郝梦凝
国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司 内蒙通辽028000
摘要：电网拓扑分析是电网调度自动化系统中一个非常重要的基础应用。它是连接电网模型和相关调度自动化软件的重要桥梁。它是许多电力系统分析功能的基础，如状态估计，潮流计算和稳定性计算，继电保护和整定。作为调度自动化系统稳态监控模块的一部分，快速准确的网络拓扑分析不仅能有效满足调度自动化系统的基本要求，还能保证监控系统的实时性，提升相关应用计算的准确性。
关键词：分治策略；分布式调度自动化系统；网络拓扑；
随着社会的发展，电网工作也在逐步发展，电网的结构规模不断增加，这时候就需要一种方式可以在以计算机技术作为根本的基础上，做出一个更加科学且合理的网络拓扑分析。
一、分治策略
分治策略是计算机软件编程中的一个常用方法，应用递归的思想，在每一个层次的递归中应用如下三个步骤：（1）分解步骤将问题划分为一些子问题，子问题的形式与原问题一样，只是规模更小。（2）解决步骤递归地求解出子问题。如果子问题的规模足够小，则停止递归，直接求解。（3）合并步骤将子问题的解组合成原问题的解。其中，当子问题足够大，需要递归求解时，称之为递归情况。当子问题变得足够小，不再需要递归时，称之为递归“触底”，进入了基本情况。电网拓扑分析，在将电网设备的物理属性剥离后，实质上是求解图形连通性的问题，但连通性问题的输出通常只有是与否。至于设备间是怎样连通，还需要应用遍历的手段来求得结果。通常来讲，遍历的速度取决于图形的规模。面对一个较大规模的图来说，无论采用什么样的算法，效率都会低于一个规模较小的图。而影响电力系统网络的拓扑关系往往是一、两个断路器、刀闸的变化，这种细微的改变导致遍历一个庞大的电网其代价是十分不划算的，从分治策略的基本思想可以看出，一个规模为N的问题可以通过分解将规模难度降低。
二、拓扑模型分治
1.数据分解。我国的输电网是按照“地区-公司-厂站-电压等级”这样的层级来划分管理的。国内的调度自动化系统是按照CIM规范进行的建模。借助CIM中“设备容器”的描述，可以对电网模型同样按照管理的划分来进行分割，即“厂站-电压等级-间隔”所有的设备除去“变压器”和“线路”，都可以关联到某一厂站的某一电压等级下，在定义了间隔的调度自动化系统中还可以将设备划分到间隔中，变压器、线路和电压等级、厂站没有聚集关系。可以将针对全网的拓扑分析作为总问题，对厂站、电压等级乃至间隔的拓扑分析作为子问题。根据分治策略，拓扑分析可以划分为针对厂站问题的求解、针对电压等级问题的求解、针对间隔的求解，至此问题“触底”。本文将对同一电压等级下的拓扑分析作为分治的“触底”条件，应用变压器作为不同电压等级之间的划分，线路则作为不同厂站的划分。这样对数据的分解较为直观，易于理解。
2.带电分析。基于监控的拓扑分析一个重要任务就是提供着色，即分析设备的带电状态，而带电状态的分析可以在完成连接分析后单独进行。因此将带电分析作为一项单独的任务提出。
3.并发模型。在完成上述对电网的划分后，很容易得到：上述的划分对于任何电网来说是普遍适应的，每个子问题在去掉线路、变压器这两种设备的影响后都相互独立，如图1所示。
图1并发拓扑分析模型
由于基于监视的分析不用考虑潮流方向，电网模型转化到计算机数据结构中可以应用表(List)的数据结构进行存储，而表属于可分解的数据结构，意味着将整体计算分解为多个任务，各个任务将并发执行，并且每个任务都将更新与之相关的数据块，每个数据块内的数据是安全的。
三、实时开关的闭合状态以及后期的动态拓扑分析
要想实现对电网的全方位监控，电网拓扑分析就需要结合开关的闭合状态来获取相关电器到数据，并且，还要结合相关设备是否带电以及带电程度来进行最终抉择。第一步要根据开关的闭合状态，在相对应的设备块中遍历。此时需要注意的是，开关的闭合程度会影响最开始的设备块的属性。所以，需要对设备块中的一些设备做一些基本的记录。相对应的，另外的设备块就不会介入到后期的带点分析工作中，降低了工作难度。要遍历全部设备，包括电源。因为这一些基础的设备会都是带电的，如果有漏掉便利的情况存在，就会失电经过层层筛选，就会确定出相关设备带电程度。在实际工作中，最不好的情形就是全部的设备块中断路器不能正常工作，所以全部的设备块会被重新构建。但是一般来说，这种情况比较少见，也只有极少数的设备会需要返工。所以，拓扑分析的复杂程度以及操作程度并不是很高。
四、对象化模型信息共享与分布式计算的实现
Google的MapReduce是一个简单的编程模型，它通过隐藏并行计算、故障监控与恢复、数据管理以及负载平衡相关的细节支持应用程序的开发。MapReduce的基本原则是基于一种对计算的认识，即并行计算所共享的同一模式：a将输入数据分成若干块；b对这些数据块进行初步处理来生成中间结果；c综合这些中间结果来产生最终的输出。从算法条件上，通过前文的分析，可以认为网络拓扑分析同样适用于该思想；调度自动化系统本身是一套庞大的系统，先天具备大量高性能服务器。然而从实际情况来看，并不是所有服务器在任何时刻都满负荷运行，大负荷的服务器总是集中在几台重要的应用服务器上，如稳态监控，数据交换，数据存储等。闲置的或是负载较轻的服务器为进行分布式计算提供了客观的硬件条件。为实现分布式计算，对划分进行适当的调整，拓扑分析的步骤可以总结如下：(1)初始化。将全局电网按照不同电压等级进行划分，从而整个电网被划分成了N个子电网，并按照设备块对象的方式进行构建生成<关键字，设备信息>的键-值对结构。该结构将脱离实时数据库独立存在。(2)构建阶段。根据遥信情况对设备块进行处理，构造设备块内的连通情况，并修建连枝型设备。(3)合并步骤。将修建完毕的设备块进行遍历。统计设备块的电源个数。(4)带电状态更新。将设备块更新设备的带电情况。拓扑分析的基本素材信息在主工作机上存储，中间结果则在工作机完成计算后上传至主工作机。考虑有N台服务器，这些服务器可以是本调度自动化系统的也可以是不同调度自动化系统的服务器甚至是厂站端的自动化系统服务器，将它们作为机器池，首先启动一些工作机，其中一台作为主的工作机，其他的工作机完成构建和合并的工作。主工作机负责监视其他工作机的状态，通过接收遥信变化事件启动对应的工作机启动构建运算，并负责划分和最后的带电状态更新任务。针对具体的调度自动化系统，对整体问题的划分可以考虑更多的人工干预，如对一些待改造的，新建的变电站可以放置在一起，这样在进行模型维护时对监视造成的影响可以降到最小。容错性的实现：由于拓扑分析终归是一个整体性的问题，因此必须由所有的工作机完成运算后才可能得到唯一正确的答案，因此，主工作机定期地通过心跳的方式判断工作机是否正常，如果某一个工作机已经停止运算或是出现网络中断等问题，主工作机再判断是否有中间结果，如果有中间结果将该工作机对应的任务复制到另一工作机上由新的工作机来完成任务。
总之,提到的在应用分置策略的基础上实现分布式的网络拓扑计算，它在实现全范围的电网调度自动化系统的稳定性方面有着重要的作用。并且，它还可以充分地提高调度大联网的实际能力，从而确保电网的平稳运行。同时，也有利于电网在我国的良好发展。基于此，电网应该面向更高级的应用服务，在确保不影响自身功能的基础上，尽最大努力来提高自动化系统的工作效率。
参考文献：
[1]张晓敏:分治策略的分布式调度自动化系统稳态监控网络拓扑分析.2018.
[2]李海东，基于分治策略的分布式调度自动化系统稳态监控网络拓扑研究.2019.