（机械电子工程专业论文）基于地理信息系统的油田配电网简化建模及其实现.pdf

中文摘要 论文题目； 专业： 硕士生： 指导教师： 基于地理信息系统的油田配电网简化建模撂其实现 机械电子工程 宋久旭( 签名) 刘健( 签名) 蛊盔遣 要 提出了油田配电网的简化拓扑模型，将馈线段和配电变压器综合看作边，将开关、t 接点看作是节点，利用地理信息系统( g i s ) 中的从属关系描述变压器与边的关系，该模 型有效减小了油田配电网的节点的数目。 提出了基于g i s 生成油田配电网拓扑模型的算法，通过基于“进退法”的变半径搜 索算法，即使在油田配电网接线图绘制不规范时仍可以准确地生成原始拓扑：通过缓冲 区分析生成配电变压器与线路的从漏关系，提高了网络拓扑建模的效率。 提出了油田配电网的拓扑增量建模方法，利用g i s 平台来记录配电网局部拓扑变化 的影响范围，将该范围内的拓扑关系追加到原来的网络拓扑模型中，避免了全局拓扑分 析与建模，显著提高了计算效率。 提出了在g i s 平台上生成配电网等效电压降落模型的算法，分别分析了折线和直线 情况下的建模方法，建模所需的静态数据从g i s 平台上获取，避免了大量的数据输入。 提出了双电源供电的配屯站的等效模型，降低了配电网潮流计算的复杂度，进一步提高 了配电网分析的效率。 基于m a p x 平台，采用v c + + 6 0 开发了应用程序，并应用于大庆油田配电网节能决策 支持系统中，测试结果表明：提出的方法显著提高了油田配电网的建模和分析效率。 关键词：油田配电网，g i s ，简化建模，网络拓扑分析 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： s i m p l i f i e dm o d e l i n go f o i l f i e l dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sb a s e do n g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e ma n d i t sr e a l i z a t i o n e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o n gj i u x u ( s i g n a t u r e l ! 苎孽圭擅x 蛭 l i uj i a n ( s i g n 。t u r e ) 辽螽蟊茇二 a b s t r a c t a s i m p l i f i e dt o p o l o g ym o d e lf o ro i l f i e l dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sp r e s e n t e d s w i t c h e sa n d t a p p i n gn o d e sa r er e g a r d e d a sv e r t e x e s f e e d e rl i n e sa r er e g a r d e da se d g e s d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r sa r es u b o r d i n a t et ot h ec o r r e s p o n d i n ge d g e s ，w h i c ha r ed e s c r i b e do nt h eb a s e so f g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) c o n s e q u e n t l y , t h en u m b e ro fv e r t e x e si sr e d u c e d r e m a r k a b l y a na l g o r i t h mi s p u tf o r w a r dt oe s t a b l i s ht h et o p o l o g ym o d e lo fo i l f i e l dd i s t r i b u t i o n s y s t 啪b a s e do ng e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m av a r i a b l er a d i u ss e a r c h i n ga p p r o a c hb a s e d o na d v a n c ea n dr e t r e a tm e t h o di sp r o v i d e dt oc r e a t et h eo r i g i n a lt o p o l o g y 1 1 l ee s t a b l i s h e d t o p o l o g yi sg u a r a n t e e dt ob ec o r r e c te v e ni fd r a w i n gi sn o ts t a n d a r d i z e d t h es u b o r d i n a t e r e l a t i o n s h i p so fe l i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r sa n df e e d e rl i n e sa r ec r e a t e db yb u f f e ra n a l y s i s t h e e f f i c i e n c yo f t o p o l o g ym o d e l i n gi si m p r o v e d af a s ti n c r e m e n t a lm o d e l i n go fo i l f i e l dd i s t r i b u t i o ns y s t e m si sp u tf o r w a r d n l ec h a n g e s o ft o p o l o g ya l er e c o r d e db a s e do ng i sa n da d d e di n t ot h ee x i s t i n gm o d e l 1 1 1 ep r o p o s e d m e t h o da v o i d st h em o d e l i n go ff u l lg r i d n l ee f f i c i e n c yi sg r e a t l yi m p r o v e d a na l g o r i t h mi sa l s op u tf o r w a r dt os e tu pt h ee q u i v a l e n tv o l t a g ed r o pm o d e lb a s e do n g i s t h ew a y so fm o d e l i n gf o rb r o k e nl i n e sa n ds t r a i g h tl i n e sa l e p r o p o s e d r e s p e c t i v e l y t h e n e c e s s a r ys t a t i cd a t ai so b t a i n e df r o mg i s t h eh e a v yt a s ko fm a n u a ld a t ai n p u ti sa v o i d e d t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fd o u b l ep o w e rs u p p l i e dd i s t r i b u t i o ns t a t i o ni sd i s c u s s e d b a s e do n w h i c h ，t h ep o w e rf l o wc a l c u l a t i o nm a yb es i m p l i f i e da v o i d e d a p r o g r a mi sd e v e l o p e db a s e do nm a p xa n dv c + + 6 o t h ep r o g r a mh a sb e e nu s e di nt h e i n t e l l i g e n ts y s t e mf o re c o n o m i c a lo p e r a t i o ni nd a q i n go i l f i e l d t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dm e t h o d sg r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h em o d e l i n ga n da n a l y s i so fo i l f i e l d d i s t r i b u t i o nn e t w o r k k e yw o r d s ：o i l f i e l dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m 。s i m o l i f i e d m o d e l i n g ，n e t w o r kt o p o l o g ya n a l y s i s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h t t t 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：塞么弛 日期：酷蛄j a 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：塞盆盈 导师签名： 日期：篮丛，! ! 日期：吐豇丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 油田配电网简化建模的意义 随着我国经济的高速发展，能源在经济和社会发展中的作用同益突出。石油工业是 我国重要的能源生产行业，同时也消耗了大量的能源，石油工业的节能成为人们关注的 问题。油田配电网在完成电能供应、保证油气生产的同时也消耗了大量的电能( 我国油 田配电网的网损率多在1 0 左右) ，电力消耗在油气开发成本所占的比重日益增大，油田 配电网的节能降耗对石油企业的可持续发展有重要的意义。 油田配电网是伴随油气的勘探开发以及输油( 气) 管道的建设而发展的，导致了油田 配电网规模大、节点多，大庆油田采油四厂配电网是我国典型的油田配电网，其规模为 3 5 k v 变电站2 1 个、开关1 1 6 1 个、配电变压器4 4 1 8 台。g i s 平台不仅具有良好的人机界面、 而且具有良好的配电网接线图的编辑功能，故g i s 作为油田配电网的展现平台是合适的选 择。 通过对油田配电网运行方式的优化，可以使负荷分配更为合理，从而消除线路的过 负荷、改善供电电压质量、降低配电网损耗。在选择配电网的合理运行方式过程中需要 对配电网的运行状态改变前后进行分析，配电网的模型决定了配电网优化工作的效率， 采用配电网的简化模型可以提高其优化的速度。 通过对油田配电网的优化规划可以提高供电质量、供电可靠性且减少配电网的损耗， 在优化规划的过程中需不断的对规划的结果进行比较与评估，而配电网的模型是对规划 结果进行比较、评估的基础，建立配电网的简化模型有利于提高优化规划的效率。 综上所述，基于g i s 的油田配电网简化建模无论对油田配电网的优化运行还是对油 田配电网的优化规划均有重要的意义。 国内外研究现状 配电网是一种和o i s 密切相关的网络，线路的走向以及配电设备和用户的分布具有 地理特征，生产管理中的实际操作( 如线路改造、停电检修等) 也依赖于长度、范围、 距离、相对位置等地理因素。g l s 在配电网中的应用提高了配电网的管理水平，但g i s 对配电网模型的描述与配电网管理系统需要的模型不一致，因此基于g i $ 的配电网建模 成为人们最关注的问题之一。 配电网的建模就是将配电网的物理模型转化为数学模型，它是高级应用的基础，无 幽安t 舳人学硕七学位论文 论是潮流计算、状态估计，还是网络重构、 基础，在建立配电网的数学模型的过程中， 拓扑模型，然后建立配电网的数学模型。 无功补偿方案的确定等都以配电网的模型为 首先，获得设备间的连接关系建立配电网的 文献 卜2 中提出了将开关、配电变压器、t 接点、电容器等看作是节点，将连接两 个节点间的馈线段看作是边的配电网模型化方法，点和边的连接关系通过特定的数据结 构来记录，需要手工输入。文献 3 - 4 中，采用节点和边的关联矩阵来描述配电网，它需 要大量的存储空闻，引入稀疏技术可以在一定程度上减少了存储空间。这些建模方法大 都是针对各自系统开发的，通用性和可扩充性差。 文献e 5 - 1 2 中提出了采用面向对象建立配电网模型的方法。不同的系统对配电网的 抽象不相同，一般把配电设备抽象为元件，根据设备的特点又可以分为三种：多端口元 件、双端口元件和单端口元件，馈线段和t 接点一起看作是多端口元件，开关、断路器 等看作是双端口元件，补偿电容器、配电变压器等看作是单端口元件，这种方法的优点 是能清晰的表达各个对象间的相互关系、程序易于编写和维护，但是其实现一般都要依 托关系数据库、由于其结构相对复杂使得该模型在实现配电网的优化运行、优化规划等 高级应用时还需要二次转换。 文献e 1 3 1 4 中利用一系列的关联表来描述配电网的模型，如利用开关一线路段关联 表、开关状态向量、线路段属性向量、线路一原始接点关联表等来描述配电网。虽然这 种方法对配电网进行了简化，但是其的数据结构复杂，且需要手工输入大量的数据，在输 电网中得到了广泛的应用，在配电网中应用需增加大量的虚拟电站，其效率低下。 文献 1 5 一1 7 中以图论为基础提出了配电网的简化模型，将配电网看作图，将馈线上 的开关和t 接点看作是节点，而将馈线段和配电变压器综合看作是边，对于一个n 个节点 的配电网采用n 行n 列的网基邻接矩阵口来描述。 上面对配电网模型化方法的研究工作进行了介绍，在g i s 上进行的配电网建模的研 究工作起步较晚，也取得了一定的成果。 文献 1 8 1 9 对从矢量图自动生成配电网原始拓扑( 设备和线路间的连接关系) 的方 法进行了研究，提出了与线路端点的距离小于某一域值的设备则认为其是连接在该线路 上的方法。g i s 以矢量坐标的相对位置存储了配电设各的连接关系，故该方法可以在g i s 平台上自动生成配电网的原始拓扑，但其对配电网接线图的绘制要求很高，在实际中往 往不能满足要求，经常要采用人机交互的方式进行校正，则规模巨大的油田配电网生成 配电网原始拓扑的工作要耗费大量的时间。 文献 2 0 2 1 提出了在g i s 平台上建立配电网简化模型的方法，但是该方法仅考虑了 馈线段和开关的连接关系，其可以实现电源追踪、供电范围分析等基本功能，而不能满足 潮流计算、网络重构等高级应用的要求。 上述的这些方法一定程度上能够满足在g i s 平台上建立配电网拓扑模型的要求，但 油田配电网规模大、节点多，接线图绘制不规范，仍采用前面论述的方法建模，不能满 第一章绪论 足油田配电网优化运行、优化规划的要求。 文献 2 2 2 4 中对开关变位引起的配电网拓扑变化的追踪进行了深入的研究，可以满 足配电网实时运行的要求。但是在配电网的优化规划中需要对配电网的局部不断的进行 修改，导致了网络结构的变化，不能采用前面的方法。如果每次修改都采用重新生成配电 网拓扑模型的方法，必然导致优化工作效率的低下，尤其是规模巨大的油田配电网，对局 部接线关系变化时快速生成配电网拓扑模型的研究有重要的意义。 配电网的节点和支路数目众多，网络规模庞大，支路r x 比值大，配电网的分析不 能采用传统的用于输电网的分析方法。而且原来在输电网中行之有效的算法，如牛顿一 拉夫逊算法、快速分解算法“”等常规算法占用的计算时间和空间都非常大。对于油田配 电系统，网络结构基本以馈线为单位组织，如果采用常规潮流算法，相当于需要针对多 个“电气岛”( 馈线) 进行，同时常规潮流算法收敛性比较差。在配电网的优化运行和优 化规划中需要不断的进行配电网分析，促使人们开发了一些适于低压配电网的潮流算法， 主要有前推回推算法乜5 “蚓“、回路阻抗算法。”和改进的牛顿算法。、改进快速解耦法3 等。在诸多方法中，前推回推算法对于纯辐射型网络或单环网络求解速度快，计算量相 对较小，节省内存；回路阻抗算法处理网孔能力强，收敛性好，但节点编号和处理速度 有待提高。虽然这些算法都适用于配电网的分析，但没有考虑如何减少大规模配电网潮 流分析的计算量，即没有研究配电网的简化分析。 文献 3 1 采用了将一条馈线上的负荷看作是线路上均匀分布的简化处理方法，建立 了负荷均匀分布模型，从而得出了沿线的电压降落和线损的近似结果，但是当线路上负 荷的分布严重不均衡时，负荷均匀分布模型会带来较大的误差。文献 3 2 在此基础上发 展了三种改进的配电网简化模型，即等效线损模型、等效电压降落模型和混合模型。在 这三种模型中，将一条线路上的所有负荷用一个等效负荷来表示，文献 3 3 将这些模型 用在配电网的潮流计算中，由于模型是单向的必须在特定的潮流方向下才能获得准确的 结果，在配电网的优化运行和优化规划中潮流的方向是不断变化。在文献中 3 4 提出了 采用等效电压降落模型简化配电网潮流计算的方法，在潮流计算中将线路上的负荷用一 个负荷代替，用该等效符合进行潮流计算后再将其细致分解，得出馈线沿线各个负荷点 位置的电压，进一步计算得出该馈线段的线损，该算法极大的简化了复杂配电网的分析， 且计算精度高。建立配电网的简化数学模型是简化潮流分析的基础，目前尚未见到在6 i s 平台上的配电网简化建模研究的报道。 1 3 本文的研究内容 建立了油用配电网的简化拓扑模型，将油f 开配电网看作图，将馈线段和配电变压器 凹安彳i 油大学硕士学位论文 综合看作边，将开关、t 接点看作是节点，利用地理信息系统中的从属关系描述变压器 与边的关系，该模型有效减小了油田配电网的节点的数目。 提出了一种基于地理信息系统生成油田配电网拓扑模型的算法，通过基于“进退法” 的变半径搜索算法，即使在油田配电网接线图绘制不规范时仍可以准确的生成油田配电 网的原始拓扑；通过缓冲区分析生成配电变压器与线路的从属关系，提高了网络拓扑建 模的效率。 提出了一种油田配电网的拓扑增量建模方法，利用地理信息系统平台来记录配电网 局部拓扑变化的影响范围，将该范围内的拓扑关系追加到原来的网络拓扑模型中，避免 了全局拓扑分析与建模，显著提高了计算效率。 提出了一种在地理信息系统平台上生成配电网等效电压降落模型的算法，分别分析 了折线和直线情况下的建模方法，在此基础上发展了分支线路的等效建模方法，建模所 需的静态数据从地理信息系统平台上获取，避免了大量的数据输入。 根据油田配电网中双电源供电配电站母联开关常处于分位置的特点，建立了双电源 供电配电站的模型，避免了环网出现，减小了潮流计算的复杂度。 基于m a p x 平台，采用v c + + 6 0 开发了应用程序，并将其应用到大庆油田采油四厂 配电网的优化运行、优化规划中，收到了良好的效果。 第二二章油田配电网拓扑建模 2 1 引言 第二章油田配电网拓扑建模 油田配电网的建模就是将油田配电网的物理模型转化为适合高级应用的数学模型， 它是油田配电网优化规划和优化运行的基础。在油田配电网优化运行的过程中以配电网 的模型为基础进行潮流计算和网络重构使油田配电网负荷分配均衡，提高供电质量，降 低网损：在油田配电网优化规划的过程中需要根据油田配电网的模型计算损耗和运行费 用，评价优化方案的优劣。建立配电网的模型的前提是建立配电网的拓扑模型得到各个 设各间的连接关系。 配电网是一种和g i s 密切相关的网络，线路的走向以及配电设备和用户的分布具有 地理特征，生产管理中的实际操作( 如线路改造、停电检修等) 也依赖于长度、范围、 距离、相对位置等地理因素。g i s 是油田配电网优化运行和优化规划软件的合适平台，因 此基于g i s 平台建立油田配电网的拓扑模型成为油田配电网优化设计决策支持软件开发 的首要解决问题。 在配电地理信息系统中，现实世界当中的物体被抽象为空间实体。空间实体是g i s 中的最小单元，它有点、线和面三种类型，比如，配电网中的电杆、线路、电力用户分 别被抽象为点、线、面状空间实体。g i s 通过保存空间实体间的相对位置描述它们之间 的拓扑关系，采用这种方法描述的拓扑关系不能满足配电网优化运行和优化规划的要求。 大量的文献对配电网拓扑建模进行了研究，在早期的配电g i s 中采用特定的数据结 构来记录配电网的拓扑模型，拓扑模型采用人工输入的方法，这类方法的通用性和可扩 充性差且建立拓扑模型的工作量非常大。后来发展到首先基于矢量圈自动生成配电网的 原始拓扑，然后再转化为适合电力应用的拓扑数据，有学者提出在配电网的主站内部将 母线合并为一个节点，对主站外部的线路进行分段处理，也有学者提出将配电网抽象为 节点( 母线节点、t 接点和末梢点) 和线路( 连接两个节点的馈线段) ，还有学者提出采 用面向对象的技术抽象配电网拓扑模型，将闭合开关联合在一起的结点集合抽象为母线， 将线路和变压器连接在一起的母线抽象为电气岛，这些方法的优点是能清晰的表达各个 对象间的相互关系、程序易于编写和维护，但是这类方法在配电网的优化运行和优化规 划中效率低下。 上面论述的方法可以实现在g i s 上的油田配电网拓扑建模，但是这些方法没有对配 电网进行简化，在文献 1 5 一1 7 中提出了一种配电网简化拓扑建模的方法，浚方法将配电 网看作图，将馈线上的开关和t 接点看作是节点，而将馈线段和配电变压器综合看作是 西安石油大学硕士学位论文 边。该建模方法有效地减小了配电网拓扑模型中节点的数目，对建立油田配电网简化建 模有重要的意义，目前尚未见到对油田配电网进行拓扑建模的研究，更为严重的是油田 配电网的接线图绘制不规范，如何在这种情况下建立油田配电网拓扑简化模型成为油田 配电网优化设计决策支持软件开发面临的首要解决的难题。 2 2 油田配电网的拓扑模型 将油田配电网看作图，将馈线段和配电变压器综合看作边( e d g e ) ，将开关、t 接点 看作是节点( v e r t e x e s ) ，边由其两个端点的编号描述。 利用g i s 中的从属关系描述连接在边上的变压器与该边的关系，在配电地理信息系 统中，设备是分层存储与维护的，在存储变压器图层的属性字段中建立两个字段用来存 储该变压器所属边起点和终点的编号。 图2 1 一个典型的配电网的局部 一 1 r 一 i 1 0 i_ 6 1 2 - - - - 8 幽22 配电刚局部的拓扑幽 第二章油田配电网拓扑建模 从图2 1 和图2 2 可以看出采用本文的方法建立油田配电网的拓扑模型与传统的建 模力法相比有效减小了油田配电网拓扑模型中节点的数目。 对于n 个节点的油田配电网，可以定义n 行5 列的邻接表d t 来描述油田配电网的 拓扑模型。 口，= d l td 1 2d 1 3d 1 4 啊5 畋 d l d 2 d 3d 4 d s d t 中的第一列元素d 。描述各节点类型，其取值可以为0 、l 、2 或3 ，分别表示该 节点是普通点、t 接点、源点或末梢点。 d t 中的第二列元素d 。：描述各顶点是否过负荷，用于故障区域判断，在拓扑模型中 全部初始化为0 。 d t 中的第三列元素至第五列元素描述和各顶点邻接的顶点的序号，如果顶点v j 和 顶点v k 、v 。和v n 相邻接，则d 1 3 = k ，d i 4 - - - m ，d i s - - n ；在邻接表d t 中的空闲位置的元素填 1 ，在填写过程中，若节点v i 有一个相邻节点，则填入d n ；若有两个相邻节点，则分别 填入d i 3 和d i 4 ；若有三个相邻节点，则分别填入d i 3 、d i 4 和d i 5 。因此非t 接点的第5 列 元素均为1 。 对于图2 1 图所示油田配电网局部的d t 为 2 3 油田配电网拓扑模型的自动生成 o 4 6一。一m幢一一。一 o 3 5 o 7 8 9一一一o 2 l 2 2 3 3 5 6 7 7 8 8 o o o o o o o o o o o o 西安石油大学硕士学位论文 油田配电网的接线图绘制不规范，如果仍采用文献 1 8 中提出的生成配电网原始拓 扑的方法：在边的两个端点搜索与其距离小于某一很小域值的节点，则生成原始拓扑的 一次成功率非常低，通常通过人机交互的方法来进行校正，导致配电网拓扑建模效率低 下，为此我们提出了基于“进退法”的变半径搜索来准确生成配电网的原始拓扑。 油田配电网存在大量的为机采井供电的配电变压器，通常采用人工选择的方式来生 成与线路的从属关系，不仅要耗费大量的时间且工作繁杂，采用g i s 提供的缓冲区分析 来生成大部分配电变压器与线路的从属关系，只有极少量配电变压器需要人工选择其从 属线路，提高了配电网拓扑建模的效率。 2 3 1 原始拓扑的自动生成 在油田配电网的拓扑建模过程中，最重要的是生成由馈线段和配电变压器构成边的 两个端点和由开关、t 接点等抽象成的节点间的关联关系( 原始拓扑) ，同一条边关联的 两个节点间是邻接的，这正是邻接表d t 所描述的。生成原始拓扑方法的算法是在边的两 个端点搜索与其距离足够小的节点，认为搜索到的节点与该边是关联的。g i s 平台提供 了在点对象缓冲区内查找点对象的方法，在配电网接线图绘制规范时，只要在边的两个 端点以一个很小的半径搜索关联节点就可以生成配电网的原始拓扑。但是油田配电网接 线圈绘制不规范，边的两个端点与其关联节点间存在较大的距离，如果仍采用上述的方法 不能生成配电网的原始拓扑，需要大量的人机交互来进行修正，严重影响了配电网拓扑 建模的效率。 为此提出了一种变半径搜索算法来生成配电网原始拓扑，在边的两个端点分别以一 个较小的半径搜索与其关联的节点，若找到关联的节点则记录与该边相关联的节点；若 存在未搜索到关联节点的端点，在该节点增大搜索半径查找关联节点，如果找到关联节 点则停止搜索；如果在搜索半径等于或大于搜索半径域值时，仍未找到关联节点，则停 止搜索，该端点关联节点为末梢点。由于油田配电网中存在大量的末梢点，对该末梢点 进行的搜索需要大量的重复操作，为了进一步提高原始拓扑生成的效率，我们提出了基 于“进退法”的变半径搜索算法。 进退法是最优化计算方法中搜索一元函数极小值的一种方法，将其应用在变半径搜 索中对搜索过程需进行如下的修改：在边的一个端点搜索关联节点时，如果找到一个关 联节点则停止搜索；如果未找到邻接的节点，增大搜索半径继续搜索，增加半径的步长 为原来的k l 倍( 一般k 1 的取值为2 ) ，而不是增加原来的步长，若找到两个以上的邻接 节点，则说明搜索的半径过大，则搜索半径减小步长的k 2 倍( 一般k 2 的取值为0 3 5 ) 重 新搜索直到找到关联的节点；若未找到关联节点则增大搜索的半径直到搜索半径的域值 第二章油田配电网拓扑建模 为止，认为其关联末梢点。 为了生成油田配电网的原始拓扑需要定义三维数组4 r 存储节点和边的关联关系、 变量i 和j 为馈线段和端点的访问标志，然后采取如下步骤： 第一步：将馈线段的编码依次填入三维数组a t 的第一列中并将后两列初始化为一l ， 设置边的访问标志i = l 。 第二步：判断i 是否大于边的数目，如果是，则转向第九步；如果否，则转向第三 步。 第三步：从数组a t 中第一列的第i 条边的编号，利用g i s 平台获取馈线段的两个 端点对象p o n i t l 、p o n i t z ，并记录馈线段两个端点的坐标信息，i - - i + l 转向第四步。 第四步：从馈线段的两个端点中取出一个端点，令p o i n t = p o n i t l ，并置端点的访问 标志_ 1 ，令搜索半径为f r o ( r 0 为初始搜索半径) ，转向第五步。 第五步：对端点p o i n t 以半径r 搜索关联节点，对搜索的结果进行处理： 1 ) 如果找到一个关联节点，则将该节点的编号填入a t 的第i 行中后两列为1 的位 置，然后根据j 的值进行判断，如果j 的值为1 则转向第八步；如果j 的值为2 ，则转向 第二步； 2 ) 若未找到关联节点，则说明搜索半径过小，转向第六步； 3 ) 如果找到两个或两个以上的关联节点，表明搜索的半径过大，转向第七步。 第六步：判断搜索半径是否小于搜索半径的域值，若是，令r = t + h m 为每次搜索半 径增加的步长) ，h = 2 x h ，转向第五步；若否，再判断j 的值，若j = 1 ，则转向第八步， 否则转向第二步。 第七步：令h = o 3 5 h ，r = r - h ，转向第五步。 第八步：令p o i n t = p o n i t 2 ，j = 2 ，r = t 。转向第五步。 第九步：从g i s 平台上获得开关和t 接点的数目之和将其依次累加填入三维数组4 f 的后两列中为1 元素的位置。 三维数组a t 的后两列保存了节点间的邻接关系，这种形式描述的拓扑关系在进行 遍历、查找等操作时效率低下，还需将这种表述形式转化为甩邻接表d t 表示，这种转 化过程容易实现不再赘述。 2 3 2 馈线段与配电变压器从属关系的生成 油田配电网中的机采井用配电变压器的数量巨大，如果采用人机交互的方式来确定 变压器所从属的线路，工作量大且工作繁杂。但是油田配电变压器架设的位置一般与供 电线路间的距离非常小，可以利用g i s 平台提供的缓冲区分析功能来生成其从属关系， 对极少数的配电变压器再采用人机交互的方法来完成。 西安石油大学硕士学位论文 缓冲区是空间实体的影响范围或服务范围。 思想是给定一个空间实体或集合，确定其邻域， 象d j 的缓冲区定义为： 从数学的角度来讲，缓冲区分析的基本 邻域的大小由邻域半径r 决定。因此对 b i = 扛：d g ，0 3 - r ) 即对象p 的半径为r 的缓冲区为距q 的距离d 小于r 的全部点的集合。d 一般取欧 氏距离，但也可是选择其它定义的距离。对于对象集合 o = 0 j ：i = 1 , 2 ，n ) 其半径为r 的缓冲区是各个对象缓冲区的并，即： b = u e i = l 线空间实体的缓冲区如下图所示： 图2 3 线状空间实体的缓冲区 自动生成配电变压器与馈线段从属关系的算法：逐一生成每条馈线段的缓冲区，在 该缓冲区搜索配电变压器，将找到配电变压器记录所属馈线的两个字段分别填入当前馈 线段的两个端点的编码。对于少数的离馈线段比较远或是位于t 接点附近的配电变压器， 需要采用人机交互的方法来确定其从属关系。 为了生成配电变压器与馈线段从属关系需要定义堆栈f s 存储所有的馈线段编码和 堆栈g s 存储需要人工校正的配电变压器的编码，然后采取如下步骤： 第一步：初始化堆栈6 s 并将所有馈线段的编码填入堆栈f s 中。 第二步：判断堆栈f s 是否为空，若是，则转向第四步；若否，则转向第三步。 第三步：从堆栈中f s 弹出一个馈线段编码，利用g i s 提供的空间分析功能建立该 馈线段的缓冲区，在缓冲区内查找配电变压器，检查找到配电变压器存储所属馈线段编 码的两个字段，如果该字段为空，则将当前馈线段的编码填入对应字段中，转向第二步； 如果该字段的内容不为空，则不能确定当前变压器所从属的馈线段，需要人工选择，将 配电变压器的编码填入堆栈g s 中，转向第二步。 第四步：检查配电变压器是否存在尚未找到从属馈线段的，若不存在，则转向第五 第二章油田配电网拓扑建模 步：若存在，则将配电变压器的编码填入堆栈g s 中，再转向第五步。 第五步：判断堆栈g s 是否为空，如果是，则生成了配电变压器与馈线段的从属关 系；如果否，则依次弹出堆栈g s 中配电变压器的编码并根据编码找到当前配电变压器， 并将其在屏幕上渲染，通过人机交互的方法来确定配电变压器所从属的馈线段。 利用缓冲区生成配电变压器与线路的从属关系中，缓冲区半径r 的选择十分重要， 油田配电网中线路的架设与油井的分布有密切的关系，所以为机采系统供电的低压变压 器与线路的距离非常小，一般选择道路宽度的1 2 倍就可以满足要求。 2 4 小结 针对油田配电网规模大、节点和支路数目众多的特点，基于图论提出了浊田配电网 的简化拓扑模型。该模型将油田配电网看作图，将馈线段和配电变压器综合看作边 ( e d g e ) ，将油田配电中的开关、t 接点看作是节点( v e r t e x e s ) ，边由其两个端点的节点 编号描述；利用g i s 中的从属关系描述连接在边上的变压器与该边的关系。该模型有效 的减小了油田配电网的节点的数目。 提出了基于g i s 生成油田配电网拓扑模型的方法，通过基于“进退法”的变半径搜 索算法生成油田配电网的原始拓扑，即使在油田配电网接线图绘制不规范时仍可以准确 的生成油田配电网的原始拓扑；通过缓冲区分析生成配电变压器与线路的从属关系，避 免了大量的人机交互提高了油田配电网拓扑模型化的效率。 西安石油大学硕士学位论文 第三章油田配电网拓扑增量建模 3 1 油田配电网拓扑增量建模的意义 油田配电网的优化规划中往往需要频繁地对配电网进行局部的修改，并重新建立油 田配电网的拓扑模型，如果每次修改和变动都采用全局分析和拓扑建模，则操作比较繁 琐而且占用时间较长，尤其是油田配电网规模大、节点数量繁多，影响人机响应速度造 成油田配电网的规划、设计工作效率低下。 在第二章中提出了一种建立油田配电网拓扑模型的方法，采用该方法建立油田配电 网的拓扑模型与采用传统的方法来建模相比可以提高建模的效率。但是在油田配电网规 划过程需要不断对油田配电网的局部进行修改，修改后仍采用第二章论述的方法进行拓 扑建模，即采用全局拓扑建模，其效率与采用将拓扑变化部分追加到油田配电网模型的 增量建模中相比必然低下。 本章提出一种新的在油田配电网局部拓扑发生变化时快速生成拓扑模型方法，该方 法利用g l s 平台记录油田配电网规划过程中对油田配电网拓扑的影响范围，将范围内的 拓扑追加到已有油田配电网的拓扑模型中，即可以得到油田配电网拓扑变化后的拓扑模 型，避免了全局拓扑建模，提高了油田配电网优化规划过程中拓扑建模的效率。 3 2 拓扑编辑表 在油田配电网局部拓扑变化的时候，确定其影响范围是油田配电网增量建模的基础， 局部拓扑变化的影响范围可以采用变化节点和变化边的集合来反映。 定义拓扑编辑表r 是一个具有1 4 列的链表，其每一行反映一次编辑操作，每次编 辑操作可以是节点编辑操作( 删除第一个节点、删除第二个节点、添加第一个节点、添 加第二个节点、类型变更前的节点、类型变更后的节点) 和边编辑操作( 删除第一条边、 删除第二条边、删除第三条边、删除第四条边、删除第五条边、添加第一条边、添加第 二条边、添加第三条边) 。各列中的元素分别由p 和q 两部分构成。对于前6 列( 节点编 辑信息) 中，p 表示所编辑节点的编号，q 表示节点类型；对于后8 列( 馈线段编辑信息) 中，p 和q 分别表示所编辑边的两个端点的编号。节点编号从1 开始，因此，中所有空 闲的位置填写1 ，t 中各个元素的p 和q 的初值均填0 。 我们分别用t k , i ( p ) 和t k , i ( p ) 表示第k 次编辑操作下第i 列元素的p 和q 值。 第三章油田配电网拓扑增量建模 各个节点的坐标由g i s 平台自动维护。 拓扑编辑表丁按照时间的顺序清楚地记录了各次编辑操作的内容，因此很容易实现 “后悔”操作，退回若干次编辑操作前的状态。当撤消上一次编辑操作的影响时，只须 将该次编辑操作中对应项目的添加改为删除、删除改为添加、变更类型用变更前的节点 类型取代变更后的节点类型。 3 2 1 节点的添加 新添节点的编号在当前最大节点编号基础上依次顺序生成。若新添节点的编号为 v 。，则节点添加操作表示为a d v ( v 。) ，根据所添加节点类型的不同，处理方法各不相同， 即 1 ) 添加源点( 出线开关) ： 除了添加节点外，还要再增添一条与该源点相连的边，其端点为v h ，类型为末梢点， 即 k 3 ( p 产v 。k 3 ( q ) ；2 t k ，4 ( p ) 2 v ht k 4 ( q ) = 3 t k ，1 2 ( p ) = v 。t k ，1 2 ( q 产v h 2 ) 在边( v 。，v 。) 中间添加开关节点v 。： ( 3 1 一a ) ( 3 1 - b ) ( 3 1 - c ) 除了添加节点外，还要将边( v 。，v 。) 删去，并添加两条边( v 。，v 0 和( v 。，v 。) ，即 k 3 ( p ) = v 。t k ，3 ( q 户0 o 2 a ) t k ，7 ( p ) v 。k ，7 ( q ) = v n( 3 2 b ) t k ，1 2 ( p ) - v 。t k ，t 2 ( q ) _ v e( 3 ，2 一c ) t k l3 ( p ) = v et k ，13 ( q 产v 。( 3 2 一d ) 3 ) 在边( v 。，v 。) 中间添加t 接点v 。： t 接点需要有三个邻接节点，因此在边中间添b n t 接点时除了像在边中间添加开关节 点那样将原馈线段变为两条边外，还要再增添一条与该t 接点相连的馈线段，其端点为 v h ，类型为末梢点，即 t k 3 ( p 户v 。 k 4 ( p 声v h t k7 ( p ) ：v 。 t k ，】2 ( p ) = v 。 t k 13 ( p ) = v e t k1 4 ( p ) = v e t k j ( q ) 2 1 2 k n + 1 ( n 西安石油大学硕士学位论文 为1 ) t 表的当前行数) ，则e = n 年1 ，n = e ，并将第k 条记录之后( 包括第k 条记录) 的l 1 3 列中所有节点e 的编号都进行相应的修改。 接下来修改d t 表： d o , 1 k j ( q ) ( 3 - l 其中c - - - t k 。i ( p ) ( i - 3 或4 ) 。 3 ) 变更节点 若t k , 6 ( p ) = e ，( q 声g ( 护：o 3 ) ，则也，1 2 9 。 4 ) 删除遵 若t i c j ( p ) = m ，垴。( q ) - n ( i = 7 1 1 ) ，则： = l d ：篙，嚣脚一s b 挎砷 4 2 。j ( 若叱j ) j 2 “3叫 = - 1 ，赞，嚣j = 3 5 ( 3 1 5 - b ) d 2 ，( 若d 。m ) 5 ) 添加边 对于每次编辑操作，由于对节点的操作记录在前5 列，因此在对边增量建模之前已 经完成了节点的增量建模，即涉及到的节点已经添加到d t 表中了。 若t k j ( p ) = m ，t k ，i ( q ) = 丑( i 一1 2 1 4 ) ，则： 屯若奴j 一咀气锱j = 锄3 5 。， ( 3 t 6 - a ) 3 4 小结 钆= 侄。诺一蛆锱 。3 5 f 3 1 6 - b ) ，= 3 5 且， ， 针对在优化规划和设计中需要经常对油田配电网的局部进行修改，采用全局拓扑分 析与建模效率低下的问题，本章提出了一种油田配电网的拓扑增量建模算法。定义拓扑 编辑表丁为一个1 4 列的链表来记录编辑操作，每行反映次编辑操作，编辑操作可以是 节点的添加、节点的删除、节点的移动、节点类型的变更或边的添加和删除。详细论述 了编辑操作的处理方法，根据边的添加、删除、合并或分断，提出了一种在对边进行编 辑后边与配电变压器从属关系调整方法，提出了一种将拓扑编辑表中记录的配电网变化 第三章油田配电网拓扑增量建模 的局部拓扑追加到配电网的原有模型中的方法。由于避免了全局拓扑分析与建模过程中 在g i s 平台上进行的大量的搜索工作，因此增量建模算法与全局拓扑分析和建模相比， 显著提高了效率。 硝安石油大学硕士学位论文 第四章油田配电网的简化分析 4 1 油田配电网简化分析的意义 在前面的章节中论述了配电网拓扑建模算法和配电网拓扑的增量建模算法，解决了 油田配电网的拓扑模型化和拓扑局部变化时快速生成配电网的拓扑模型的问题，油田配 电网的拓扑模型解决了配电地理信息系统对数据的需求，可以实现供电范围分析、最佳 抢修路径等问题，但是不满足优化运行和优化规划的需求。 优化运行和优化规划中需要不断的对配电网进行分析，配电网的数学模型是配电网 分析的基础，传统建立配电网数学模型的方法需要将配电网上每一台配电变压器、开关、 t 接点等都看作是节点，在此基础上发展的n r 法、p - q 分解法和b x 法等方法。蚓o ， 会导致计算量和占用存储空间大、收敛困难等实际难题，严重影响配电网优化运行和优 化规划的效率，这迫使人们对大规模配电网的简化分析进行研究。 在文献 3 4 中提出了采用等效电压降落模型简化配电网潮流计算的方法，建立一个 等效的负荷代替线路上的负荷，该负荷与采用严格模型情况下馈线段两端的电压降落相 等，待用该等效符合进行潮流计算后再将其细致分解，得出馈线