基于割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)的電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫡椒?/h1>
2015-04-15 08:24:02劉大勇靳彥輝李秀杰
吉林電力 2015年5期
劉大勇，靳彥輝，李秀杰
（國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130021）
電網(wǎng)拓?fù)浞治鍪请娏ο到y(tǒng)各種實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)［1－5］。一般情況下，開關(guān)變位只會(huì)引起電網(wǎng)局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此，提高電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫡椒ǖ男蕦?duì)于保證這些應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)性具有至關(guān)重要的作用。
開關(guān)閉合后，不需要拓?fù)渌阉?，局部拓?fù)涓欉^程簡(jiǎn)單。開關(guān)斷開后，首先在廠站內(nèi)進(jìn)行拓?fù)渌阉?，判斷開關(guān)斷開是否引起節(jié)點(diǎn)分裂。若節(jié)點(diǎn)發(fā)生分裂，則繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)搜索，判斷是否發(fā)生電氣島分裂，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)搜索結(jié)果劃分電氣島。由于網(wǎng)絡(luò)搜索的節(jié)點(diǎn)規(guī)模遠(yuǎn)大于廠站搜索的節(jié)點(diǎn)規(guī)模，開關(guān)變位后拓?fù)涓櫟男手饕Q于網(wǎng)絡(luò)搜索的效率。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)在節(jié)點(diǎn)分裂后，直接對(duì)全網(wǎng)展開搜索，確定電氣島是否發(fā)生分裂及電氣島劃分［3－5］。事實(shí)上，電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生節(jié)點(diǎn)分裂，才會(huì)引起電氣島分裂，故這些方法大大降低了局部拓?fù)涓櫟男?。由圖論知識(shí)可知，只有割節(jié)點(diǎn)分裂才可能引起電氣島分裂。本文將割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)引入到局部拓?fù)涓欉^程中，把割節(jié)點(diǎn)分為輻射型和環(huán)網(wǎng)型兩類，提出了割節(jié)點(diǎn)分裂引起電氣島分裂的判據(jù)，可以避免無效的網(wǎng)絡(luò)搜索。
1 割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)方法
1.1 割節(jié)點(diǎn)分類
將電網(wǎng)抽象為簡(jiǎn)單無向圖G。根據(jù)割節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)拓?fù)鋱D中的位置，將割節(jié)點(diǎn)分為輻射型和環(huán)網(wǎng)型兩類。
輻射型割節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：一是其連接的所有支路都是割支路；二是其移除后，只存在一個(gè)包含回路的連通子圖。除輻射型割節(jié)點(diǎn)以外的所有割節(jié)點(diǎn)均為環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)，見圖1。
輻射型和環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)具有不同的特點(diǎn)，應(yīng)采取不同的辨識(shí)方法。
圖1 兩類割節(jié)點(diǎn)示意圖
1.2 輻射型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)
由圖論知識(shí)可知，樹中的支路均為割支路，除根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)外全是割節(jié)點(diǎn)。根據(jù)輻射型割節(jié)點(diǎn)的定義，該類型割節(jié)點(diǎn)位于電網(wǎng)拓?fù)鋱D的終端，具有樹的結(jié)構(gòu)特征。
記節(jié)點(diǎn)Vi的度為D（Vi），Vi的下一層節(jié)點(diǎn)為與Vi直接相連但未添加到任何搜索路徑鏈表的節(jié)點(diǎn)，Vi的上一層節(jié)點(diǎn)為與Vi直接相連且已添加到搜索路徑鏈表的節(jié)點(diǎn)。以圖2所示的輻射型割節(jié)點(diǎn)搜索過程示意圖為例，辨識(shí)算法如下。
a.以D（Vi）的節(jié)點(diǎn)作為首節(jié)點(diǎn)，建立搜索路徑鏈表。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條搜索路徑鏈表，將所有搜索路徑鏈表置未終止標(biāo)志，見圖2中的F1、F2和F3。
b.選擇任一條未終止的搜索路徑鏈表Fi，搜索Fi末節(jié)點(diǎn)的下一層節(jié)點(diǎn)Vnext。根據(jù)Vnext的節(jié)點(diǎn)度特征分以下3種情況處理：若D（Vnext）＝k＋1（k＝1），k表示Vnext上一層節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將Vnext添加到Fi，如圖2中添加到F2中的V4；若D（Vnext）＝k＋1（k＞1），將Vnext添加到Fi，終止Vnext上一層k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的k條搜索路徑鏈表。以Vnext為首節(jié)點(diǎn)建立一條新的搜索路徑鏈表，見圖2 中的F4；若D（Vnext）＞k＋1（k＞1），則將Vnext添加Fi后終止Fi，見圖2中的F5。
c.當(dāng)所有搜索路徑鏈表都終止時(shí)，停止搜索，轉(zhuǎn)步驟d；否則，轉(zhuǎn)步驟b。
d.分析圖G的所有搜索路徑鏈表，根據(jù)不同鏈表首節(jié)點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系形成搜索樹，見圖2中的所有搜索路徑鏈表形成的搜索樹。
搜索樹中，除節(jié)點(diǎn)度為1的節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)外，全是輻射型割節(jié)點(diǎn)。遍歷圖G的所有搜索樹，保存全網(wǎng)的輻射型割節(jié)點(diǎn)。
1.3 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)
環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)本質(zhì)上需要全網(wǎng)的拓?fù)溥B接信息。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)阻抗矩陣元素包含了全網(wǎng)拓?fù)溥B接信息，所以利用局部節(jié)點(diǎn)的互阻抗和自阻抗就可以辨識(shí)環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)［6］。
圖2 輻射型割節(jié)點(diǎn)搜索過程
假設(shè)V為待辨識(shí)的環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)，與V直接相連的k節(jié)點(diǎn)記為｛Vi｜i＝1，2，…，k｝。當(dāng)V從圖中G移除后，原圖分裂為m個(gè)連通子圖。根據(jù)這k個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬的連通子圖，將其劃分為m個(gè)節(jié)點(diǎn)集，記為，見圖3a，算法步驟如下。
a.將全網(wǎng)等值到V及其相連的k個(gè)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)等值節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣求逆并邏輯化，得到等值節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣［1］。刪除鄰接矩陣中V對(duì)應(yīng)的行和列，將剩余k個(gè)節(jié)點(diǎn)置未訪問標(biāo)志。取m＝1，清空
b.任選一個(gè)未訪問的節(jié)點(diǎn)Vi添加到。根據(jù)等值節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣，以Vi為起點(diǎn)進(jìn)行廣度優(yōu)先搜索。將搜索到的節(jié)點(diǎn)置已訪問標(biāo)志并添加到
c.當(dāng)已訪問的節(jié)點(diǎn)數(shù)等于k時(shí)，停止搜索，轉(zhuǎn)步驟d；否則m＝m＋1，轉(zhuǎn)步驟b。
d.若m＝1，則V不是割節(jié)點(diǎn)；若m＞1，則V是割節(jié)點(diǎn)。
應(yīng)用以上算法，遍歷除輻射型割節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)，保存全網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)。
圖3 割節(jié)點(diǎn)分裂示意圖
1.4 割節(jié)點(diǎn)分裂引起電氣島分裂的判據(jù)
由于輻射型割節(jié)點(diǎn)分裂必然導(dǎo)致電氣島分裂，只需討論環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)分裂引起電氣島分裂的判據(jù)。記環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)V分裂成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Vi1，Vi2且與Vi1，Vi2直接相連的節(jié)點(diǎn)集合為和見圖3b。根據(jù)環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)結(jié)果，其分裂引起電氣島分裂的判據(jù)如下：
任取割節(jié)點(diǎn)V的一個(gè)節(jié)點(diǎn)集，則只屬于或只屬于，即或
2 電氣島劃分方法
2.1 輻射型割節(jié)點(diǎn)處電氣島劃分方法
當(dāng)電氣島在輻射型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生分裂，根據(jù)輻射型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)過程的搜索樹信息，可以快速劃分電氣島，劃分步驟如下。
c.將搜索到的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)電氣島，電網(wǎng)中剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
該方法本質(zhì)上是確定了網(wǎng)絡(luò)搜索的方向。處于該搜索方向上的電氣島僅包含少數(shù)節(jié)點(diǎn)且沒有回路，故避免了網(wǎng)絡(luò)搜索方向的不確定性以及網(wǎng)絡(luò)搜索方法對(duì)復(fù)雜環(huán)網(wǎng)適應(yīng)性差給搜索效率帶來的不利影響。
2.2 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處圖形分割方法
在電網(wǎng)拓?fù)鋱D的環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處，離線地將圖分割為若干連通子圖。當(dāng)電氣島在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生分裂，根據(jù)圖的分割方式和分割順序，可以直接劃分電氣島。
雪蓮原產(chǎn)于喜馬拉雅山脈，扎根于高山草甸土之中。雪蓮不喜歡生長(zhǎng)在平緩地區(qū)，只有在海拔三四千米左右的高原山坡和冰磧巖縫之中才能看到它的身影。高山地帶的氣候十分寒冷，可以低至零下幾十?dāng)z氏度，并且常年風(fēng)雪交加，再加上空氣稀薄缺氧，一般的植物在這樣惡劣的環(huán)境中根本無法存活，但是雪蓮這種菊科草本植物卻可以在如此嚴(yán)峻的氣候條件下頑強(qiáng)地活下來。
譜聚類算法建立在圖論中的譜圖理論基礎(chǔ)上，其本質(zhì)是將聚類問題轉(zhuǎn)化為圖的分割問題［7］。一方面，割節(jié)點(diǎn)移除后，同一連通子圖內(nèi)的節(jié)點(diǎn)存在較強(qiáng)的電氣聯(lián)系，任意兩個(gè)連通子圖之間節(jié)點(diǎn)無聯(lián)系，各連通子圖屬于理想的分離簇；另一方面，譜聚類算法只需圖的相似矩陣信息。相似矩陣描述了電網(wǎng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相似度，可以用割節(jié)點(diǎn)移除后圖的鄰接矩陣作為相似矩陣，所以，利用譜聚類算法分割圖形具有分割準(zhǔn)確、編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響等優(yōu)點(diǎn)。選用Perona和Freeman提出的基于最小割集準(zhǔn)則的譜聚類算法，算法的步驟如下：
建立圖G的相似矩陣W，即割節(jié)點(diǎn)移除后圖G的鄰接矩陣；求相似矩陣W的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量X；遍歷特征向量X的元素，將Xi＝0的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)連通子圖，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)連通子圖。
該譜聚類算法每次只能進(jìn)行圖的二剖分。若割節(jié)點(diǎn)移除后圖形分割為m（m＞2）個(gè)連通子圖，則依次移除割節(jié)點(diǎn)與其節(jié)點(diǎn)集的連接支路，應(yīng)用譜聚類算法分割出一個(gè)連通子圖，直到原圖被分割為m個(gè)連通子圖。
a.任選一個(gè)割節(jié)點(diǎn)并保存到DCutNum［1］。
b.在待分割的連通子圖中移除DCutNum［i］，利用譜聚類算法分割得到mi個(gè)連通子圖。將每一個(gè)連通子圖包含的節(jié)點(diǎn)集合保存到對(duì)應(yīng)的，再把當(dāng)前割節(jié)點(diǎn)DCutNum［i］添加到每一個(gè)
c.若i等于所有環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，則圖形分割結(jié)束；否則，在分割得到的連通子圖中選擇下一個(gè)割節(jié)點(diǎn)并保存到DCutNum［i＋1］，轉(zhuǎn)步驟b。
圖4 電網(wǎng)拓?fù)鋱D分割示意圖
從以上分割過程可以看出：電網(wǎng)拓?fù)鋱D以遞歸的方式被分割為若干連通子圖。因?yàn)槊恳淮畏指羁偸窃谝呀?jīng)分割得到的連通子圖中進(jìn)行，所以圖形分割的計(jì)算量隨著次數(shù)的增加顯著減小。
2.3 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處電氣島劃分方法
假設(shè)在割節(jié)點(diǎn)DCutNum［i］處發(fā)生電氣島分裂。根據(jù)DCutNum［i］的 分 裂 方 式，形 成 節(jié) 點(diǎn) 集 合和。確 定DCutNum［i－1］所 在 的，并 判 斷與是否存在交集。若存在交集，則將與存 在 交 集 的合 并 在 一 起 劃 分 為 一個(gè)電氣島，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
以圖4為例簡(jiǎn)要說明以上方法。若在DCutNum［3］處發(fā)生電氣島分裂，且由DCutNum［3］的分裂方式可得與存在交集，與存在交集。因?yàn)榘珼CutNum［2］，所以將中的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)電氣島，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島只需做多次交集和并集運(yùn)算，計(jì)算量小，不需要在線網(wǎng)絡(luò)搜索。
根據(jù)前述方法得到電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫟牧鞒桃妶D5。
3 算例分析
以IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，將其抽象為簡(jiǎn)單圖（見圖6）。
3.1 輻射型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)
以V33和V34為首節(jié)點(diǎn)建立搜索路徑鏈表形成搜索樹為例，搜索過程見圖7，圖中○為搜索路徑表終止標(biāo)志，d為節(jié)點(diǎn)度，n為上一層節(jié)點(diǎn)數(shù)。由圖7可知，該搜索樹包含3條搜索路徑鏈表：F1＝（34，20，19）、F2＝（33，19）、F3＝（19，16），其對(duì)應(yīng)的輻射型割節(jié)點(diǎn)為V20、V19。
3.2 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)
以V26的辨識(shí)為例。應(yīng)用環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)算法可得：m＝2，。故V26是環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)。
全網(wǎng)的割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)結(jié)果見圖8。從圖8 可知，全網(wǎng)共有2個(gè)輻射型割節(jié)點(diǎn)，9個(gè)環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)和28個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)變位引起節(jié)點(diǎn)分裂后，至少有28/39＝71.8%的概率不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，故大幅度提高了局部拓?fù)涓櫟男省?/p>
3.3 利用譜聚類算法分割圖形
以移除割節(jié)點(diǎn)V16的圖形分割為例。由環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)結(jié)果可知，V16移除后全網(wǎng)分割為3個(gè)連通子圖且，故需要進(jìn)行兩次圖形分割。
圖5 電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫫鞒虉D
圖6 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單圖
在原圖中，移除V16與的連接支路，利用譜聚類算法分割得到和，然后，在連通子圖中，移除V16與的連接支路，將繼續(xù)分割為和（見圖8）。
3.4 輻射型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島
圖7 搜索樹形成過程
假設(shè)輻射型割節(jié)點(diǎn)V19分裂且。由圖7的搜索樹可知，包含V19的父節(jié)點(diǎn)V16，故將節(jié)點(diǎn)集合｛19，33，20，34｝劃分為一個(gè)電氣島，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
3.5 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島
按表1的所示的圖形分割順序分割原圖，結(jié)果見圖9。
表1 圖形分割順序
以割節(jié)點(diǎn)V16分裂劃分電氣島為例。假設(shè)V16分裂后。根據(jù)V16的節(jié)點(diǎn)集合及，應(yīng)用電氣島分裂判據(jù)可知，V16分裂后電氣島將發(fā)生分裂。根據(jù)全網(wǎng)圖形分割結(jié)果，得到移除V16后的連通子圖節(jié)點(diǎn)集合為：
由以上電氣島劃分過程可知，在輻射型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島，只需搜索節(jié)點(diǎn)數(shù)少且沒有環(huán)網(wǎng)的局部電網(wǎng)，搜索速度快且不受復(fù)雜環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響；在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島，只需做多次集合運(yùn)算，計(jì)算量小且避免了在線網(wǎng)絡(luò)搜索?？傊诟罟?jié)點(diǎn)辨識(shí)的電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫡椒梢燥@著提高局部拓?fù)涓櫟男省?/p>
圖8 全網(wǎng)的割節(jié)點(diǎn)和在處的圖形分割結(jié)果
圖9 全網(wǎng)分割結(jié)果
4 結(jié)論
開關(guān)變位后，在大多數(shù)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生節(jié)點(diǎn)分裂不會(huì)引起電氣島分裂。若節(jié)點(diǎn)分裂后直接網(wǎng)絡(luò)搜索，大大降低了拓?fù)涓櫟男?。本文提出的局部拓?fù)涓櫡椒ň哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)。
a.當(dāng)節(jié)點(diǎn)分裂后，可以判定節(jié)點(diǎn)分裂是否引起電氣島分裂，避免了大量的無效網(wǎng)絡(luò)搜索；
b.在輻射型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生電氣島分裂，通過確定網(wǎng)絡(luò)搜索方向，只需搜索包含少量節(jié)點(diǎn)的無環(huán)局部網(wǎng)絡(luò)，就可以劃分電氣島；
c.在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生電氣島分裂，只需做多次集合運(yùn)算，就可以劃分電氣島，計(jì)算量小，無需在線網(wǎng)絡(luò)搜索。
［1］ 張晉芳，王增平，張亞剛，等.基于虛擬阻抗的廠站內(nèi)拓?fù)浞治鲂路椒ǎ跩］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（02）：187－194.
［2］ 徐巖，宋艷爭(zhēng)，張亞剛，等.基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)別［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（09）：88－93.
［3］ 宋少群，朱永利，于紅.基于圖論與人工智能搜索技術(shù)的電網(wǎng)拓?fù)涓櫡椒ǎ跩］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（19）：45－49.
［4］ 梅念，石東源，段獻(xiàn)忠.基于圖論的電網(wǎng)拓?fù)淇焖傩纬膳c局部修正新方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（13）：35－39.
［5］ 陳星鶯，孫恕堅(jiān)，錢鋒.一種基于追蹤技術(shù)的快速電力網(wǎng)拓?fù)浞治龇椒ǎ跩］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（05）：22－24.
［6］ 段獻(xiàn)忠，楊雄平，石東源.基于電氣耦合路徑分析的割支路和割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)算法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（34）：26－32.
［7］ 蔡曉妍，戴冠中，楊黎斌.譜聚類算法綜述［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，35（7）：14－18.
猜你喜歡
《唐宮夜宴》火遍全網(wǎng)的背后新世紀(jì)智能(高一語文)(2021年4期)2021-07-28 02:12:50 雙十一帶貨6500萬，他憑什么?——靠一句“把價(jià)格打下來”，牛肉哥火遍全網(wǎng)大眾投資指南(2020年10期)2020-07-24 08:03:10 基于二進(jìn)制鏈表的粗糙集屬性約簡(jiǎn)成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2019年2期)2019-08-28 10:00:46 臨界完全圖Ramsey數(shù)同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2019年2期)2019-04-02 05:43:48 跟麥咭學(xué)編程第二課堂(課外活動(dòng)版)(2019年12期)2019-02-10 03:59:37 電力系統(tǒng)全網(wǎng)一體化暫態(tài)仿真接口技術(shù)電子制作(2018年14期)2018-08-21 01:38:28 基于鏈表多分支路徑樹的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證機(jī)制成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2018年1期)2018-05-31 08:40:25 王天戈首支中文單曲《心安理得》全網(wǎng)首發(fā)青年歌聲(2017年6期)2017-03-13 00:58:48 基于頻繁子圖挖掘的數(shù)據(jù)服務(wù)Mashup推薦電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2016年2期)2016-08-31 02:50:00 不含2K1+K2和C4作為導(dǎo)出子圖的圖的色數(shù)華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年1期)2014-04-16 02:54:50
劉大勇，靳彥輝，李秀杰
（國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130021）
電網(wǎng)拓?fù)浞治鍪请娏ο到y(tǒng)各種實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)［1－5］。一般情況下，開關(guān)變位只會(huì)引起電網(wǎng)局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此，提高電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫡椒ǖ男蕦?duì)于保證這些應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)性具有至關(guān)重要的作用。
開關(guān)閉合后，不需要拓?fù)渌阉?，局部拓?fù)涓欉^程簡(jiǎn)單。開關(guān)斷開后，首先在廠站內(nèi)進(jìn)行拓?fù)渌阉?，判斷開關(guān)斷開是否引起節(jié)點(diǎn)分裂。若節(jié)點(diǎn)發(fā)生分裂，則繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)搜索，判斷是否發(fā)生電氣島分裂，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)搜索結(jié)果劃分電氣島。由于網(wǎng)絡(luò)搜索的節(jié)點(diǎn)規(guī)模遠(yuǎn)大于廠站搜索的節(jié)點(diǎn)規(guī)模，開關(guān)變位后拓?fù)涓櫟男手饕Q于網(wǎng)絡(luò)搜索的效率。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)在節(jié)點(diǎn)分裂后，直接對(duì)全網(wǎng)展開搜索，確定電氣島是否發(fā)生分裂及電氣島劃分［3－5］。事實(shí)上，電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生節(jié)點(diǎn)分裂，才會(huì)引起電氣島分裂，故這些方法大大降低了局部拓?fù)涓櫟男?。由圖論知識(shí)可知，只有割節(jié)點(diǎn)分裂才可能引起電氣島分裂。本文將割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)引入到局部拓?fù)涓欉^程中，把割節(jié)點(diǎn)分為輻射型和環(huán)網(wǎng)型兩類，提出了割節(jié)點(diǎn)分裂引起電氣島分裂的判據(jù)，可以避免無效的網(wǎng)絡(luò)搜索。
1 割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)方法
1.1 割節(jié)點(diǎn)分類
將電網(wǎng)抽象為簡(jiǎn)單無向圖G。根據(jù)割節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)拓?fù)鋱D中的位置，將割節(jié)點(diǎn)分為輻射型和環(huán)網(wǎng)型兩類。
輻射型割節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：一是其連接的所有支路都是割支路；二是其移除后，只存在一個(gè)包含回路的連通子圖。除輻射型割節(jié)點(diǎn)以外的所有割節(jié)點(diǎn)均為環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)，見圖1。
輻射型和環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)具有不同的特點(diǎn)，應(yīng)采取不同的辨識(shí)方法。
圖1 兩類割節(jié)點(diǎn)示意圖
1.2 輻射型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)
由圖論知識(shí)可知，樹中的支路均為割支路，除根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)外全是割節(jié)點(diǎn)。根據(jù)輻射型割節(jié)點(diǎn)的定義，該類型割節(jié)點(diǎn)位于電網(wǎng)拓?fù)鋱D的終端，具有樹的結(jié)構(gòu)特征。
記節(jié)點(diǎn)Vi的度為D（Vi），Vi的下一層節(jié)點(diǎn)為與Vi直接相連但未添加到任何搜索路徑鏈表的節(jié)點(diǎn)，Vi的上一層節(jié)點(diǎn)為與Vi直接相連且已添加到搜索路徑鏈表的節(jié)點(diǎn)。以圖2所示的輻射型割節(jié)點(diǎn)搜索過程示意圖為例，辨識(shí)算法如下。
a.以D（Vi）的節(jié)點(diǎn)作為首節(jié)點(diǎn)，建立搜索路徑鏈表。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條搜索路徑鏈表，將所有搜索路徑鏈表置未終止標(biāo)志，見圖2中的F1、F2和F3。
b.選擇任一條未終止的搜索路徑鏈表Fi，搜索Fi末節(jié)點(diǎn)的下一層節(jié)點(diǎn)Vnext。根據(jù)Vnext的節(jié)點(diǎn)度特征分以下3種情況處理：若D（Vnext）＝k＋1（k＝1），k表示Vnext上一層節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將Vnext添加到Fi，如圖2中添加到F2中的V4；若D（Vnext）＝k＋1（k＞1），將Vnext添加到Fi，終止Vnext上一層k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的k條搜索路徑鏈表。以Vnext為首節(jié)點(diǎn)建立一條新的搜索路徑鏈表，見圖2 中的F4；若D（Vnext）＞k＋1（k＞1），則將Vnext添加Fi后終止Fi，見圖2中的F5。
c.當(dāng)所有搜索路徑鏈表都終止時(shí)，停止搜索，轉(zhuǎn)步驟d；否則，轉(zhuǎn)步驟b。
d.分析圖G的所有搜索路徑鏈表，根據(jù)不同鏈表首節(jié)點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系形成搜索樹，見圖2中的所有搜索路徑鏈表形成的搜索樹。
搜索樹中，除節(jié)點(diǎn)度為1的節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)外，全是輻射型割節(jié)點(diǎn)。遍歷圖G的所有搜索樹，保存全網(wǎng)的輻射型割節(jié)點(diǎn)。
1.3 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)
環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)本質(zhì)上需要全網(wǎng)的拓?fù)溥B接信息。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)阻抗矩陣元素包含了全網(wǎng)拓?fù)溥B接信息，所以利用局部節(jié)點(diǎn)的互阻抗和自阻抗就可以辨識(shí)環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)［6］。
圖2 輻射型割節(jié)點(diǎn)搜索過程
假設(shè)V為待辨識(shí)的環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)，與V直接相連的k節(jié)點(diǎn)記為｛Vi｜i＝1，2，…，k｝。當(dāng)V從圖中G移除后，原圖分裂為m個(gè)連通子圖。根據(jù)這k個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬的連通子圖，將其劃分為m個(gè)節(jié)點(diǎn)集，記為，見圖3a，算法步驟如下。
a.將全網(wǎng)等值到V及其相連的k個(gè)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)等值節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣求逆并邏輯化，得到等值節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣［1］。刪除鄰接矩陣中V對(duì)應(yīng)的行和列，將剩余k個(gè)節(jié)點(diǎn)置未訪問標(biāo)志。取m＝1，清空
b.任選一個(gè)未訪問的節(jié)點(diǎn)Vi添加到。根據(jù)等值節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣，以Vi為起點(diǎn)進(jìn)行廣度優(yōu)先搜索。將搜索到的節(jié)點(diǎn)置已訪問標(biāo)志并添加到
c.當(dāng)已訪問的節(jié)點(diǎn)數(shù)等于k時(shí)，停止搜索，轉(zhuǎn)步驟d；否則m＝m＋1，轉(zhuǎn)步驟b。
d.若m＝1，則V不是割節(jié)點(diǎn)；若m＞1，則V是割節(jié)點(diǎn)。
應(yīng)用以上算法，遍歷除輻射型割節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)，保存全網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)。
圖3 割節(jié)點(diǎn)分裂示意圖
1.4 割節(jié)點(diǎn)分裂引起電氣島分裂的判據(jù)
由于輻射型割節(jié)點(diǎn)分裂必然導(dǎo)致電氣島分裂，只需討論環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)分裂引起電氣島分裂的判據(jù)。記環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)V分裂成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Vi1，Vi2且與Vi1，Vi2直接相連的節(jié)點(diǎn)集合為和見圖3b。根據(jù)環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)結(jié)果，其分裂引起電氣島分裂的判據(jù)如下：
任取割節(jié)點(diǎn)V的一個(gè)節(jié)點(diǎn)集，則只屬于或只屬于，即或
2 電氣島劃分方法
2.1 輻射型割節(jié)點(diǎn)處電氣島劃分方法
當(dāng)電氣島在輻射型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生分裂，根據(jù)輻射型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)過程的搜索樹信息，可以快速劃分電氣島，劃分步驟如下。
c.將搜索到的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)電氣島，電網(wǎng)中剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
該方法本質(zhì)上是確定了網(wǎng)絡(luò)搜索的方向。處于該搜索方向上的電氣島僅包含少數(shù)節(jié)點(diǎn)且沒有回路，故避免了網(wǎng)絡(luò)搜索方向的不確定性以及網(wǎng)絡(luò)搜索方法對(duì)復(fù)雜環(huán)網(wǎng)適應(yīng)性差給搜索效率帶來的不利影響。
2.2 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處圖形分割方法
在電網(wǎng)拓?fù)鋱D的環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處，離線地將圖分割為若干連通子圖。當(dāng)電氣島在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生分裂，根據(jù)圖的分割方式和分割順序，可以直接劃分電氣島。
雪蓮原產(chǎn)于喜馬拉雅山脈，扎根于高山草甸土之中。雪蓮不喜歡生長(zhǎng)在平緩地區(qū)，只有在海拔三四千米左右的高原山坡和冰磧巖縫之中才能看到它的身影。高山地帶的氣候十分寒冷，可以低至零下幾十?dāng)z氏度，并且常年風(fēng)雪交加，再加上空氣稀薄缺氧，一般的植物在這樣惡劣的環(huán)境中根本無法存活，但是雪蓮這種菊科草本植物卻可以在如此嚴(yán)峻的氣候條件下頑強(qiáng)地活下來。
譜聚類算法建立在圖論中的譜圖理論基礎(chǔ)上，其本質(zhì)是將聚類問題轉(zhuǎn)化為圖的分割問題［7］。一方面，割節(jié)點(diǎn)移除后，同一連通子圖內(nèi)的節(jié)點(diǎn)存在較強(qiáng)的電氣聯(lián)系，任意兩個(gè)連通子圖之間節(jié)點(diǎn)無聯(lián)系，各連通子圖屬于理想的分離簇；另一方面，譜聚類算法只需圖的相似矩陣信息。相似矩陣描述了電網(wǎng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相似度，可以用割節(jié)點(diǎn)移除后圖的鄰接矩陣作為相似矩陣，所以，利用譜聚類算法分割圖形具有分割準(zhǔn)確、編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響等優(yōu)點(diǎn)。選用Perona和Freeman提出的基于最小割集準(zhǔn)則的譜聚類算法，算法的步驟如下：
建立圖G的相似矩陣W，即割節(jié)點(diǎn)移除后圖G的鄰接矩陣；求相似矩陣W的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量X；遍歷特征向量X的元素，將Xi＝0的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)連通子圖，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)連通子圖。
該譜聚類算法每次只能進(jìn)行圖的二剖分。若割節(jié)點(diǎn)移除后圖形分割為m（m＞2）個(gè)連通子圖，則依次移除割節(jié)點(diǎn)與其節(jié)點(diǎn)集的連接支路，應(yīng)用譜聚類算法分割出一個(gè)連通子圖，直到原圖被分割為m個(gè)連通子圖。
a.任選一個(gè)割節(jié)點(diǎn)并保存到DCutNum［1］。
b.在待分割的連通子圖中移除DCutNum［i］，利用譜聚類算法分割得到mi個(gè)連通子圖。將每一個(gè)連通子圖包含的節(jié)點(diǎn)集合保存到對(duì)應(yīng)的，再把當(dāng)前割節(jié)點(diǎn)DCutNum［i］添加到每一個(gè)
c.若i等于所有環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，則圖形分割結(jié)束；否則，在分割得到的連通子圖中選擇下一個(gè)割節(jié)點(diǎn)并保存到DCutNum［i＋1］，轉(zhuǎn)步驟b。
圖4 電網(wǎng)拓?fù)鋱D分割示意圖
從以上分割過程可以看出：電網(wǎng)拓?fù)鋱D以遞歸的方式被分割為若干連通子圖。因?yàn)槊恳淮畏指羁偸窃谝呀?jīng)分割得到的連通子圖中進(jìn)行，所以圖形分割的計(jì)算量隨著次數(shù)的增加顯著減小。
2.3 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處電氣島劃分方法
假設(shè)在割節(jié)點(diǎn)DCutNum［i］處發(fā)生電氣島分裂。根據(jù)DCutNum［i］的 分 裂 方 式，形 成 節(jié) 點(diǎn) 集 合和。確 定DCutNum［i－1］所 在 的，并 判 斷與是否存在交集。若存在交集，則將與存 在 交 集 的合 并 在 一 起 劃 分 為 一個(gè)電氣島，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
以圖4為例簡(jiǎn)要說明以上方法。若在DCutNum［3］處發(fā)生電氣島分裂，且由DCutNum［3］的分裂方式可得與存在交集，與存在交集。因?yàn)榘珼CutNum［2］，所以將中的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)電氣島，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島只需做多次交集和并集運(yùn)算，計(jì)算量小，不需要在線網(wǎng)絡(luò)搜索。
根據(jù)前述方法得到電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫟牧鞒桃妶D5。
3 算例分析
以IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，將其抽象為簡(jiǎn)單圖（見圖6）。
3.1 輻射型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)
以V33和V34為首節(jié)點(diǎn)建立搜索路徑鏈表形成搜索樹為例，搜索過程見圖7，圖中○為搜索路徑表終止標(biāo)志，d為節(jié)點(diǎn)度，n為上一層節(jié)點(diǎn)數(shù)。由圖7可知，該搜索樹包含3條搜索路徑鏈表：F1＝（34，20，19）、F2＝（33，19）、F3＝（19，16），其對(duì)應(yīng)的輻射型割節(jié)點(diǎn)為V20、V19。
3.2 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)的辨識(shí)
以V26的辨識(shí)為例。應(yīng)用環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)算法可得：m＝2，。故V26是環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)。
全網(wǎng)的割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)結(jié)果見圖8。從圖8 可知，全網(wǎng)共有2個(gè)輻射型割節(jié)點(diǎn)，9個(gè)環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)和28個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)變位引起節(jié)點(diǎn)分裂后，至少有28/39＝71.8%的概率不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，故大幅度提高了局部拓?fù)涓櫟男省?/p>
3.3 利用譜聚類算法分割圖形
以移除割節(jié)點(diǎn)V16的圖形分割為例。由環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)結(jié)果可知，V16移除后全網(wǎng)分割為3個(gè)連通子圖且，故需要進(jìn)行兩次圖形分割。
圖5 電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫫鞒虉D
圖6 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單圖
在原圖中，移除V16與的連接支路，利用譜聚類算法分割得到和，然后，在連通子圖中，移除V16與的連接支路，將繼續(xù)分割為和（見圖8）。
3.4 輻射型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島
圖7 搜索樹形成過程
假設(shè)輻射型割節(jié)點(diǎn)V19分裂且。由圖7的搜索樹可知，包含V19的父節(jié)點(diǎn)V16，故將節(jié)點(diǎn)集合｛19，33，20，34｝劃分為一個(gè)電氣島，剩下的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個(gè)電氣島。
3.5 環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島
按表1的所示的圖形分割順序分割原圖，結(jié)果見圖9。
表1 圖形分割順序
以割節(jié)點(diǎn)V16分裂劃分電氣島為例。假設(shè)V16分裂后。根據(jù)V16的節(jié)點(diǎn)集合及，應(yīng)用電氣島分裂判據(jù)可知，V16分裂后電氣島將發(fā)生分裂。根據(jù)全網(wǎng)圖形分割結(jié)果，得到移除V16后的連通子圖節(jié)點(diǎn)集合為：
由以上電氣島劃分過程可知，在輻射型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島，只需搜索節(jié)點(diǎn)數(shù)少且沒有環(huán)網(wǎng)的局部電網(wǎng)，搜索速度快且不受復(fù)雜環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響；在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處劃分電氣島，只需做多次集合運(yùn)算，計(jì)算量小且避免了在線網(wǎng)絡(luò)搜索?？傊诟罟?jié)點(diǎn)辨識(shí)的電網(wǎng)局部拓?fù)涓櫡椒梢燥@著提高局部拓?fù)涓櫟男省?/p>
圖8 全網(wǎng)的割節(jié)點(diǎn)和在處的圖形分割結(jié)果
圖9 全網(wǎng)分割結(jié)果
4 結(jié)論
開關(guān)變位后，在大多數(shù)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生節(jié)點(diǎn)分裂不會(huì)引起電氣島分裂。若節(jié)點(diǎn)分裂后直接網(wǎng)絡(luò)搜索，大大降低了拓?fù)涓櫟男?。本文提出的局部拓?fù)涓櫡椒ň哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)。
a.當(dāng)節(jié)點(diǎn)分裂后，可以判定節(jié)點(diǎn)分裂是否引起電氣島分裂，避免了大量的無效網(wǎng)絡(luò)搜索；
b.在輻射型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生電氣島分裂，通過確定網(wǎng)絡(luò)搜索方向，只需搜索包含少量節(jié)點(diǎn)的無環(huán)局部網(wǎng)絡(luò)，就可以劃分電氣島；
c.在環(huán)網(wǎng)型割節(jié)點(diǎn)處發(fā)生電氣島分裂，只需做多次集合運(yùn)算，就可以劃分電氣島，計(jì)算量小，無需在線網(wǎng)絡(luò)搜索。
［1］ 張晉芳，王增平，張亞剛，等.基于虛擬阻抗的廠站內(nèi)拓?fù)浞治鲂路椒ǎ跩］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（02）：187－194.
［2］ 徐巖，宋艷爭(zhēng)，張亞剛，等.基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)別［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（09）：88－93.
［3］ 宋少群，朱永利，于紅.基于圖論與人工智能搜索技術(shù)的電網(wǎng)拓?fù)涓櫡椒ǎ跩］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（19）：45－49.
［4］ 梅念，石東源，段獻(xiàn)忠.基于圖論的電網(wǎng)拓?fù)淇焖傩纬膳c局部修正新方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（13）：35－39.
［5］ 陳星鶯，孫恕堅(jiān)，錢鋒.一種基于追蹤技術(shù)的快速電力網(wǎng)拓?fù)浞治龇椒ǎ跩］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（05）：22－24.
［6］ 段獻(xiàn)忠，楊雄平，石東源.基于電氣耦合路徑分析的割支路和割節(jié)點(diǎn)辨識(shí)算法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（34）：26－32.
［7］ 蔡曉妍，戴冠中，楊黎斌.譜聚類算法綜述［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，35（7）：14－18.
猜你喜歡
新世紀(jì)智能(高一語文)(2021年4期)2021-07-28 02:12:50
大眾投資指南(2020年10期)2020-07-24 08:03:10
成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2019年2期)2019-08-28 10:00:46
同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2019年2期)2019-04-02 05:43:48
第二課堂(課外活動(dòng)版)(2019年12期)2019-02-10 03:59:37
電子制作(2018年14期)2018-08-21 01:38:28
成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2018年1期)2018-05-31 08:40:25
青年歌聲(2017年6期)2017-03-13 00:58:48
電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2016年2期)2016-08-31 02:50:00
華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年1期)2014-04-16 02:54:50
