（计算机应用技术专业论文）水电仿真软件中电力网络拓扑分析与虚拟潮流计算.pdf

y 舢1 1 1 1 1 1 8 4 2 i l l l l 0 咖1 1 1 1 1 1 8 m l at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e ra p p i i c a t i o nt e c h n o l o g y a n a l y s i so fp o w e r n e t w o r k t o p o l o g y a n dv i r t u a ll o a d f l o wc a l c u l a t i o ni nh y d r o p o w e rs i m u l a t i o ns o f t w a r e b yg o n gh o n g y a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r x u j i u q i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 l，j_r 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 思。 学位论文作者签名： 奎弓y 彬 签字e i 期：砂叼2 p 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 一撕l 钠签名：尽邓 签字日 期：力州善、签字日期：沏耀。z 狁 l|i i ， i】-jl 1 1 j l i 水电仿真软件中电力网络拓扑分析与虚拟潮流计算 摘要 电力系统潮流计算是是电力系统规划设计与运行分析的基本工具。由于电网结构的 复杂性，电力系统分析、学员培训等必须依靠电力系统仿真软件。潮流分析是电力系统 仿真分析软件中最基本和最重要的内容，它根据给定的运行条件及系统接线情况确定整 个电力系统各部分的运行状态。 潮流计算以导纳矩阵为基础，电网的网络拓扑是节点导纳矩阵的基础，得到电网的 及时拓扑信息是潮流计算的关键。若不能及时准确地随着开关状态变化修改网络拓扑结 构，就会造成分析结果的错误。本文将电力系统网络拓扑的静态和动态分析与电力系统 的潮流计算两个问题结合起来，构成一个整体，可实时地随着开关等电气元件信息的变 化，进行动态虚拟潮流计算。 基于面向对象技术，可视化技术可以通过图形化界面实现分析和计算的统一。本文 以图形化的丰满水电仿真v 3 0 软件为背景，分析并实现了电力网络元件模型，在虚拟 电网的基础上动态形成导纳矩阵，提出了一种实用的虚拟潮流计算方式。工作主要针对 电网规划阶段各种不同的电网接线方式模拟电网运行，通过拓扑分析实现与潮流计算的 接口，实现了一个潮流计算的具体电网的数学模型，利用经典的p q 分解法进行潮流计 算，最后通过典型算例系统的仿真，证明了潮流计算的有效性。 关键词：电力网络；仿真软件；网络拓扑；潮流计算；面向对象；节点导纳矩阵 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i so fp o w e rn e t w o r kt o p o l o g i c a la n dv i r t u a ll o a df l o w c a l c u l a t i o ni nh y d r o p o w e rs i m u l a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t p o w e rl o a df l o wc a l c u l a t i o ni sab a s i ct o o lf o rs y s t e mp r o g r a m m i n ga n do p e r a t i o n a l a n a l y z i n gi np o w e rs y s t e m f o rt h ec o m p l e x i t yo ft h es t r u c t u r eo fp o w e rn e t w o r k ，a l la n a l y s i s o fp o w e rs y s t e ma n ds t u d e n t st r a i n i n gs h o u l dd e p e n do np o w e rs y s t e ms i m u l a t i o na n a l y s i s s o f t w a r e p o w e rl o a df l o wa n a l y s i si st h em o s tf u n d a m e n t a la n di m p o r t a n tc o n t e n to fp o w e r s y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r e ，w h i c hc a nd e t e r m i n et h eo p e r a t i o ns t a t u so fe a c hp a r ti nt h ew h o l e p o w e rs y s t e ma c c o r d i n g t ot h eg i v e no p e r m i o nc o n d i t i o n sa n ds y s t e mc o n n e c t i n gs t a t u s p o w e rl o a df l o wc a l c u l a t i o ni sb a s i cw i t hb u sa d m i t t a n c em a t r i x p o w e rn e t w o r k t o p o l o g yi st h eb a s eo fb u sa d m i t t a n c em a t r i x a n db u sa d m i t t a n c em a t r i xi st om a k er u b b i n g 、肮mt h ec h a n g eo fn e t w o r kt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e i fw ec a nn o tm o d i f yn e t w o r kt o p o l o g i c a l s t r u c t u r ei nt i m ea c c u r a t e l ya l o n gw i t ht h es w i t c hl o c a t e ds t a t ec h a n g eo fr e a lt i m et om a k e r u b b i n g ，w i l lc a u s er e s u l tm i s t a k e t h et h e s i sl i n k su pv i r t u a ll o a df l o wc a l c u l a t i o na n d n e t w o r kt o p o l o g i c a la n a l y s i si np o w e rs y s t e ma saw h o l et ot a k ev i r t u a ll o a df l o wc a l c u l a t i o n o fr e a lt i m ew i t ht h ec h a n g eo ft h es w i t c h b a s e do no b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yf o u n d a t i o n , t h eu n i f i c a t i o no ft h e a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni sr e a l i z e dt h r o u g ht h eg r a p hc o n t a c ts u r f a c e i nt h ef o u n d a t i o no f w a t e r p o w e rs i m u l a t i o ns o f t w a r ev 3 0 ，w ea n a l y z e dp o w e r n e t w o r kt o p o l o g i c a lm o d e l b a s e d o nav i r t u a lp o w e rn e t w o r k , b u sm a t r i xw a sg i v e nd y n a m i c a l l y t h et h e s i sp r o p o s e sav i r t u a l l o a df l o wm e t h o d i nt h e p r o g r a m m i n go fp o w e rs y s t e m ，t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ec a n m o d u l a t ea n yo fc o m p l e xp o w e rs y s t e ma n de f f e c t i v e l ys i m u l a t et h ep o w e rs y s t e m t h e i n t e r f a c eo fl o a df l o ww a sr e a l i z e dt h r o u g ht o p o l o g i c a la n a l y s i s w ef o u n d e dal o a df l o w c o m p u t a t i o nc o n c r e t ee l e c t r i c a ln e t w o r km a t h e m a t i c a lm o d e l f i n a l l ya l le x a m p l ei sg i v e n t h ep r o c e d u r ew a sa n a l y z e db yu s eo fp qm e t h o d t h et h e s i sv a l i d a t e st h er a t i o n a l i t yo ft h e v i r t u a lp o w e rl o a df l o w k e y w o r d s ：p o w e rn e t w o r k ；s i m u l a t i o ns o f t w a r e ；n e t w o r kt o p o l o g y ；l o a df l o w ； o b j e c t - o r i e n t e d ；b u sa d m i t t a n c em a t r i x i i i ， 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 电力系统潮流计算相关知识1 1 2 电力系统虚拟潮流计算的意义2 1 3 电网网络拓扑分析的引入4 1 4 论文的章节安排：5 第二章电网网络拓扑分析的基本方法7 2 1 电网网络拓扑分析概述7 2 2 电力系统的接线方式7 2 3 网络拓扑分析的基本知识8 2 3 1 拓扑分析的图论基础8 2 3 2 电网网络拓扑分析的步骤1 3 2 4 电网网络拓扑分析的邻接矩阵法1 4 2 4 1 矩阵的逻辑运算j5 2 4 2 邻接矩阵分析法简介l7 2 4 3 邻接矩阵分析法的局限性1 9 2 5 电网网络拓扑分析的树搜法1 9 2 5 1 树搜分析法简介1 9 2 5 2 深度优先分析2 0 2 5 3 广度优先分析2 0 2 5 4 深度优先搜索法的局限性2 l 第三章电网元件建模与拓扑分析2 3 3 1 电网元件建模2 3 3 1 1 电网元件模型的层次结构2 4 3 1 2 电网元件对象2 5 3 2 电网元件的自动连接2 9 3 3 静态网络拓扑分析：3 0 3 3 1 等值节点分析3 0 3 3 2 电气岛分析3 2 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 动态网络拓扑分析3 2 3 4 1 断路器合闸操作的拓扑追踪3 2 3 4 2 断路器跳闸操作的拓扑追踪3 4 3 5 电网导纳矩阵的形成3 6 第四章电力系统虚拟潮流计算3 7 4 1 潮流计算的数学模型3 8 4 1 1 节点网络方程式3 8 4 1 2 潮流计算的定解条件4 0 4 2p q 分解法的潮流算法4 2 4 2 1 牛顿拉夫逊法的基本原理4 2 4 2 2p q 分解法的原理4 4 4 2 3p q 分解法的特点4 7 4 2 4p q 分解法的计算步骤4 7 4 3 潮流计算功能设计4 8 4 3 1 潮流模块触发条件4 8 4 3 2 潮流计算主要子模块4 8 4 4 虚拟潮流模块总体结构4 9 4 4 1 虚拟电网配置4 9 第五章算例分析5 l 5 1 系统界面5l 5 2 程序流程图：5l 5 3 算例分析5 2 第六章总结与展望5 5 6 1 对论文工作的总结5 5 6 2 前景展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l 攻读硕士期间发表的论文6 3 一v 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统潮流计算相关知识 电力系统是当今世界最庞大的人工系统，它包括发电、输电、配电和用电四个环节， 对其运行的最基本要求有三点：保证安全可靠的供电、合乎要求的电能质量、良好的经 济性。随着国民经济的进一步发展，社会各部门对电力系统提出了更新、更高的要求， 当今电力系统j 下朝着超高压、大容量、远距离的输电方式发展，全国电网区域互联也成 为一种必然的趋势。这样的发展趋势在很大程度上提高了系统运行效率，增加了经济效 益，促进了对能源的合理开发和利用，减轻了对环境保护的压力，但同时也给电力系统 的安全运行带来了新的问题。由于电网结构的复杂性，其运行分析必须依靠电力系统分 析软件，依据计算结果确定各发电厂的出力、功率如何平衡、如何调控负荷、怎样发电 量最经济、怎样输电量最经济、以怎样一种方式运行最为安全、预想事故对策等等。 电力系统仿真是电力系统进行科学研究和教学培训必不可少的方法，在电力系统的 计划、调度、运行的安全性与可靠性等方面，都提供了强大的技术支持，也是进行岗位 技能培训的最行之有效且可行的形式，已经成为电力系统研究、计算、运行的有力工具。 电力系统仿真培训能在不影响实际系统正常运行的前提下，逼真地模拟实际系统的各种 工况、动态过程、状态改变或事故发生时的应有反应、工作环境等，让受训人员有身临 其境之感。仿真培训能在短期内使运行人员获得仅在实际环境下几年甚至几十年的运行 经验，在仿真环境下还能体验到实际中罕见的一些事故异常情况并进行正确处理i i # j 。 电力系统仿真分析软件又由网络状态估计、潮流计算、安全分析等可以不断延伸的 各种分析与控制功能组成。在这些众多功能中，潮流计算是其基本的工具，它根据给定 的运行条件及系统接线情况确定整个电力系统各部分的运行状态，是电力系统运行、规 划、设计以及安全性、可靠性和优化的基础，也是各种暂态分析的基础和出发点。现代 电力系统规模庞大、结构复杂，其规划、设计、和运行均需借助电子计算机进行潮流计 算分析。近几十年来，随着电力系统规模的不断扩大与结构的日益复杂、电力系统自动 化水平的提高和计算机技术的日新月异，电力系统潮流的计算机算法也在不断地进步与 更新。 电力系统网络拓扑分析是电力系统分析软件的一个重要的功能模块，网络拓扑分析 是各种功能模块的前提，用于各种网络分析中，如动态着色、状态估计、潮流计算、电 压无功优化、故障分析和调度员模拟培训等。电力系统中的断路器、刀闸、线路、变压 器、负荷及发电机等设备的端口节点称为物理节点。通过闭合的断路器、刀闸支路连接 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在一起的节点集合称为母线。而通过线路及变压器等支路而联结在一起的母线集合称为 拓扑岛( 也称孤岛) ，网络拓扑分析就是要根据断路器、刀闸等设备的状态将网络一次 接线的节点模型转化为计算用的母线及拓扑岛模型。并在此基础上建立节点导纳矩阵， 为状态估计、潮流计算等应用软件服务。 这里提到节点导纳矩阵，下面简单给出其相关的几个定义，第四章给出了详细的定 义。 ( 1 ) 导纳：导纳是阻抗的倒数，其单位是西门子( s ) ； ( 2 ) 阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻 抗。阻抗常用z 表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。阻抗 的单位是欧。 ( 3 ) 导纳矩阵：n 个独立节点的网络，n 个节点方程y u = i ，y 称为节点导纳矩阵， 显然导纳矩阵是对称的，其中对角线元素y i i 称为节点i 的自导纳，非对角元素y i i 称为 节点i 与节点j 的互导纳。 1 2 电力系统虚拟潮流计算的意义 电力系统潮流计算是电力系统分析中最基本和最重要的计算。随着电网规模的不断 扩大，电力系统变得越来越复杂，电力系统的一些故障分析以及优化计算也需要有相应 的潮流计算配合，潮流计算的主要意义在于去寻求一个电力系统优质、安全、经济的最 佳运行方案。具体地说，潮流计算的任务就是编制系统的日调度计划、季度和年度电气 设备检修计划，确定电力系统中变压器分接头位置和系统中枢点与电压控制点的电压曲 线，进行事故与运行方式的分析，为电力系统短路和稳定计算提供数据，为继电保护及 自动装置整定、为电力系统设计与规划提供依据。 电力系统的迅速发展使得针对大型电力系统的仿真计算显得尤为重要，仿真计算不 仅为电力系统的规划，而且为电力系统的计划、调度、运行的安全性与可靠性等方面都 提供了强大的技术支持，电力系统无法离开仿真这个工具已是不争事实。为了对电力系 统进行安全可靠的实时监控，需要根据s c a d a ( 数据采集与监控控制s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 实时数据库所提供的信息，随时判断系统当前的 运行状态并对预想事故进行安全分析，在这种情况下，更需要进行模拟在线潮流计算。 目前随着城乡电网改造工程的大力实施，配网潮流计算在地、县级调度自动化中也 得到了广泛的推广和应用，由于配电线路条数多，每条线路带不同数量的配变，配网运 行方式变化频繁，线路、配变的切换及拆装使线路结构经常变化。因而配网潮流计算的 数据输入工作量极大且易出错，故必须采用可视化计算工具，结合配网特点进行潮流计 算。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 潮流计算问题在数学上一般属于多元非线形代数方程组的求解问题，必须采用迭代 方法求解，早期是手工计算，随着计算机软硬件技术的发展，自上世纪5 0 年代中期开 始使用计算机求解。潮流计算是电力系统各种问题中投入研究力量最多的领域之一，陆 续取得了大量的研究成果，这些成果除了开拓各种特殊性质的潮流计算问题外，更多的 是属于在当时的计算机软硬件技术水平下为了提高计算性能而提出的一系列的算法。这 些算法主要考虑如下四个方面【3 j ：计算速度；计算机内存占用量；算法收敛性；程序设 计的方便性以及算法扩充移植等的通用灵活性。 长期以来，由于计算机技术水平的限制，数据以批处理方式进行，不能进行交互处 理，显得与实际应用的差距较大，而且不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等 待计算结果的输出。而大量的输出数据也只能采用人工方式处理，这样做，不仅不能及 时地得到有关数据的直观、形象的整体概念，而且还有可能丢失大量有用的信息。 早期的潮流计算研究着眼点在各种算法的研究上，随着经济的发展，电网规模不断 扩大，当系统的节点数达到成千上万的时候，传统的非图形界面的单纯潮流计算软件在 电力系统分析中存在很多不足，一方面系统元件的结构参数录入变得非常困难，增减其 中的一个节点将会影响全局，有时数据甚至可能要全部重新录入，系统的扩充和维护性 变得很差。另外，潮流计算的结果以表格输出，直观性差，当系统规模非常大时，这样 的潮流计算软件几乎没有实用性可言。尤其让人头疼的是，要花费大量时间来准备和填 写计算所需的数据文件。因此，开发一套可视化的、易学易用的电力系统潮流计算软件， 使运行调度人员能在良好的人机界面下，实现快速准确的数据录入、计算分析和结果显 示，就具有非常重要的意义。 ， 科学计算可视化是8 0 年代末提出并发展起来的- - f l 新兴技术，它将科学与工程计 算、测量等所产生的大规模数据转换为直观的图形图像显示，是洞察数据内含信息的关 系和规律的有效方法。工程实际中，数据可视化可以大大加快数据的处理速度，使大量 数据得到有效利用，一方面可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能 够观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具；另一方面，可以实现 对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响。 由于在应用上有着迫切的需求，可视化技术的发展十分迅速。进入9 0 年代，可视化向 实用方向发展，并在一些领域获得初步应用。 可视化技术在电力系统中的应用研究在近几年取得了极大的发展，图形技术和电力 系统分析工具结合成为可能，极大地促进了对电力系统的监控、分析和管理。如配网 g i s ( 地理信息系统g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 系统，电力设备可视化 管理系统，数据采集及监控系统等等。可视化潮流计算在使用的便易性，原始结构数据 的录入方面，在结构参数的修改方面，在运行参数的调整方面，对计算和编程过程的引 - - 3 - 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 导和控制方面，在计算结果的观察和分析方面，比之常规单纯的潮流计算有极大的优越 性，可视化技术必将在工程实际中得到广泛的应用。 计算机仿真又称计算机模拟或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统的仿真模 型进而在电子计算机上对该仿真模型进行仿真实验的过程。计算机仿真方法的产生是与 电子计算机技术的发明和应用紧密相联的。目前，无论在科学研究还是技术开发和工业 设计中，计算机仿真技术都显示出强大的威力，已成为人们研究复杂系统时不可缺少的 一种。 本文基于图形化的水电仿真系统v 3 0 软件，在3 0 版本中我们成功引入了基于组件 开发的可视化技术，使得整个系统可以任意配置。通过软件这个虚拟环境所提供的控件， 可以配置出任何复杂的虚拟电网的主接线图，设置相应的线路、变压器、发电机、负荷 等，并且可以设置控件的参数，运用后台模型，模拟电网运行，利用我们建立的潮流计 算模型，计算出电网潮流分布。对电网规划阶段以及探求更好的电网接线方式给与数据 支持，针对电力系统复杂的特点我们提出了虚拟潮流计算模式。 随着电网建设的日趋完善，网络的复杂程序也随之增加，一个节点参数的变化就会 引起众多相关节电参数的变化。潮流计算依赖这些参数，从而给潮流计算提出了更高的 要求，因此我们引入了电网网络拓扑分析。 1 3 电网网络拓扑分析的引入 网络拓扑分析( n e t w o r kt o p o l o g y ) 又称网络接线分析，电力系统网络拓扑分析的 主要功能是根据网络中实时开关状态将网络的节点模型( 物理模型) 转化为用于计算的 等值节点模型( 数学模型) 。网络拓扑分析是电力系统中各种分析计算功能的基础，跟 踪电网拓扑，一方面给调度运行人员提供电网的运行状况；另一方面是为了得到实时系 统网络拓扑的等值表示，得到对电力系统进行各种数值模拟分析有关的原始数据，实现 电网拓扑表达模型和常规数值计算方法的接口。在文献【4 】中，国内外很多学者对输电网 络和配电网络的拓扑分析进行了广泛的研究，提出了一系列分析方法。 拓扑分析的任务就是根据开关和网络元件实时状态，由电网的节点模型产生电网等 值节点模型的过程，并自动划分发电厂、变电站的计算用节点数，形成新的网络接线。 电力系统实时状态的变化，可能是切除投入发电机，或切除投入负荷；可能使变 电站的母线对应的计算用节点( 等值节点) 发生变化，变化的结果可能是几个节点合并 成一个等值节点或等值节点分解成几个等值节点；还可能引起电网的开环、合环，解列 或并列等。 电力系统实时拓扑分析的要求有： ( 1 ) 快速性：拓扑分析是各种运行方式的出发点，希望尽可能快速。由于在实际 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电力系统中，某个变电站的某个开关状态发生变化，不一定影响到网络中其他部分拓扑 结构的变化，甚至有可能都不影响本变电站其他电压等级元件的拓扑结构。因此，这就 需要设计出合理的分析方法，尽可能缩小动态追踪的范围，以便能快速有效的跟踪系统 中拓扑结构的变化； ( 2 ) 方便性：电力系统的网络拓扑分析结果要求直观简单。对于判断电网中某一 个元件是否处于停运状态，可以通过其所联接的开关状态或判断其所属电气岛是否为活 岛来决定。由于在拓扑分析过程中经常出现等值节点的分裂和合并，因此，等值节点的 编号也需要在分析过程中重新形成； ( 3 ) 可靠性：对任何形式的实际电气接线( 带旁路的双母线接线、3 2 断路器接线、 角型接线等) 均能无一例外地进行正确处理。 在电力系统仿真分析软件中，电网网络拓扑计算程序主要针对电力网络出现的元件 动作进行实时的网络结构变化，同时对网络中发生的倒闸操作、断路器断开、重合闸等 一系列动作进行相应的模拟，并根据实际情况在一定时间内完成导纳矩阵的相应修改， 然后将求得的导纳矩阵用于网络状态计算。由于电力系统仿真分析软件面临的主要是大 系统复杂网络的计算，因此它的节点导纳矩阵相当庞大，要完成上面的工作往往需要处 理大量的数据。另一方面仿真软件又要求具有实时性，即是说在动态网络拓扑部分需要 在规定的时间内完成很大的运算量，同时还要给后面的潮流计算分析留出足够的时间。 因此能否在较短时间内完成动态网络拓扑运算直接关系到整个程序的运算速度，也直接 影响到仿真程序的性能。为此，需要在动态网络结构计算的各个环节采取相应的措施， 在不影响精度的前提下降低计算量，减少计算时间。同时电力系统仿真软件还要求系统 的控制、操作过程的真实性，因此对倒闸操作、断路器操作等动作的模拟是否能体现实 际情况，关系到了仿真程序的实用性。寻找到更好的处理这些问题的方法，对仿真程序 的开发，仿真技术的进一步完善有着重要的意义。 因此，电力网络接线分析的错误或者不及时必然带来网络分析误差，这样使得电力 系统中其他分析计算就不能真实的反映网络的实际状态，而在实际操作中接线分析错误 更可能带来电气事故和人身伤亡。 1 4 论文的章节安排 第一章：分析了本课题的背景，阐述了电力系统虚拟潮流计算的意义，针对电力系 统的特点，提出了虚拟潮流计算方式，并且分析了引入电力系统网络拓扑分析的意义， 最后介绍了我们所开发的水电仿真软件。本文重点研究以仿真软件为背景的电力网络拓 扑分析和潮流计算模块。 第二章：依据图论的理论详细介绍了电力网络拓扑分析的基本方法，对比了两种基 - - 5 _ 东北大学硕士学位论文第一章绪论 本分析方法，并介绍了电力网络拓扑分析的两个基本步骤。 第三章：利用面向对象思想对电网元件进行建模，并实现了电力网络静态拓扑分析 和动态拓扑分析的全过程。 第四章：介绍了电力系统潮流计算的基本数学模型，最后对虚拟潮流计算模块的功 能设计进行了简要的分析。 第五章：通过算例分析对系统做出了评价。 第六章：对论文的研究工作以及贡献做出了总结并且针对电力仿真系统潮流计算的 发展做出了展望。 东北大学硕士学位论文第二章电网网络拓扑分析的基本方法 第二章电网网络拓扑分析的基本方法 2 1 电网网络拓扑分析概述 网络拓扑分析的本质是把用节点描述的物理模型转化为用母线描述的数学模型 3 7 - 3 8 】。拓扑分析主要由厂站组态分析和网络组念分析两部分组成，厂站组态分析是根据 厂站内开关的状态，将由闭合开关( 或闸刀) 相连的所有母线段( 物理节点) 集合成一 个逻辑节点；网络组态分析则是根据网络中支路( 线路和变压器) 的连接关系，将有电 气联系的逻辑节点归结为一个子系统。 物理模型，它是对网络的原始描述，拓扑分析的输入数据用此模型。母线模型也称 为计算用模型( 或逻辑模型) ，它与网络方程联系在一起。物理节点是静态的，丌关状 态的变化不会影响节点，而母线是动态的，随开关状态而变化，因此在填写电网的功率 缓冲点和电压控制点时应填写元件号而不该填母线号，只有节点号具有永久性，母线号 随开关状态而变化。 电力系统实时开关状态的变化，可能是切除或投入发电机、负荷、电容器、电抗器， 也可能是母线分裂或合并、支路开断，也可能是电网的开环、合环、解列或并列等。实 际电网中开关的数量可能达到几百或几千，拓扑分析需要进行大量而复杂的逻辑运算。 实时网络分析软件要求快速、准确的反映电气联系，因此，应该提高拓扑处理的速度。 为了满足实时性的要求，需寻求高效的拓扑分析算法，它既能保证对各种复杂结线的可 靠分析，又可以尽可能的减少计算量，提高拓扑处理的速度，使得用于网络分析的当日仃网 络结构与实时系统保持一致。 2 2 电力系统的接线方式 电力系统的接线表示电力系统的连接情况，一般可用地理接线图和电气接线图二种 形式，它们对电力系统表示的侧重面不同。电力系统的地理接线图主要显示该系统中发 电厂、变电站的地理位置，电力线路的路径及长度，以及它们相互间的连接。电力系统 的电气接线图主要显示该系统中发电机、变压器、电力线路及母线和断路器等主要元件 之间的电气接线。 发电厂或变电所的电气主接线，按其功能要求组成的变换电压等级及汇集和分配电 能的电路，它又常被称为发电厂，或变电所的一次接线或电气主系统。用规定的设备文 字和图形符号按实际运行原理排列和连接，详细地表示高压电气设备的全部基本组成和 连接关系的单线接线图，称为发电厂或变电所的电气主接线图。 一7 东北大学硕士学位论文第二章电网网络拓扑分析的基本方法 主接线代表了发电厂或变电站电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组 成部分。它直接影响运行的可靠性、灵活性，并对电气设备选择、配电装置布置、继电 保护自动装置和控制方式的拟定都有决定性的作用。因此，主接线的j 下确、合理设计必 须综合考虑各方面因素，经技术经济比较后方可确定。图2 1 为元宝山厂、董家变、沙 河营变5 0 0 k v 系统的主接线图。 辽冈i 变 图2 1 电网接线图 f i g 2 1p o w e rn e t w o r kw i r i n gd i a g r a m 2 3 网络拓扑分析的基本知识 电网的网络拓扑分析主要基于电力系统的主接线图，电力系统网络拓扑分析的方法 主要有两种，分别是基于邻接矩阵的矩阵算法和树搜索法，后者又包括广度优先搜索 ( b f s b r o a df i r s ts e a r c h ) 和深度优先搜索( d f s d e e pf i r s ts e a r c h ) 两种方法。网络拓 扑分析的两种方法都用到了图论】的重要知识，图论在网络拓扑分析中起着重要作用， 首先介绍用到的图论的一些基本知识。 2 3 1 拓扑分析的图论基础 1 8 4 7 年基尔霍夫应用图论的方法来分析电力网络，奠定了现代网络理论的基础。随 着1 9 3 6 年哥尼格发表的第一本图论专著，图论成为了一门独立的学科，从此图论得到 了快速发展。其应用范围覆盖了从自然科学到社会科学的广阔领域，包括：电信网络、 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章电网网络拓扑分析的基本方法 电力网络、控制论、可靠性理论、计算机程序设计、人工智能、地图着色、遗传学等。 本节首先介绍图论的基本概念和网络拓扑分析中用到的有关图论的基本知识。 2 3 1 1 图 一个图g 是有p 个顶点的非空有限集合v 和预先给定由v 中不同顶点的q 个无序 对构成的集合e = 耳g ) 组成，记做g = ( kd 。e 中每个顶点对( u ，d 称为g 的边，如果 用e 表示这条边，则记作e = ( u ，叻或记作e = u 。称u 、v 是边e 的端点，且称u 和v 是 邻接的顶点。简单的说，图就是顶点和边的集合。图的顶点可以表示事物，边表示事物 之间的关联关系。 2 3 1 2 子图 所有的顶点和边都属于图g 的图成为g 的子图。含有g 的所有顶点的子图成为g 的生成子图。 设顶点集合v l 是图g 的顶点集合v 的一个非空子集，以v 1 为顶点集，以两端点 均在v 1 中的边的全体为边集的子图成为g 的导出子图，记作g ( v 1 ) 。导出子图g ( y ) 记作g 一，它是从g 中删去v 1 中的顶点以及与这些顶点相关联的边所得到的子图。 在图2 2 中，g 1 是g 的生成子图，g 2 是g 的导出子图。 v l v 4 v l v 4 v v l v 4 ( g ) ( g 1 )( 0 z ) 图2 2 图、生成子图与导出子图 f i g 2 2g r a p ha n dc r e a t i n gc h i l dg r a p h ，e d u c i n gc h i l dg r a p h 2 3 1 3 通路与连通性 连通性是一个图的最基本的性质之一。一个图的一条途径是一个顶点和与该顶点相 连的一条边的交替序列u = v o e a v l e 2 y n l e