集成圖數據庫算法和模式匹配的城市高壓電網轉供電方案生成

王一葦，胡林麟，羅程，徐堯燚，閔鑫，梁海鎮

(1. 華南理工大學 電力學院，廣州 510640；2. 廣東電網有限責任公司廣州供電局電力調度控制中心(系統運行部)，廣州 510620)

0 引 言

現代城市的電網結構龐大復雜，而社會的發展對于電網調度的安全性和經濟性的要求逐漸提高，電網發生故障造成設備停電時，能快速、智能地生成轉供電方案十分重要，而電網拓撲分析是自動生成轉供電方案的核心內容。

在電網拓撲的表示方面，目前電力系統中主要采用關系型數據庫或XML文件存儲包括設備連接關系在內的各類數據，在進行連接關系較多的數據查找時會導致查詢返回時間嚴重增加，數據量越大，連接關系越多，查詢檢索時間隨之嚴重增長[1-3]。大數據的發展以及數據的多樣性、復雜性和互聯性使專為表格數據設計的關系型數據庫使用十分不便，對此，許多學者提出使用圖形數據庫替代關系型數據庫[4-5]，文獻[6]介紹了圖數據庫的概念，分析了圖數據庫的優缺點。由于圖數據庫網絡數據結構存儲的特點，基于“圖論”對具有復雜關系的大數據存儲和計算十分方便[7-8]，圖數據庫及其相關算法已成為大數據時代研究的重點之一。近年來，基于“圖論”的圖數據庫技術作為一種新型的數據管理方式及計算模式[9-12]，由于其可以實現網絡型結構數據的分布式存儲與并行處理[13-14]，成為具有復雜關聯關系的海量數據存儲和計算的熱點模式[15-16]。

基于圖對電力網絡進行拓撲分許有許多方法，其中，樹搜索算法應用較為廣泛,但是在計算機處理過程中,需要占用較高CPU。有學者對故障處理的相關算法進行了改進研究，文獻[17]為快速得到多條故障恢復路徑，提出了一種基于頂點分裂的路徑搜索方法，將電網等值為子系統—邊模型，根據節點的度實現頂點和邊的轉換，在生成恢復方案的過程中，需要跟隨頂點和邊的變化對網絡結構進行改變。文獻[18]在全網圖上采用深度優先搜索策略搜索負荷轉移路徑，并結合電網經濟性和安全性原則進行合理剪枝縮小搜索范圍，根據風險評估指標決策出最佳供電路徑方案。文獻[19]基于線路參數、系統潮流和復雜網絡理論分別建立相應的系統恢復路徑權值模型，并構建地理信息位置的A*算法的估值函數，提出了一種系統恢復路徑的新算法，能按不同需求對全網進行搜索生成恢復路徑。文獻[20]先利用圖論對基于CIM建立的圖數據庫進行網絡簡化，然后采用深度優先路徑搜索算法在簡化的電網圖上搜索得到所有可能的供電路徑。文獻[21]提出了一種基于改進的Petri網的配電網故障恢復算法，在故障恢復操作之前對最優目標狀態進行計算，避免在故障發生時進行復雜搜索，但文章模型較復雜，最優目標狀態求解比較困難。以上算法均基于已有的圖相關算法對路徑搜索進行了優化，通過對圖進行簡化或在搜索過程中對圖進行剪枝處理，使在圖上的運算時間有所減少。但對于主要由110 kV和220 kV電壓等級構成的城市電網，其主接線和網絡接線方式具有一定的模式化特征。為實現電網拓撲的快速分析和轉供路徑的智能生成，應考慮電網的主接線方式和網絡連接方式特點。對220 kV及以下電網拓撲結構進行模式化分析，基于其提取出的特征簡化拓撲分析的算法復雜度，實現轉供路徑的快速生成。

文中提出了一種基于圖數據庫算法和模式匹配的轉供電方案生成方法，通過構建圖數據庫將電網結構以圖的方式進行存儲，首先對廠站主接線方式進行特征提取存儲于關系數據庫中，在進行轉供電方案生成時，根據提取出的模式特征得到可能的轉供電路徑，并基于操作的快捷性和系統的安全性設置評價指標，選擇最佳轉供電方案。文中第五部分以包含不同接線方式廠站的220 kV片網中的110 kV線路故障為例，對提出的主接線模式識別和轉供電方案生成方法的有效性進行驗證。

1 基于模式匹配的轉供電方案生成

1.1 智能生成轉供路徑方案的基本框架

電網發生故障時，需要對電網進行有源性分析，找出無源區域和可對無源區域供電的源設備，在保證電網安全穩定運行的前提下恢復無源區域供電，并應使轉供的操作步驟盡量簡單，轉供電方案生成框架如圖1所示。

圖1 轉供電方案生成框架

1.2 失壓母線和設備判別

1.2.1 圖數據庫相關算法

文中采用Neo4j構建圖數據庫，Neo4j有專為操作圖數據庫設計的Cypher語言，集成了多種圖算法如深度優先搜索、廣度優先搜索、Dijkstra算法和A*算法等，能高效地對圖數據庫進行檢索，由此可基于圖數據庫對電網拓撲進行快速分析。使用時可自行選擇適合的算法，并通過where或evaluator等語句添加搜索的約束條件進行圖搜索。

1.2.2 設備連通分析及有源性分析

設備連通分析是電網拓撲分析的基礎，采用廣度優先搜索和深度優先搜索[22]算法查詢圖中各節點之間的連接關系。根據拓撲分析需求設定起始節點和目標節點，使用圖算法得到兩點之間的連接路徑，結合路徑上各開關刀閘的實時狀態則能對電網內各設備間的實時拓撲進行分析。

基于設備連通分析，對主分析設備設定相應的源節點，進行源節點與設備節點的連通分析即可完成無源區域的劃分。在電力系統發生故障時，需要進行有源性分析找出失壓設備，從而盡快恢復無源區域的供電。

1.2.3 基于圖的失壓母線和設備判別

在收到故障告警信息時，根據電網狀態對與告警設備、故障設備或動作開關直接相連的負荷側設備進行有源性分析，即以負荷側設備為主分析設備，從設備所屬主接線信息中提取出可能為該設備供電的線路或主變作為源設備，逐一進行該設備與其源設備之間的連通性分析。若該負荷側設備無源，則屬于該負荷設備電壓等級及以下的連通區域均屬于無源區域，根據停電設備進行轉供電方案生成。在停電設備無法恢復供電時，若為非母線設備，則需提取出該無源區域中的母線設備，將失壓母線作為停電時設備進行轉供電方案生成。

具體步驟如下：(1)將與告警設備、故障設備或動作開關直接相連的負荷側設備作為主分析設備；(2)根據主分析設備的主接線組信息確定所有其可能的包括主變和線路的供電設備集合S；(3)將S中的所有設備設置為源節點，對每一個源節點，進行源節點與主分析設備節點的連通性分析，若連通，則結束流程，主分析設備處于有源區域；(4)若遍歷S不存在連通設備的源節點，則主分析設備處于無源區域，其連通的同電壓等級設備及以下的設備均停電。

1.3 基于主接線的轉供電方案

對于220 kV及以下的城市電網，其接線方式較規范，10 kV電壓等級的主接線方式一般為：單母線、單母線分段(雙分段、三分段或四分段)，110 kV電壓等級的主接線方式一般為：單母線分段、雙母線、雙母線分段(單分段或雙分段)、雙母線帶旁路、雙母線分段(單分段或雙分段)帶旁路、單元接線(線路—變壓器接線)，220 kV電壓等級的主接線方式一般為：雙母線、雙母線分段(單分段或雙分段)、雙母線帶旁路、雙母線分段(單分段或雙分段)帶旁路。

電網故障類型常分為主變故障、母線故障和線路故障，而事故造成的停電實則都是低壓側母線上負荷失去供電。對于不同的故障和主接線方式，常有相應的失壓設備和轉供電措施。下文中將單母線及其衍生接線方式稱為單母線接線方式組，將雙母線及其衍生接線方式稱為雙母線接線方式組，對各故障時不同主接線類型的轉供電模式進行分析。

1.3.1 母線故障

母線發生故障，該母線所屬主接線方式為單母線接線方式組時：如果為直接與饋線或其它負荷相連的低壓側母線，則無法將故障母線上的負荷轉為其他母線供；如果為高壓側母線，則需要將廠站低壓側母線轉為其它高壓側母線供；如果該故障母線通過線路供其他廠站母線，則需要將該相連母線轉其它線路供。

而雙母線接線方式組的母線發生故障時，可將故障母線故障前帶的所有負荷和電源側設備轉到其相鄰母線上，對應的源設備為該故障母線所屬廠站同電壓等級的其它母線。

由故障母線上原負荷轉供造成的電網其它設備負荷加重，在負載率分析中進行校核，母線故障的轉供模式如圖2所示。

圖2 母線負荷的轉供電模式Fig.2 Transfer power supply mode of bus load

圖3為某220 kV片網示意圖，圖中，虛線框內設備屬于同一廠站，矩形表示斷路器，實心矩形代表此時斷路器為閉合狀態，空心矩形表示此時斷路器為分閘狀態，加粗母線表示正在母線處于運行狀態，圖中省略了非雙母接線上斷路器兩旁的隔離開關、10 kV母線上的饋線以及其它與本文案例無關的線路。圖3中G站的110 kV M1母線因自身故障停電時，將其原本相連設備通過刀閘轉到110 kV M2母線上。

圖3 220 kV片網示意圖

1.3.2 主變故障

主變故障，通常需要將該主變副邊母線轉為站內其它主變供。根據該廠站的主接線信息得到相鄰主變及相鄰主變與故障主變所帶負荷之間的連接關系，結合斷路器和隔離開關的實時狀態得到相應開關操作，根據評價指標確定最優轉供方案。因此，主變自身故障造成停電時的源設備為故障主變所屬廠站內的其它主變。由此造成的電網其它設備負荷加重，在負載率分析中進行校核。

圖3中C站B1主變故障時，其轉供電方案生成時源設備設定為C站B2或B3主變。

1.3.3 線路故障

城市電網中的線路可分為雙端接線和T形線路兩種形式，如圖3中戊線為雙端接線，甲線、乙線、丙線和丁線為T形接線。線路故障，其各段分支線路所帶負荷可獨立地進行處理，負荷側母線設備轉該母線所屬主接線組的其他線路供，若無法轉供則按1.3.1母線故障處理，負荷側主變設備按照1.3.2主變故障進行處理。對由此造成的電網負荷轉移進行負載率分析，并根據評價指標確定最佳方案。

圖3中丙線自身故障造成停電時，其轉供電方案生成時源設備設定為C站B1主變、C站B3主變和丁線。

1.4 轉供電方案的負載率分析

對于需要修改運行方式的電網或故障后搜索得到的轉供電方案，需要根據相應的電網拓撲和負荷數據確定新運行方式的可行性。因為220 kV及以下電壓等級網絡為輻射型結構，即可轉化為分析樹各節點和各支路的負載率問題，其算法步驟如圖4所示。

圖4 負載率分析流程圖

在電網發生多處運行方式改變時，根據各運行方式改變時受影響的供電設備進行相關區域劃分。以停電設備為起點，根據生成的新運行方式，往上到220 kV廠站終止，往下到相連及級聯的110 kV廠站終止。對于各運行方式劃分出的220 kV片網，將互相存在影響的運行方式一同進行負載率校核，即合并存在重合區域的運行方式片網，以220 kV主變為根節點生成片網樹，根據負荷節點(通常為10 kV母線)的負荷數據，自葉節點往根節點層層計算各節點和支路的對應負載率，確認運行方式更改或轉供電方案的可行性。

2 圖數據庫的構建和主接線模式識別

2.1 圖數據庫構建

對于節點數目眾多的大電網，使用關系數據庫無法清晰明了地表達其拓撲結構，當需要查找某一次設備的連接關系時，需通過對每一個相關設備節點進行遍歷才能完成，對第三方服務的執行效率造成很大影響。而圖形數據庫將結構化的數據存儲在圖網絡中，便于搜索設備連接關系，為此，文中基于CIM采用圖數據庫存儲電網拓撲結構。

圖數據庫根據電氣設備的連接關系將電氣網絡拓撲圖描述為一個由節點和邊組成的集合，每個節點和邊均擁有自己的屬性。將CIM模型解析為csv格式的表結構數據后，采用Neo4j的import功能，將節點、邊和屬性導入圖形數據庫中。本文建立的圖數據庫具體的描述規則如下：

(1)節點：母線、發電機、變壓器、斷路器、隔離刀閘、線路和電抗器等電氣一次設備為圖數據庫中的節點。其中變壓器設備在圖數據庫中為由其各繞組組成的節點集合，三繞組、雙繞組變壓器分別為三節點、兩節點集合，各繞組與對應電壓等級的設備相連。各繞組之間彼此相連，在主變處于運行狀態時，此連接關系為實際連接狀態，主變處于停運狀態時，此連接關系狀態為斷開狀態；

(2)邊：在本文建立的圖數據庫中表示電氣設備之間的連接關系，若電氣設備A和電氣設備B之間為存在連接關系，則表示為A-B；

(3)屬性：是一個由屬性名稱和值域組成的二元組，可在節點和邊上任意多地進行定義。在本文中主要為各一次設備參數，如設備編號、設備名稱、額定電壓和所屬廠站等。

以圖3片網圖為例，在圖數據庫中示意圖如圖5所示，實心圖形表示設備處于運行狀態。

圖5 220 kV片網圖數據庫示意圖

2.2 主接線模式分析

根據220 kV及以下城市電網的規范接線方式(見1.3節)建立接線方式庫，存儲于關系型數據庫中。本文采用MySQL數據庫進行存儲，使用標準SQL實現關系型數據庫的查詢。在圖數據庫采用相關圖算法，能將屬于接線方式庫中的廠站主接線的相關信息進行提取，并根據設計的表結構在關系型數據庫中進行存儲。通過分析各接線方式下的轉供電方案生成的通用模式后，建立如表1所示結構：(1)對于各廠站的各個電壓等級，將母線、主變、發電機、線路和負荷作為節點設備；(2)將節點設備之間的連接路徑上的斷路器和刀閘作為路徑設備；(3)對各節點設備和路徑設備進行帶有設備類型標識和數字標識的唯一編碼：設備類型包括母線-B，主變-P，發電機-G，線路-A，饋線-E，斷路器-Br，隔離開關-D，數字為自1開始的自然數，按內部編號將設備進行存儲；(4)建立對應的節點設備-節點設備連通矩陣，在有母線的主接線組中，連通矩陣行為母線節點，列節點設備依次為主變、發電機、線路和負荷；在無母線的主接線組中，行為主變節點，列節點設備依次為發電機、線路、負荷。若該主接線組沒有某類設備則跳過該類，各位置元素為對應的行列節點設備之間不經過其它節點設備的連通路徑，按拓撲中實際經過的路徑設備順序進行存儲；(5)對于存在母線的主接線方式，建立母線組關系矩陣，行列均為母線節點，各位置元素為對應行列母線之間不經過其它節點設備的連通路徑。

表1 主接線模式存儲格式

對于有n條母線、m臺主變、p臺發電機、q條線路和t條饋線的主接線組，設備關系矩陣R如式(1)所示，Bi為對應第i行母線元素的行向量如式(2)所示，其中元素I為編號為i的母線依次與各主變、發電機、線路和負荷的連通路徑，將由行母線到列節點設備路徑上隔離開關和斷路器經過的順序依次以“/”號連接存儲。母線組關系矩陣RB如式(3)所示，其主對角線元素為1，RBi為對應第i行母線元素的行向量如式(4)所示，元素C為編號為i的母線依次與其它母線的連通路徑，將由行母線到列母線路徑上隔離開關和斷路器經過的順序依次以“/”號連接存儲。

R=(B1…Bi…Bn)T

(1)

Bi=(I1…ImIm+1…Im+pIm+p+1…Im+p+qIm+p+q+1…Im+p+q+t)

(2)

RB=(RB1…RBi…RBn)T

(3)

RBi=(C1…1…Cn)

(4)

2.3 基于DBFS的主接線模式識別

將各廠站各電壓等級作為一個主接線組，提取該主接線的相關一次設備、接線方式及連接關系進行存儲，主要步驟如圖6所示。

圖6 主接線識別流程圖

各步驟具體說明如下：(1)簡化：對于地刀、電壓互感器、電流互感器及電抗器等一次設備，對于主接線連接方式并無影響，在進行主接線模式識別前將其簡化，將地刀和電壓互感器設備節點及與該節點直接相關的關系從圖上消去，在進行路徑設備提取時忽略電流互感器和電抗器設備節點。這既能略去大量的無用節點，又不會影響對主接線方式的判斷；(2)根據各一次設備的廠站屬性，提取該廠站內的節點設備和路徑設備，按電壓等級歸為各主接線組并按設備類型進行存儲；(3)對于有母線接線的主接線組，搜索各母線之間的連接路徑生成母線組關系矩陣，根據各母線與其它節點設備之間的連接關系生成設備連通矩陣，綜合該主接線組的母線數量、母線間的連接關系以及母線上設備與母線的連接方式判定其主接線方式，例兩母線通過兩不同刀閘與同一開關相連，即為雙母線接線組；對于無母線接線的主接線組，搜索主變和其他設備之間的連接路徑生成對應的設備連通矩陣并確定其接線方式。

文中采用雙向廣度優先算法(Double Breadth First Search, DBFS)進行站內各節點設備之間連接關系的搜索，DBFS相較于廣度優先算法能使搜索樹的深度明顯減少，適用于起始節點和目標節點之間路徑較短的情況，DBFS算法具體步驟如圖7所示。

圖7 DBFS步驟

以圖3中G站的110 kV主接線組為例，首先根據各節點的廠站和電壓屬性，提取出屬于該站的110 kV所有一次設備，按類型屬性進行編號。由于此主接線組中存在母線設備，則先搜索兩母線之間的連接方式生成母線組連接矩陣，根據母線數量為二，兩母線之間經母聯開關相連，以及兩母線通過不同刀閘與同一開關相連匹配出其為雙母線接線方式，再搜索母線設備和其它設備之間的連接路徑生成設備連通矩陣。

運用生成的主接線模式，能迅速地定位能作為失壓設備源節點的設備，并根據設備關系矩陣得到恢復供電后的路徑，結合設備實時狀態，則能得到相應需要的開關操作，結合轉供電方案評價體系，即可得到最佳轉供電方案。

3 轉供電方案的評價決策機制

3.1 轉供電方案評價指標

電網發生故障時需要盡快恢復供電，在搜索轉供路徑時，針對城市電網220 kV及以下電壓等級片網為輻射型網絡的特征，為盡快恢復失壓負荷，搜索得到的轉供路徑應具有以下特點：(1)盡可能多的恢復失壓負荷；(2)恢復供電過程中一次設備的操作盡可能少；(3)新運行方式下的電網能安全穩定運行。對此，結合電網基礎運行要求可設置轉供電方案評價體系中各指標如表2所示。

表2 轉供電方案評價指標

3.2 最佳轉供電方案的確定

轉供路徑方案的評價體系如圖8所示。一級評價指標為(1)未恢復的負荷總量U，值越小即造成的損失最少，方案愈佳。在一級評價指標最優的情況下，盡可能少地操作一次設備(2)。指標(3)和指標(4)是對負載率的限制，分別要求新的運行方式下沒有線路過載現象以及該區域內的所有源節點未超過可供容量限制，過載值即為未成功轉供的負荷量，計算可得未恢復的負荷總量U。

圖8 轉供電方案評價體系

4 實例

以圖3所示220 kV片網為例，以110 kV線路故障為例說明本算法的適用性。

4.1 片網主接線信息提取

故障發生前，已基于圖數據庫采用DBFS將圖3片網中各廠站的主接線信息進行提取，其中部分主接線信息示例：A站的110 kV側、B站的110 kV側和C站的10 kV側主接線信息如表3所示。

以A站110 kV側為例，表中：

表3 部分主接線信息表

4.2 線路故障時的轉供電方案生成

在圖3甲線發生故障時，甲線上四個開關均跳開，所帶母線負荷及所帶主變下的母線負荷未自動轉至相鄰母線供，且經過核查確認僅有甲線故障且短時不可恢復，其他設備均正常。此時，需要盡快生成相應的轉供電方案。

最佳轉供電方案的具體步驟為：(1)提取包含甲線的主接線組，根據設備連通矩陣結合故障前系統狀態可知甲線電源側為A站110 kV M1母線，負荷側包括B站B2主變、C站B1主變以及D站110 kV M1母線；(2)對上述負荷側設備進行有源性分析，即依次對各負荷側設備除了甲線以外的可能的供電設備進行連通性分析，確認負荷側設備均已失去供電。并由于B站和C站主變無法進行轉供，D站110 kV M1為D站110 kV M2和E站110 kV母線供電，得到實際需要進行負荷轉供的設備包括B站10 kV M2母線，C站10 kV M1母線、D站110 kV側母線和E站110 kV母線；(3)基于主接線信息對各需轉供設備提取可能的源設備，生成的可能的轉供電方案組合，對各轉供電方案組合進行負載率分析并計算其未恢復負荷量和一次設備操作數，選擇未恢復負荷量最少的轉供電方案為最佳的轉供電方案；當存在多個方案未恢復負荷量同為最小的情況下，選擇其中設備操作次數最少者作為最佳轉供電方案。

為體現算法的選擇性，設置兩種故障前的C站主變負載狀態如表4所示，其中C.B2主變的表中數據均為兩個變低開關之和，其余相關設備如乙線、丙線、丁線、戊線、G站220 kV主變和F站220 kV主變負載情況因在情景一、二中均未過載在表中省略。

表4 兩種情況下的相關設備負荷及容量

將對應不同情景生成轉供電方案的過程中主要計算和分析的數據如表5所示。

表5 可能的轉供電方案及其相關數據

由評價體系可得對應各情景的最優轉供電方案：情景一時，最優轉供電方案為：B站B2主變負荷轉B1主變供，C站B1主變負荷轉B2主變供，D站110 kV母線、E站110 kV母線轉由乙線供電；情景二時，最優轉供電方案為：B站B2主變負荷轉B1主變供，C站B1主變負荷轉B2主變供、B2主變轉B3主變供，D站110 kV母線、E站110 kV母線轉由乙線供電。

使用基于模式的轉供電方案生 成方法，將相關拓撲信息提前提取并存儲，能得到可能的源節點及轉供電路徑，避免了在故障時在復雜網絡中搜索路徑，能迅速得到滿足相應約束的最優轉供電方案。

5 結束語

文章提出了一種基于圖數據庫算法和模式匹配的城市高壓電網轉供電方案生成方法，首先將電網結構以圖的形式存儲于圖數據庫，基于圖數據庫及圖算法進行設備連通性分析、有源性分析和負荷率分析，極大地降低了根據關系型數據庫進行拓撲分析的復雜度。并結合實際電網和轉供電方案生成的特點，將廠站主接線組的特征進行提取，在發生故障時使轉供電方案的生成更加迅速。

由于文中基于模式匹配的轉供電方案生成特點，在電網出現新的主接線方式時，需要分析新方式的特征，對新的接線方式設定對應的方案生成體系。