1、东北电力大学本科毕业设计论文I本科毕业论文（20 届）基于主接线图的电网拓扑辨识所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期东北电力大学本科毕业设计论文II摘 要电力系统网络的拓扑分析变得越来越重要。对电网拓扑进行分析有利于监测电网的运行状态，并且当系统里元件的状态发生变化时有利于快速识别电网拓扑的变化。本文在基于主接线图的基础上提出了一种新的电力系统网络拓扑辨识法。电力系统网络基本结构的拓普信息可以通过关联矩阵得到。电力系统网络拓扑辨识主要适用于树形结构的电网络。主接线图上的每个节点和支路都可以用关联矩阵来表示。该方法就是利用关联矩阵对主接线图进行信息提取，然后利用关联矩阵的
2、传递性质来实现对电力系统网络拓扑结构的辨识。节点与节点之间可以利用联通矩阵，利用联通矩阵的对称性可以提高该算法的速度。关键词：电气主接线图；电网拓扑辨识；关联矩阵；连通矩阵ABSTRACTPower grid topology identification become more and more important. The electrical main wiring diagram reflects the number of generators, transformers, lines, circuit breakers and switches and other electric
3、al equipment. It is also related to the distribution device layout, protection and control mode selection and maintenance of safety and convenience. On the basis of the main wiring diagram, we put forward the method of using the correlation matrix to identify the topology of the network. This algori
4、thm denotes the basic topology of power network by node-branch matrix, defines an “AND-OR” multiplication of two matrices, then use the transmission characteristics of connectivity to implements the topological identification of power network. On this basis, using the node-branch incidence matrix an
5、d the symmetry of node-node connectivity matrix, the technique to quicken the calculation speed and its implementation method is put forward this algorithm can be implemented either by programming in assemble language or high level language, or by hardware such as single chip processor system or ASI
6、C. Keywords: Electrical main wiring diagram ; Electrical topology identification; Incidence matrix; Connection matrix东北电力大学本科毕业设计论文III目 录摘 要 .IABSTRACT.I目 录 .III第 1 章 绪 论 .51.1 课题背景及研究的意义 .51.1.1 课题背景 .51.1.2 课题研究的意义 .51.2 电网拓扑辨识研究的现状 .51.3 本文完成的主要工作 .7第 2 章 网络图论 .82.1 网络图论的基本概念 .82.1.1 图 .82.1.2 有向
7、图 .92.1.3 连通图与非连通图 .92.2 关联矩阵 .102.2.1 定义 .112.2.2 连通域与非连通域 .112.2.3 连通域的分离 .112.3 电网拓扑 .142.3.1 电网拓扑模型 .142.3.2 拓扑模型的表达 .162.3.3 广义乘法和广义加法 .182.3.4 拓扑的传递性质 .182.4 电网元件的等值方法 .202.4.1 厂站级网络拓扑 .202.4.2 元件级网络拓扑 .202.4.3 算法 .21第 3 章 矩阵算法 .23东北电力大学本科毕业设计论文IV3.1 矩阵法的描述 .233.2 矩阵算法举例和拓展 .243.3 矩阵法与传统法的比较 .
8、27第 4 章 主接线图的拓扑辨识 .284.1 主接线的基本形式 .284.2 主接线图的拓扑辨识 .304.3 算法的简化 .334.4 流程图 .33结 论 .36参 考 文 献 .37致 谢 .39东北电力大学本科毕业设计论文5第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的意义1.1.1 课题背景所谓电力系统网络拓扑结构指的实际上是电力系统网络内的各发电厂，变电所和开关站的布局，以及连接他它们的各级电压电力线路的连接方式。在电网发展初期，电网规模较小，电源布局对电网结构起重要作用。随着系统规模的不断扩大，尤其是互联大电网的形成，电厂的作用相对弱化，所以电力系统网络主结构的规划设计成为比较重
9、要的问题。电网之间互联，是各个国家电力发展的的客观规律，是世界各个国家电力发展的必然趋势。1.1.2 课题研究的意义在这样巨大的电网中，电网拓扑结构必然直接决定着电力系统是否稳定，是否存在安全隐患，能否在事故发生的第一时间解决故障等等。从电网发展的长远来看，为了谋求更多的经济效益和系统运行的稳定性，大电网取代小电网是趋势。从经济上看，在大区域的地理环境里，大电网可以更好的利用能源。大电网互联能够错峰调峰、水火互济、跨流域补偿调节、互为备用和调节余缺等。大电网可以实现电网之间的功率交换以及在更大范围内优化能源配置。从安全方面来看，小电网承受扰动的能力要比大电网明弱得多, 小电网因事故导致大停电的
10、概率相比大电网而言要高。研究不同的电网系统拓扑结构，对减少电网的运行风险有着非常重要的意义 1。1.2 电网拓扑辨识研究的现状由系统学原理，结构和功能是任何一个系统都存在的两种属性，系统的结构和功能是相互联系、相互影响。结构决定功能并且规定和制约着功能的性质与水平，限制着功能的范围和大小；功能就是结构的外部表现，结构的改变往往也会伴随着功能的改变 1。电网的拓扑结构将对电力系统的稳定性产生直接【正文各标题格式要求】1.第一级标题（即第*章）：小二黑体不加粗，章号与题名之间空两格，标题段前 0.5 行，段后 1 行，行距按 1.5 倍行距选择。2.第二级标题（如 1.1）：三号黑体不加粗，标号与
11、题目之间空两格，标题段前 0.5 行，段后 1 行，行距按 1.5 倍行距选择。3.第三级标题（如 1.1.1）：四号宋体加粗，标号与题目之间空两格，标题段前 0.5 行，段后 1 行，行距按 1.5 倍行距选择。4.各级标题原则上都不应出现标点符号5.各层标题均单独占行书写，第一级标题居中书写，第二级标题序数顶格书写，空两格接写标题，末尾不加标点，第三级和第四级标题均顶格书写序数，空两格写标题。第四级以下单独占行的标题须序采用 A.B.C.和 a.b.c.两层，标题均空两格书写序数，空两格写标题。正文中对总项包括的分项采用（1）、（2）、（3）的序号，对分项中的小项采用、的序号，数字加半括号
12、或括号后，不再加其他标占点。东北电力大学本科毕业设计论文6影响 2-4，如果一个电网的结构比较合理它能为可靠性提供物质基础，减少电力系统发生事故的概率，或者能快速灵活地从事故状态恢复到正常运行状态。因此，分析和研究电力系统网络拓扑结构，对于理解和掌握电力系统静态与动态行为 5、保障电力系统安全稳定运行具有非常重要的意义。在电力需求的日益增加下，这使得电力系统在我们的生活中至关重要。像其它网络（互联网，空中交通和道路）一样，电力系统也容易受到波动和故障。在某些情况下，一个很小的故障可能引发连锁故障，甚至导致大停电，这对电力设施会造成巨大的经济损失。为了保持电网的稳定运行，研究电力系统网络拓扑结构
13、是必要的。它可以减少事故的发生概率，如果出现问题也可以尽快处理问题防止发生更大的事故。因此，这需要深入研究电力系统的鲁棒性和脆弱性。长期以来，复杂电力系统网络理论已得到广泛地研究和分析。不同的复杂网络（例如生物系统、社会网络和网络网络）其潜在的问题更大并且急需解决。深入的研究表明，这些复杂的网络表现大量的拓扑特征。1998 Watts 和Strogatz 小世界网络表明，复杂结构的电网可以通过复杂的网络系统来研究。电力系统的研究提供了一个新的方向来了。基于图论的电力系统可以把它建模为一个图的节点和顶点，并进一步分析可以帮助识别的网络拓扑结构和定位故障的拓扑分析。目前的研究主要是增加电力网络结构
14、脆弱性分析现有的技术。电力系统安全稳定运行的基本条件是电网结构的合理性。一个结构确切而且拓扑变化较少的电网，它的稳定性问题是比较简单的。然而实际的电力系统是动态变化的电网络。由于负荷变化、故障跳闸、等一些原因，电力系统的拓扑结构往往会发生结构变化。其中主要表现在系统的元件变化以及开关运行方式的变化。比如线路、变压器、发电机等一些元件的投入或着退出。就是所谓的电力系统拓扑结构的小部分变化，也可能导致输电线路过负荷、过电压。过负荷设备会在继电保护的作用下退出运行；从而进一步扩大成较大范围的电网结构变化，甚至可能引起大面积的停电；更进一步导致整个系统的瓦解和崩溃。为了给电力系统提供安全稳定的运行状态
15、；防止运行方式以及电网拓扑结构变化时危及电力系统运行。研究不同的运行方式以及电网结构变化对系统运行造成的影响是非常重要的工作。不相同的系统运行方式和网络拓扑结构表现为不同支路的开断或闭合，在东北电力大学本科毕业设计论文7数学表达上是一个非常大的组合问题。在电力系统基本的拓扑结构基础上，考虑到可能的运行方式变化以及其它组合，基于特定的研究目标对各种运行方式进行排列，确定其中的最优运行方式，本文称其为电力系统运行方式的组合研究。最优运行方式是指对电力系统运行以及安全稳定影响最严重的运行方式。为了得到最优的系统运行方式来提高电网拓扑结构的安全性、经济性和鲁棒性，我们必须通过运行方式的组合来找到一个自
16、主的运行控制方法，为电网规划、无功优化和经济调度等提供指导和参考。电网运营商必须了解电网拓扑结构和需求，为了发电和调度的合理运行以及电网的稳定和安全。输电网运营商有着悠久的历史，使用状态估计法监测和规划电网，但在配电网实时测量时是极少用到的.必须推断状态估计法是电网的一个重要研究课题。估计电网状态通常分为两个相互关联的阶段。一个阶段是状态估计，在模拟量估计电压所有的位置和功率流向的所有线路。另一阶段是拓扑处理和拓扑错误检测，断路器状态信息是用来跟踪当前的拓扑结构电网和计算拓扑结构检测和校正。这两个阶段的迭代和组合的过程称为广义状态估计。未来智能电网将更加自动化，越来越多的将状态和拓扑估计技术用
17、在配电网中。随着电力系发电、输电和配电领域的发展以及能源的传输和分配领域的发展，利用数字技术，可以节约能源，降低成本，提高可靠性，提高电网的安全性，并减少温室气体排放，这种现代技术被称为智能电网。参考9提供了一个很好的概述，在智能电网发展中出现的状态估计是一个挑战。伴随着电力系统网状态估计技术的发展，国内外专家和从业人员都重视电力系统拓扑结构分析方法。建立反映拓扑结构的链表，然后通过处理链表实现拓扑分析是这种方法的特点。图论搜索虽然容易理解，但是比较复杂。在此基础上，一些专家和学者更进一步的深入地研究，然后做了改进。1.3 本文完成的主要工作本文主要的任务有以下几个方面：1. 通过查阅相关资料
18、了解电力系统的几种电网拓扑辨识法。【大论文正文书写要求】1.正文中任何部分不得打印到页边距之外，稿纸不得随意接长或截短。2.正文字数不少于1.5-2万字含设计分析与计算、实验及数据处理、程序等；可分为几章，每章标题为三号黑体字居中，正文内容为小四号字体不加粗，1.5倍行距，首行缩进二个字；3.公式应另起一行写在稿纸中央，一行写不完的长公式，最好在等号处转行，如做不到这点，在数学符号(如“+”、“-”号)处转行，数学符号应写在转行后的行首。公式的编号用圆括号括起放在公式右边行末，在公式和编号之间不加虚线；公式序号按章节顺序编号；重复引用的公式不得另编新序号。4.表格按章节顺序编号，表号、表题应放
19、在表格上方，表号、表题及表中用到文字应较正文小一号，采用五号宋体；表格允许下页接写，接写时表题省略，表头应重复书写，并在右上方写“续表”。此外，表格应写在离正文首次出现处的近处，不应过分超前或拖后。5.毕业设计(论文)的插图必须精心制作，线条要匀称，图面要整洁美观，插图应与正文呼应，不得与正文脱节。每幅插图应有图号和图题，按章节顺序编号，图中坐标应标注单位，图号、图题应放在图的下方，图号题及图中涉及的文字字号应较正文小一号，采用五号宋体。由若干分图组成的插图，分图用a,b,c标序，分图的图名以及图中各种代号的意义，以图注形式写在图题下方，先写分图名，另起行后写代号的意义。图应在描纸或洁白纸上用
20、墨线绘成，或用计算机绘图，应符合相应国家标准的要求。6.毕业设计(论文)中有个别名词或情况需要解释时，可加注说明，注释可用页末注(将注文放在加注页稿纸的下端)或篇末注(将全部注文集中在文章末尾)，而不用行中注(夹在正文中的注)。若在同一页中有两个以上的注时，按各注出现的先后，须序编列注号，注释只限于写在注释符号出现的同页，不得隔页。东北电力大学本科毕业设计论文82. 熟悉电力系统网络拓扑结构辨识在电网风险评估中的运用。3. 了解关联矩阵法对电网拓扑进行辨识的具体算法流程是怎样实现的。4. 使用关联矩阵的方法，写出算法流程图。东北电力大学本科毕业设计论文9第 2 章 网络图论2.1 网络图论的基
21、本概念基尔霍夫电流定律和电压定律说明了电路中在节点上各支路电流之间和在回路中各支路电压之间的约束关系，KCL、KCL 只与电路的几何结构有关，而与电路的性质无关 。只要一个电路的几何结构不变，支路电流和支路电压的2参考方向不改变，无论支路原件如何改变，列写的 KCL、KVL 方程也不会改变。因此可以不考虑元件的特性，将电路的各支路抽象成一些有向线段，自然也不会影响 KCL 方程和 KVL 方程本身。从电路抽象出来的由节点和有向线段组成的几何图形称为网络的线图，简称图。数学上研究几何图形的分支叫做图论，将图论应用于电网络就成为网络图论。2.1.1 图- + 12 364 +- 5 12 354
22、6（ a） （ b）图2-1 电路与图（a）原电路图；（b）有向图图 2-1（a）所示的电网络，相应的图如图 2-1（b）所示。图 2-1（b）所示的几何图形中的每一个线段叫做边，在电网络中则称为支路。线段的端点称为顶点，电网络中则习惯称为节点。图是一组顶点和边的集合，边的两端终止于顶点，也就是支路的每个端子都终止在节点上。对于电网络的图，图中每一条边都置于两个顶点之间，任意顶点上至少连接有两条边。以后在讨论网络图论时【正文各标题格式要求】6.第一级标题（即第*章）：小二黑体不加粗，章号与题名之间空两格，标题段前 0.5 行，段后 1 行，行距按 1.5 倍行距选择。7.第二级标题（如 1.1
23、）：三号黑体不加粗，标号与题目之间空两格，标题段前 0.5 行，段后 1 行，行距按 1.5 倍行距选择。8.第三级标题（如 1.1.1）：四号宋体加粗，标号与题目之间空两格，标题段前 0.5 行，段后 1 行，行距按 1.5 倍行距选择。9.各级标题原则上都不应出现标点符号10.各层标题均单独占行书写，第一级标题居中书写，第二级标题序数顶格书写，空两格接写标题，末尾不加标点，第三级和第四级标题均顶格书写序数，空两格写标题。第四级以下单独占行的标题须序采用 A.B.C.和 a.b.c.两层，标题均空两格书写序数，空两格写标题。正文中对总项包括的分项采用（1）、（2）、（3）的序号，对分项中的小
24、项采用、的序号，数字加半括号或括号后，不再加其他标占点。东北电力大学本科毕业设计论文10仍采用支路和节点的名称。如果图 的全部支路和节点的集合是图 G 的一个子集，则称图 为图 G 的Gi i子图。图 2-2 中， 、 、 均为图 2-1（b）所示图 G 的子图，其中, 仅123 3有一个孤立节点，称 为图 G 的退化子图。还有一种子图是它包含原图的全部3节点，这样的子图称为生成子图。2.1.2 有向图如果图 G 的每一条支路都有规定的方向，则称图 G 为有向图。图 2-1（b）所示的就是有向图。对被描述的电网络而言，支路上标出的箭头方向只表示支路电流和支路电压的参考方向，不像某些物理系统真正具有单向性，因此，也可以将这种有向图称为定向图。对于支路电流和支路电压的参考方向而言，若无特别说明的均视为关联参考方向。2.1.3 连通图与非连通图 24G16535G2G3图2-2 图的子图
