CN104123679B - 一种基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法 - Google Patents

Abstract

一种基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，采用图论路径搜索算法对现状及规划电网220kV及以上的网架拓扑结构进行辨识，得到拓扑中各站点和线路对于正常运行及快速恢复供电的重要程度，形成地区电网220kV及以上的核心骨干网架；同时，梳理重要用户供电路径，根据重要用户分布情况，差异化选取向重要用户供电的关键站点和线路，形成重要用户保供电辐射型鱼骨网架；然后，按照网架安全性要求，选取中心城区与外区联络线路；最后，将核心骨干网架、辐射型鱼骨网架、中心城区与外区联络线路三者有机结合来构建网架。本发明能有效提高地区电网抵御台风等自然灾害侵袭、保障重要用户及区域供电的能力。

Description

一种基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法

技术领域

本发明涉及一种沿海地区防风保安电网网架构建方法,尤其是一种基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法。

背景技术

中国南部沿海省份如广东位于南亚热带，地处西北太平洋热带气旋登陆亚洲大陆的主要路径，热带气旋活动极为频繁，统计表明，年均登陆广东的热带气旋数量约为3.65个/年，历次强台风登陆都对广东沿海地区电网造成重大破坏。

沿海地区电网采取抵御台风的方法包括合理安排运行方式、加固杆塔塔基、加装防风抗拉线、配置应急移动发电设备等。在规划设计阶段，可通过采集地区气象站观测的年平均最大风速，并按照一定统计概率选取设计标准，提高电网防风能力。

然而随着全球气候恶劣天气的增多，全面抵御台风将耗费大量的人力物力，导致电网抗灾投入与减灾收益不成正比，迫切需要通过网架整体设计，远近结合、合理投资，不断提高电网防风能力，确保主网安全及中心城区供电安全、重要用户可靠供电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，达到更加可靠保障电网安全、保障供电安全、保障重要用户可靠供电目的。

解决上述技术问题，本发明采取以下的技术方案：

一种基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征是包括以下步骤：

S1获取沿海地区电网网架拓扑结构现状及规划数据，并生成各年份220kV及以上级站点、线路的拓扑参数矩阵；

S2评估向所述沿海地区电网供电电源点的重要度；

S3采用图论路径搜索算法计算220kV及以上站点、线路的拓扑重要度；

S4构建地区220kV及以上的核心骨干网架；

S5获取沿海地区电网供电的重要用户数据，梳理重要用户最短供电路径；

S6根据重要用户分布情况，差异化选取向重要用户供电的关键站点和线路，形成向重要用户保供电的辐射型鱼骨网架；

S7按照网架安全性要求，选取中心城区与外区联络线路；

S8将核心骨干网架、辐射型鱼骨网架、中心城区与外区联络线路有机结合，形成沿海地区电网防风保安网架。

所述的步骤S1具体为：沿海地区规划电网的网架结构数据从规划区域各级电网公司获取，包括110kV及以上的变电站、电厂、110kV及以上线路的起点和终点、线路长度、线路输送功率、线路架设情况；

将220kV及以上的站点(变电站、电厂)和线路的原始数据生成参数矩阵，参数矩阵包含了本地区站点以及与本地区有联络的外区站点的编号矩阵，各站点间最短线路的长度矩阵、各站点间并列线路条数矩阵。

所述的步骤S2具体为：

以本地区的500kV变电站、220kV电厂、与外区的220kV联络线路共同组成本地区电网的电源点集，其余的220kV站点组成本地区电网的变电站点集；电源点重要度为该电源点各出线重要度的累加，计算公式如下：

$P_{\mathrm{power}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i---\left(1\right);$

式中，P_power为某一个电源点的重要度，假如该电源具有N回出线，则Li为电源第i回出线的重要度，若第i回出线存在与其余出线同杆架设情况时取0.25，否则取0.3。

所述的步骤S3包括以下子步骤：

S3-1，将220kV站点和线路的拓扑矩阵作为图论路径搜索算法程序的输入，按“电源点→变电站”方式搜索从电源点集中任一电源点到变电站点集中任一变电站的所有可到达的路径(该路径用于模拟该地区电网遭遇台风侵袭后，存在的可行恢复供电路径)；

对于变电站集中任一变电站，获取所有可行路径集后，计算每一条可行路径相对的拓扑重要度，进而得到组成该条可行路径中的所有电源点、变电站以及线路的拓扑重要度；计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}=\frac{\mathrm{Min}(L_{l_1},\·\·\·,L_{l_n},\·\·\·,L_{l_N})}{L_{l_n}}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}\left(i\right)}^{l_n}={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\×P_{\mathrm{path}-\mathrm{head}}^{l_n}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}(i-j)}^{l_n}={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\×P_{\mathrm{path}-\mathrm{head}}^{l_n}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\end{array}\right.$

其中：                 (2)；

式中，为任一变电站的路径集中第l_n条路径长度，为路径集共N条路径中最短路径的长度，为第l_n条路径的拓扑重要度，为第l_n条路径中起始电源点在公式(1)中计算得到的电源点重要度，为第l_n条路径的路径系数，为第l_n条路径途经的站点i的拓扑重要度，为第l_n条路径中途径的线路i-j的拓扑重要度；

S3-2站点或线路的拓扑重要度，通过含有该站点或线路的“电源点→变电站”可行路径集重要度累加得到，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}}^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}\left(i\right)}^{l_n}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}}^{i-j}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}(i-j)}^{l_n}\end{array}\right.---\left(3\right);$

l_n、同S2，为可行路径集中对应的站点、线路拓扑重要度累计求和值。

所述的步骤S4具体为：对步骤S3得到的站点、线路的拓扑重要度进行降序排名，选取排名前30％的站点集和线路集作为沿海地区电网的拓扑关键环节，对应实际的电网接线，还原30％的站点集和线路集之间的连接，并进行标识，以此构建成220kV及以上核心骨干网架，作为构建地区防风保安网架的一部分。

所述的步骤S5具体为：根据电网接线拓扑图，从下至上梳理得到重要用户供电“用户-10kV线路-110kV站点-110kV线路-220kV站点-220kV线路-500kV站点”保供电最短路径。

所述的步骤S6具体为：统计步骤S5中220kV站点供电重要用户的个数和比重，并根据重要用户分布实施差异化保供电策略：供电重要用户数量达到3个及以上且供电重要用户比重超过10％的220kV站点，根据步骤S5中梳理得到其供电的重要用户路径形成辐射型鱼骨网架，作为构建地区防风保安网架的一部分；零散分布的重要用户，台风期间主要通过自身自备电源或电网应急移动电源进行保障。

所述的步骤S7具体为：按照网架安全性的要求选取联络线路，即沿海中心城区110kV和220kV电网需至少通过2个不同路径的联络线路与外区保持联络，220kV联络线路的选取依据根据步骤S4中的线路拓扑重要度计算结果。

所述的步骤S8具体为：将核心骨干网架、辐射型鱼骨网架、中心城区对外联络线路进行有机叠加，输出涵盖各电压等级的沿海地区电网防风保安网架。

本发明的有益效果如下：采用本发明提出方法构建的沿海地区防风保安网架，能够有效辨识沿海地区电网防风时需重点关注的站点和线路，制定重点用户差异化保供电方案，提高地区电网网架骨干支撑能力、缩短恢复供电时间、保障重要用户供电、加强中心城区转供电的可靠性。通过本发明构建沿海地区防风保安电网，并进行差异化建设、运维，可有效降低台风侵袭对电力供应带来的影响。

附图说明

图1为本发明的基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法流程图；

图2为本发明构建核心骨干网架具体实施过程的流程图；

图3为本发明构建辐射型鱼骨网架具体实施过程的流程图；

图4为汕尾市规划的网架示意图；

图5为使用本发明方法构建的汕尾市防风保安网架示意图。

具体实施方式

汕尾市位于广东省东南沿海，南濒南海，是台风侵袭的重灾区。下面选取某年汕尾电网规划网架方案，采用本发明的基于图论算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法对该片区电网进行研究分析。本发明的其他特征、目的和优点也可以从实施案例的说明和附图中看出。

如图1所示，使用本发明进行研究分析包括以下步骤：

S1从汕尾市供电局获取汕尾市规划电网的网架拓扑图如图4所示，其中包括110kV及以上的站点(变电站、电厂)，110kV及以上线路的起点和终点、线路长度、线路输送功率、线路架设情况，由此可生成220kV及以上站点、线路拓扑参数矩阵。

拓扑参数矩阵为：汕尾市本市电网的站点和与汕尾电网有联络的揭阳电网、惠州电网的220kV及以上站点编号矩阵，站点间最短线路的长度矩阵、站点间并列线路条数的矩阵，如表1～表3所示：

表1：站点编号矩阵

表2：站点间最短线路的长度矩阵

注：∞表示为两个站点间无线路连接

表3：站点间并列线路条数的矩阵

S2评估向汕尾市地区电网供电的电源点的重要度

根据各个电源点的出线回路数和线路路径同塔情况，评估所有电源点的重要度，计算公式如下：

$P_{\mathrm{power}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i---\left(1\right);$

式中，P_power为某一个电源点的重要度，假如该电源具有N回出线，则Li为电源第i回出线的重要度，若第i回出线存在与其余出线同杆架设情况时取0.25，否则取0.3。

(1)将汕尾市本地区的500kV变电站茅湖站、与揭阳电网有联络的220kV星云-普宁单回线、与惠州电网有联络的220kV东澎-桂竹线共同组成本地区电网的电源点集，电源点重要度经计算分别为：1.3、0.3、0.3；

(2)其余的220kV站点组成汕尾电网的变电站点集。

S3采用图论路径搜索算法计算220kV及以上站点、线路的拓扑重要度

将220kV站点和线路的拓扑参数矩阵作为图论路径搜索算法程序的输入，按“电源点→变电站”方式搜索从电源点集中任一电源点到变电站点集中任一变电站的所有可到达的路径。

对于变电站集中任一变电站，获取所有可行路径集后，计算每一条可行路径相对的拓扑重要度；进而得到组成该可行路径的所有电源点、变电站以及线路的拓扑重要度。计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}=\frac{\mathrm{Min}(L_{l_1},\·\·\·,L_{l_n},\·\·\·,L_{l_N})}{L_{l_n}}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}\left(i\right)}^{l_n}={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\×P_{\mathrm{path}-\mathrm{head}}^{l_n}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}(i-j)}^{l_n}={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\×P_{\mathrm{path}-\mathrm{head}}^{l_n}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\end{array}\right.$

其中：                (2)；

式中，为任一变电站的路径集中第l_n条路径长度，为路径集共N条路径中最短路径的长度，为第l_n条路径的拓扑重要度，为第l_n条路径中起始电源点在公式(1)中计算得到的电源点重要度，为第l_n条路径的路径系数，为第l_n条路径途经的站点i的拓扑重要度，为第l_n条路径中途径的线路i-j的拓扑重要度；

站点或线路的拓扑重要度，通过含有该站点或线路的“电源点→变电站”可行路径集重要度累加得到，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}}^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}\left(i\right)}^{l_n}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}}^{i-j}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}(i-j)}^{l_n}\end{array}\right.---\left(3\right);$

l_n、同S2，为可行路径集中对应的站点、线路拓扑重要度累计求和值。

(1)经程序算法计算，得到500kV茅湖站、220kV桂竹站、220kV海丰站、220kV星云站、220kV虎地站、外区的220kV东澎站、外区的220kV普宁站拓扑重要度分别为：13.0、5.5、4.6、4.4、2.7、0.4、0.4。

(2)220kV线路茅湖站＝桂竹站、茅湖站＝海丰站、茅湖站＝星云站、茅湖站＝虎地站、桂竹站-海丰站、桂竹站-星云站、普宁站-星云站、东彭站-桂竹站线路拓扑重要度计算结果分别为：4.3、3.4、3.1、2.7、2.0、1.6、0.4、0.4。

S4构建汕尾市220kV及以上核心骨干网架

图2为构建骨干网架具体实施过程的流程图。对步骤S3得到的站点、线路的拓扑重要度进行降序排名，拓扑重要度排名前30％的站点分别为500kV茅湖站、220kV桂竹站和220kV海丰站，拓扑重要度排名前30％的线路分别为220kV茅湖＝桂竹、220kV茅湖＝海丰、220kV茅湖＝星云，对应实际电网地理接线图，还原站点、线路间的拓扑连接，以此构建成220kV及以上核心骨干网架。

S5从汕尾市供电局获取汕尾市需要保供电的重要用户数据，图3为构建鱼骨网架具体实施过程的流程图，根据网架结构，从下至上梳理得到重要用户供电“用户-10kV线路-110kV站点-110kV线路-220kV站点-220kV线路-500kV站点”保供电最短路径。

S6根据重要用户分布情况，差异化选取向重要用户供电的关键220kV、110kV站点和线路，形成重要用户保供电辐射型鱼骨网架；

统计步骤S5中220kV站点供电的重要用户个数和比重，根据重要用户分布实施差异化保供电策略：供电重要用户数量达到3个及以上且供电重要用户比重超过10％的220kV站点，根据步骤S5中梳理得到其供电的重要用户路径形成辐射型鱼骨网架，作为构建地区防风保安网架的一部分；零散分布的重要用户，台风期间主要通过自身自备电源或电网应急移动电源进行保障。

S7中梳理出中心城区电网与外区联络线共7回，分别为：220kV桂竹-海丰、220kV桂竹＝茅湖、220kV惠州-东澎、220kV桂竹-星云、110kV桂竹-尖山岭、110kV桂竹-沙埔，其中220kV桂竹＝茅湖线路已经纳入核心骨干网架中。按照网架安全性的要求，保障汕尾市中心城区110kV和220kV电网需至少通过2个不同路径的联络线路与外区保持联络关系，同时根据步骤4的线路拓扑重要度计算排名结果、线路长度以及线路对端站点的重要度，选择220kV桂竹-海丰、110kV桂竹-尖山岭2回线路作为中心城区电网与外区保持联络的线路。

S8将核心骨干网架、辐射型鱼骨网架、中心城区对外联络线路进行有机叠加，输出涵盖各电压等级的沿海地区电网防风保安网架。

图5为电网规划网架图图4采用本发明后构建的防风保安网架拓扑结构图，从图中可以看到核心骨干网架、辐射型性鱼骨网架、中心城区对外联络线路三者有机结合，涵盖了重要用户、110kV及以上电压等级电网。相比图4，能够有效辨识出汕尾地区电网防风时需重点关注的站点和线路，简单快捷地制定出重点用户差异化保供电方案。

Claims (6)

1.一种基于图论路径算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征在于包括以下步骤：

S1获取沿海地区电网网架拓扑结构现状及规划数据，并生成各年份220kV及以上级站点、线路的拓扑参数矩阵；

所述的步骤S1中，沿海地区规划电网的网架结构数据包括110kV及以上的变电站、电厂、110kV及以上线路的起点和终点、线路长度、线路输送功率、线路架设情况；

将220kV及以上的变电站、电厂和线路的原始数据生成参数矩阵，参数矩阵包含了本地区站点以及与本地区有联络的外区站点的编号矩阵，各站点间最短线路的长度矩阵、各站点间并列线路条数矩阵；

S2评估向所述沿海地区电网供电电源点的重要度；

所述的步骤S2包括：

以本地区的500kV变电站、220kV电厂、与外区的220kV联络线路共同组成本地区电网的电源点集，其余的220kV站点组成本地区电网的变电站点集；电源点重要度为该电源点各出线重要度的累加，计算公式如下：

$P_{\mathrm{power}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i---\left(1\right);$

式中，P_power为某一个电源点的重要度，假如该电源具有N回出线，则L_i为电源第i回出线的重要度，若第i回出线存在与其余出线同杆架设情况时取0.25，否则取0.3；

S3采用图论路径搜索算法计算220kV及以上站点、线路的拓扑重要度；

所述的步骤S3包括以下子步骤：

S3-1，将220kV站点和线路的拓扑矩阵作为图论路径搜索算法程序的输入，按“电源点→变电站”方式搜索从电源点集中任一电源点到变电站点集中任一变电站的所有可到达的路径；

对于变电站集中任一变电站，获取所有可行路径集后，计算每一条可行路径相对的拓扑重要度；进而得到组成该可行路径的所有电源点、变电站以及线路的拓扑重要度；计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}=\frac{\mathrm{Min}(L_{l_1},...,L_{l_n},...,L_{l_N})}{L_{l_n}}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}\left(i\right)}^{l_n}={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\×P_{\mathrm{path}-\mathrm{head}}^{l_n}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}(i-j)}^{l_n}={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\×P_{\mathrm{path}-\mathrm{head}}^{l_n}\×{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{path}}^{l_n}\end{array}\right.$

其中：

式中，为任一变电站的路径集共N条路径中第l_n条路径的长度，为路径集中最短路径的长度，为第l_n条路径的拓扑重要度，为第l_n条路径中起始电源点在公式(1)中计算得到的电源点重要度，为第l_n条路径的路径系数，为第l_n条路径途经的站点i的拓扑重要度，为第l_n条路径中途经的线路i-j的拓扑重要度；

S3-2站点或线路的拓扑重要度，通过含有该站点或线路的“电源点→变电站”可行路径集重要度累加得到，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}}^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{station}\left(i\right)}^{l_n}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}}^{i-j}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{line}(i-j)}^{l_n}\end{array}\right.---\left(3\right);$

l_n、同公式(2)，为可行路径集中对应的站点、线路拓扑重要度累计求和值；

S4构建地区220kV及以上的核心骨干网架；

S5获取沿海地区电网供电的重要用户数据，梳理重要用户最短供电路径；

S6根据重要用户分布情况，差异化选取向重要用户供电的关键站点和线路，形成向重要用户保供电的辐射型鱼骨网架；

S7按照网架安全性要求，选取中心城区与外区联络线路；

S8将核心骨干网架、辐射型鱼骨网架、中心城区与外区联络线路有机结合，形成沿海地区电网防风保安电网网架。

2.根据权利要求1所述的基于图论路径算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征在于：所述的步骤S4对步骤S3得到的站点、线路的拓扑重要度进行降序排名，选取排名前30％的站点集和线路集作为沿海地区电网的拓扑关键环节，对应实际的电网接线，还原30％的站点集和线路集之间的连接，并进行标识，以此构建成220kV及以上核心骨干网架，作为构建地区防风保安电网网架的一部分。

3.根据权利要求1所述的基于图论路径算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征在于：所述的步骤S5具体为：根据电网接线拓扑图，从下至上梳理得到重要用户供电“用户-10kV线路-110kV站点-110kV线路-220kV站点-220kV线路-500kV站点”保供电最短路径。

4.根据权利要求1所述的基于图论路径算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征在于：所述的步骤S6具体为：统计步骤S5中220kV站点供电重要用户的个数和比重，并根据重要用户分布实施差异化保供电策略：供电重要用户数量达到3个及以上且供电重要用户比重超过10％的220kV站点，根据步骤S5中梳理得到其供电的重要用户路径形成辐射型鱼骨网架，作为构建地区防风保安电网网架的一部分；零散分布的重要用户，台风期间主要通过自身自备电源或电网应急移动电源进行保障。

5.根据权利要求1所述的基于图论路径算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征在于：所述的步骤S7具体为：按照网架安全性的要求选取联络线路：沿海中心城区110kV和220kV电网需至少通过2个不同线路路径的联络线路与外区保持联络，220kV联络线路的选取根据步骤S4中的线路拓扑重要度计算结果。

6.根据权利要求1所述的基于图论路径算法的沿海地区防风保安电网网架构建方法，其特征在于：所述的步骤S8具体为：将核心骨干网架、辐射型鱼骨网架、中心城区对外联络线路进行有机叠加，输出涵盖各电压等级的沿海地区电网防风保安电网网架。