基于图计算的S-SCDN动态拓扑分析及环路检测算法的制作方法

基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法
技术领域
1.本发明涉及配电网拓扑分析领域，尤其是指基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法。


背景技术：

2.scdn是以110/35kv高压变电站形成的10kv全供电网络(线路、开闭所、负荷)的集合，形成一个以高压变电站为中心、以该变电站供电的开闭所为节点的10kv骨干多环网架；其静态模型为所有广义开闭所gs的所有断路器全闭合后一直到所有连接的对侧高压变电站10kv母线为止的10kv网络全集；其动态拓扑，是scdn域断路器集合某种开关组合所形成的一种可行的供电拓扑(无环、无停电区域)；其动态模型，是scdn域某一种动态拓扑所形成的潮流。
3.2020年在scdn基础上，又提出了变电站为中心配电网供区(supply region of substation centralized distribution network，s-scdn)概念，更为适合城市配电网“一目了然”“一览无遗”的态势监管，也更适合城市配电网的规划、运行、调度、控制、保护等。
4.图数据库是用“顶点”表示实体，“边”表示实体之间的关联关系，可实现对复杂管理关系分布式储存和并行处理的数据库。图数据库的基本概念和数学理论来自图(graph),图作为数学概念，图论研究与矩阵论、拓扑学有着千丝万缕的联系。图论的研究对象并不是图片，而是由顶点和边构成的图，顶点可以是一切抽象事物的表示，边则可以表示抽象事物间的抽象联系。
5.现有基于关系型数据的环路检测一般利用深度优先或广度优先进行数据遍历，数据信息交流时间花费较长，在实际中心城区s-scdn配电网数千节点的动态状态变化下需要多次动态分析并遍历节点，无法有效支撑scada数据的信息更新；现有基于图数据库的动态拓扑分析仅能形成电气岛，其算法无法进行环路检测。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法。
7.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法，包括以下步骤：步骤1，设置s-scdn数据处理分析框架；步骤2，装载s-scdn数据的图形数据库模型；步骤3，定义模型中所有出现的顶点、边以及属性；步骤4，生成s-scdn动态拓扑电气岛；步骤5，构建s-scdn动态拓扑电气岛检测算法，用于对s-scdn动态拓扑电气岛的运行状态进行检测。
8.本方案提出的基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法，利用图计算的
全节点并行机制对节点进行遍历和信息传递，以进行电气岛检验是否存在失压区域，对电气岛环路进行检测以判断是否无环运行。
9.作为优选，所述的步骤1中，s-scdn数据处理框架包括目的层、应用层、基础层、存储层、处理层和收集层，收集层收集历史拓扑数据库数据和电网实际提供json文档数据，处理层对收集层收集的数据进行数据清洗转换，存储层根据清洗转换的数据对邻接表/图数据库建模，基础层进行动态拓扑分析，应用层进行快速潮流计算，用于最大供电能力计算和不停电转供路径寻优，目的层用于对态势感知可视化。
10.本设计，为了完成电网拓扑数据从传统数据库到图数据库的自适应性迁移，根据电网实际数据特性以及图数据库特性，给出图形数据库数据处理分析框架。为了完成电网拓扑数据从传统数据库到图数据库的自适应性迁移，根据电网实际数据特性以及图数据库特性，给出了图形数据库数据处理分析框架。
11.作为优选，所述的步骤4，生成s-scdn动态拓扑电气岛为基于bsp超步模型的联通分量算法生成的电气岛。
12.作为优选，所述的基于bsp超步模型的联通分量算法生成的电气岛的过程具体为：步骤a，初始化，赋予辨识bid；步骤b，信息传递，与相邻节点比较bid大小；步骤c，节点状态变化，bid改变为活跃，bid不变为休眠；步骤d，迭代判断，如果全部为休眠跳转至步骤e，否则跳转至步骤b；步骤e，对bid进行聚类，生成电气岛；步骤f，结果输出，输出的为json文档。
13.利用动态拓扑分析可验证和得到scdn域断路器集合某种开关组合所形成的一种可行的供电拓扑(无环、无停电区域)，为后续不停电转供策略提供了开关状态下的电网连接和环路检测的电气岛分析对象。通过s-scdn的图数模型在图形数据库模型的装载，利用图理论中的联通分量算法实现了并行化的scdn电力网络拓扑分析。
14.作为优选，所述的步骤5中检测算法为环路检测算法。
15.作为优选，所述的环路检测算法具体为：s1，初始化各节点id；s2，节点信息传递；s3，节点信息对比；s4，节点的特征提取；s5，改变节点状态；s6，记录环路节点。
16.本发明的有益效果是：本发明解决了城市配电网s-scdn拓扑数据在图数据库的建模问题，以及动态开关状态变化下的电气岛生成及运行可行性分析问题。且本发明的拓扑分析时间远小于传统时间，为配电网后续的潮流计算、不停电转供分析提供了匹配scada系统采样率的基础模型和并行平台。
附图说明
17.图1是本发明的一种流程图；
图2是本发明s-scdn数据处理框架图；图3是本发明基于bsp超步模型的联通分量算法生成的电气岛的流程图；图4是本发明环路检测算法流程图；图5是本发明环路检测算法的特征提取示意图；图6是图5的特征提取结果图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
19.实施例：基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1，设置s-scdn数据处理分析框架；步骤2，装载s-scdn数据的图形数据库模型；步骤3，定义模型中所有出现的顶点、边以及属性；步骤4，生成s-scdn动态拓扑电气岛；步骤5，构建s-scdn动态拓扑电气岛检测算法，用于对s-scdn动态拓扑电气岛的运行状态进行检测。
20.本方案提出的基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法，利用图计算的全节点并行机制对节点进行遍历和信息传递，以进行电气岛检验是否存在失压区域，对电气岛环路进行检测以判断是否无环运行。
21.如图2所示，所述的步骤1中，s-scdn数据处理框架包括目的层、应用层、基础层、存储层、处理层和收集层，收集层收集历史拓扑数据库数据和电网实际提供json文档数据，处理层对收集层收集的数据进行数据清洗转换，存储层根据清洗转换的数据对邻接表/图数据库建模，基础层进行动态拓扑分析，应用层进行快速潮流计算，用于最大供电能力计算和不停电转供路径寻优，目的层用于对态势感知可视化。
22.本设计，为了完成电网拓扑数据从传统数据库到图数据库的自适应性迁移，根据电网实际数据特性以及图数据库特性，给出图形数据库数据处理分析框架。为了完成电网拓扑数据从传统数据库到图数据库的自适应性迁移，根据电网实际数据特性以及图数据库特性，给出了图形数据库数据处理分析框架。
23.步骤2中，数据模型装载需要将电力局提供的json文档解析转化成面向图数据库的顶点和边数据集，并存储到图数据库。装载工作需要根据实际应用场景，合理地定义相关节点，边以及其属性以满足相关准则：准则一：在现有的配电网相关概念定义下，完整且全面的描述配电网系统的特性，保持配电网的完整性和一致性。
24.准则二：适应图形数据库的bsp超步查询模型和全节点并行，合理设计节点类型和边类型提高数据访问特性，进一步提高图计算的高效性。
25.准则三：在不同的应用场景，设计模型需要满足不同的算法框架需求，保证图算法的适配性。
26.在准则的指导下，特别是由于图数据库的查询技术特点，考虑到只能对节点进行直接访问，通过节点间接地对边进行访问，以及过多的节点和边会降低图数据库查询访问
效率。本文的图数据库模型将同时考虑准则一与准则二，在不同的应用和算法条件下利用准则三对模型进行微调以满足查询算法需求。
27.在步骤3中，在数据收集、清洗导入数据仓库进行拓扑建模分析前，需要定义一个graph schema,一般认为graph schema是定义图形数据库模型的“字典”，对模型中所有出现的顶点和边及属性进行定义。
28.s-scdn骨架图的graph schema共有1类顶点，1类边，分别代表不同的含义，具体的表示及属性表如下表所示:表1顶点与边名称含义scdn对应类型备注xqbcontainer容器节点容器类 xqbline联络线路联络线路类 节点属性含义表格如下表所示：表2节点属性表属性名含义数据类型范例备注id节点编号string1节点唯一标识ri节点电压实部float1 typeof节点类型int1表明容器节点类型id节点配电网编号string30000000-113746194节点电力局标识si节点电压虚部float0 其中容器节点的类型共有6种，如下表所示：表3节点类型节点类型含义案例备注1变电站香桥变变电站 2开关站斜桥开关站广义开闭所3环网柜相家桥环网站广义开闭所4配电站(负荷)移动公司广义开闭所5配电箱变(负荷)房地产开发有限公司广义开闭所6分支箱 广义开闭所需要注意的是，节点类型为4、5的负荷节点并不是常规定义的负荷，其内外结构与另外四类节点是相似的，且都具有断路器、独立母线，不同之处在于配电开关站、配电环网柜、配电站(负荷)、配电箱变(负荷)的外部可能具有线路联络开关，根据前面广义开闭所的定义，除变电站节点外的五类节点都可以纳入广义开闭所。
29.同样的还需设置边的连接关系和属性，由于s-scdn骨架图简化了环路器和开关连接线，本文只使用一个isclose属性来判断边的闭合状态。
30.所述的步骤4，生成s-scdn动态拓扑电气岛为基于bsp超步模型的联通分量算法生成的电气岛，如图3所示，具体为：步骤a，初始化，赋予辨识bid；步骤b，信息传递，与相邻节点比较bid大小；步骤c，节点状态变化，bid改变为活跃，bid不变为休眠；
步骤d，迭代判断，如果全部为休眠跳转至步骤e，否则跳转至步骤b；步骤e，对bid进行聚类，生成电气岛；步骤f，结果输出，输出的为json文档。
31.利用动态拓扑分析可验证和得到scdn域断路器集合某种开关组合所形成的一种可行的供电拓扑(无环、无停电区域)，为后续不停电转供策略提供了开关状态下的电网连接和环路检测的电气岛分析对象。通过s-scdn的图数模型在图形数据库模型的装载，利用图理论中的联通分量算法实现了并行化的scdn电力网络拓扑分析。
32.所述的步骤5中检测算法为环路检测算法，如图4所示，具体为：s1，初始化各节点id；s2，节点信息传递；s3，节点信息对比；s4，节点的特征提取；s5，改变节点状态；s6，记录环路节点。
33.在s-scdn模型下的动态拓扑唯一取决于所有断路器的状态，但并不是所有的状态都能进行实际运行，在进行不停电转供合环和解环的过程中，需要对可能的断路器状态进行分析，检验其是否存在以下情况：(1)拓扑存在着环路；(2)拓扑的“不可停电节点”出现停电，此时会出现无源的孤岛区域；通过对联通分量算法生成的电气岛节点进行电源分析即可得到是否存在无源的孤岛区域和变电站的供区。同时在生成的电气岛中，也需要检验是否存在环路运行的情况。
34.本实施例中，以一个7节点的环路案例给出检测算法过程：如图5、图6所示，在7节点的环路案例中，假设了每个节点的初试化id并给出了联通分量的信息传递过程，每个节点的初试化id也可是其连接馈线的最小id。在信息传递过程中，全节点并行地传递信息并作为单独的计算节点计算收到的信息与自身信息的比较。
35.在环路的信息传递中，某一时刻存在着活跃节点从其他节点收到的信息相同，在案例中反映为两个活跃节点从临接节点得到的两个id信息都为1，此时可将该节点进行标记为环路节点，再查询其临接节点进行信息处理即可得到全部环路。
36.环路检测算法的实现需要借助图形数据库累加器用于支撑节点成为单独的计算单元，相关节点累加器设置如下表所示：表4算法累加器节点累加器类型名称默认值功能备注minaccum《int》@cc_id0节点信息更新节点累加器maxaccum《int》@bj_id 节点环路判断信息节点累加器sumaccum《int》@old_id0节点原始信息存储节点累加器oraccum《bool》@active 节点是否休眠节点累加器oraccum《bool》@huanlufalse节点是否位于环路节点累加器mapaccum《int,int》@@compsizes； 环路节点聚类全局累加器本实施例中，选取某市某区s-scdn供区开展实际验证及算例分析。s-scdn容器节
点和连接边(包括断路器开关和配电线路)全部经过数据预处理并合理建模后导入图形数据库，一共生成了387个container容器节点，555条连接边，图形数据库仅用5s左右完成全部拓扑数据的导入。
37.基于建立的s-scdn节点图模型，利用图数据库的并行计算平台进行实时网络拓扑分析和环路检测。软硬件配置如表5所示。
38.在建立的s-scdn供区计算图模型基础上，对555条边中因存在断路器而能进行状态变化的417条边进行随机状态模拟，假设其为scada系统中接受的开关状态变化信号，对整个s-scdn供区模型进行动态拓扑分析并进行环路检测。
39.表5测试环境417条断路器边的随机状态模拟总共是2
417
个状态，考虑配电网实际运行状态的限制下随机生成100个s-scdn模型状态，进行动态拓扑分析电气岛生成和环路检测。
40.本文提出的基于图计算的s-scdn动态拓扑分析及环路检测算法，利用图计算的全节点并行机制对节点进行遍历和信息传递，以进行电气岛检验是否存在失压区域，对电气岛环路进行检测以判断是否无环运行。
41.表6拓扑分析及环路检测执行时间分析方法总执行时间/s单状态平均执行时间/s拓扑分析31.10.311环路检测21.20.212串行全网拓扑 3.48串行全网拓扑是现有调度系统所使用的方法，由表6可得基于图数据库的动态拓扑分析时间远小于传统时间，为配电网后续的潮流计算、不停电转供分析提供了匹配scada系统采样率的基础模型和并行平台。
42.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。