电网骨干网架实验室算法模型设计_黄晓明.pdf

第 27 卷第 6 期2022 年 12 月哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报JOUNAL OF HABIN UNIVESITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.27No.6Dec.2022电网骨干网架实验室算法模型设计黄晓明1，车剑韬1，樊冰1，李鑫齐2(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206;2.国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司，内蒙古 赤峰 024000)摘要:输电网是电力网的核心，在电力网规划和防御中都处于重要地位。针对输电网网络通过不同的节点权重及要素，可以运用不同的算法模型对具体问题进行深入的研究。本文根据节点拓扑重要度建立了输电网不同负荷节点的重要度指标，论证了输电网骨干网架演化构建方法;通过改进的 Dijkstra 迪科斯特拉算法，得出初节点 n1到终节点 nN的最短路径并得到初节点到任意节点的最短路径，实验室内项目组已有数据为例进行了仿真模拟并对实验结果进行简明分析。结果表明，采用改进 Dijkstra 迪科斯特拉算法并结合电网骨干架构的精简模型，能够有效反映输电网的架构，从而建立了输电网骨干网架模型，对比实验室案例骨干网络分析，验证了算法及模型的可靠性，这对于未来电网的发展和设计规划都有前瞻性的意义。关键词:电力网;骨干网架;重要负荷;迪科斯特拉算法;节点权重DOI:10 15938/j jhust 2022 06 015中图分类号:TM933文献标志码:B文章编号:10072683(2022)06012408收稿日期:2022 08 26基金项目:国家自然科学基金(51677065)作者简介:车剑韬(1989)，男，博士研究生;樊冰(1977)，男，博士，副教授通信作者:黄晓明(1987)，男，硕士，E-mail:2452567273 qq comDesign of Laboratory Algorithm Model for Grid BackboneHUANG Xiao-ming1，CHE Jian-tao1，FAN Bing1，LI Xin-qi2(1 School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2 Chifeng Power Supply Co，Ltd，Chifeng 024000，China)Abstract:The transmission network is the core of the power network and plays an important role in the powernetwork planning and defense.According to different node weights and elements of the transmission network，different algorithm models can be used to conduct in-depth research on specific problems.Based on the nodetopology importance，this paper establishes the importance index of different load nodes in the transmissionnetwork，and demonstrates the evolutionary construction method of the backbone grid of the transmission networkThrough the improved Dijkstra algorithm，the shortest path from the initial node to the terminal node is obtained andthe shortest path from the initial node to any node is obtained.The existing data of the project team in the laboratoryis taken as an example for simulation and a concise analysis of the experimental results.The results show that theimproved Dijkstra algorithm combined with the simplified model of the grid backbone architecture can effectivelyreflect the structure of the transmission network，thus establishing the backbone grid model of the transmissionnetwork.Compared with the backbone network analysis of the laboratory case，the reliability of the algorithm andmodel is verified，which has a forward-looking significance for the development and design planning of the future grid.Keywords:transmission grid;backbone grid;important load;Dijkstra algorithm;node weight0引言输电网网络作为电力网能量和信息传输的主干通道，与配电网相比，具有传输电力容量大、骨干节点少等特点，而且一旦节点和线路出现问题，输电网将产生更大的损失与危害性。因此探寻输电网骨干网架构造对于输电网防御和发展规划都具有重要的指导意义1。近年来，源网荷规划的研究相对成熟，然而对输电网的针对性研究还是相对薄弱。输电网连接电源和负荷，其规划在符合电力系统运行的基础上，是从不同角度、多方层面展开，在满足供电安全、可靠的基础上力求经济最优2。文 3 从电网安全方向出发，综合分析系统架构和运行两个方面，弥补了传统输电网单一安全性指标的不足。文 4 从灵活性角度分析系统不确定因素对源网协调的影响，并建立了灵活性供需平衡的输电网双层规划模型，有助于电网的安全稳定运行和对可再生能源的消纳能力。当较大规模的电力系统发生变化时，计算的复杂度成为阻碍电力系统的主要因素。为了解决计算量巨大及计算耗费时间过长的问题，文 5使用了两种方法对所选输电网进行可靠性评估，这两种方法分别是潮流跟踪和 Ward 等值法，这两种方法的组合可使得计算过程更加快速。文 6 针对 110 千伏电压级别以上输电网中网架薄弱环节，针对相应环节开展了拓扑设计，在不同的供电形式下开展分析。本文构建了全面反映输电网网络内在特性的支撑节点重要度和骨干线路重要度指标体系，形成了节点重要度和线路重要度集;建立了输电网骨干网架模型，并对某地区输电网进行了验证。1网架重要度评估指标构建1.1节点重要度指标1.1.1节点拓扑重要度各种各样的节点在电网潮流中的几何学位置差别比较大大，网络中的几何位置的差异性将导致其在网络中重要性有所差异。在图 1 中，如果节点 A崩溃，则整个电力网络将被单独的分开成两个单独的子网络，而若节点 C 崩溃则对整个网络的影响并不大，网络的节点拓扑重要度表示了节点在网络中的相对核心位置性，代表了节点的“枢纽性”。根据网络拓扑学中的网络构造方法，将网络中节点 k 的拓扑重要度 CT(k)定义为节点介数 CB(k)与该节点直接相连节点数 k1的数量积，即:CT(k)=k1 CB(k)(1)图 1网络示例图Fig.1Network example1.1.2节点负荷重要度由于电网中不同种类的不同功能的节点所代表的电站不仅位置不同，其容量与传输能力也有所差异，仅依靠节点拓扑重要度是无法反映这种差异性的7，因此应构建能够代表这种差异性的评估指标，这种评估指标必须能代表节点的首要性，体现节点在电网中的重要程度。首先将负荷归一化处理:k=Pk/Sbase(2)其中:Pk为节点 k 的流入能量;Sbase为系统的基准容量。则网络任意节点 k 的负荷量重要度表示为Cq(k)=wwkGk kwwkGwwkGk kww(3)其中:w 和 w为网络中任意的两个互不同的节点，则kww为节点 w 和 w之间最短路径所经过的任意节点k 的 0 1 变量，经过节点 k，kww=0，若不经过节点k，则有 kww=1。对于网络 G，以下表达式成立:wwGkww=wwGcww(k)(4)lww(k)为节点 w 与 w之间最短路径经过节点 k的次数。Cq(k)=wwkGkkwwkGwwkGkkww=kwwkGkwwkGkwwkGkww=kCB(k)kGkCB(k)(5)其中 0 Cq(k)1。521第 6 期黄晓明等:电网骨干网架实验室算法模型设计这样，在此算法上，既能体现节点的重要性，也能体现电网中节点所代表的符合在其位置的首要性，算例本质上就是一种在重要负荷节点已知的基础上遍历搜索输电线路集并与节点负荷集相匹配的过程。1.2线路重要度指标线路所代表的参数和要点主要的评估方法是线路介数。这种方法的片面性较为明显:对于不同的线路可能所含的容量也不一样，而线路的其中一种指标也应和线路所含的最大容量有关8。所构建的线路应该包含评估指标 Clq(k)如下式所示:Clq(k)=wwkGlklww(k)kGwwkGlklww(k)(6)lk=Plk/Slbase(7)其中:Plk为线路 k 的额定容量;Slbase为系统的额定容量。因此有:Clq(k)=wwkGlklww(k)kGwwkGlklww=lkNkkGlkNk(8)由上式可知，0 Clq(k)1，且 Clq(k)越大，则在电网线路中，该线路越重要。2实验室中输电网最小骨干网架构建2.1有权输电网模型输电网络可转换为相应拓扑数学模型:电网的拓扑结构，就是将整个电网中的各种终端负载、输电线、不同类型的发电设备都简化成一个个类似的节点。而把连接这些节点的电力线路抽象成数学几何中的一条条线段，进而以数学几何的形式来表示这些节点之间的关系9。输电网等效为一张具有 N 个节点、M 条边的无向、有权网络数学模型，可以用图 G 及边权连接矩阵 WG描述为G=(N，L)(9)式中:N 为电网中所有的发电机和相关变电站节点的集合，N=n1，n2，nn，矩阵 WG为电网的连接矩。L 为一组有权边的集合，L=l1，l2，l3，lm。边权连接矩阵 WG的矩阵元素 wij为:wij=0i=jXijij且(ni，nj)为图 G 的边ij且(ni，nj)非图 G的边(10)2.2电网骨干网架构建设电网 G=(N，L)的重要节点集表示为 NI，重要线路集表示为 LI，重要负荷节点集表示为 NI1，重要负荷线路集表示为 LI1，结构性重要节点集表示为NI2，结构性重要线路集表示为 LI2。通过上述对评估指标的定义和推导，有如下数学关系成立:NI2在网络 G 中所映射的线路集为 LI22，即 NI2LI22，LI2在网络 G 中所映射的节点集为 NI22，即 LI2NI22。设结构性坚强网架 GI2所对应的节点集 NG2，线路集 LG2，即 GI2=(NI2LG2)，则有如下关系恒成立:NG2=NI2NI22，以及 LG2=LI2LI22。通过以上分析不难得出 GI2是这样构成的:GI2=(NI2NI22，LI2LI22)。同理，对于重要负荷坚强 网 架10 13，GI1=(NI1，LI1)。则网络的最小骨干网架:Gm=(NI，LI)=(NI1NI2，L