一种电力系统拓扑抽象与SPICE网表自动生成方法及系统与流程

本发明属于电力系统自动化，具体涉及一种电力系统拓扑抽象与spice网表自动生成方法及系统。

背景技术：

1、变电站二次回路用于实现继电保护装置、测控装置、智能终端、合并单元以及端子排等设备之间的电气连接和信号传递，其连接正确性、回路阻抗及二次负担等参数，直接影响继电保护动作可靠性、测量准确性以及变电站自动化系统的运行安全。因此，在二次回路设计和校核阶段，通常需要对其进行电气仿真分析。

2、spice仿真工具能够基于电气节点、支路元件及元件参数建立可计算电路模型，可用于二次回路的电气仿真。然而，现有技术中，将二次回路设计数据转换为spice仿真模型主要依赖人工完成。常见方式包括：使用通用spice原理图编辑器手工放置元件并连接节点；基于电气cad图纸人工提取端子、电缆和连片关系后再建立仿真模型；或者由工程师直接手工编写spice网表。

3、上述方式均存在不足，例如，通用spice原理图编辑器以电路元件为基本操作对象，工程师需将设计图纸中的物理接线关系逐一手工翻译为电路元件和节点连接。电气cad软件主要面向工程制图需求，其数据模型以图形和标注为核心，并非为生成可计算的电路拓扑而设计。手工编写spice网表则要求工程师同时掌握二次回路设计规则和spice语法，在面对含大量设备和端子的实际工程时，效率低且易产生连接错误。

4、上述问题产生的根本原因在于：二次回路的设计与仿真之间存在语义层级的错位。工程师以“物理接线”为操作对象，关注的是设备、端子、电缆之间的实际连接关系；而现有仿真工具以“电路元件”为操作对象，关注的是节点、支路、元器件的电气属性。两套语义体系之间的鸿沟完全由人工填补，导致设计到仿真的转换过程成为整个工程流程中的效率瓶颈和质量风险点。

5、因此，针对上述技术问题，有必要提供一种电力系统拓扑抽象与spice网表自动生成方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电力系统拓扑抽象与spice网表自动生成方法及系统，其能够解决背景技术中提出的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的技术方案如下：

3、一种电力系统拓扑抽象与spice网表自动生成方法，包括s1、获取二次回路的层次化物理接线模型、s2、将所述层次化物理接线模型的数据加载至内存和s3、基于所述分组信息映射表和端子标识映射表，s2、将所述层次化物理接线模型的数据加载至内存构建分组信息映射表和端子标识映射表；s3、基于所述分组信息映射表和端子标识映射表按照固定顺序对所述层次化物理接线模型中的端子、外部连接线和内部连接图进行多层渐进式拓扑合成，逐层向统一的节点边图中间表示中添加电路边，以生成统一的节点边图中间表示；其中，在所述多层渐进式拓扑合成中，将每个端子建模为外部节点和内部节点两级结构，并在所述外部节点与内部节点之间串联端子电阻边；s4、遍历所述统一的节点边图中间表示，以接地元件边关联的节点作为第一类种子节点进行连通性搜索得到第一边集合，以直流源元件边关联的节点作为第二类种子节点进行连通性搜索得到第二边集合，以交流源元件边关联的节点作为第三类种子节点进行连通性搜索得到第三边集合，取所述第一边集合与第二边集合的交集作为直流子图，取所述第一边集合与第三边集合的交集作为交流子图；s5、分别对所述直流子图和交流子图中的边调用对应的spice元件处理器生成网表语句，输出直流网表和交流网表。

4、在本发明的一个或多个实施例中，s3中，所述多层渐进式拓扑合成的顺序依次为：端子自身电阻层，为具有非零接触电阻的端子创建所述串联电阻边，所述串联电阻边连接于外部节点与内部节点之间；外部连接线层，将设备间连接线转换为连接源端子外部节点与目标端子外部节点的电阻边；双端子控制片层，对两侧均有外部连接且未标记为断开状态的双端子，在所述双端子的左侧内部节点与右侧内部节点之间创建电气连通边；连片层，将同组同侧连续相邻端子的内部节点之间创建短接边；内部连接图层，解析设备模型组的内部连接图数据，所述内部连接图数据以图数据结构表达并包含节点声明和连接边声明，通过电气等价端口合并算法合并电气等价的连接端口，将内部电路元件形成的边映射至对应端子的内部节点，实现设备内部子电路与外部接线网络的缝合。

5、在本发明的一个或多个实施例中，当所述端子的接触电阻为零时，不创建连接所述外部节点与内部节点的串联电阻边，并在后续拓扑合成过程中将所述外部节点与内部节点视为同一电气节点进行替代处理。

6、在本发明的一个或多个实施例中，所述内部连接图数据采用json格式，包含节点数组和连接数组；所述节点数组中的每个节点至少包括唯一标识、元件类型名称和配置参数字典；所述连接数组中的每条连接边用于指定出节点的端口类型和入节点的端口类型；所述电气等价端口合并算法为并查集算法，所述并查集算法用于将通过导线连接而处于等电位关系的元件端口合并为同一电气节点。

7、在本发明的一个或多个实施例中，所述内部连接图数据中的节点类型至少包括直流电压源、交流电压源、直流电流源、交流电流源、电阻、开关、接地、端子左接口和端子右接口；其中，所述端子左接口和端子右接口类型的节点作为设备内部子电路对外部端子的接口节点，并被自动映射至对应端子的内部节点，以实现所述设备内部子电路与统一的节点边图中间表示之间的缝合。

8、在本发明的一个或多个实施例中，s4中所述连通性搜索为广度优先搜索；所述广度优先搜索包括：根据所述统一的节点边图中间表示中各电路边两端的节点名称构建无向邻接表；以接地元件边、直流源元件边和交流源元件边各自关联的节点分别作为种子节点；沿所述无向邻接表中的关联边传播访问标记，以分别获得所述第一边集合、第二边集合和第三边集合。

9、在本发明的一个或多个实施例中，s5中所述spice元件处理器包括多个与元件类型对应的策略处理器；每个策略处理器具有统一的校验接口和网表生成接口；在生成网表语句时，根据所述统一的节点边图中间表示中电路边的元件类型名称，从处理器注册表中选择对应的策略处理器，并由所述策略处理器对该电路边的元件配置参数进行校验及网表语句生成。

10、在本发明的一个或多个实施例中，s5生成网表语句之前，还包括：遍历所述统一的节点边图中间表示中具有路径绑定信息的电路边；当所述路径绑定信息为输入绑定时，从外部数据系统获取对应的实时激励值，并利用所述实时激励值替换该电路边对应元件配置中的占位参数值；当单个spice元件具有多个输入绑定字段时，根据与元件类型对应的字段映射规则，确定每个输入绑定字段对应的配置参数字段，以支持交流源元件同时绑定幅值路径和相位路径；当所述路径绑定信息为输出绑定时，在仿真计算完成后，从仿真结果中提取与所述输出绑定对应的计算值，并将所述计算值写回外部数据系统。

11、在本发明的一个或多个实施例中，还包括：通过独立线程以固定间隔轮询外部输入值的变更状态；当检测到外部输入值发生变更时，自动触发以下步骤：重新遍历所述统一的节点边图中间表示中具有输入绑定的电路边，从外部数据系统获取变更后的实时激励值并替换对应元件配置中的占位参数值；重新执行步骤s4和s5，生成新的直流网表和交流网表；对于具有输出绑定的电路边，从新的仿真结果中提取计算值并写回外部数据系统。

12、为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的技术方案如下：

13、一种电力系统拓扑抽象与spice网表自动生成系统，用于执行上述方法，所述系统包括：gui客户端模块，用于提供设备模型编辑、连接关系可视化和人机交互管理界面；仿真服务器模块，包含ngspice仿真引擎、网表导出服务、自动监控服务和通信服务；数据管理模块，用于存储二次回路的层次化物理接线模型、设备模型组、端子信息、外部连接线、内部连接图数据和路径绑定信息；其中，所述仿真服务器模块用于将层次化物理接线模型转换为统一的节点边图中间表示，并基于所述统一的节点边图中间表示生成直流网表和交流网表；所述仿真服务器模块还包括工况管理服务，用于为不同仿真工况建立数据库文件快照，所述数据库文件快照包括基础数据库文件和临时数据库文件，在工况切换时通过文件级复制生成或恢复所述临时数据库文件，并自动触发仿真重算。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过建立从物理接线语义到电路拓扑语义的形式化映射方法，将工程师以设备、端子、外部连接线和内部连接图为操作对象的物理接线模型，自动转换为以节点和边构成的统一的节点边图中间表示，再通过连通性搜索自动分离直流子图和交流子图并生成spice网表，解决了二次回路设计与仿真之间因语义层级错位而导致的设计-仿真转换完全依赖人工的问题，使二次回路工程师能够在与设计图纸一致的抽象层级上工作，实现了从物理接线设计到spice仿真网表生成的全流程自动化。