沈澄泓，周长星，丁玉书
(1.浙江泛海智行电力科技有限公司，浙江 杭州 310052;2.国家电网绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)
浙江某中型城市的中心城区网架是由40个电缆环网构成，电缆线路不妨碍城市的交通，它供电可靠，不易受灾害的影响。中心城区以外的配网采用架空线或电缆和架空线的混合网架(以下简称混合网架), 架空线路的成本低、可操作性强。
混合网架的线路如果规划不合理就会在线路故障时，即使用分段开关强行隔离故障后仍有多于10台的客户变压器被迫停电，本文把这样的有问题的接线称为非标准接线。
非标准接线可以分为分段不合理、末端无联络和自身联络。配网单线(从一个10kV电源出来的线路称为单线)的接线通常很复杂，而国内单线非标准接线的鉴别都由人工完成，效率低。
该市中心城区的纯电缆网架由于分隔点较多，每个用户的故障都比较容易单独隔离，所以网架较少出现多于10台的客户变压器停电的情况。这时更应该考虑的不是单线是否为标准接线，而是整个中心城区网架的接线模式。
在输配电网络规划的研究中，国内外学者对接线模式的识别进行了大量研究，例如基于拓扑分析和模式识别的理论等[1-4],但极少有识别配网标准接线的研究。本文对供电公司提供的网络拓扑数据进行研究，选用供服提供的基于XML的CIM和SVG文件来解析和提取节点之间的两两连接关系和设备信息，然后把网架用深度优先遍历或广度优先遍历算法分割成一棵棵接线树。对于非中心城区混合网架的单线，运用递归的方法，对接线树中每个网络分段(通过分段开关隔开)和单线的末端进行逐一分析，判断每个分段或单线末端的客户变压器数量是否超过10台，即非标准接线，如果单线为非标准接线则要区分是分段不合理还是末端无联络。对于中心城区纯电缆的网架，提取接线树组的特征(接线树组可以包含若干接线树)并和已建立的专家特征库进行匹配，从而进行典型接线模式的识别。
浙江某中型城市网架是由中心城区的纯电缆网和非中心城区的混合网络组成，全市电网共有大约3000条单线，其中2000条是架空线或架空线和电缆的混合线路，其余近1000条纯电缆单线大多是在中心城区。网络的拓扑结构是从供电公司提供的CIM和SVG数据里获取的。CIM(公共信息模型)描述了电网的所有主要对象，用对象类和属性及他们之间的关系来描述电网。SVG是一种图像文件格式，意思是可缩放的矢量图形，它可以展示高分辨的电网拓扑Web图形页面。从CIM和SVG文件中可以提取10kV电源、断路器、线路、环网柜/开闭所母线、变压器间的连接关系作为算法程序的输入，数据处理程序同时输出两两连接关系的节点编号、节点名称、节点设备类型和状态、馈线名等。有了两两连接关系就可以从每一个10kV变电站母线电源节点开始遍历整条单线的所有元素。表1所示的为数据预处理的部分输出结果。
表1 数据预处理两两连接关系的输出Tab.1 Data preprocessing output of pairwise connection relationship
本研究中，CIM和SVG文件的数据预处理用Python语言来完成，非标准接线和接线模式的识别用C语言来实现以提升识别效率。
配电网络拓扑分析有多种方法，如传统网络拓扑分析法[5-10]、网络拓扑的快速方法等，而城市配电网的规划设计不用考虑开关状态时常变化的实时情况，所以用传统的分析方法是最为恰当的。
图是一种数学结构，由一组节点、一组边以及它们之间的映射组成,图是配电网络拓扑结构一种的数学抽象。10kV电源母线、开关站母线、开关甚至线路等元素都是图中的节点，图中的边表示元素是相连的。
树是一种具有特殊性质的图，连通无回路的无向图称为无向树。树的末端节点称为树叶，唯一没有父节点的节点称为根节点，其他节点称作分支点。
非标准接线和接线模式的识别第一步是要通过处理两两连接关系建立起一棵棵接线树，这样网络就被各个接线树分割开。可以把变电站的电源节点看成是一棵树的根节点，把出线看成一棵树，图1展示了从某一变电站的母线引出的两棵出线树。
把配电网看成是由一棵棵以变电站的10kV母线为根结点的出线树组成的，为了获得这些出线树的信息，需要对配电网进行遍历，即要求从电源点开始到末节点寻找接线树所有的节点和支路。遍历的主要目的是找到属于出线树或称作接线树的所有设备节点，然后进行识别，确定混合网络的单线接线树是否为非标准接线或确定纯电缆网架接线树组的接线模式。接线树的遍历方法可以分为深度和广度优先遍历，它们的作用相似，除了遍历到的节点的排列顺序会有差异。
图1 出线树Fig.1 Outgoing line tree
例如，广度优先遍历的具体搜寻过程是在访问图中的某个起始节点V0以后，继续访问与V0相邻的所有未被访问过的节点V1,V2……Vm,然后再依次访问与V1,V2……Vm相邻的所有没有被访问过的节点。直到所有的节点都被访问。广度优先搜索利用队列技术，从一个节点出发，将这个节点未被访问的邻居节点依次放入队列中，然后从队列的头依次取出每个节点进行访问。上图1中广度优先遍历和深度优先遍历的搜索顺序分别为1->2->8->3->9->10->4->11->12->5->13->6->7,1->2->3->4->5->6->7->8->9->10->11->13->12。在C语言程序中，采用递归调用的方法来实现广度或深度优先遍历。
非中心城区的混合网络的遍历是以单线为基本单位，单线从10kV的变电站电源节点开始，一直到和其他单线间的联络开关结束，一条单线一般包括十几到两百多个节点。中心城区的电缆网络的遍历是以接线组(单线组)为基本单位，接线组不被联络开关分断，它起始于10kV电源节点并终止于其他10kV电源节点或线路末端，一个接线组可以包括几条互相有联络的单线，因此可以有多个电源点，而每条单线只能有一个电源点。
3.1 非标准接线
混合网络的非标准接线分为分段不合理与末端无联络。如果单线图中某个可以被两个分段开关分隔的网段或单线的末端超过10台用户变压器，但是通过增加分段开关就可以使每个分段间的变压器数不多于10台，就叫作分段不合理。下图2为分段不合理的示意图，两个分段开关之间的变压器数超过10台，当两个开关之间的任何一个点出现故障时，必须同时打开两个开关来隔离故障，这样两个开关间的用户变压器只能全部停电，单线的其余部分可以照常供电。但是供电公司通过在两个分段开关间增设新的分段开关可以把图2转化成标准接线，使增加分段后每段中的变压器数不多于10台。
图2 分段不合理示意图Fig.2 Schematic diagram of unreasonable segmentation
上图3为末端无联络的示意图，分段开关1和2之间的网段中变压器超过10台，因为从A点向下延伸的子树中变压器也已超过10台，所以在分段开关1和2之间的无论什么位置增设分段开关都不能把图3转化成标准接线，例如在A的两侧增设分段开关，两个分段开关间的变压器数总是11台。一般在A点延伸出来的子树的末端添加联络(联络至其他的电源)，就可以把图3改造成标准接线。非标准接线的网段可以出现在单线的中间，也就是任意两个分段开关之间，也可以出现在单线的末尾，即最后一个分段开关的下游，而且某个网段可能同时是分段不合理和末端无联络。
图3 末端无联络示意图Fig.3 Schematic diagram of no tie line at the end
此外某条单线A至少有一个联络的情况下，如果联络线所在的单线的电源和单线A的电源是同一变电站的同一段母线的话，这样的接线称为自身联络，它也属于非标准接线[11-15]。
3.2 识别流程
在找到架空线或架空线和电缆线混合网架的所有电源点后，用广度优先遍历算法找到属于每条单线的所有节点。由于整个网架是相互连通的，要运用边际条件把各条单线完美地分割开。一般来讲两条单线是通过联络开关分隔的，因为联络开关一般是打开的所以比较容易标识，如果由于数据原因联络开关是闭合的，就要通过开关两侧所连节点的馈线名是否相同来判断，如果开关两侧的节点所属的馈线名不同，则开关是联络开关。由于一个用户变压器可以主要由一条单线供电，另一条单线为备用供电，此时分隔两条单线的开关的两侧虽然为不同的馈线，开关却并非联络开关，两条单线也不是相互联络的关系。在合理地分割单线后，用下图4所示的流程来识别单线是否为非标准接线。流程图详细描述了出现分叉的情况和如何判断分段不合理与末端无联络。
图4 非标准接线识别流程Fig.4 Non standard wiring identification process
例如要识别图5所示的单线，从电源点出来后分段开关1的后面存在分叉，且下游有2个联络开关(联络开关1和2)，分段开关2和4的下游各有一个联络开关，这表明分段开关2和4在两条不同的分支上需要分别识别。程序运用递归方法往单线的下游寻找成对的分段开关并且第二个分段开关的后面必须有联络(联络开关)，在上面一条支路中分段开关2和分段开关3之间只有六个用户变压器所以是标准接线，而下面一条支路中分段开关4和分段开关5之间有11台变压器属于分段不合理的非标准接线。分段开关3的下游没有其他分段开关，从分段开关3开始判断单线的末端是否有非标准接线，由于后面有11台变压器，这一段的接线为末端无联络。分段开关5下游虽然有一个分段开关6，但是分段开关6的后面没有联络，由于分段开关5和6即使断开也无法有效隔离开关间的故障(开关6的下游无法被有效供电)，所以不用考虑5和6之间是否是非标准接线。从分段开关5开始判断下游有无非标准接线，事实上它后面只有四台变压器，所以是标准接线。综上图5所示的单线为非标准接线，它有一个分段不合理和一个末端无联络[16-20]。
图5 单线示意图Fig.5 Single line diagram
3.3 识别结果
对浙江某中型城市的某县的所有单线的识别结果显示，该县共538条单线，其中标准接线为175条，非标准接线为360条，3条因数据错误(设备间无连接关系)无法识别。非标准接线的单线中，仅末端无联络的单线有107条，仅分段不合理的单线有160条，同时为末端无联络且为分段不合理的有62条，仅为自身联络问题的有31条。可见本文所述的方法和开发的软件可以非常有效地识别非标准接线。由于采用了C语言编制用于识别的算法程序，效率较高，目前识别一条单线需要大约1分钟， 538条单线一个白天便能识别完。
该中型城市的供电公司计划对非标准接线进行全面的改造，而计算机识别为运维部门提供了非常有效和必需的数据分析。
由于纯电缆网少出现多于10台用户变压器因故障停电的情况，进行非标准接线的判别并不是必需的，本文更注重于对中心城区电缆网架的接线组进行接线模式识别，来判断电网在有故障的情况下是否能被有效转供。例如，虽然单源辐射连接的成本很低，但是供电可靠性较差，当线路有故障时可能会导致全线的停电。双环网络的供电可靠性高，适合于负荷密度发展到相对高水平的城市中心。
在接线模式识别中，识别的是单线组，单线组区别于单线之处在于，单线组不被联络开关所分断，单线组或接线组的端点是10kV的电源节点(变电站母线段)或线路的末端。
4.1 理论基础
模式识别是用计算机去完成以前只有人才能做的智能活动。在对配网进行数据预处理和拓扑分析后，满足识别要求的模式需要抽取特征(例如电源数)，作为进一步辨识的依据。要求选择出的所有特征能够很好地代表这个模式，另一方面要尽可能地减少特征的数量，从而能进行最有效的判别。
接线模式识别的方法有多种，最为常用的是统计决策的方法。统计决策模式识别方法从所研究的模式中选择x个特征，每个模式由这些特征构成，并在x维空间中用一个向量表示，从而使每个接线模式在x维空间中占据一个位置。同类的模式相距较为接近，而不同模式间的相互距离应该较远。
运用统计决策方法进行接线模式识别就是用特征匹配的方法，把要识别的模式特征与已知的模式特征库进行比对，如果欲识别的接线模式的特征与特征库中某个已知模式的特征足够相似，则可以相应地判定要识别的接线模式[21-25]。
4.2 配网接线模式识别
4.2.1 典型接线模式
在分析浙江某中型城市中心城区纯电缆线路的接线方式时，结合该市的实际情况，首先考察几类典型的接线模式，如单电源辐射接线、手拉手单环网接线、双环网接线、主备接线模式(又称“N-1”接线)等。
电缆线路的单电源辐射接线很经济，配电线路较其他接线模式短、有新的负荷时接线容易。缺点主要是供电可靠性较差，故障时会发生全线停电。
手拉手单环网的两个电源可以来自同一变电站的两段不相同母线或不同的变电站。环网柜通常是电缆单环网的环网点，环网柜有两个负荷开关，所以可以分断任意一段线路的故障。
双环网接线模式中某一条线路发生故障时，线路被划分为几部分且被其余线路转供，供电可靠性高。
“N-1”主备接线模式是指N条线路连成环网，其中某条线路作为备用线路常态运行时不带负载运行，如果有一条线路出线故障，则通过切换把备用线正式投入运行。主备接线模式供电可靠性较高。
(a)单电源辐射接线模式(a)Single power radiation connect mode
4.2.2 特征提取
本文详细分析了城市配电网电缆线路的典型接线模式，并研究了典型接线模式对应的接线树数据后，决定提取电源、联络线、开关柜数量、是否有备用线等特征来区分不同接线模式。城市配电网接线模式的特征式为
Cf=(s,p,t,c,b,f)
(1)
式中：s表示待识别模式内的电源母线数，p表示待识别模式内的电源变电站数，t表示待识别模式内的联络线(联络开关)数，c表示待识别接线模式内开关站(开闭所或环网柜)的个数，b表示待识别模式内备用线数，f表示网架类型，若网架为电缆网，则f=1，若网架为架空网，则f=2。
建立典型配网接线模式的知识特征库，对要识别的接线模式提取特征式，然后与知识特征库进行比对，最终获得需要识别的接线模式的名称。表2给出了配电网电缆网络的典型接线模式特征库[26-28]。整个模式识别过程由图7所示。
表2 配电系统电缆网络典型接线模式特征库Tab.2 Feature library of typical connection modes of cable network system
图7 统计决策模式识别流程Fig.7 Statistical decision pattern recognition process
4.3 识别结果
浙江某中型城市中心城区的网架大多由环网组成，整个网络包括大约40个电源节点和430个环网柜/开闭所节点。网络的部分结构见图8(a)，图中E表示电源节点，H表示环网柜，K表示开闭所。该网络的一个典型接线模式双环网如图8(b)所示。
(a)某中型城市中心城区部分网架结构(a)Partial grid structure of a medium-sized city’s central urban area
对拓扑数据进行处理后，取得电源节点、开关节点、环网柜/开闭所节点之间的两两连接关系，然后利用遍历算法找到网络中所有的接线树组。提取接线树组的特征之后，把各个特征式和表2所示的特征库进行比对，找到接线模式名。
程序共分离出几十个接线树组，通过特征匹配，其中27个属于4电源的双环网接线模式，3个是2电源的单环网，一个是单电源辐射接线模式。此外，有14个接线树组属于非典型接线模式，它们大多是包含有4-6个电源的环网。单辐射接线的可靠性最低需要进行改造，由于电缆双环网络的高可靠性和灵活性,该中型城市的供电公司已经把中心城区改造成以双环网为主的结构。此外从该城市中心城区的网架可见，在国内二三线的中型城市中，环网特别是双环网是非常流行的接线模式，它符合繁华城市发展的需求。
本文对配电网的非标准接线和接线模式识别算法进行了研究和探讨，并在此理论基础上，编制了Python和C语言程序对浙江某中型城市的整个城市配网的拓扑数据进行了处理并对中心城区以外的混合网架的单线的非标准接线以及中心城区电缆网的接线模式进行了高效识别，取得了十分满意的效果，这项成果已经形成了软件产品。接下来希望能对配网的数据进行进一步研究，例如有效辨别配网的脆弱性、识别架空网架的接线模式、进一步提高识别效率等，为电网发展规划和运维的科学管理决策提供可靠的依据和数据技术支撑。
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