基于面向對象技術的艦船綜合電力系統電力網絡故障模擬及拓撲跟蹤

呂昊 王吉忠

(1. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室, 武漢 430033; 2. 海軍駐712所軍事代表室，武漢 430064)

1 引言

艦船綜合電力系統是在艦船全電力推進的基礎上提出一種將艦船發供電與推進用電、艦載設備用電集成，從而實現發電、配電與電力推進用電及其它設備用電統一調度和集中控制的系統，目前國內外對艦船綜合電力系統開展了一系列的研究，并取得了一定的技術進展[1-3]。

同一般的陸地電力系統一樣，艦船綜合電力系統電力網絡也是由發電設備、輸電和配電設備以及負荷通過開關連接在一起的復雜網絡，當開關狀態發生變化時，系統的結構和運行方式勢必隨之發生變化。從保障系統安全的角度出發，調度運行人員必須實時掌握這種系統結構和運行方式的變化，并加以適當的自動或者手動控制調整，使得系統按照某種安全最優準則運行。進行電網拓撲分析從而實時掌握系統結構變化，即各電氣設備之間聯結關系的變化，是面向系統重構等高級應用的基礎，能夠實現故障后網絡拓撲的快速跟蹤是電網拓撲分析的基本要求[4-5]。

本文針對艦船綜合電力系統網絡結構的特點，采用面向對象技術實現艦船電力系統的拓撲建模和分析，采用隨機變量模擬供配電網故障，即模擬電網拓撲結構變化，采用深度優先算法跟蹤供配電網拓撲變化，從而實現對電網拓撲跟蹤。算例對艦船綜合電力系統可能采取的復雜的輻射網狀電力網絡進行了分析，給出了拓撲分析的結果，并通過重構算法實現了對電網拓撲結構的重構，驗證了方法的有效性。

2 艦船綜合電力系統的電網結構特點

綜合電力系統除了為艦船日常用電負荷以及武器防空和通信系統供電之外，還擔負了全船的推進負荷，系統容量遠大于常規艦船電力系統，為此綜合電力系統必須采用中壓供電方式。和常規艦船電力系統電網相比，綜合電力系統的電網結構主要有如下特點：

（1） 系統包含中壓和低壓兩個電壓等級的電網；

（2） 中壓電網包括各電站中壓發電機和中壓主配電板，中壓主配電板之間可以通過聯絡開關和聯絡電纜構成干饋式供電方式或者環形供電方式；

（3） 低壓電網以各低壓主配電板構成輻射式供電網絡，其結構類似于常規艦船供電系統；

（4） 電制可以是交流制式，也可以是直流制式，或者混合制式。

3 基于無向圖的拓撲建模與分析

艦船綜合電力系統電網電氣元件主要包括發電機、開關、中壓主配電板、低壓主配電板、分配電板以及各類負荷等。現考慮采用無向圖來作為艦船電網的拓撲模型。圖是一個二元組G=＜V，E＞，其中V（V≠Ф）是頂點集，E是邊集。當E是無序積V&V的多重子集時，其元素為無向邊，圖G則為無向圖[6]。把電網中的每個電氣元件看成無向圖中的頂點，若某兩個電氣元件有直接的電氣連接關系，則該兩個電氣元件所對應的頂點間通過無向邊相連，否則沒有連接關系。這樣就建立起電網的無向圖模型。可以看到，電網對應的無向圖中的頂點數是不變的，開關的狀態變化只會改變邊的數量和連接狀態。為建立網絡的關聯矩陣和節點導納矩陣，將無向圖模型轉換為節點/支路模型，無向圖模型中的頂點相當于節點/支路模型中的支路，也就是說無向圖中的頂點也都擁有對應的若干個節點。首先確定每類頂點所擁有的節點數，如發電機類、負荷類頂點擁有 1個節點，開關類、雙繞組變壓器類擁有2個節點，ABT/MBT類頂點擁有3個節點等等），然后按一定的順序給各類頂點賦節點號，建立起節點/支路模型，如圖1所示。

圖1 電網的無向圖模型和節點/支路模型

4 基于面向對象技術的網絡故障模擬及拓撲跟蹤

4.1 艦船綜合電力系統配電網絡的面向對象拓撲模型[7-8]

面向對象程序設計與傳統的結構化程序設計方法相比，具有程序易于維護擴展、可重用性好等優點。將面向對象技術應用到配電網絡的建模中，在封裝性、繼承性和多態性的基礎上，還應用了對象組合、類結構遞歸等方法來設計配電網的模型，使該模型既能直觀地表達配電網，也能方便地用于配網計算。

（1） 利用面向對象中的類對電氣元件進行描述；

例如：

發電機

{

網絡所有電器元件中的編號；

發電機類中的編號；

發電機狀態；

對應的節點編碼；

}

（2） 根據初始的輸入數據生成初始的鄰接矩陣(假定所有開關是閉合的)，再由故障模擬過程中生成的開關狀態修改初始鄰接矩陣，得到當前狀態下的鄰接矩陣，最后由當前狀態的鄰接矩陣得到鄰接表；

圖2 基于面向對象的電網靜態拓撲生成

（3）整個靜態拓撲生成的流程如圖2所示。

4.2 網絡故障模擬

艦船綜合電力系統配電網絡由于各種原因，導致的網絡故障，例如受到攻擊導致的設備損毀，人為操作失誤導致的開關誤動作等。反映在電網的拓撲模型中，即表現為網絡拓撲結構的改變。實際情況中表現出來的這種配電網絡拓撲結構的變化具有隨機性。為了突出這種隨機性，網絡的故障模擬調用了面向對象函數庫"stdlib.h"中的隨機數生成函數 srand()和 rand()。這兩個函數能實現對隨機故障的合理模擬。生成的開關狀態再返回到主程序中實現故障狀態的鄰接矩陣的生成。

4.3 基于深度優先算法的對故障的拓撲跟蹤

深度優先搜索法（DFS）是用來判斷圖中頂點間連通性的一種常用方法。DFS的具體搜索過程如下：訪問節點v0以后，訪問一個v0鄰接到的未被訪問過的節點v1，再從v1出發按深度方向搜索。當遇到一個所有鄰接于它的節點都被訪問過的節點u時，回到已訪問節點序列中最后一個擁有未被訪問過的相鄰節點的節點w，再從w出發按深度方向搜索。最后，當任何已被訪問過的節點都沒有未被訪問的相鄰節點時，搜索結束。深度優先搜索是一種先根遍歷的過程，其本質上是對每個頂點查找其鄰接點的過程[9]。

深度優先搜索法的實現主要是利用堆棧技術，從一個頂點出發，利用一個“先進后出”的堆棧存放中間分支點，沿一條路徑走到盡頭，再通過出棧操作，按原路逐步退回，直至找到一條新的未被訪問過的分支路徑，再沿此路徑走到盡頭，依此類推。

在面向對象環境中建立起電網拓撲模型后，就可以采用深度優先搜索法進行電網拓撲的連通性分析，實現對元件帶電情況進行判斷。即判斷某個負荷或者某個電氣元件的帶電情況，等價于判斷該負荷或電氣元件所對應的頂點是否與某個發電機類頂點連通。搜索程序的流程如圖3所示。

5 算例分析

對艦船綜合電力系統可能采取的有四個電站的交流輻射狀配電網絡采用上述基于面向對象技術的拓撲建模、故障模擬及拓撲跟蹤進行算例分析。網絡規模為：470個節點，包含4臺發電機，5個負荷中心，49個負載支路，163個斷路器，57個自動或手動轉換開關。

圖3 基于面向對象的電網故障拓撲跟蹤

初始情況為所有開關均閉合，所有自動或手動轉換開關常規開關閉合，備用開關斷開。然后調用隨機數生成函數 srand()和 rand()模擬生成兩個隨機的故障，即兩個斷路器斷開，生成故障狀態下的鄰接矩陣及鄰接表。然后程序用深度優先算法進行拓撲跟蹤。最后采用開關分類分析重構算法進行自動或手動轉換開關動作看能否實現網絡重構達到失電負荷恢復供電。

開關分類分析重構算法是基于對開關的分類，然后就分類組合后的所有失電情況進行裝換開關動作，算例電網共有 163個開關，分為 11類，如表1所示。兩處故障（開關動作）時，共有失電情況12種，對每一種進行相應的分析，得到相應的自動或手動轉換開關動作規律。

兩處故障（開關動作）分類分析示意圖如圖4所示。

表1 電網開關分類表

進行了三次故障模擬，結果如表2所示。

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?

6 結束語

(1) 本文從艦船綜合電力系統的電力網絡結構特點出發，建立了電網的無向圖模型與節點/支路模型，并基于面向對象技術實現了對整個配電網絡的拓撲建模和靜態拓撲表達。

(2) 并針對艦船綜合電力系統故障的隨機性特點，在面向對象的拓撲分析程序中調用了隨機數生成函數模擬故障及開關動作，并采用深度優先算法，在面向對象程序中對實現對負荷失電的動態拓撲跟蹤。

(3) 本文在算例分析中，對艦船綜合電力系統可能采取的四個電站的交流輻射狀配電網絡采用上述基于面向對象技術的拓撲建模、故障模擬及拓撲跟蹤，并結合開關分類重構算法給出了恢復供電方案。算例分析證明了該方法對電網拓撲建模成功，并能夠實現對故障的隨機模擬及快速的拓撲跟蹤。

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[6] 蔡英，劉均梅.離散數學[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2003：205-206.

[7] 董張卓，秦紅霞，孫啟宏等.采用面向對象技術和方法的電力系統網絡拓撲的快速跟蹤（一）[J].中國電機工程學報，1998，18(3)：178-181.

[8] 董張卓，秦紅霞，孫啟宏等.采用面向對象技術和方法的電力系統網絡拓撲的快速跟蹤（二）[J].中國電機工程學報，1998，18(4)：283-286.

[9] 盧開澄, 盧華明. 圖論及其應用[M]. 北京：清華大學出版社.