集成圖數(shù)據(jù)庫(kù)算法和模式匹配的城市高壓電網(wǎng)轉(zhuǎn)供電方案生成

王一葦，胡林麟，羅程，徐堯燚，閔鑫，梁海鎮(zhèn)

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

0 引 言

現(xiàn)代城市的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，而社會(huì)的發(fā)展對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度的安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求逐漸提高，電網(wǎng)發(fā)生故障造成設(shè)備停電時(shí)，能快速、智能地生成轉(zhuǎn)供電方案十分重要，而電網(wǎng)拓?fù)浞治鍪亲詣?dòng)生成轉(zhuǎn)供電方案的核心內(nèi)容。

在電網(wǎng)拓?fù)涞谋硎痉矫?，目前電力系統(tǒng)中主要采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或XML文件存儲(chǔ)包括設(shè)備連接關(guān)系在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)，在進(jìn)行連接關(guān)系較多的數(shù)據(jù)查找時(shí)會(huì)導(dǎo)致查詢返回時(shí)間嚴(yán)重增加，數(shù)據(jù)量越大，連接關(guān)系越多，查詢檢索時(shí)間隨之嚴(yán)重增長(zhǎng)[1-3]。大數(shù)據(jù)的發(fā)展以及數(shù)據(jù)的多樣性、復(fù)雜性和互聯(lián)性使專為表格數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)使用十分不便，對(duì)此，許多學(xué)者提出使用圖形數(shù)據(jù)庫(kù)替代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)[4-5]，文獻(xiàn)[6]介紹了圖數(shù)據(jù)庫(kù)的概念，分析了圖數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)缺點(diǎn)。由于圖數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，基于“圖論”對(duì)具有復(fù)雜關(guān)系的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算十分方便[7-8]，圖數(shù)據(jù)庫(kù)及其相關(guān)算法已成為大數(shù)據(jù)時(shí)代研究的重點(diǎn)之一。近年來(lái)，基于“圖論”的圖數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)作為一種新型的數(shù)據(jù)管理方式及計(jì)算模式[9-12]，由于其可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)與并行處理[13-14]，成為具有復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的熱點(diǎn)模式[15-16]。

基于圖對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浞衷S有許多方法，其中，樹(shù)搜索算法應(yīng)用較為廣泛,但是在計(jì)算機(jī)處理過(guò)程中,需要占用較高CPU。有學(xué)者對(duì)故障處理的相關(guān)算法進(jìn)行了改進(jìn)研究，文獻(xiàn)[17]為快速得到多條故障恢復(fù)路徑，提出了一種基于頂點(diǎn)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(diǎn)的度實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)和邊的轉(zhuǎn)換，在生成恢復(fù)方案的過(guò)程中，需要跟隨頂點(diǎn)和邊的變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。文獻(xiàn)[18]在全網(wǎng)圖上采用深度優(yōu)先搜索策略搜索負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑，并結(jié)合電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和安全性原則進(jìn)行合理剪枝縮小搜索范圍，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)決策出最佳供電路徑方案。文獻(xiàn)[19]基于線路參數(shù)、系統(tǒng)潮流和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分別建立相應(yīng)的系統(tǒng)恢復(fù)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(fù)路徑的新算法，能按不同需求對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行搜索生成恢復(fù)路徑。文獻(xiàn)[20]先利用圖論對(duì)基于CIM建立的圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，然后采用深度優(yōu)先路徑搜索算法在簡(jiǎn)化的電網(wǎng)圖上搜索得到所有可能的供電路徑。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于改進(jìn)的Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障恢復(fù)算法，在故障恢復(fù)操作之前對(duì)最優(yōu)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，避免在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行復(fù)雜搜索，但文章模型較復(fù)雜，最優(yōu)目標(biāo)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(duì)路徑搜索進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)對(duì)圖進(jìn)行簡(jiǎn)化或在搜索過(guò)程中對(duì)圖進(jìn)行剪枝處理，使在圖上的運(yùn)算時(shí)間有所減少。但對(duì)于主要由110 kV和220 kV電壓等級(jí)構(gòu)成的城市電網(wǎng)，其主接線和網(wǎng)絡(luò)接線方式具有一定的模式化特征。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)拓?fù)涞目焖俜治龊娃D(zhuǎn)供路徑的智能生成，應(yīng)考慮電網(wǎng)的主接線方式和網(wǎng)絡(luò)連接方式特點(diǎn)。對(duì)220 kV及以下電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模式化分析，基于其提取出的特征簡(jiǎn)化拓?fù)浞治龅乃惴◤?fù)雜度，實(shí)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(kù)算法和模式匹配的轉(zhuǎn)供電方案生成方法，通過(guò)構(gòu)建圖數(shù)據(jù)庫(kù)將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以圖的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，首先對(duì)廠站主接線方式進(jìn)行特征提取存儲(chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，在進(jìn)行轉(zhuǎn)供電方案生成時(shí)，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(píng)價(jià)指標(biāo)，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(duì)提出的主接線模式識(shí)別和轉(zhuǎn)供電方案生成方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)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(shí)，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行有源性分析，找出無(wú)源區(qū)域和可對(duì)無(wú)源區(qū)域供電的源設(shè)備，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下恢復(fù)無(wú)源區(qū)域供電，并應(yīng)使轉(zhuǎn)供的操作步驟盡量簡(jiǎn)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(kù)相關(guān)算法

文中采用Neo4j構(gòu)建圖數(shù)據(jù)庫(kù)，Neo4j有專為操作圖數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的Cypher語(yǔ)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(duì)圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，由此可基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行快速分析。使用時(shí)可自行選擇適合的算法，并通過(guò)where或evaluator等語(yǔ)句添加搜索的約束條件進(jìn)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?fù)浞治龅幕A(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(diǎn)之間的連接關(guān)系。根據(jù)拓?fù)浞治鲂枨笤O(shè)定起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，使用圖算法得到兩點(diǎn)之間的連接路徑，結(jié)合路徑上各開(kāi)關(guān)刀閘的實(shí)時(shí)狀態(tài)則能對(duì)電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備間的實(shí)時(shí)拓?fù)溥M(jìn)行分析。

基于設(shè)備連通分析，對(duì)主分析設(shè)備設(shè)定相應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)與設(shè)備節(jié)點(diǎn)的連通分析即可完成無(wú)源區(qū)域的劃分。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要進(jìn)行有源性分析找出失壓設(shè)備，從而盡快恢復(fù)無(wú)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(shí)，根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)對(duì)與告警設(shè)備、故障設(shè)備或動(dòng)作開(kāi)關(guān)直接相連的負(fù)荷側(cè)設(shè)備進(jìn)行有源性分析，即以負(fù)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(jìn)行該設(shè)備與其源設(shè)備之間的連通性分析。若該負(fù)荷側(cè)設(shè)備無(wú)源，則屬于該負(fù)荷設(shè)備電壓等級(jí)及以下的連通區(qū)域均屬于無(wú)源區(qū)域，根據(jù)停電設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)供電方案生成。在停電設(shè)備無(wú)法恢復(fù)供電時(shí)，若為非母線設(shè)備，則需提取出該無(wú)源區(qū)域中的母線設(shè)備，將失壓母線作為停電時(shí)設(shè)備進(jìn)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(dòng)作開(kāi)關(guān)直接相連的負(fù)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(diǎn)，對(duì)每一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)與主分析設(shè)備節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，則主分析設(shè)備處于無(wú)源區(qū)域，其連通的同電壓等級(jí)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(duì)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(jí)的主接線方式一般為：?jiǎn)文妇€、單母線分段(雙分段、三分段或四分段)，110 kV電壓等級(jí)的主接線方式一般為：?jiǎn)文妇€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(jí)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(shí)則都是低壓側(cè)母線上負(fù)荷失去供電。對(duì)于不同的故障和主接線方式，常有相應(yīng)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(duì)各故障時(shí)不同主接線類型的轉(zhuǎn)供電模式進(jìn)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(shí)：如果為直接與饋線或其它負(fù)荷相連的低壓側(cè)母線，則無(wú)法將故障母線上的負(fù)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(guò)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(shí)，可將故障母線故障前帶的所有負(fù)荷和電源側(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)到其相鄰母線上，對(duì)應(yīng)的源設(shè)備為該故障母線所屬?gòu)S站同電壓等級(jí)的其它母線。

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

圖2 母線負(fù)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(shí)心矩形代表此時(shí)斷路器為閉合狀態(tài)，空心矩形表示此時(shí)斷路器為分閘狀態(tài)，加粗母線表示正在母線處于運(yùn)行狀態(tài)，圖中省略了非雙母接線上斷路器兩旁的隔離開(kāi)關(guān)、10 kV母線上的饋線以及其它與本文案例無(wú)關(guān)的線路。圖3中G站的110 kV M1母線因自身故障停電時(shí)，將其原本相連設(shè)備通過(guò)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(fù)荷之間的連接關(guān)系，結(jié)合斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)狀態(tài)得到相應(yīng)開(kāi)關(guān)操作，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最優(yōu)轉(zhuǎn)供方案。因此，主變自身故障造成停電時(shí)的源設(shè)備為故障主變所屬?gòu)S站內(nèi)的其它主變。由此造成的電網(wǎng)其它設(shè)備負(fù)荷加重，在負(fù)載率分析中進(jìn)行校核。

圖3中C站B1主變故障時(shí)，其轉(zhuǎn)供電方案生成時(shí)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(fù)荷可獨(dú)立地進(jìn)行處理，負(fù)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(wú)法轉(zhuǎn)供則按1.3.1母線故障處理，負(fù)荷側(cè)主變?cè)O(shè)備按照1.3.2主變故障進(jìn)行處理。對(duì)由此造成的電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行負(fù)載率分析，并根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最佳方案。

圖3中丙線自身故障造成停電時(shí)，其轉(zhuǎn)供電方案生成時(shí)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(fù)載率分析

對(duì)于需要修改運(yùn)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(yīng)的電網(wǎng)拓?fù)浜拓?fù)荷數(shù)據(jù)確定新運(yùn)行方式的可行性。因?yàn)?20 kV及以下電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)為輻射型結(jié)構(gòu)，即可轉(zhuǎn)化為分析樹(shù)各節(jié)點(diǎn)和各支路的負(fù)載率問(wèn)題，其算法步驟如圖4所示。

圖4 負(fù)載率分析流程圖

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

2 圖數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建和主接線模式識(shí)別

2.1 圖數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多的大電網(wǎng)，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法清晰明了地表達(dá)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)需要查找某一次設(shè)備的連接關(guān)系時(shí)，需通過(guò)對(duì)每一個(gè)相關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷才能完成，對(duì)第三方服務(wù)的執(zhí)行效率造成很大影響。而圖形數(shù)據(jù)庫(kù)將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在圖網(wǎng)絡(luò)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(kù)存儲(chǔ)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)電氣設(shè)備的連接關(guān)系將電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D描述為一個(gè)由節(jié)點(diǎn)和邊組成的集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)、邊和屬性導(dǎo)入圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中。本文建立的圖數(shù)據(jù)庫(kù)具體的描述規(guī)則如下：

(1)節(jié)點(diǎn)：母線、發(fā)電機(jī)、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(kù)中的節(jié)點(diǎn)。其中變壓器設(shè)備在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中為由其各繞組組成的節(jié)點(diǎn)集合，三繞組、雙繞組變壓器分別為三節(jié)點(diǎn)、兩節(jié)點(diǎn)集合，各繞組與對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的設(shè)備相連。各繞組之間彼此相連，在主變處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，此連接關(guān)系為實(shí)際連接狀態(tài)，主變處于停運(yùn)狀態(tài)時(shí)，此連接關(guān)系狀態(tài)為斷開(kāi)狀態(tài)；

(2)邊：在本文建立的圖數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)由屬性名稱和值域組成的二元組，可在節(jié)點(diǎn)和邊上任意多地進(jìn)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(hào)、設(shè)備名稱、額定電壓和所屬?gòu)S站等。

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

圖5 220 kV片網(wǎng)圖數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiàn)1.3節(jié))建立接線方式庫(kù)，存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。本文采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，使用標(biāo)準(zhǔn)SQL實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢。在圖數(shù)據(jù)庫(kù)采用相關(guān)圖算法，能將屬于接線方式庫(kù)中的廠站主接線的相關(guān)信息進(jìn)行提取，并根據(jù)設(shè)計(jì)的表結(jié)構(gòu)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)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(duì)于各廠站的各個(gè)電壓等級(jí)，將母線、主變、發(fā)電機(jī)、線路和負(fù)荷作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備；(2)將節(jié)點(diǎn)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(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備和路徑設(shè)備進(jìn)行帶有設(shè)備類型標(biāo)識(shí)和數(shù)字標(biāo)識(shí)的唯一編碼：設(shè)備類型包括母線-B，主變-P，發(fā)電機(jī)-G，線路-A，饋線-E，斷路器-Br，隔離開(kāi)關(guān)-D，數(shù)字為自1開(kāi)始的自然數(shù)，按內(nèi)部編號(hào)將設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)；(4)建立對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備-節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，列節(jié)點(diǎn)設(shè)備依次為主變、發(fā)電機(jī)、線路和負(fù)荷；在無(wú)母線的主接線組中，行為主變節(jié)點(diǎn)，列節(jié)點(diǎn)設(shè)備依次為發(fā)電機(jī)、線路、負(fù)荷。若該主接線組沒(méi)有某類設(shè)備則跳過(guò)該類，各位置元素為對(duì)應(yīng)的行列節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間不經(jīng)過(guò)其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連通路徑，按拓?fù)渲袑?shí)際經(jīng)過(guò)的路徑設(shè)備順序進(jìn)行存儲(chǔ)；(5)對(duì)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(diǎn)，各位置元素為對(duì)應(yīng)行列母線之間不經(jīng)過(guò)其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連通路徑。

表1 主接線模式存儲(chǔ)格式

對(duì)于有n條母線、m臺(tái)主變、p臺(tái)發(fā)電機(jī)、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(duì)應(yīng)第i行母線元素的行向量如式(2)所示，其中元素I為編號(hào)為i的母線依次與各主變、發(fā)電機(jī)、線路和負(fù)荷的連通路徑，將由行母線到列節(jié)點(diǎn)設(shè)備路徑上隔離開(kāi)關(guān)和斷路器經(jīng)過(guò)的順序依次以“/”號(hào)連接存儲(chǔ)。母線組關(guān)系矩陣RB如式(3)所示，其主對(duì)角線元素為1，RBi為對(duì)應(yīng)第i行母線元素的行向量如式(4)所示，元素C為編號(hào)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(kāi)關(guān)和斷路器經(jīng)過(guò)的順序依次以“/”號(hào)連接存儲(chǔ)。

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(shí)別

將各廠站各電壓等級(jí)作為一個(gè)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(jìn)行存儲(chǔ)，主要步驟如圖6所示。

圖6 主接線識(shí)別流程圖

各步驟具體說(shuō)明如下：(1)簡(jiǎn)化：對(duì)于地刀、電壓互感器、電流互感器及電抗器等一次設(shè)備，對(duì)于主接線連接方式并無(wú)影響，在進(jìn)行主接線模式識(shí)別前將其簡(jiǎn)化，將地刀和電壓互感器設(shè)備節(jié)點(diǎn)及與該節(jié)點(diǎn)直接相關(guān)的關(guān)系從圖上消去，在進(jìn)行路徑設(shè)備提取時(shí)忽略電流互感器和電抗器設(shè)備節(jié)點(diǎn)。這既能略去大量的無(wú)用節(jié)點(diǎn)，又不會(huì)影響對(duì)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(diǎn)設(shè)備和路徑設(shè)備，按電壓等級(jí)歸為各主接線組并按設(shè)備類型進(jìn)行存儲(chǔ)；(3)對(duì)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(diǎn)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(guò)兩不同刀閘與同一開(kāi)關(guān)相連，即為雙母線接線組；對(duì)于無(wú)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(duì)應(yīng)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(jìn)行站內(nèi)各節(jié)點(diǎn)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(shù)的深度明顯減少，適用于起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行編號(hào)。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(kāi)關(guān)相連，以及兩母線通過(guò)不同刀閘與同一開(kāi)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(yùn)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(diǎn)的設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備關(guān)系矩陣得到恢復(fù)供電后的路徑，結(jié)合設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，則能得到相應(yīng)需要的開(kāi)關(guān)操作，結(jié)合轉(zhuǎn)供電方案評(píng)價(jià)體系，即可得到最佳轉(zhuǎn)供電方案。

3 轉(zhuǎn)供電方案的評(píng)價(jià)決策機(jī)制

3.1 轉(zhuǎn)供電方案評(píng)價(jià)指標(biāo)

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)需要盡快恢復(fù)供電，在搜索轉(zhuǎn)供路徑時(shí)，針對(duì)城市電網(wǎng)220 kV及以下電壓等級(jí)片網(wǎng)為輻射型網(wǎng)絡(luò)的特征，為盡快恢復(fù)失壓負(fù)荷，搜索得到的轉(zhuǎn)供路徑應(yīng)具有以下特點(diǎn)：(1)盡可能多的恢復(fù)失壓負(fù)荷；(2)恢復(fù)供電過(guò)程中一次設(shè)備的操作盡可能少；(3)新運(yùn)行方式下的電網(wǎng)能安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，結(jié)合電網(wǎng)基礎(chǔ)運(yùn)行要求可設(shè)置轉(zhuǎn)供電方案評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)供電方案評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 最佳轉(zhuǎn)供電方案的確定

轉(zhuǎn)供路徑方案的評(píng)價(jià)體系如圖8所示。一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為(1)未恢復(fù)的負(fù)荷總量U，值越小即造成的損失最少，方案愈佳。在一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)的情況下，盡可能少地操作一次設(shè)備(2)。指標(biāo)(3)和指標(biāo)(4)是對(duì)負(fù)載率的限制，分別要求新的運(yùn)行方式下沒(méi)有線路過(guò)載現(xiàn)象以及該區(qū)域內(nèi)的所有源節(jié)點(diǎn)未超過(guò)可供容量限制，過(guò)載值即為未成功轉(zhuǎn)供的負(fù)荷量，計(jì)算可得未恢復(fù)的負(fù)荷總量U。

圖8 轉(zhuǎn)供電方案評(píng)價(jià)體系

4 實(shí)例

以圖3所示220 kV片網(wǎng)為例，以110 kV線路故障為例說(shuō)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(kù)采用DBFS將圖3片網(wǎng)中各廠站的主接線信息進(jìn)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(shí)的轉(zhuǎn)供電方案生成

在圖3甲線發(fā)生故障時(shí)，甲線上四個(gè)開(kāi)關(guān)均跳開(kāi)，所帶母線負(fù)荷及所帶主變下的母線負(fù)荷未自動(dòng)轉(zhuǎn)至相鄰母線供，且經(jīng)過(guò)核查確認(rèn)僅有甲線故障且短時(shí)不可恢復(fù)，其他設(shè)備均正常。此時(shí)，需要盡快生成相應(yīng)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(fù)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(duì)上述負(fù)荷側(cè)設(shè)備進(jìn)行有源性分析，即依次對(duì)各負(fù)荷側(cè)設(shè)備除了甲線以外的可能的供電設(shè)備進(jìn)行連通性分析，確認(rèn)負(fù)荷側(cè)設(shè)備均已失去供電。并由于B站和C站主變無(wú)法進(jìn)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(shí)際需要進(jìn)行負(fù)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(duì)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(duì)各轉(zhuǎn)供電方案組合進(jìn)行負(fù)載率分析并計(jì)算其未恢復(fù)負(fù)荷量和一次設(shè)備操作數(shù)，選擇未恢復(fù)負(fù)荷量最少的轉(zhuǎn)供電方案為最佳的轉(zhuǎn)供電方案；當(dāng)存在多個(gè)方案未恢復(fù)負(fù)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(fù)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(gè)變低開(kāi)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(fù)載情況因在情景一、二中均未過(guò)載在表中省略。

表4 兩種情況下的相關(guān)設(shè)備負(fù)荷及容量

將對(duì)應(yīng)不同情景生成轉(zhuǎn)供電方案的過(guò)程中主要計(jì)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(píng)價(jià)體系可得對(duì)應(yīng)各情景的最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案：情景一時(shí)，最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案為：B站B2主變負(fù)荷轉(zhuǎn)B1主變供，C站B1主變負(fù)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(shí)，最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案為：B站B2主變負(fù)荷轉(zhuǎn)B1主變供，C站B1主變負(fù)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?fù)湫畔⑻崆疤崛〔⒋鎯?chǔ)，能得到可能的源節(jié)點(diǎn)及轉(zhuǎn)供電路徑，避免了在故障時(shí)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中搜索路徑，能迅速得到滿足相應(yīng)約束的最優(yōu)轉(zhuǎn)供電方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了一種基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)于圖數(shù)據(jù)庫(kù)，基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)及圖算法進(jìn)行設(shè)備連通性分析、有源性分析和負(fù)荷率分析，極大地降低了根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行拓?fù)浞治龅膹?fù)雜度。并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)和轉(zhuǎn)供電方案生成的特點(diǎn)，將廠站主接線組的特征進(jìn)行提取，在發(fā)生故障時(shí)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(diǎn)，在電網(wǎng)出現(xiàn)新的主接線方式時(shí)，需要分析新方式的特征，對(duì)新的接線方式設(shè)定對(duì)應(yīng)的方案生成體系。