进行复杂配电网 络的连通性分析以及停电范围分析． 关键词：配电网；GIs；邻接矩阵；连通性；连通矩阵；停电范围分析 ElectricconnectiVi毋analyzingfor10kVdistributionnetworkbasedonGIS ZHOU1Y、m-cheng，FULi—si，XUTbng-yu，PIA0Zai—lin (collegeofInfomation狮dElec仃icalEngineering，sheny锄gA鲥cult嘲lunivers匆，shenyaJlg110161，chim) Abstract：Inordertointu“ively锄dquicHya11alyzepowergridbasedonGIS，anet、阳rktopologymodelbaSedonuIliqueidentifier codewhichc锄beappliedtopicn鹏】ifll(ingrelationofelectricalequipmentofdistributionn咖DrkispropoSedi】1nlisstudy，粕ditcall beimplementedtoda协b硒ee邪ily．Ceftainly，atcclllliquethatavirtualpo、versourcepointisplacedateVerye)【itoffeeder1．mesof substationistal【entosiIllpli分tIlecomplex时ofdistfibutionne附orkinthispaper．switches，bifhrcationsoflillesandjullctionpoirns ofpowersourcepointsandliIlesareseen硒b啪ches；moreovertllelinesectioIlsdividedbyswitchesareregarded邪nodes．111is 仃ea仃nentme廿lodc觚convcrtdistributionne“vorktograph，meanwhilec锄reducetheco呻tof缈phnodes．neadjacencym枷xof nodesisusedtosupportco衄exjtya11alysis．Analgornhmwhichextractsgraphda：tathatcanbeappliedtoconstructa巧acencym赫x f而mtopologydatabaseofGISispresentedclearly．Thispaperalsodescribesthemetllodtllat缸明sfonnsadjacencymatr．Ⅸt0 co彻ectivitym跏xtllrou曲calculatiIlg，asweU弱t0dete栅inettIescopeofpo、Ⅳerimermption．Cdculationexamplesho、Ⅳsthatme networktopologymodeIandmethodSofadjacencym删xfo彻ulation锄dcaIcuIationcanbeusedtoanalyzet|lenetworkco衄exity锄d thescopeofpoweriIlterruption． ThisworkissupponedbyNationalNan黼lScienceFoulldationofLiaoningProvhe(No．20042102)． Keywords：dis仃ibutionne似ork；geographicinf0珊ationsystem；adjacencymatrix；connexity；connectiVitymatrix；scope锄alysis ofpowerime姗ption 中图分类号： TM645．1；TM71l文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)lO一0083一06 0 引言 10kV配电网络存在着线路规模庞大，设备众 多等特点，GIS(地理信息系统)作为一种信息技 术手段可为配电网络资源信息的高效管理提供支 持。单纯建设配电网地理信息系统，而不考虑配电 基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(20042102) 网络的拓扑问，则配电网GIS在电力企业中只能 承担电子地图或MIs(管理信息系统)的角色，不 能充分发挥GIS的分析优势。随着经济发展对供电 可靠性要求的提高，在配电网络中双电源供电、环 网供电和网格供电的模式越来越普遍，这对配电网 络的运行管理提出了更高的要求。在GIS图形化展 示的基础上，对配电网拓扑结构进行辨识，以及对 开关分合动作下配电网电气连通性及停电范围进行 万方数据 ．84． 电力系统保护与控嬲 分析，可有效地对配电网的运行管理提供辅助决策 支持。 由于配电网的复杂性，使其空间拓扑关系很难 反映配电网的电气元件连接关系【l】，这就要求在配 电网GIS中除了空间数据、设备属性数据之外，还 要有描述配电网拓扑结构的拓扑数据，通常以关联 表的形式存储于数据库中【2引。描述配电网拓扑结构 的数据库模型要有较高的性能，且要利于配电网拓 扑结构的修改。由于网格供电等供电模式的存在， 基于树形结构的搜索法很难用于网络的连通性分 析【¨】，而基于图论的邻接矩阵法及其衍生方法可用 于复杂配电网络的连通性分析【7d1|。本文主要探讨 如何描述复杂配电网络的拓扑结构，以及将配电网 络拓扑结构动态转换为节点邻接矩阵并进行连通性 分析的方法。 1配电网络拓扑模型 10kV配电网主要由接引自变电站内母线的馈 线组成，线路上包括开关、配电变压器等各种设备。 线路通过导线架设于杆塔上，或通过电缆敷设于地 下、穿行于管网。变电站内的主接线具有点线特性， 可用邻接矩阵法分析其电气连通性pJ，为简化分析， 本文不考虑变电站内的电气连通性。 在变电站的各馈出口处虚设一电源点，各馈线 接引相应的电源点，电源点是否带电受控于变电站 内部主接线的电气连通性。此时，线路的电气连通 性取决于电源点的带电状态，以及线路上各开关的 开合状态。环网或双电源供电的线路被简化成了线 路两端连接两个电源点的线路。线路上的开闭站箱、 变压器箱、电缆井(桩)等改变线路走向的设备点 均被简化为杆塔设备。图l所示为简化的省略了部 分配电变压器的配电网络。 !：j变电站∞变压器_虚设电源点 ·合闸态的开关·分闸态的开关·杆塔 图1简化的配电网络图 Fig．1Schematicdia伊锄ofthedistributionnetwork 对简化的10kV配电网做电气连通性分析，需 要记录电源点、线路及线上设备之间的电气连接关 系，即配电网的拓扑结构数据，以备根据拓扑数据 生成邻接矩阵。在设计配电网GIS空间数据库结构 时，为每种元件的数据表增加编码字段，并限制编 码字段的唯一性。其次，如果元件之间为多对多的 关系(如线路与线路之间的接引，同杆架设时的线 路与杆塔之间的关系)，则相应增加维护其连接关系 的以元件编码为关联字段的拓扑表。具体数据模型 如下： 线路Line(线路编码id，线路名称n锄e)； 电源点PS(电源点编码id，电源点名称n锄e， 电源点状态state，所属变电站eps，出线编码lid， 接线路首端begin)； 杆塔Pole(杆塔编码id，杆号pn)； 开关Switch(开关编码id，开关名称n锄e，开 关状态gtate，所控线路编码Iid，所在杆塔编码pid)； 配电变压器DT(变压器编码id，变压器名称 n锄e，授电线路编码lid，所在杆塔编码pid)； 线路架设LP(线路编码lid，杆塔编码pid，杆 塔在线路上的顺序号pno)； 线路连接LL(主线路编码tid，支线路编码bid， 分歧杆塔编码pid，接支线首端begin)。 在网格供电等复杂供电模式下，线路的首末端 均有可能接电源点或是其它线路的分歧，因此在电 源点和线路连接表中增加表示是否接线路首端的字 段，以表示接线位置。在GIS系统中，可用该拓扑 模型建立关联数据库表存储配电网的拓扑结构。 2邻接矩阵生成 2．1网络节点与支路的确定 由配电网生成节点邻接矩阵，可以将分支点和 配电变压器接入点看作节点，但由于配电网分支点 和配电变压器数量众多，将会使矩阵规模庞大，占 用存储空间和处理工作量也非常大，在不影响分析 结果的基础上，有必要对配电网进行变形简化。 在选定的配电网范围内，任选其中一条线路， 将该线路上的开关看作连接电气节点的支路，由开 关分割的连通段及其上的配电变压器看作线路节 点，则开关的开合状态决定了两相邻节点之间的支 路是否存在，若线路上无开关，可将整条线路看作 节点，处理方式如图2(a)所示。将所有电源点均 看作节点，称为电源节点，将电源节点与相应出线 的相邻连通段(线路节点)的连接看成支路，即二 者始终有支路相连。线路(分支线)的首端和／或末 端如是另一线路(主线)的分歧(T接)，则将分支 线的首／末连通段与主线连通段的T接点看成支路， 同样二者始终有支路相连。采用此种简化方法可将 图l所示的配电网转化成图2(b)所示的网络模型， 万方数据 周云成，等 基于GIs的10kV配电网络电气连通性分析 ．85． ?键刨?④ 眇。：：：：三整④‘茜型夸裂 ⋯·开关分闸切断的支路 (b) 图2配电网网络模型 Fig．2NetworkmodelofthedistribuI．onnetwork ④ ④ ⑦ 2．2邻接矩阵提取 由于配电网结构变化较为频繁，描述配电网连 通关系的节点邻接矩阵经常需要变更。如配电网 GIs系统的数据库能够与网架结构同步维护，则可 根据数据库中的拓扑数据实时生成电气连通图和邻 接矩阵。分析可知，图2(b)所示的节点与支路信 息隐藏在电源点、开关、线路连接等表中，需要进 行提取。 第一步，将电源点转换为网络节点。 (1)建立空内存表PN，用以存储电源节点，结 构为PN(电源点编码，节点序号，出线编码，接 线路首端，电源点状态)；将电源点表中的对应列复 常0到PN中；设Ⅳ=1。 (2)PN(加(2)=Ⅳ．Ⅳ=Ⅳ+1；其中PN(Ⅳ)(2)表 示PN表中的第^r行第2列。 (3)如果Ⅳ≤PN的行数，返回到(2)。 第二步，提取线路节点和连接线路节点的支路 (1)建立空内存表LN存储线路节点，结构为 LN(线路编码，节点序号，起始杆顺序号，终止杆 顺序号)；建立空内存表LE存储连接线路节点的支 路，即由线路开关转化而来的支路，结构为LE(开 关编码，开关状态，节点l序号，节点2序号)；设 Ⅳ的初始值为第～步中Ⅳ的结束值。 (2)在选定的配电网范围内，选择一条尚未处 理的线路，设该线路编码为七。 (3)查询线路架设LP表中线路编码为纪的线 路的首末杆塔的顺序号，并顺序存储在表A中，用 查询语句描述：Selecttop1pnof而mLPwherelid= 比orderbypnoascunionselecttoplpno仔omLP wherelid=缸orderbypnodesc。 (4)查询Switch表中所控线路编码为缸的全部 开关，并检索出开关所在杆塔在线路上的顺序号， 结果存储在表B中：selectid， state，pno矗．om switchjoinLPonswitch．1id=LP：lidandswitch．pid= LP．pid、池ereswitch．1id=尼；若B为空说明线路上无 控制开关，将整条线路转化为一个线路节点，执行 (5)，否则将线路分割成多个线路节点和连接支路， 执行(6)。 (5)向LN中添加一条线路节点记录(，c，Ⅳ， A(1)(1)，A(2)(1))：从(9)开始执行。 (6)设筇=A(1)(1)，，=l。 (7)向LN中添加一条线路节点记录(fc，Ⅳ， 琊， B(，)(3))；向LE中添加一条支路记录(B (，)(1)，B(，)(2)，Ⅳ，Ⅳ+1)；矽=B(，)(3)； J=，+1：Ⅳ=Ⅳ+1。 (8)若，≤B的行数，回到(7)，否则向LN 中添加一条节点记录(fc，N，脚，A(2)(1))， 即当前线路的最后一个节点。 (9)Ⅳ=Ⅳ+1；若还有未处理的线路，则回到 (2)。 第三步，根据PN和LN提取电源节点和线路 首／末节点的连接支路。 (1)建立空内存表PE存储电源节点和线路首／ 末节点的连接支路，结构为PE(节点l序号，节点 2序号)；设，=1。 ． (2)如果PN(，)(4)=线路首端，执行(3)， 否则直接执行(4)。 (3)在内存表LN中检索线路编码为PN(，)(3) 的线路首节点的节点序号，并存储在表A中：select to口l节点序号仔omU叮where线路编码=PN(D (3)orderBy节点序号asc；向PE中添加记录电 源节点和线路首节点的支路(PN(，)(2)，A(1) (1))；跳转到(5)。 (4)在内存表LN中检索线路编码为PN(，)(3) 的线路末节点的节点序号，并存储在表B中：、select top1节点序号f两mLNwhere线路编码=PN(，) (3)orderby节点序号desc；向PE中添加记录 电源节点和线路末节点的支路(PN(J)(2)，B(1) (1))。 (5)，=，+l；如果，≤PN的行数，回到(2) 万方数据 一86一 电力系统保护与控制 执行。 数。 第四步，根据线路接线关系LL、线路架设LP 和内存中线路节点表LN将T接转换成支路。 (1)建立空内存表TE存储T接转换成的连接支 路，结构为TE(节点1序号，节点2序号)；设，= l。 (2)线路连接表LL中的一条记录代表一个T 接点，可转变成一条连接两个线路节点的支路。在 LP中查询分歧杆在上级线路上的顺序号，并存储在 变量所D中：selectpno仔omLPwherelid=LL∽ (1)andpid=LL(，)(3)。 (3)在LN表中查询支线路接入到上级线路的 哪个节点上，并将节点序号存储在表A中；Select节 点序号fhomLNwhere线路编码=LL(，)(1)a11d 起始杆顺序号<加DaIld终止杆顺序号>=加D。 (41若LL(，)(4)=线路首端，执行(5)， 否则直接执行(6)。 (5)查询支线路的首节点的节点序号，并存入 到表B中：Selecttop1节点序号丘．omLN、】l】|here线 路编码=LL(，)(2)orderby节点序号asc；向 TE中添加T接点转化的支路(A(1)(1)，B(1) (1))；跳转到(7)。 (6)查询支线路的末节点的节点序号，并存入 到表C中：Selecttop1节点序号丘omLNwhere线 路编码=LL(，)(2)0rderby节点序号desc；向 TE中添加T接点转化的支路(A(1)(1)，C(1) (1))。 (7)』=，+1；如果，≤LL的行数，回到(2) 执行。 第五步，根据PN和LN确定节点，根据PE、 LE和TE确定连接支路，建立节点邻接矩阵。 (11设n=PN的行数+LN的行数，则珂为网 络节点数；建立栉×甩的矩阵M，并将肘中所有元 素设置为0。 (2)PE中记录了电源节点和相连的线路节点的 序号，设置M(PE(，)(1))(PE(，)(2))=M (PE(，)(2))(PE(，)(1))=1，，的取值范围 从l到PE的行数。 (3)LE中记录了任一条线路上相邻节点的序号 及开关的开合状态，即开关支路是否存在，设置M (LE’(，)(3))(LE(，)(4))=M(LE(，)(4)) (LE(J)(3))=x，如LE(J)(2)=开关合闸， 则．萨1，否则翮，J的取值范围从1到PE的行数。 (4)TE中记录了T接的线路节点序号，设置M (TE(J)(1))(TE(J)(2))=M(TE(，)(2)) (TE(，)(1))=1，，的取值范围从l到PE的行 按照以上各步运算，可将图1所示状态的配电 网转换成节点邻接矩阵M。 M= 3连通性分析与停电范围分析 3．1连通性分析 停电范围分析是指在改变配电线路上某些开关 的开合状态下对配电网络的连通性进行分析。改变 开关的开合状态，相应的内存表LE中的开关状态 发生改变，进而决定由开关确定的连接支路是否存 在，即相应的修改节点邻接矩阵M。 对于矩阵肘。=【m胡，如mi尸l，表示节点f与节 点．，在电气上直接相连；研棚，表示节点f与节点．， 在电气上不直接相连。若从节点f途经七条支路可 以到达节点，，则称从节点f到节点，有长度为Ji}的 通路存在。显然，肘矩阵表示了节点之间通过一条 支路直接连通的情况，称为l级节点连通矩阵，记 为M‘¨。 根据连通关系的传递性，如果节点f与节点七 相连，而节点七又与节点，相连，则节点f与节点．， 也是相连的。连通关系的传递性质可以表示如下： 若朋矿1，所蔚=1，则肌{『=m请n历村=l，n表示 “与”运算。 对于玎个节点的1级节点连通矩阵肘¨’，定义 以下的矩阵乘法运算： X；M‘1)．M‘l’ (1) 其中： ％=朋‘苫u[Q白‘2n朋‘2)]c2， 对于式子鱼b‘2n研‘2)，表示节点f是否可途 经2条支路到达节点，；劫表示节点f、，经2条以 内(含2条)支路连通的情况；X表示2步以内节 万方数据 周云成，等 基于GIs的10kv配电网络电气连通性分析 ．87． 点的相互连通情况，称为2级节点连通矩阵，记为 材孙。 因M¨’是对称矩阵，聊‘2：聊‘2，对式子 Ob‘2n聊‘2)的运算可以看作是对Mu’的第f行 七=l 和第．，行作“与”运算，“与”运算的结果如不全为 o，或m‘?≠o，则x产1。在计算研时，为加快速度， 若聊‘：；≠O，则可省略“与”运算。 由于连通性的传递性质，可以用2级节点连通 矩阵通过上面定义的矩阵乘法运算，得到3级节点 连通矩阵M‘3’硼‘2’坩吧’，肘o’表示4步之内节 点的连通情况。如果节点f和节点，是电气连通的， 节点f总能通过有限的支路到达节点，，即矩阵通过 有限次的乘法运算后，可求解出全部节点间的连通 关系，即M咕’不再改变，此次计算到M∽’时不再 发生改变。 M(4)： 3．2停电范围分析 由节点邻接矩阵生成过程可知，电源节点的节 点编号在前，数量为内存表PN的行数，设为，．。分 析可知，七级节点连通矩阵M哺’的前r行反映了电 源节点与线路节点的连通关系，M哺’阵的前，．行构 成新矩阵母×。，则S阵的前，．列揭示了电源节点之 间的连通关系，后疗一，．列表示了电源节点与线路节 点之间的连通关系。 如果电源节点f处于不带电状态，说明该节点 不能为线路节点供电，则将S阵的第f行全部设置 为o。此时，S阵的第，列(，>，．)如不全为0，则 序号为，的线路节点带电，否则该线路节点不带电。 可对S阵的列元素进行累加，形成向量焉。 B=[■]-[芝]sf，]，，=l，2，⋯，疗(3) f=1 此时若例，，>厂，说明线路节点，带电，否则 节点．，不带电。若，不带电，在内存表LE中查询节 点序号为．，的记录，可确定停电的线路段，根据配 电变压器与线路以及杆塔的关系，可确定停电的配 电变压器，进而在配电网GIs系统中对停电的线路 段以及配电变压器进行特殊着色，可直观地显示出 开关的开闭操作对配电网络的影响。对肘“’进行 上面的运算得皿24=『11 1 l l 1 1 l l 1 1 1 1 1 l 0 1 1 0111l1】，可知节点16和节点19处于停电状态。 4结论 本文提出在变电站的馈出口处虚设电源点，可 将对变电站内母线连通性分析与线路连通分析分开 进行，同时简化了复杂配电网络的分析与描述。基 于唯一编码的配电网拓扑模型可以描述简化的复杂 配电网络电气设备连接关系，并且容易通过数据库 关联表的形式实现，即可以集成到配电网GIS系统 中，利用GIS系统直观的图形化显示与及时准确的 数据维护辅助配电网分析。采用邻接矩阵法对网络 连通性进行分析，需要将配电网转化为节点通过之 路连接的图，将开关、线路分歧连接处、电源点． 线路连接处转换为支路，电源点和由开关分割的线 路连通段转换为节点的网络节点划分方法可降低网 络节点数量。在配电网GIS系统数据库中存储的拓 扑数据经本研究给出的提取算法运算可生成节点邻 接矩阵。节点邻接矩阵通过有限步的乘法运算可生 成固定的节点连通矩阵，通过连通矩阵可判定节点 之间的连通性，对节点连通矩阵的列向量作进一步 运算可分析出配电网在开关开合动作下的停电范 围。 参考文献 [1]祝滨，仇晋．基于矢量坐标搜索法的地区电网网络拓 扑方法的研究[J】．电力自动化设备，2003，23(2)： 63．65． ZHUBin，QIUJill．ResearchofaneMorktopol99y memodbased0nvectorcoordinates【J】．ElectricPo、ver AutomationEquipme眦，2003，23(2)：63—65． [2]吴文传，张伯明，徐春晖．调度自动化系统实时数据 库模型的研究与实现[J】．电网技术，200l，25(9)： 91．95． WUWen。ch啪，ZHANGBo—ming，XUChun-hui．Study 锄dimplementationofrealtime№bascmanagement system(RTDBMS)modelappliedinEMS【J】．Power SystemTecllrIology，200l，25(9)：91．95． 万方数据 ．88． 电力系统保护与控制 (上接第82页cominued行ompage82) FENGQi-kull，xuJin-liang，cHENDe—shu．studyon t}leprotectionschemefortcedshortlineinelec订icpower system[J】．ElectricPowerAutomationEquipment，1998 (4)：15．18． 收稿日期：2009—06—19；修回日期：2009—08—24 作者简介： 姚亮(1979一)，男，工程师，硕士，主要从事高压线 路继电保护领域的研究与开发工作；E_mail：yaoliaJlg@ sac．china．com 赖庆辉(1977一)，男，本科，长期从事继电保护管理工 作； 林俊(1967一)，男，本科，长期从事继电保护设计工 作。 万方数据 基于GIS的10 kV配电网络电气连通性分析 作者： 周云成， 付立思， 许童羽， 朴在林， ZHOU Yun-cheng， FU Li-si， XU Tong-yu， PIAO Zai-lin 作者单位： 沈阳农业大学信息与电气工程学院,辽宁,沈阳,110161 刊名： 电力系统保护与控制 英文刊名： POWER SYSTEM PROTECTION AND CONTROL 年，卷(期)： 2010,38(10) 参考文献(12条) 1.祝滨.仇晋 基于矢量坐标搜索法的地区电网网络拓扑方法的研究[期刊论文]-电力自动化设备 2003(2) 2.吴文传.张伯明.徐春晖 调度自动化系统实时数据库模型的研究与实现 2001(9) 3.吴文传.张伯明 基于图形数据库的网络拓扑及其应用[期刊论文]-电网技术 2002(2) 4.基于图论与人工智能搜索技术的电网拓扑跟踪方法[期刊论文]-电网技术 2005(19) 5.董张卓.秦红霞.孙启宏 采用面向对象技术和方法的电力系统网络拓扑的快速跟踪(一) 1998(3) 6.董张卓.秦红霞.孙启宏 采用面向对象技术和方法的电力系统网络拓扑的快速跟踪(二) 1998(4) 7.Vehsakul P D.Dabbaghchi I A topology based Algorithm for tracking network connectivity 1995(2) 8.储俊杰 变电所一次主接线电气连通性分析的数学模型 2003(1) 9.王湘中.黎晓兰 基于关联矩阵的电网拓扑辨识 2001(2) 10.陆鸣盛.沈成康 图的连通性快速算法 2001(4) 11.罗日成.李卫国 基于图论的配电网电气连通性分析算法[期刊论文]-电工技术学报 2005(10) 12.朱永利.盛四清.雷少锋 一种新的电网自动结线分析方法 1998(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jdq201010018.aspx