一種配電網拓撲的分布式管控與識別方法與流程

本發明屬于電力系統配電網運行與控制技術，尤其涉及一種配電網拓撲的分布式管控與識別方法。

背景技術：

配電網拓撲的管控與識別是實現配電自動化、故障自愈等各項功能的基礎。配電網分支眾多、運行復雜，正常運行時，系統調度需要采集、檢測全網數據，接收、發送大量指令信息；故障時，需要結合拓撲結構快速、準確地對故障進行診斷、隔離。因此研究配電網拓撲管控與識別方法對制定系統調度策略，提升系統穩定性、可靠性具有重要意義。

目前拓撲識別管控方法包括：

(1)以計算目標相關性大小為依據，對電網架構簡化、拆分、變換。基于CIM模型，建立拓撲的分層成像算法，實現電氣連接的自動成圖。該類方案以集中式管控處理為主，拓撲管控主機數據處理龐大且實時性差，難以滿足配電網各項功能要求的快速性、準確性。

(2)現有分布式拓撲管控方法，采用多個拓撲管控單元逐級查詢獲取拓撲信息。該類方法需要配置終端本身和相鄰終端拓撲信息，一旦相鄰終端發生投切或其分支、開關信息發生較大變化時需要人工重新配置拓撲信息，效率較低，這與配電網運行方式靈活多變，分支、設備經常變換的特性不符。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種配電網拓撲的分布式管控與識別方法，該方法能夠使得終端通過廣播的形式自動告知相鄰終端，更新拓撲信息，減少人工配置次數，實現拓撲信息的自動生成、更新。

為實現上述目的，本發明的具體方案如下：

一種配電網拓撲的分布式管控與識別方法，包括以下步驟：

(1)為安裝在各開關處的智能終端離線配置基本拓撲信息；

(2)以配電線路出口處的智能終端為起始廣播終端，按照樹形結構上下級順序，基于局域網廣播的方式，按照預定的廣播順序將基本拓撲信息發送至局域網內；

(3)局域網內其它智能終端基于基本拓撲信息判斷廣播終端與自身是否相鄰以及相對上下游位置，完成上下游相鄰終端的識別；

(4)基于智能終端開始廣播的先后次序劃分邏輯層，生成包含兩級節點的最小連接樹，確定每個最小連接樹的母節點所對應的智能終端為代理終端；

(5)每個代理終端獲取被代理終端的拓撲信息、電氣量信息及負荷信息，代理終端之間對等通信交互上述信息，實現更大范圍信息的交互、管控及拓撲識別；

(6)各智能終端監視支路、開關位置狀態是否發生變化，若有返回步驟(2)，刷新網絡拓撲結構。

進一步地，所述步驟(1)中，基本拓撲信息包括：節點信息、支路信息和其他信息；

其中，節點信息包括：節點編號、通信地址、開關位置狀態、開關屬性、支路數量、特殊節點標記、廣播邏輯層數以及地理位置信息；

支路信息包括：支路編號、支路屬性、方向信息以及帶電信息；設定如果支路位于節點上游，則支路相對該節點的方向為“+”；如果支路位于節點下游，則支路相對該節點的方向為“-”。

其他信息包括：負荷信息，功率方向和規則庫。

進一步地，所述步驟(2)中，設置廣播權限標志位，廣播權限的傳遞采用令牌的形式；

設置廣播權限標志位初始值為0，當標志位變為“1”表示獲得廣播通信權限，向局域網內其他終端發送廣播數據包，任意時刻只允許有1個智能終端進行廣播通信。

進一步地，所述步驟(2)中，規定與主電源相鄰的終端為廣播起點，該終端完成廣播通信后，廣播權限傳遞給相鄰終端；

廣播通信順序具體為：

若變電站有多條出線，存在多個主電源相鄰終端，指定編號小的終端作為初始廣播節點，通過接收廣播響應信息判斷存在多少同級并聯節點和下游節點；

發送廣播權限采取深度優先策略，優先給相鄰下游終端發送廣播權限；

若下游同時存在多個并聯終端，根據編號大小確定廣播優先等級。

進一步地，當某個分支末端終端完成廣播通信后，將廣播權限返回至上一邏輯層的終端，該終端會根據拓撲結構信息判斷下游相鄰位置處是否存在未進行廣播通信的終端,若存在根據標號大小指定廣播通信的終端,遵循深度優先策略完成該分支的拓撲結構辨識，若不存在，將廣播權限返回至上游相鄰終端,以此類推，直至網絡內所有終端全部完成廣播通信。

進一步地，所述步驟(3)中，局域網內其它終端基于基本拓撲信息表中是否包含相同支路，判斷廣播終端與自身是否相鄰以及相對上下游位置，如果判斷為相鄰終端則生成拓撲響應信息，以對等通信的方式向廣播終端發送響應信息，完成上下游相鄰終端的識別；經過有限次廣播通信，每個智能終端都能夠獲得并存儲相鄰終端的信息，完成局部網絡拓撲的辨識。

進一步地，判斷廣播終端與自身相對上下游位置的原則具體為：

若廣播終端的支路方向信息為“-”，接收終端的支路方向信息為“+”，表示廣播終端在上游，接收終端在下游；

若廣播終端的支路方向為“+”，接收終端的支路方向信息為“-”，表示廣播終端在下游，接收終端在上游；

若接收終端和廣播終端的支路方向同為“+”，表示二者位于同一母線。

進一步地，所述步驟(3)中，為獲取局部拓撲信息，還需要相鄰兩級或三級線路的拓撲結構；具體獲取方法為：

根據建立起來的拓撲關系，通過查詢相鄰終端直接獲取所需的相鄰兩級或三級線路拓撲結構信息，存儲在自身拓撲信息存儲單元，一旦需要可以借助對等通信網絡與相關終端直接通信；

或者只存儲相鄰終端的信息，不再存儲相鄰兩級或三級線路拓撲信息，當有需要時與相鄰終端通信，借助相鄰終端獲取所需網絡拓撲信息。

進一步地，所述步驟(4)中，規定與主電源相鄰的終端其所處邏輯層為“1；邏輯層劃分與廣播權限的傳遞過程同步；

當某終端完成廣播通信后，對應的邏輯層編號在其上游相鄰終端邏輯編號的基礎上加1，表示位于下一邏輯層。

進一步地，所述步驟(4)中，最小連接樹結構為最小拓撲連接結構，由每一個終端和其下游相鄰終端構成，為兩層邏輯結構，由母節點和子節點構成。

進一步地，所述步驟(5)中，最小連接樹中的母節點作為代理節點，代理節點形成后，大范圍拓撲信息的辨識由各代理終端交互信息，交互信息包括：代理節點標記、邏輯層編號I、終端數量、終端編號、通信地址、邏輯層編號II、功率值、支路數量、各支路編號、支路屬性和基本拓撲信息表地址。

本發明的有益效果：

配電網系統日益復雜，運行方式多變，集中式拓撲管控與識別方式難以適應配電網靈活多變、分支、開關變化頻繁的特性。本發明從分布式拓撲識別管控角度出發，各終端只需離線配置安裝處基本拓撲信息，通過廣播方式發送拓撲信息，確定相鄰終端、劃分邏輯層、生成最小連接樹。基于廣播信息生成小范圍拓撲結構，基于邏輯層和最小連接樹確定代理終端，各終端交互拓撲信息，生成大范圍拓撲信息。該技術方案，適應于配電網設備、支路、開關頻繁變化的特性。一旦支路、終端等信息發生變化，可自動廣播拓撲信息，完成新拓撲的辨識工作，刷新并存儲新的拓撲結構，從而適應配電網變化。形成由點到線到面的拓撲生成過程。

本發明提出的技術措施，能夠對配電網拓撲進行自動管控與識別，當配電網結構發生變化時，可重新廣播拓撲信息，刷新拓撲結構，從而支持配電自動化和故障自愈的各項功能。與目前采用的拓撲管控和辨識方法相比，首選采用分布式結構，避免了集中式控制存儲管控大量信息，通信數據龐大，實時性差，穩定性差等特點，其次與以往分布式拓撲管控初始配置時需要知道相鄰終端拓撲信息不同，本發明各終端僅需配置安裝處拓撲信息，通過廣播形式辨識相鄰終端，獲取相鄰終端拓撲信息，一旦相鄰終端發生變化，可實時更新拓撲信息。基于此，完成邏輯層劃分、生成最小樹，確定代理終端，可有效解決配電網分支、開關、設備不斷變化，拓撲需實時更新的特性。拓撲識別形成由點到線到面的過程。

附圖說明

圖1是本發明設計的分布式拓撲管控與識別流程圖；

圖2是智能終端相對位置判斷流程圖；

圖3是邏輯分層過程

圖4是智能終端廣播順序；

圖5是典型配電網及其邏輯分層和最小連接樹結構；

圖6是算例分析系統圖；

圖7是圖6區域S1拓撲辨識結果。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明進行詳細說明：

離線狀態下為智能終端配置基本拓撲信息，主要包括安裝位置處的節點信息、支路信息及其他信息，上述信息在初始化時由人工進行配置。

智能終端上電工作后，采用廣播通信的方式發送基本拓撲信息，各終端基于支路信息、方向信息確定是否與廣播終端相鄰并判斷相對位置。若接收終端判斷出自身與廣播終端相鄰后，再以廣播響應的方式將拓撲判斷結果返回至廣播終端，完成與相鄰終端的拓撲辨識工作。通過有限次的廣播，形成對局部拓撲網絡的辨識。

某終端完成廣播通信后，對應的邏輯層編號在其上游相鄰終端邏輯編號的基礎上加1，完成邏輯層劃分。基于邏輯分層，形成最小連接樹結構并確定代理節點。各代理節點通過對等通信的方式，完成更大形成大范圍拓撲信息的交互。本發明重點關注智能終端與被保護線路、相鄰終端間的關聯關系，故將智能終端等效為圖的節點，各智能終端間的線路、終端所在的分支等效為支路。

一種配電網拓撲的分布式管控與識別方法，其工作流程圖如圖1所示，包括：

(1)為安裝在各開關處的智能終端離線配置基本拓撲信息，主要包括安裝位置處的節點、支路信息、正方向定義及規則庫信息等；

(2)以配電線路出口處的智能終端為起始，按照樹形結構上下級順序，基于局域網廣播的方式，按照預定的廣播順序將基本拓撲信息發送至局域網內；

(3)局域網內其它終端基于基本拓撲信息表中是否包含相同支路，判斷廣播終端與自身是否相鄰以及相對上下游位置，如果判斷為相鄰終端則生成拓撲響應信息，以對等通信的方式向廣播終端發送響應信息，完成上下游相鄰終端的識別。經過有限次廣播通信，每個智能終端都能夠獲得并存儲相鄰終端的信息，完成局部網絡拓撲的辨識；

(4)基于智能終端開始廣播的先后次序劃分邏輯層，生成包含兩級節點的最小連接樹，確定每個最小連接樹的母節點所對應的智能終端為代理終端；

(5)每個代理終端獲取被代理終端的拓撲信息、電氣量信息及負荷信息，代理終端之間可對等通信交互上述信息，實現更大范圍信息的交互、管控及拓撲識別。

(6)智能終端監視支路、開關位置狀態是否發生變化，若有轉向步驟(2)，刷新網絡拓撲。

其中，步驟(1)中所配置的基本拓撲信息，如表1所示，包含節點信息、支路信息、其他信息三大類。

節點信息包括：節點編號(節點唯一編號)、通信地址(節點通信地址)、開關位置狀態(對應開關的開合狀態)、開關屬性(描述開關類型)、支路數量(與本節點相連支路數)、特殊節點標記(標示特殊節點)、廣播邏輯層數(標記邏輯層數)，地理位置信息(節點坐標信息)。

支路信息包括：支路編號(支路唯一編號)、支路屬性(描述支路類型)、方向信息(支路相對節點方向)，帶電信息(支路是否帶電)。

其他信息：包括負荷信息，功率方向(規定主電源到負荷側或DG側為正方向)、規則庫等。

表1

步驟(2)中，在節點信息“特殊節點標記”中設置廣播權限標志位，如表1中所示，初始值為0，當標志位變為“1”表示獲得廣播通信權限，向局域網內其他終端發送廣播數據包，任意時刻只允許有1個智能終端進行廣播通信。

廣播通信順序：若變電站有多條出線，存在多個主電源相鄰終端，指定編號小的終端作為初始廣播節點，通過接收廣播響應信息判斷存在多少同級并聯節點和下游節點。發送廣播權限采取深度優先策略，優先給相鄰下游終端發送廣播權限。若下游同時存在多個并聯終端，根據編號大小確定廣播優先等級(編號小優先獲得廣播權限)。當某個分支末端終端完成廣播通信后，將廣播權限返回至上一邏輯層的終端，該終端會根據拓撲結構信息判斷下游相鄰位置處是否存在未進行廣播通信的終端,若存在根據標號大小指定廣播通信的終端,遵循深度優先策略完成該分支的拓撲結構辨識，若不存在，將廣播權限返回至上游相鄰終端,以此類推，直至網絡內所有終端全部完成廣播通信。如圖4是智能終端廣播順序。

步驟(3)中，各終端接收信息后，首先判斷終端間是否存在相同的支路編號，然后檢查廣播信息中“支路方向”信息并與自身“支路方向”信息比較，判斷相對位置。上述整個過程如圖2所示，是智能終端相對位置判斷流程圖。

終端相對位置判斷原則：若廣播終端的支路方向信息為“-”，接收終端的支路方向信息為“+”，表示廣播終端在上游(近電源側)，接收終端在下游(近負荷側)；廣播終端的支路方向為“+”而接收終端的支路方向信息為“-”，表示廣播終端在下游，接收終端在上游，若接收終端和廣播終端的支路方向同為“+”，表示二者位于同一母線；鑒于配電網樹狀結構，不存在二者支路方向信息均為“-”的情況。相鄰的接收終端以廣播響應信息的方式將判斷結果返回至廣播終端。廣播完成后，接收端按照表2所示信息，返回響應信息。

表2

終端為獲取局部拓撲信息，還需要相鄰兩級或三級線路的拓撲結構，可以采取如下兩種處理方式。

(1)終端根據建立起來的拓撲關系，通過查詢相鄰終端直接獲取所需的相鄰兩級或三級線路拓撲結構信息，存儲在自身拓撲信息存儲單元，一旦需要可以借助對等通信網絡與相關終端直接通信；

(2)終端只存儲相鄰終端的信息，不再存儲相鄰兩級或三級線路拓撲信息，當有需要時與相鄰終端通信，借助相鄰終端獲取所需網絡拓撲信息。

步驟(4)中，當某終端完成廣播通信后，對應的邏輯層編號在其上游相鄰終端邏輯編號的基礎上加1，表示位于下一邏輯層，邏輯層劃分如圖3。

最小連接樹劃分及代理確定原則：最小連接樹結構為最小拓撲連接結構，由每一終端和其下游相鄰終端構成，為兩層邏輯結構，由母節點和子節點構成。邏輯層劃分、最小連接樹結構如圖5所示。

步驟(5)中，代理節點基于最小連接樹確定，將各最小連接樹的母節點設為代理節點。代理節點之間交互的信息如表3代理節點拓撲信息表所示。

表3

每個代理終端獲取被代理終端的拓撲信息、電氣量信息及負荷信息，代理終端之間可對等通信交互上述信息，實現更大范圍信息的交互、管控及拓撲識別。

步驟(6)中，各終端監視相鄰終端、或其分支、開關是否發生變化，若變化則重新廣播生成或更新拓撲，否則繼續監視。

結合圖6算例分析圖，進一步闡述配電網拓撲的分布式管控與識別。

終端D1、D2與主電源相鄰,因終端D1標號小，按照深度優先原則，D1所在支路首先完成拓撲識別并獲得廣播權限，之后再完成D2所在支路拓撲識別工作。D1配置的基本拓撲信息如下：編號D1、D1通信地址、D1處開關位置狀態(閉合)、支路數量1、特殊節點標記1、廣播邏輯層數為1、支路編號AC1、支路屬性(普通支路)、方向信息(AC1相對節點D1為“-”)、帶點信息(AC1帶電)。終端D1廣播權限標志位由“0”轉變為“1”，邏輯層編號記為“1”，將上述D1的基本拓撲信息，以廣播的形式發送到局域網內。終端D3按照圖2所示流程首先根據共有的支路AC1判斷二者相鄰，并根據支路相對節點的方向信息，線路AC1相對終端D1為“-”，線路AC1相對終端D3為“+”，終端D3判斷其位于D1下游，D1收到來自D3的響應信息后，記錄D3的編號、D3的通信地址、D3的開關位置狀態(閉合)、相對位置信息(D3位于相鄰下游)，完成相鄰終端的辨識。然后D1將廣播權限傳遞給D3,D3獲得廣播權限后，其邏輯層編號將在D1對應的邏輯層編號基礎上加“1”，故對應的邏輯層編號為“2”，并廣播D3處的基本拓撲信息。因D3與D4、D7有公共支路母線3，所以D3會同時獲得終端D4和D7的拓撲響應，按照編號大小順序，終端D4優先獲得廣播權限并將邏輯層記為“3”。終端D4廣播后發現其相鄰終端為D5，對應著聯絡開關處于分位，滿足拓撲搜索的終止條件并將廣播權限返回至D3，由D3將廣播權限再傳遞給D7，D7對應的邏輯層編號應在D3對應的編號“2”的基礎上加“1”，因此即使D4先于D7獲得廣播權限，但二者的邏輯層編號都為“3”，與實際拓撲關系完全對應。依次類推，直至D1所在分支所有終端均參與分層功能，得到最小連接樹結構。D2所在分支與D1所在分支廣播方案相同，不再贅述。

圖7為區域S1的拓撲辨識結果。在圖7所示樹狀結構中，與主電源相鄰的D1為樹根節點，對應著邏輯分層中的第一層，與之相鄰的下游D3對應著邏輯分層中的第二層，依次類推。每個DSTU都會對應著一個邏輯層編號，從而實現了整個電網拓撲的邏輯分層。“最小連接樹”，用來描述拓撲的最小連接關系,由母節點和子節點構成，為兩層邏輯結構,以圖7區域S1為例，最小樹結構有{D1、D3}、{D3、D4、D7}、{D7、D9}、{D9、D11、D12、D13}、{D11、D14}，{D14、D15、D16、D17}。代理節點基于最小連接樹確定，將最小連接樹的母節點設為代理節點，如區域S1中的D1、D3、D7、D9、D11、D14均為代理節點。以代理節點D3為例，其管控著最小連接樹中的所有子節點，包括D4、D7，各代理節點間可進行對等通信，代理節點與非代理節點之間不再直接通信。代理節點管控被代理節點的拓撲結構以及相關電氣量、開關量信息，如表3所示。D3代理的信息如下：代理節點標記為1，邏輯層I(代理節點邏輯層)為2，終端數量(下游相鄰終端數量)為2，終端編號(子節點終端編號)為D4、D7,D4、D7的通信地址，公共支路母線3，邏輯層II(子節點邏輯層)為3，支路屬性母線。

可見按照本發明的拓撲管控與識別方法，可實現如圖6所示典型配電網拓撲的識別，因此本發明可實現配電網拓撲的分布式管控與識別。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。