一种基于图论的电网拓扑建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于图论的电网拓扑建模方法，属于电网设备拓扑建模技术领域。

背景技术

电网拓扑分析则是电力系统仿真和分析计算的基础。常规的电网拓扑分析算法一般基于IEC61970标准中的CIM拓扑模型或者国网公司制定的SG-CIM拓扑模型开展，以搜索遍历算法为基础，通过电力设备模型、连接关系模型构建拓扑分析模式。

基于CIM/SG-CIM模型拓扑分析因采用标准化的模型结构可以使其在各种系统间达到信息共享并减少相应的资源浪费。然而，上述方法仅能适应小范围的局部电网拓扑分析场景，对于大规模电网拓扑分析场景，由于涉及电网设备量极大增长，导致数据查询缓慢，性能无法满足实际需要。

近几年来，国内外研究人员开始尝试使用图论和图计算方法，将电网结构抽象为图结构进行电网拓扑分析，以此来解决大规模电网数据的拓扑分析效率问题。在基于图论的电网拓扑分析方法中，图模型的设计以及CIM/SG-CIM拓扑模型向图模型的转换方法问题处于基础核心地位，直接影响后续的拓扑分析功能与性能。然而，已有转换方法在处理大规模电网数据时，其转换后的图数据量(“顶点”数量和“边”数量)巨大，导致计算资源消耗高、分析效率也随之下降。

此外，电网拓扑分析经常需要考虑开关的实时状态。即在拓扑追踪过程中，如果追踪到的某一开关为闭合状态时，则继续往下追踪；如开关为断开状态时，将停止追踪。这种拓扑分析叫“动态”拓扑分析。然而，已有电网拓扑建模方法只能支持普通的双端子开关，对应的开关状态只有“分”、“合”两种，但是对于拥有3个及以上端子的多位置开关，诸如T型开关、V型开关、双向隔离开关等，具有3个及以上更为复杂的开关状态。现有方法只能将其拆分为多个虚拟的双端子普通开关进行建模。这种操作非常复杂，在实际应用过程中极容易造成数据的不一致。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于图论的电网拓扑建模方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于图论的电网拓扑建模方法，包括如下步骤：

为每个导电设备创建图结构中对应的顶点，实时生成唯一标识码赋为顶点的“顶点ID”属性，将导电设备的“设备类型”、“设备ID”属性赋为顶点的“顶点设备类型”、“顶点设备ID”属性；对于开关类设备，建立“开关状态”与“端子连通状态”的映射关系，将开关类设备的“开关状态”属性映射为顶点的“端子连通状态”属性；对于非开关类设备，“端子连通状态”属性赋为空；

对每个连接节点，查找与其连接的所有导电设备，将有导电设备形成一个设备集合，如果设备集合中包含母线或运行杆，则为设备集合中其余设备分别创建一条与母线或运行杆相连的边；如果设备集合中不包含母线或运行杆，则为集合中的每两个设备之间都创建一条边；实时生成唯一标识码赋为边的“边ID”属性，“边设备类型”属性赋为空，“边设备ID”属性赋为空，边的一端连接的导电设备所对应的顶点ID和连接端子号分别赋为边的“起始顶点ID”、“起始端子”属性，边的另一端连接的导电设备所对应的顶点ID和连接端子号分别赋为边的“终止顶点ID”、“终止端子”属性。

作为优选方案，还包括如下步骤：

对于顶点设备类型为线类型设备，并且与其相连边数为2的顶点，将该顶点及其连接的两条边合并为一条新边，新边的“边ID”属性为实时生成的唯一标识码；新边的“边设备类型”、“边设备ID”属性取自被合并顶点的“顶点设备类型”、“顶点设备ID”属性；新边的“起始顶点ID”、“起始端子”、“终止顶点ID”、“终止端子”属性取自被合并顶点所连接的两条边的对侧两个顶点的顶点ID和连接的端子号。

作为优选方案，所述线类型设备包括：导线、电缆、连接线、线路。

作为优选方案，导电设备的“设备类型”、“设备ID”、“开关状态”取自于生产管理或调度管理系统中电网导电设备的基本属性信息和拓扑连接信息。

作为优选方案，设备端子、连接节点信息取自CIM/SG-CIM标准。

作为优选方案，开关类设备的“开关状态”属性映射为顶点的“端子连通状态”属性，具体内容如下表：

有益效果：本发明提供的一种基于图论的电网拓扑建模方法，相比主流方法可以明显降低建模产生的图数据量，进而降低资源消耗、提高分析效率；同时支持多位置开关的多种开关状态，无需进行复杂的开关拆分操作。由于采用了上述技术方案，使得本发明具备如下技术效果：

(1)将电力系统的传统电网拓扑模型转换为图模型，通过边的“起始端子”、“终止端子”以及顶点的“端子连通性”等属性实现电网动态拓扑分析，支持多位置开关的复杂开关状态，无需进行繁琐的开关“拆分”操作。

(2)由于采用顶点和边的合并处理，可显著减少图数据量，有利于降低资源消耗、提高分析效率。

附图说明

图1为CIM/SG-CIM标准中的端子-连接节点示意图；

图2为图数据量压缩示意图；

图3为拓扑网络构建流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

为了更好的说明技术方案，现给出相关技术词语的定义或解释如下：

端子与连接节点：在CIM/SG-CIM标准中，电力设备的拓扑信息模型使用端子-连接节点模型来表示，每个导电类设备(Conducting Equipment)都包含若干个电气点，称之为端子(Terminal)。连接节点(Connectivity Node)是导电类设备端子的无电阻融合点，端子之间通过连接节点融合在一起，以此来表达设备之间的拓扑相连关系。导电设备、端子、连接节点之间的关系可简单概括为：一个导电设备包含一个或多个端子；一个连结节点与一个或多个端子发生融合。如图1所示，导电设备A包含两个端子：端子A-1和端子A-2。导电设备B包含两个端子：端子B-1和端子B-2。导电设备C包含两个端子：端子C-1和端子C-2。端子A-2与端子B-1通过连接节点a融合在一起，端子B-2与端子C-1通过连接节点b融合在一起。

本发明的主要技术方案包括两个方面，一是图模型的定义，二是基于该图模型的拓扑网络构建方法。

一、图模型定义

本发明定义了一种用于拓扑分析的图模型，具体包括顶点模型和边模型。

顶点模型：顶点主要属性包括“顶点ID”、“顶点设备类型”、“顶点设备ID”、“端子连通状态”。其中“顶点ID”是顶点的唯一标识；“顶点设备类型”表示该顶点对应设备的设备类型编码；“顶点设备ID”表示该顶点对应设备的唯一标识；“端子连通状态”指该顶点对应设备的所有端子间的相互连通状态。该属性作为设备内部电气连通性的抽象表达，对应了开关类设备的开合状态，可用于考虑开关状态的拓扑追踪。该属性为枚举类型，每个枚举值分别表示一种端子连通状态。边模型：边的主要属性包括“边ID”、“边设备类型”、“边设备ID”、“起始顶点ID”、“起始端子”、“终止顶点ID”、“终止端子”。其中“边ID”是边的唯一标识；本发明中边主要分为两种，第一种边为抽象概念，表示设备的连接关系，其“边设备类型”、“边设备ID”属性均为空，第二种边表示线类型的设备，如线路、导线、电缆等，其“边设备类型”指对应设备类型编码，“边设备ID”指对应设备的唯一标识；“起始顶点ID”指边的首端连接的顶点ID；“起始端子”指边的首端连接的设备端子号，用于更精确的描述边首端连接了设备的哪个端子；“终止顶点ID”指边的末端连接的顶点ID；“终止端子”指边的末端连接的端子号，用于更精确的描述边末端连接了设备的哪个端子。

二、拓扑网络构建

拓扑网络构建是指将CIM/SG-CIM标准拓扑模型转换为图模型，建立用于电网拓扑分析的图结构。主要包含以下几个步骤：

(1)数据获取

从生产管理或调度管理系统中获取电网导电设备的基本属性信息和拓扑连接信息。基本属性信息包括设备ID、设备类型、开关状态等；拓扑连接信息遵循CIM/SG-CIM标准，具体包含设备端子、连接节点信息。

(2)顶点构建

将所有电网导电设备映射为图结构中的顶点，为每个设备创建对应的顶点，并生成“顶点ID”属性。同时将设备的“设备类型”、“设备ID”属性赋为顶点的“顶点设备类型”、“顶点设备ID”属性。对于开关类设备，建立“开关状态”与“端子连通状态”的映射关系，根据此映射关系将开关类设备的“开关状态”属性映射为顶点的“端子连通状态”属性；对于非开关类设备，“端子连通状态”属性赋为空。

(3)边构建

本发明根据电网导电设备间的连接关系构建图结构的边。基本方法是：对每个连接节点，查找与其连接的所有导电设备，形成一个具有连接关系的设备集合。如果设备集合中包含母线或运行杆，则为设备集合中其余设备分别创建一条与母线或运行杆相连的边；如果设备集合中不包含母线或运行杆，则为集合中的每两个设备之间都创建一条边。以上新建的这些边的“边ID”属性为实时生成的唯一标识码；“边设备类型”属性为空；“边设备ID”属性为空；“起始顶点ID”、“起始端子”属性分别为边的某一端连接的导电设备所对应的顶点ID和连接端子号；“终止顶点ID”、“终止端子”属性分别为边的另一端连接的导电设备所对应的顶点ID和连接端子号。

(4)局部合并处理

为了降低资源消耗、提高分析效率，本发明对符合特点条件的顶点和边进行合并处理，以减少顶点和边的数量。基本处理思路是：对于顶点的顶点设备类型为线类型设备(包含导线、电缆、连接线、线路)并且与其相连边数为2(度等于2)的顶点，将该顶点及其连接的两条边合并为一条新边。新边的“边ID”属性为实时生成的唯一标识码；新边的“边设备类型”、“边设备ID”属性取自上述顶点的“顶点设备类型”、“顶点设备ID”属性；新边的“起始顶点ID”、“起始端子”、“终止顶点ID”、“终止端子”属性取自上述顶点所连接的两条边的对侧两个顶点的顶点ID和连接的端子号。由于线类型设备在电网设备总量中占据较大比例，因此通过以上合并处理可以显著降低顶点和边的数量。

实施例：

一、图模型定义

1、顶点模型

顶点代表电力系统中的导电设备。顶点的主要属性包括：“顶点ID”、“顶点设备类型”、“顶点设备ID”、“端子连通状态”。一个较佳的案例如下表所示：

顶点的“端子连通状态”属性指该顶点对应设备的所有端子间的相互连通状态。本发明将该属性作为设备内部电气连通性的抽象表达，对应了开关类设备的开合状态，可用于考虑开关状态的动态拓扑分析。该属性为枚举类型，每种枚举值分别表示开关的一种端子连通状态。下表为所有的端子连通状态及开关类设备对应的开关状态：

2、边模型边的主要属性包括：“边ID”、“边设备类型”、“边设备ID”、“起始顶点ID”、“起始端子”、“终止顶点ID”、“终止端子”。一个较佳的案例如下表所示：

以上图模型主要优势在于：通过顶点的“端子连通性”属性不仅可以表达普通双端子开关的开、合状态，也可以表达多位置开关的各种复杂开关状态，从而方便的实现电网动态拓扑追踪。以下简要说明通过“端子连通性”属性实现动态拓扑追踪的基本原理：在拓扑追踪过程中，假设从某一条边(记为E)的起始顶点(记为A)追踪到终止顶点(记为B)，B为一个开关类设备(既可以是普通双端子开关，也可以是多位置开关)。记E的“终止端子”为T，说明E与B的连接位置在端子T处。然后通过B的“端子连通性”属性，获取B的其他端子与端子T的连通关系。对于与T连通的端子，找出在此端子处与B相连的边，进行下一步追踪；对于与T不连通的端子，则在此端子处停止追踪。

二、拓扑网络构建

拓扑网络构建的主要工作是根据导电设备信息构建图模型的顶点集合和边集合，以下是一个较佳的实现过程的案例，如图2所示：

(1)获取所有导电设备的基本属性、端子和连接节点信息。

(2)开始遍历所有导电设备；

(3)根据当前导电设备的信息，构建一个图顶点，加入图顶点的集合；

(4)重复上述步骤(3)，直到所有的导电设备都被遍历完毕；

(5)开始遍历所有连接节点；

(6)获取当前连接节点所关联的导电设备列表；

(7)若导电设备中包含母线(或运行杆)，则将其余设备与母线(或运行杆)之间相连，构造边，添加进边的集合；若导电设备中不包含母线(或运行杆)，则将这些设备两两相连构建边，添加进边的集合；

(8)重复上述步骤(6)到(7)，直到所有的连接节点都被遍历完毕；

(9)对线类型设备(导线、电缆、线路)顶点及其关联的两条边进行合并处理。具体处理方法如图3所示：记待合并的顶点为V，V关联的两条边为E1、E2。将V、E1、E2合并为一条新边，记为E3。E3的“边设备类型”、“边设备ID”属性取自V的“顶点设备类型”、“顶点设备ID”；E3的首、末顶点信息分别取自E1、E2的另一侧顶点信息。在完成新边E3的创建之后，删除V、E1、E2；

(10)使用上述步骤生成的节点和边的集合构造图结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。