CN112350318B - 基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法，包括采集每个节点的电压、电流、功率测量值，计算每个节点的功率变化增量；以功率大小排序，选取最大功率节点为初始节点；计算所有节点与初始节点的电压相关系数，采用广度优先的搜索原则，选取相关系数大的节点构成相邻节点备选集；在相邻节点备选集中，以节点功率变化增量和电流总和为判断依据，搜索与初始节点直接相连的节点，选取其中的网络分支节点作为初始节点，重复迭代，直到所有节点都被搜索，且其连接关系被确定后，停止搜索算法，得到所述交流配电网拓扑。可准确进行交流配电网的拓扑辨识，方法简单。

Description

基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法
技术领域
本发明涉及配电网络技术领域，尤其涉及一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法。
背景技术
配电网作为输电网和用户之间的纽带，是电力生产和供应的最后环节，直接与用户相连，配电网建设的好坏直接影响着客户的用电质量。配电网含有大量的馈线和节点，设备繁多，结构复杂，为了实现最优经济运行和故障后快速恢复供电，配电网拓扑变化频繁。由于分布式电源、储能***和可控负荷等分布式能源大规模接入电网，从而引入了更多的不确定性，也使得配电网的运行与控制方式更为复杂，拓扑变化更加频繁。由于经济和技术等原因，配电网中的监测设备和通信链路非常有限，***可观性差，运行人员很难获得线路和开关状态信息，从而难以确定实时运行拓扑。正确的配电网拓扑结构是保证配电网安全分析和控制决策有效性的重要基础，是电网精细化管理和电网安全运行的前提。因此，如何进行准确的辨识配电网拓扑具有重要的现实意义。
通常使用的拓扑分析方法包括状态估计法、关联矩阵法和树搜索法，将配电网中的节点和支路与图模型的顶点和边对应起来，并使用图模型的分析方法来分析配电网的拓扑结构。在中低压配电网中，量测数据冗余度较低，难以采用基于状态估计的方法进行拓扑辨识；矩阵法的数据结构简单、计算过程易于理解，而且因为反映的是节点之间的连接关系，不受实际电气元件之间连接关系、接线方式的影响，可用于线路复杂的配电网，但是矩阵法由于形成的矩阵大，对存储空间要求较高，计算量大，拓扑辨识速度较慢；树搜索法主要包括深度优先搜索法和广度优先搜索法，算法原理简单，容易理解且操作方便，搜索效率较高，能够很好的应用于配电网的拓扑辨识。传统基于树搜索的方法利用功率、电压等信息来判别拓扑连接的相关性。然而，随着分布式能源的接入，电压的分布规律发生变化；功率信息的测量要求较为精准的同步测量信息，且在功率波动小时，存在一定的偏差。因此，有必要提出适应电网发展，对同步精度要求更低的搜索方法。
发明内容
本发明提供了一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法，以解决现有技术问题中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法，包括：
S1通过在交流配电网的变压器出口和节点处设置量测点，分别采集各个节点的电压值、电流值和功率值，并根据采集的功率值计算各节点功率变化增量值；
S2选取采集的节点功率值中最大功率值的节点作为初始节点；
S3以所述初始节点为中心，采用广度优先的搜索原则，在所述的节点电压向量中选出与所述初始节点的电压值的差值在一定阈值范围内的节点，得到相邻节点备选集；
S4在所述相邻节点备选集中，将对应功率变化增量值和电流值同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点，并转至S5；
S5在所述的与起始节点满足直接相连关系的节点中选择网络分支节点作为初始节点并迭代重复S3和S4，直到所述交流配电网的所有节点的连接关系都被确认为止，得到交流配电网拓扑。
优选地，S3中的一定阈值范围为±10。
优选地，S1中的节点包括：网络分支节点和负荷节点。
优选地，在相邻节点备选集中，将对应功率变化增量值和电流值同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点，包括按照节点数逐步增加的原则，检查所述相邻节点备选集中的每一个节点是否同时满足功率增量守恒和电流守恒，并将同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点。
优选地，分别对采集的功率值和电压值进行排序，包括：分别对采集的功率值和电压值进行从大道小排序。
优选地，选取采集的节点功率值中最大功率值的节点作为初始节点包括：分别对采集的功率值和电压值进行排序，得到节点功率向量和节点电压向量，选取采集的节点功率值中最大功率值的节点作为初始节点。
由上述本发明的基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法提供的技术方案可以看出，本发明利用节点电压、电流以及功率之间的对应关系实现拓扑辨识，与传统关联矩阵法相比，该方法辨识准确度较高，该方法采用配网已有量测数据，对测量同步性和测量精度要求不高，具有明显的优势，可以广泛的应用在未来拓扑辨识领域中。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法流程示意图；
图2为本实施例的交流配电网的模型仿真示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
图1为本实施例提供的一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法流程示意图，参照图1该方法包括：
S1通过在交流配电网的变压器出口和节点处设置量测点，分别采集各个节点(网络分支节点和负荷节点)的电压值、电流值和功率值，并根据采集的功率值计算各节点功率变化增量值。
在树形拓扑结构的交流配电网中，统计节点个数N，构建维度为N×N的拓扑连接关系矩阵H，并初始化矩阵中的每个值为0。
S2分别对采集的功率值和电压值进行排序，得到节点功率向量和节点电压向量，选取所述节点功率向量中最大功率值的节点作为初始节点。
分别对采集的功率值和电压值进行从大道小排序。
S3以所述初始节点为中心，采用广度优先的搜索原则，在所述的节点电压向量中选出与所述初始节点的电压值的差值在一定阈值范围内的节点，得到相邻节点备选集。
本实施例的一定阈值范围为±10。
S4在所述相邻节点备选集中，将对应功率变化增量值和电流值同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点，并转至S5。
按照节点数逐步增加的原则，检查所述相邻节点备选集中的每一个节点是否同时满足功率增量守恒和电流守恒，并将同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点。
其中，功率增量守恒根据ΔP起始＝ΣΔP节点确定，电流守恒根据基尔霍夫定理ΣI＝0确定，其中，ΔP起始为起始节点的功率增量，ΔP节点表示当前节点的功率增量；I表示各节点电流。
然后在拓扑连接关系矩阵中将直接相连节点与起始节点的连接关系置1，表示该对节点存在直接相连关系。
S5在所述的与起始节点满足直接相连关系的节点中选择网络分支节点作为初始节点并迭代重复S3和S4，直到所述交流配电网的所有节点的连接关系都被确认为止，得到所述交流配电网拓扑。
图2为本实施例的交流配电网的模型仿真示意图，参照图2，是一个380V的单相交流配电线路模型，线路类型、长度及电阻参数如下表1所示。
表1
Figure BDA0002781010340000061
在变压器出口P1、网络分支节点A1、A2、A3、A4和所有负荷节点L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13、L14处设置量测装置，在负荷节点出模拟用户侧用电，设置随时间变化的用户侧负荷，采集某时间段前后每个节点的功率、电压和电流，计算得到各个节点的功率变化增量。
该网络共15个节点，构建维度为15×15的拓扑连接关系矩阵H，并初始化矩阵中的每个值为0，如下式(1)所示。
Figure BDA0002781010340000071
构建每个节点的功率向量和电压向量，并由大到小排序，得到的功率向量和电压向量如下式(2)和(3)所示：
功率向量(kW)：
Figure BDA0002781010340000072
电压向量(V)：
Figure BDA0002781010340000073
以功率大小排序，选取最大功率节点为初始节点，即图1中变压器出口处节点P1。
根据广度优先搜索原则，以节点P1为初始节点，根据P1的电压，选取与初始节点P1的电压值的差值在一定阈值范围内的节点，也就是选取跟P1电压相关性较大的节点(本实施例优选的电压差小于10V，即ΔV/Vrated<0.26)，构成相邻节点备选集{A1,L5,L6,L7}。
在相邻节点备选集中，按照节点数逐步增加的原则(1个节点、2个节点、3个节点、…、全部节点)，检查节点集是否满足功率增量守恒和基尔霍夫电流定律。一旦两个条件都满足，则满足条件的几个节点为直接相连节点，在H矩阵中，将相对应的节点关联矩阵数据变更为“1”。
判别节点P1的相邻节点备选集中的节点，如与P1直接相连，且为网络分支节点，则将该节点作为新的初始节点(如节点A1)；如与P1相连，且为负荷节点，则不再参与搜索；如果不与P1相连，则继续参与搜索，P1相邻节点备选集中非直接相连的节点L5、L6、L7，继续参与后续搜索；
对新的分支节点A1，重复上述的广度优先搜索过程，直到所有节点都已被标记，停止搜索，得出最终的拓扑连接关系矩阵H’，其中，直接相连节点间的关联值为1，未直接相连的节点间关联值为0。
Figure BDA0002781010340000091
根据矩阵H’推导低压配电网拓扑结构，与所搭建的仿真模型吻合，从而说明了本拓扑辨识方法的准确性。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于广度优先搜索算法的交流配电网拓扑辨识方法，其特征在于，包括：
S1通过在交流配电网的变压器出口和节点处设置量测点，分别采集各个节点的电压值、电流值和功率值，并根据采集的功率值计算各节点功率变化增量值；
S2选取采集的节点功率值中最大功率值的节点作为初始节点；
S3以所述初始节点为中心，采用广度优先的搜索原则，在节点电压向量中选出与所述初始节点的电压值的差值在一定阈值范围内的节点，得到相邻节点备选集；
S4在所述相邻节点备选集中，将对应功率变化增量值和电流值同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点，并转至S5；
S5在所述的与起始节点满足直接相连关系的节点中选择网络分支节点作为初始节点并迭代重复S3和S4，直到所述交流配电网的所有节点的连接关系都被确认为止，得到交流配电网拓扑。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S3中的一定阈值范围为±10V。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S1中的节点包括：网络分支节点和负荷节点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在相邻节点备选集中，将对应功率变化增量值和电流值同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点，包括按照节点数逐步增加的原则，检查所述相邻节点备选集中的每一个节点是否同时满足功率增量守恒和电流守恒，并将同时满足功率增量守恒和电流守恒的节点作为与起始节点满足直接相连关系的节点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2还包括分别对采集的功率值和电压值进行排序，包括：分别对采集的功率值和电压值进行从大到小排序。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的选取采集的节点功率值中最大功率值的节点作为初始节点包括：分别对采集的功率值和电压值进行排序，得到节点功率向量和节点电压向量，选取采集的节点功率值中最大功率值的节点作为初始节点。
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