一种基于拓扑结构分层的行波装置配置方法及系统与流程

1.本发明属于配电网的故障监测资源配置技术领域，尤其涉及一种基于拓扑结构分层的行波装置配置方法及系统。


背景技术：

2.我国现阶段对于利用故障行波进行定位的装置的配置方法研究主要集中在输电网上，目前配电网结构复杂多变、分支众多，受投资限制，难以做到在每个分支都安装行波装置，当线路发生故障后，可能出现故障分支判断出错，甚至将伪故障点判断为故障位置的情况，如何在分支复杂的配电网上进行有效的行波装置配置，兼顾定位可靠性和经济性有着重要的现实意义。
3.现有技术中，有文献提出了一种在输电网中对变电站配置行波装置的优化配置方法，先根据邻接变电站个数进行预配置，然后结合模拟退火算法对方案进行优化，但预配置时易受人为因素影响而出现不同的配置方案，且后续计算比较复杂；有文献对电网行波传输的自由度进行分析，结合行波传输自由度来对行波装置进行最优化配置，但是该配置算法的定位结果误差较大；有文献基于图论对故障第一波头的最短传输路径进行分析，然后采用floyd算法，将故障线路保留的原则将复杂网络转化为简单网络，再由故障点将线路划分为两个集合，然后对所有线路设置故障分组后取最小集合得到装置配置的最优方案，但此方法需要对整个线路设置故障，略微复杂；有文献将行波装置的布点位置以及数量选择问题视为一个多目标优化组合问题，通过这两个问题来构建约束条件，然后用二进制粒子群算法求解得到最优配置；有文献先根据配置规则建立约束关系，预配置故障行波装置的安装位置，然后采用遗传算法对初始配置方案进行优化，最后如果得到装置配置数目相同的方案，则依据配置冗余度来进行方案优选，但本方法没有说明冗余度相同时如何选择最优方案；有文献利用网络分解，将复杂网络分解成简单的树形网络和环形网络后得到装置的最优配置；有文献利用零线模时差定位的范围来对树型配电网拓扑结构进行分析，采用后退法进行装置的优化配置，但是单纯利用零线模波速的不同来进行定位，误差较大。
4.以上的文献所提方案大多为输电网络的优化配置，主要是针对于安装在变电站的装置配置，而对于结构复杂的配电网，往往需要在线路终端的台变上安装装置以满足定位精度的要求，使得投资成本较高且标准化安装存在一定困难，因此研究行波装置在配电网上的布点优化对于平衡可靠性和经济性有着很重要的工程意义。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于拓扑结构分层的行波装置配置方法及系统在保证利用故障行波信号进行故障行波定位的基础上，可以减少行波装置的安装量。
6.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于拓扑结构分层的行波装置配置方法，包括以下步骤：
8.步骤1，基于图论将配电网表示为无向有权图的拓扑结构形式：将配电网中的电源、台区变压器、变电站和配电线路的分叉节点均代表无向有权图的顶点，将顶点之间的配电线路代表无向有权图的边，将顶点之间的配电线路长度代表边的权，得到的无向有权图即为配电网的拓扑结构图；
9.步骤2，利用图论分层法对配电网的拓扑结构图进行分层，得到配电网的分层结构图；
10.步骤3，在配电网的分层结构图中找到所有的独立分支线路、对称的独立分支线路以及所有的完整t型带分支结构；
11.步骤4，对配电网进行行波装置的配置：非对称的独立分支线路不配置行波装置，对称的独立分支线路任选其一不配置行波装置，其余线路均配置行波装置。
12.进一步的，步骤2中的分层具体过程为：
13.步骤2.1，以配电网的无向有权图中所有n个顶点构建n阶邻接矩阵，作为配电网的权矩阵；其中，邻接矩阵中的元素a
ij
取值为：若i＝j，则a
ij
＝0；若a
ij
所在行列代表的两个顶点之间存在直连的边，则将该边的配电线路长度赋值给a
ij
，若a
ij
所在行列代表的两个顶点之间不存在直连的边，则a
ij
＝∞；i＝1,2,
…
,n，j＝1,2,
…
,n；
14.步骤2.2，将电源、台区变电压器、变电站代表的顶点记为第一类顶点，配电线路的分叉节点代表的顶点记为第二类顶点；任意指定配电网的无向有权图中任一个第一类顶点作为起始节点s，令i＝1；
15.步骤2.3，基于配电网的权矩阵并采用dijkstra算法，计算起始节点至配电网的无向有权图中其余每个第一类顶点的最短路径，将最短路径集中最长的最短路径作为配电网的第i层结构；
16.步骤2.4，删除配电网的第i层结构的起始节点和结束节点，并以第i层结构剩余的每个顶点，分别作为第i 1层结构中各自线路的起始节点，分别按照步骤2.3构建配电网的1个第i 1层结构；其中，在计算最短路径时，若路径中包括第i层结构的节点，则该路径不参与最短路径计算；
17.步骤2.5，令i＝i 1，返回步骤2.4，直到将所有第一类顶点分配完毕，得到配电网的分层结构图。
18.进一步的，步骤2.3计算最短路径的方法为：
19.(1)设置两个不同的集合s和集合u，将起始节点s入集合s中，配电网的无向有权图中其余顶点及其至起始节点s的配电线路长度放入集合u中；
20.(2)从集合u中搜寻至起始节点s的配电线路长度最短的顶点k，将顶点k和顶点k至起始节点s的配电线路长度a
sk
加入到集合s中，同时将顶点k及其配电路线长度从集合u中删除；
21.(3)更新集合u中各顶点i分别至起始节点s的线路长度：利用顶点k来更新起始节点s到集合u中各顶点i的线路长度：若a
si
＞a
sk
a
ki
，则将集合u中的线路长度a
si
更新为a
sk
a
ki
；否则集合u中的线路长度a
si
保持不变；
22.(4)重复步骤(2)和(3)，直到搜寻完所有顶点；集合s中除起始节点以外的每个第一类顶点至起始节点s的配电线路长度，即为起始节点至配电网的无向有权图中其余每个第一类顶点的最短路径。
23.进一步的，若有多条配电线路长度相同的最短路径，则根据配电网线路图，将其中包含重要线路的最短路径作为配电网的第i层结构。
24.进一步的，步骤3的查找方法为：
25.在配电网的分层结构图的每层结构中：若该层结构包含的顶点均不是下一层结构的起始节点，则该层结构为独立分支线路；若两个独立分支线路的起始节点相同，则该两个独立支路属于对称的独立分支线路；
26.非独立分支线路参与t型带分支结构的构建，从对称的独立分支线路中任选1条独立分支线路参与t型带分支结构的构建，其余独立分支线路不参与t型带分支结构的构建；第一层结构、每个第二层结构以及该第二层结构包含的独立分支线路，均构成1个完整t型带分支结构。
27.一种基于拓扑结构分层的行波装置配置系统，包括：
28.拓扑结构构建模块，用于基于图论将配电网表示为无向有权图的拓扑结构形式：将配电网中的电源、台区变压器、变电站和配电线路的分叉节点均代表无向有权图的顶点，将顶点之间的配电线路代表无向有权图的边，将顶点之间的配电线路长度代表边的权，得到的无向有权图即为配电网的拓扑结构图；
29.分层模块，用于利用图论分层法对配电网的拓扑结构图进行分层，得到配电网的分层结构图；
30.分支线路查找模块，用于在配电网的分层结构图中找到所有的独立分支线路、对称的独立分支线路以及所有的完整t型带分支结构；
31.行波装置配置模块，用于对配电网进行行波装置的配置：非对称的独立分支线路不配置行波装置，对称的独立分支线路任选其一不配置行波装置，其余线路均配置行波装置。
32.有益效果
33.相对于现有技术需要在每条馈线末端均安装行波装置而言，本发明提供的基于拓扑结构分层的行波装置配置方法，在非对称的独立分支线路末端不需要安装行波装置，对称的独立分支线路末端任一选择安装行波装置即可，使用完整t型带分支结构上的行波装置并采用现有的行波故障定位算法，即可完成对于未安装行波装置的分支线路上的故障行波定位。因此本发明可以减少行波装置的安装量。
附图说明
34.图1是本技术实施例所述的某地区35kv配电网线路图；
35.图2是图1所示配电网线路简化后的配电网拓扑结构图；
36.图3是图1所示配电网线路的分层结构图；
37.图4是图1所示配电网线路的t型带独立分支结构分层图，其中(a)为第一部分完整t型分层，(b)为第二部分完整t型分层。
具体实施方式
38.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申
请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.实施例1
40.本实施例1提供一种基于拓扑结构分层的行波装置配置方法，包括以下步骤：
41.步骤1，基于图论将配电网表示为无向有权图的拓扑结构形式：将配电网中的电源、台区变压器、变电站和配电线路的分叉节点，均代表无向有权图的顶点，将顶点之间的配电线路代表无向有权图的边，将顶点之间的配电线路长度代表边的权，得到的无向有权图即为配电网的拓扑结构图；
42.配电网的结构复杂，多为辐射型树状结构，基于图论对配电网结构进行分析时，可将配电网电力系统看作一个图，包含n个顶点和b条边，用g＝(v，e)来表示，其中，v代表图的顶点集合，对应配电网中的电源、台区变压器、变电站或母线，e代表图的边的集合，对应配电网的供电线路，例如v＝{v1，v2，v3}，e＝{e1，e2，e3}，边用两端的顶点表示：e1＝(v1，v2)，e2＝(v2，v3)，e3＝(v1，v3)，在图论中称边的长度为“权”，对如果边(v
i
，v
j
)没有方向，则该条边是无向边，若图中边均为无向边，则称该图为无向图，对于行波的装置配置分析而言，不需要考虑边的方向，因此是典型的边无向但有权的图，简称为无向有权图。
43.下图1为某地区35kv配电网线路图，根据图论原理可将图1简化为图2所示的无向有权图的拓扑结构形式。其中a、b、c、c1、c2、d、e为配电网变电站和台区变压器；b、c、c1、c2、d、d1为配电线路的分叉节点。
44.步骤2，利用图论分层法对配电网的拓扑结构图进行分层，得到配电网的分层结构图。
45.在本步骤2中，对简化后的配电网拓扑结构图采用dijkstra算法得到各节点之间的最短路径，然后根据最短路径的权值大小来对配电网络进行分层。
46.dijkstra算法解决的是任意一个顶点到其余各顶点之间最短路径的问题，可以快速有效的得到有权图中两两顶点之间的最短路径。它的主要特点是以起始点为中心向外层层扩展(广度优先搜索思想)，直到扩展到终点为止。其基本思想为：
47.由dijkstra计算拓扑结构图中的最短路径时，先指定起点s(即从顶点s开始计算)。另外，设定两个不同的集合s和u。将每一步已求出的最短路径的顶点以及这些顶点的最短路径值存入集合s中，将剩余的未求出最短路径的顶点以及各顶点到起点s的距离长度存入集合u中。
48.初始状态时，集合s中仅有起点s，集合u中包含除s外的其余顶点以及各顶点到s的路径，然后，不断从集合u中寻找路径最短的顶点放入至集合s，并在集合u中相应的删除已加入集合s的顶点及其路径，重复此操作，直到所有顶点均已搜寻完毕。
49.具体应用到本发明中，分层具体过程为：
50.步骤2.1，以配电网的无向有权图中所有n个顶点构建n阶邻接矩阵，作为配电网的权矩阵；其中，邻接矩阵中的元素a
ij
取值为：若i＝j，则a
ij
＝0；若a
ij
所在行列代表的两个顶点之间存在直连的边，则将该边的配电线路长度赋值给a
ij
，若a
ij
所在行列代表的两个顶点之间不存在直连的边，则a
ij
＝∞；i＝1，2，l，n，j＝1，2，l，n；
51.步骤2.2，将电源、台区变电压器、变电站代表的顶点记为第一类顶点，配电线路的分叉节点代表的顶点记为第二类顶点；任意指定配电网的无向有权图中任意一个第一类顶
点作为起始节点s，令i＝1；
52.步骤2.3，基于配电网的权矩阵并采用dijkstra算法，计算起始节点至配电网的无向有权图中其余每个第一类顶点的最短路径，将最短路径集中最长的最短路径作为配电网的第i层结构；
53.步骤2.3计算最短路径的方法为：
54.(1)设置两个不同的集合s和集合u，将起始节点s入集合s中，配电网的无向有权图中其余顶点及其至起始节点s的配电线路长度放入集合u中；
55.(2)从集合u中搜寻至起始节点s的配电线路长度最短的顶点k，将顶点k和顶点k至起始节点s的配电线路长度a
sk
加入到集合s中，同时将顶点k及其配电路线长度从集合u中删除；
56.(3)更新集合u中各顶点i分别至起始节点s的线路长度：利用顶点k来更新起始节点s到集合u中各顶点i的线路长度：若a
si
＞a
sk
a
ki
，则将集合u中的线路长度a
si
更新为a
sk
a
ki
；否则集合u中的线路长度a
si
保持不变；
57.(4)重复步骤(2)和(3)，直到搜寻完所有顶点；集合s中除起始节点以外的每个第一类顶点至起始节点s的配电线路长度，即为起始节点至配电网的无向有权图中其余每个第一类顶点的最短路径。
58.步骤2.4，删除配电网的第i层结构的起始节点和结束节点，并以第i层结构剩余的每个顶点，分别作为第i 1层结构中各自线路的起始节点，分别按照步骤2.3构建配电网的1个第i 1层结构；其中，在计算最短路径时，若路径中包括第i层结构的节点，则该路径不参与最短路径计算；
59.步骤2.5，令i＝i 1，返回步骤2.4，直到将所有第一类顶点分配完毕，得到配电网的分层结构图。
60.本实施例中图2所示的配电网拓扑结构图，指定顶点a为起始节点s，起始节点a至其余每个顶点的最短路径如表1所示：
61.表1 a节点与其余节点之间的最短路径权值表
[0062][0063][0064]
表1的最短路径集中，最短路径a
‑
b
‑
c
‑
d
‑
e的路径权值为52，即其配电线路最长，因此a
‑
b
‑
c
‑
d
‑
e为配电网的第一层结构，a为第一层结构的起始节点，e为第一层结构的结束节
点；
[0065]
删除起始节点a和结束节点e，将剩余的节点b、c、d分别作为第二层结构各线路的起始节点，各线路的最短路径权值表如图2所示，构建得到3个第二层结构：以节点b作为起始节点的线路中，由于其他路径均包括c或者d，因此只有路径b
‑
b，即为最短路径，将最短路径b
‑
b作为以b为起始节点的第二层结构；以节点c作为起始节点的线路中，最短路径c
‑
c1
‑
c2
‑
c、c
‑
c1
‑
c1、c
‑
c1
‑
c2
‑
c2参与最短路径计算，而最短路径c
‑
c1
‑
c2
‑
c和c
‑
c1
‑
c2
‑
c2的配电线路最长且相同，从中选择更重要的路径c
‑
c1
‑
c2
‑
c作为以c为起始节点的第二层结构；以节点d作为起始节点的线路中，最短路径d
‑
d1
‑
d、d
‑
d1
‑
d1、d
‑
d1
‑
d2参与最短路径计算，选择配电线路更长的最短路径d
‑
d1
‑
d作为以d为起始节点的第二层结构。
[0066]
表2第二层最短路径权值表
[0067]
最短路径经过的交点路径权值b
‑
b―11c
‑
c1
‑
c2
‑
cc、c123c
‑
c1
‑
c1c117c
‑
c1
‑
c2
‑
c2c1、c223d
‑
d1
‑
dd116d
‑
d1
‑
d1d115d
‑
d1
‑
d2d115
[0068]
与第二结构的构建方法相同，针对中间包含节点的第二层结构(即c
‑
c1
‑
c2
‑
c和d
‑
d1
‑
d)继续分配第三层结构：(1)删除起始节点c和c，分别以剩余的节点c1和c2作为各线路的起始节点，构建得到两个第三层结构c1
‑
c1和c2
‑
c2；(2)删除起始节点d和d，分别以剩余的节点d1作为线路的起始节点，构建得到两个第三层结构d 1
‑
d1和d 2
‑
d2。第三层最短路径权值表如表3所示：
[0069]
表2第三层最短路径权值表
[0070][0071][0072]
根据上述得到的各层结构得到图1所示配电网的分层结构图，如图3所示。
[0073]
步骤3，在配电网的分层结构图中找到所有的独立分支线路、对称的独立分支线路以及所有的完整t型带分支结构；查找方法为：
[0074]
在配电网的分层结构图的每层结构中：若该层结构包含的节点均不是下一层结构的起始节点，则该层结构为独立分支线路；若两个独立分支线路的起始节点相同，则该两个独立支路属于对称的独立分支线路；非独立分支线路参与t型带分支结构的构建，从对称的
独立分支线路中任选1条独立分支线路参与t型带分支结构的构建，其余独立分支线路不参与t型带分支结构的构建；第一层结构、每个第二层结构以及该第二层结构包含的独立分支线路，均构成1个完整t型带分支结构。
[0075]
步骤4，对配电网进行行波装置的配置：非对称的独立分支线路不配置行波装置，对称的独立分支线路任选其一不配置行波装置，其余线路均配置行波装置。
[0076]
在本实施例中，按照步骤3的查找方法得到独立分支线路包括：bb、c1c1、c2c2、d1d1、d1d2，其中的d1d1和d1d2为对称的独立分支线路，因此根据本步骤行波装置的配置原则，在b、c1、c2、d2节点上不需要配置行波装置。对于b、c1、c2、d2节点上的故障行波，使用2个完整带t型分支结构上的行波装置进行定位，因此可以减少行波装置的安装量。
[0077]
另外，对于2个完整带t型分支结构，重合的部分即独立支路bb就是冗余定位区域，保证了在减少行波装置的配置情况时，当某一节点的定位装置发生故障，系统仍然可以进行对故障进行准确定位。
[0078]
对于本实施例图1所示的某地区35kv配电网线路图，选取第一层线路与第二层线路为主干线路构建完整t型结构如图4所示。
[0079]
实施例2
[0080]
本实施例2提供一种基于拓扑结构分层的行波装置配置系统，包括：
[0081]
拓扑结构构建模块，用于基于图论将配电网表示为无向有权图的拓扑结构形式：将配电网中的电源、台区变压器、变电站和配电线路的分叉节点均代表无向有权图的顶点，将顶点之间的配电线路代表无向有权图的边，将顶点之间的配电线路长度代表边的权，得到的无向有权图即为配电网的拓扑结构图；
[0082]
分层模块，用于利用图论分层法对配电网的拓扑结构图进行分层，得到配电网的分层结构图；
[0083]
分支线路查找模块，用于在配电网的分层结构图中找到所有的独立分支线路、对称的独立分支线路以及所有的完整t型带分支结构；
[0084]
行波装置配置模块，用于对配电网进行行波装置的配置：非对称的独立分支线路不配置行波装置，对称的独立分支线路任选其一不配置行波装置，其余线路均配置行波装置。
[0085]
本实施例2的系统各模块的工作原理，与实施例1所述方法各步骤对应，此处不再重复赘述。
[0086]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。