本发明提供了一种基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，属于500/220kV电磁环网200kV侧环网开环运行技术领域，具体为：根据220kV城市环网分区原则，结合串供结构的检测与修正方法，以及DFS进行500kV变电站分区格局的辨识，改善传统GN算法的分区过程，确保所制定方案的可行性；并引入回溯思想改进GN算法，在获得新的分区方案后，根据断线信息分别从头部、尾部进行逐步回溯，使其能够获得所有可行的分区方案；为确保方案的实用性，还调用PSD‑BPA综合程序，自动对分区方案，进行静态安全分析和短路电流校验。本发明方法解决了传统GN算法在获得分区方案时的单一性缺陷，且所制定的分区方案满足实际环网分区的要求。
1.基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：读取电网数据，获取电网220kV变电站数据、交流线数据及其与电网500kV变电站有直接电气联系的220kV变电站节点号，抽象成电网拓扑信息，并根据电网拓扑信息，形成初始邻接矩阵adjMatrix；
步骤2：使用Floyd算法获取所有线路的边介数信息edgeNessInfo，初始化电网最大允许断开线路数cutLineMax及断线迭代索引iter＝1；
步骤3：使用GN算法获取断开线路的信息，根据断开线路修正邻接矩阵，获得修正后的邻接矩阵adjMatrixRe，以及直接得到一种分区方案；
步骤4：检测是否出现三台及以上的串供结构，若出现串供结构，则修正表征网络图的邻接矩阵；
步骤5：判断当前分区是否存在不满足主变台数要求的枢纽变电站运行条件，所述运行条件为“500kV变电站主变为两台的，不能独立供一片区，需与其他500kV变电站“手拉手”运行，具有三台主变的500kV站可独立供电一片区域”，若判断不符合电网要求或者说没有遍历完所有的断线信息，则进行下一步迭代，将断线迭代索引iter加1，把满足要求的分区方案存储至分区方案集合schemes中；
步骤6：采用广度优先搜索算法获取分区方案中每个分区所包含的站点信息，并将这些站点信息存储至分区格局字典zoneDic中；
步骤7：初始化最大可合线路数iterMax＝iter并初始化头部起始记录编号iterID＝1，并行执行头部闭合线路模块和尾部闭合线路模块；
步骤8：所述头部闭合线路模块的执行过程为：进入头部闭合线路模块，初始化头部闭合线路模块外层最大可合线路数iterHeaderMax＝iter；判断头部闭合线路模块外层最大可合线路数iterHeaderMax是否大于0，若大于0，则继续执行，并将iterHeaderMax自减1；初始化头部迭代索引iterHeader＝iterID，并将iterID自加1；判断iterHeader是否不超过iterMax，若不超过，则继续执行，并令iterHeader自加1；根据iterHeader的值及目前的断线信息，修正邻接矩阵，获得修正后的邻接矩阵为adjMatrixRe1；判断是否出现三台及以上的串供结构，若出现，则修正表征网络图的邻接矩阵；判断当前分区是否存在不满足主变台数要求的枢纽变电站运行；
步骤9：所述尾部闭合线路模块的执行过程为：进入尾部闭合线路模块，初始化尾部闭合线路模块外层最大可合线路数iterFooterMax＝iter；判断iterFooterMax是否大于0，作为闭合线路模块结束的依据，若大于0，则继续执行；初始化尾部迭代索引iterFooter＝iterFooterMax；继续判断iterFooter是否大于1，若大于1，则自减1并继续执行；根据iterFooter的值及目前的断线信息，修正邻接矩阵，获得修正后的邻接矩阵为adjMatrixRe2；判断是否出现三台及以上的串供结构，若出现，则修正表征网络图的邻接矩阵；判断当前分区是否存在不满足主变台数要求的枢纽变电站运行；
步骤10：将头部闭合线路模块和尾部闭合线路模块验证通过的分区方案存储至schemes中，使用广度优先搜索算法获取当前方案中每个分区所包含的站点信息，存储至zoneDic中；
步骤11：通过iter与cutLineMax的值作对比，确定回溯过程是否结束，若iter大于cutLineMax，则回溯过程结束；
步骤12：对经过GN算法直接得到的分区方案和经过回溯思想改进GN算法后得到的分区方案进行去重处理，得到最终的分区方案。
2.如权利要求1所述的基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，其特征在于，还包括步骤13：采用调用PSD软件工具包的方式，对所得分区方案进行静态安全分析和短路电流校验，保存并输出校验通过的分区方案。
3.如权利要求1所述的基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，其特征在于，在所述步骤5中，采用深度优先搜索算法进行辨识500kV变电站的运行格局，具体为：获取表征电网220kV站点的邻接关系矩阵和断线集合；采用DFS算法，获取当前方案的分区数目及其包含的220kV站点；遍历方案下的各个分区，判断当前包含的枢纽变电站数目是否满足要求。
4.如权利要求1所述的基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，其特征在于，在步骤4中，对串供结构进行修正的方法具体为：获取串供结构存储列表serList和curNode1；遍历方案断线列表cutLine，获取等于curNode1成员的位置pos；对serList进行遍历，逐次以serList[i]和serList[i+1]分别替代cutLine的pos位置处对应的线路编号；
调用串供结构检测方法，判断修正后的方案是否还存在三台及以上的串供结构，若存在，继续修正。
5.如权利要求1所述的基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，其特征在于，在所述步骤4中，对串供结构进行检测的方法具体为：获取分区后电网的邻接矩阵，并遍历该矩阵的每一行，获取节点度为1和2的站点，并存储至node1和node2列表中，初始化串供结构列表serList；遍历node1成员，获取当前成员curNode1，并依据curNode1和邻接矩阵，在node2中搜索相连200kV站点，若相邻则存储至serList；获取serList列表内部成员数目，若大于等于3，则表明存在串供结构。
基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法
技术领域
[0001] 本发明涉及500/220kV电磁环网200kV侧环网开环运行技术领域，具体涉及一种基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法。
背景技术
[0002] 目前500/220kV电网已经成为电力功率传输网架的核心部分。当输电网出现故障时，会对电网的安全可靠运行造成极大危害，然而就我国现阶段的国情而言，尚不能对输电线路和电气设备进行大规模的改造，因此采取500/220kV电网220kV环网分区措施已成为运行人员在电网发展中抑制电网短路电流水平的共识。
[0003] 随着我国电压等级的不断发展，受端电网分区势在必行，正如《电力系统安全稳定导则》中明确指出的：“随着高一级电压电网的建设，下级电压电网应逐步实现分区运行，相邻分区之间保持互为备用，应避免和消除影响电网安全稳定的不同电压等级的电磁环网”。
[0004] 虽然已有很多关于电磁环网分区运行的研究，但大多都是依靠工程经验来制定分区方案，比较主观，且实际制定分区方案时需要耗费大量的时间进行重复性的校验工作。为此，有学者考虑到电力网络结构类似于复杂网络，因此针对性地采用该复杂网络理论中的传统GN分裂算法(Girvan-Newman分裂算法)并应用于电磁环网分区中，但是传统GN分裂算法本身没有考虑实际电网的分区原则，且针对同一种分区数目只能获得一种分区方案，难以保证实际制定分区方案的可行性和合理性。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，以解决传统GN算法在获得分区方案时的单一性缺陷。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种基于回溯思想改进GN算法的220kV城市环网分区方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1：读取电网数据，获取电网220kV变电站数据、交流线数据及其与电网500kV变电站有直接电气联系的220kV变电站节点号，抽象成电网拓扑信息，并根据电网拓扑信息，形成初始邻接矩阵adjMatrix；
[0009] 步骤2：使用Floyd算法(Floyd-Warshall algorithm)获取所有线路的边介数信息edgeNessInfo，初始化电网最大允许断开线路数cutLineMax及断线迭代索引iter＝1；
[0010] 步骤3：使用GN算法获取断开线路的信息，并根据断开线路修正邻接矩阵，获得修正后的邻接矩阵adjMatrixRe，以及直接得到一种分区方案；
[0011] 步骤4：检测是否出现三台及以上的串供结构，若出现串供结构，则修正表征网络图的邻接矩阵；
[0012] 步骤5：判断当前分区是否存在不满足主变台数要求的枢纽变电站运行条件，所述运行条件为“500kV变电站主变为两台的，不能独立供一片区，需与其他500kV变电站“手拉手”运行，具有三台主变的500kV站可独立供电一片区域”，若判断不符合电网要求或者说没有遍历完所有的断线信息，则进行下一步迭代，将断线迭代索引iter加1，将满足要求的分区方案存储至分区方案集合schemes中；
[0013] 步骤6：采用广度优先搜索算法获取分区方案中每个分区所包含的站点信息，将这些站点信息存储至分区格局字典zoneDic中；
[0014] 步骤7：初始化最大可合线路数iterMax＝iter并初始化头部起始记录编号iterID＝1，并行执行头部闭合线路模块和尾部闭合线路模块；
[0015] 步骤8：所述头部闭合线路模块的执行过程为：进入头部闭合线路模块，初始化头部闭合线路模块外层最大可合线路数iterHeaderMax＝iter；判断头部闭合线路模块外层最大可合线路数iterHeaderMax是否大于0，若大于0，则继续执行，并将iterHeaderMax自减1；初始化头部迭代索引iterHeader＝iterID，并将iterID自加1；判断iterHeader是否不超过iterMax，若不超过，则继续执行，并令iterHeader自加1；根据iterHeader的值及目前的断线信息，修正邻接矩阵，获得修正后的邻接矩阵为adjMatrixRe1；判断是否出现三台及以上的串供结构，若出现，则修正表征网络图的邻接矩阵；判断当前分区是否存在不满足主变台数要求的枢纽变电站运行；
[0016] 步骤9：所述尾部闭合线路模块的执行过程为：进入尾部闭合线路模块，初始化尾部闭合线路模块外层最大可合线路数iterFooterMax＝iter；判断iterFooterMax是否大于0，作为闭合线路模块结束的依据，若大于0，则继续执行；初始化尾部迭代索引iterFooter＝iterFooterMax；继续判断iterFooter是否大于1，若大于1，则自减1并继续执行；根据iterFooter的值及目前的断线信息，修正邻接矩阵，获得修正后的邻接矩阵为adjMatrixRe2；判断是否出现三台及以上的串供结构，若出现，则修正表征网络图的邻接矩阵；判断当前分区是否存在不满足主变台数要求的枢纽变电站运行；
[0017] 步骤10：将头部闭合线路模块和尾部闭合线路模块验证通过的分区方案存储至schemes中，使用广度优先搜索算法获取当前方案中每个分区所包含的站点信息，存储至zoneDic中；
[0018] 步骤11：通过iter与cutLineMax的值作对比，确定回溯过程是否结束，若iter大于cutLineMax，则回溯过程结束；
[0019] 步骤12：对经过GN算法直接得到的分区方案和经过回溯思想改进GN算法后得到的分区方案进行去重处理，得到最终的分区方案。
[0020] 根据上述方案，还包括步骤13：采用调用PSD软件工具包的方式，对所得分区方案进行静态安全分析和短路电流校验，保存并输出校验通过的分区方案。
[0021] 根据上述方案，在所述步骤5中，采用深度优先搜索算法进行辨识500kV变电站的运行格局，具体为：获取表征电网220kV站点的邻接关系矩阵和断线集合；采用DFS算法(depth-first search algorithm，DFS)获取当前方案的分区数目及其包含的220kV站点；遍历方案下的各个分区，判断当前包含的枢纽变电站数目是否满足要求。
[0022] 根据上述方案，在步骤4中，对串供结构进行修正的方法具体为：获取串供结构存储列表serList和curNode1；遍历方案断线列表cutLine，获取等于curNode1成员的位置pos；对serList进行遍历，逐次以serList[i]和serList[i+1]分别替代cutLine的pos位置处对应的线路编号；调用串供结构检测方法，判断修正后的方案是否还存在三台及以上的串供结构，若存在，继续修正。
[0023] 根据上述方案，在所述步骤4中，对串供结构进行检测的方法具体为：获取分区后电网的邻接矩阵，并遍历该矩阵的每一行，获取节点度为1和2的站点，并存储至node1和node2列表中，初始化串供结构列表serList；遍历node1成员，获取当前成员curNode1，并依据curNode1和邻接矩阵，在node2中搜索相连200kV站点，若相邻则存储至serList；获取serList列表内部成员数目，若大于等于3，则表明存在串供结构。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025] 1)通过加入基于DFS算法辨识500kV变电站的运行格局模块，和串供结构的检测与修正模块使分区方案符合220kV城市环网实际分区运行的原则，传统GN算法能够合理可行地运用于220kV城市环网分区应用中。该方法取代了人工制定分区方案的形式，得到的分区方案有效性更高。
[0026] 2)基于回溯思想改进传统GN算法，在获得新的分区后，根据断线信息同时从头部、尾部逐步回溯，使其能够获得所有可行的分区方案，解决传统GN算法在针对某一指定分区数目只能得到一个分区方案的缺点。引入回溯思想的优势在于能够将某一指定分区数目的所有分区方案搜寻出来，且在考虑了220kV城市环网实际分区原则的基础上，确保最终所得分区方案更全面、着实可靠。
[0027] 3)采用调用PSD软件工具包的方式，对所得分区方案进行静态安全分析和短路电流校验，保存并输出校验通过的方案，使整个算法能够自动的输出所有满足分区原则及通过指标校验的分区方案。
附图说明
[0028] 图1为本发明中500kV变电站分区运行格局校验方法的流程图。
[0029] 图2为本发明中串供结构检测方法的流程图。
[0030] 图3为本发明中串供结构修正方法的流程图。
[0031] 图4为本发明中基于回溯思想改进GN算法的220kV城市电网分区方法的流程图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的目的是针对220kV城市环网分区，提出一种基于回溯思想改进GN算法的分区方法，根据220kV城市环网分区原则，结合串供结构的检测与修正方法，并用DFS进行500kV变电站分区格局的辨识，改善传统GN算法的分区过程，确保所制定方案的可行性。引入回溯思想改进GN算法，即在获得新的分区方案后，根据断线信息分别从头部、尾部进行逐步回溯，使其能够获得所有可行的分区方案，解决传统GN算法在获得分区方案时的单一性缺陷。为确保方案的实用性，调用PSD-BPA综合程序，自动对分区方案进行静态安全分析和短路电流校验。
[0033] 具体来说：
[0034] 1)根据220kV城市环网分区运行原则完善传统GN算法
[0035] 500/220kV电磁环网220kV侧环网分区的方案应综合考虑电网结构合理、调度运行灵活和投资规模适当等因素。解环后的供电区需满足以下两个原则：A、500kV变电站主变为两台的，不能独立供一片区，需与其他500kV变电站“手拉手”运行，具有三台主变的500kV站可独立供电一片区域；B、220kV站点不能出现三台及以上的“串供结构”。
[0036] 针对A原则主要采用深度优先搜索(depth-first search algorithm，DFS)算法进行辨识500kV变电站的运行格局，步骤如下：步骤1、获取表征电网220kV站点的邻接关系矩阵和断线集合；步骤2、采用DFS算法，获取当前方案的分区数目及其包含的220kV站点；步骤3、遍历方案下的各个分区，判断当前包含的枢纽变电站数目是否满足要求。
[0037] 针对B原则主要通过串供结构检测方法及串供结构搜索方法。
[0038] 串供结构检测方法的主要步骤如下：步骤1、获取分区后电网的邻接矩阵，并遍历该矩阵的每一行，获取节点度为1和2的站点，并存储至node1和node2列表中，初始化串供结构列表serList；步骤2、遍历node1成员，获取当前成员curNode1，并依据curNode1和邻接矩阵，在node2中搜索相连200kV站点，若相邻则存储至serList；步骤3、获取serList列表内部成员数目，若大于等于3，则表明存在串供结构。
[0039] 串供结构修正方法的主要步骤如下：步骤1、获取串供结构存储列表serList和curNode1；步骤2、遍历方案断线列表cutLine，获取等于curNode1成员的位置pos；步骤3、对serList进行遍历，逐次以serList[i]和serList[i+1]分别替代cutLine的pos位置处对应的线路编号；步骤4、调用串供结构检测方法，判断修正后的方案是否还存在三台及以上的串供结构，若存在，还需继续修正。
[0040] 2)基于回溯思想改进GN算法
[0041] 应用于220kV城市环网分区研究的传统GN算法，直接利用边介数信息制定分区方案，然而却无法全面发挥边介数信息的优势，不能增加分区方案的多样性，确保采用该算法制定分区方案的有效性。
[0042] 传统GN算法在分裂过程中，利用节点权值、线路边介数分别表征网络中各节点、边的重要程度。依据当前最大边介数信息逐步移除目前网络中连接不同社团之间最薄弱的线路，周而复始，直至将原始网络划分成不同的分区格局，形成分区方案。但传统GN算法在针对特定的分区数目时，只会产生一种方案，当此方案不满足某种分区原则时，通过该算法也就无法达到对原始网络进行分区的目的。事实上，传统GN算法本身在利用边介数信息逐步往前迭代移除当前最大边介数所对应的边，形成较大数目的分区的过程中，可以利用回溯思想逐步调整或随机调整的方式更改已移除边的状态，增加分区数目较小的分区方案的多样性。
[0043] 3)调用PSD软件工具包进行指标校验
[0044] 通过上述过程得到的分区方案schemes均可满足实际电网的分区原则，但没有进行指标校验。由于解环方案数较多，传统的手动计算无法满足大量潮流计算和短路电流计算的需求，利用程序调用PSD软件包现有的计算程序模块并对电网进行自动计算，能大量降低运行人员计算量，提高程序的自动化率与计算效率。
[0045] 本发明可实现自动的静态安全分析和短路电流的指标校验。静态安全分析实际也为研究电网供电负荷能力的分析，主要通过母线“N-1”、线路“N-1”、同塔线路“N-2”和主变“N-1”等校验指标方式表征各分区和全网供电负荷能力。短路电流校验时主要考虑枢纽变电站的220kV母线以及断路器遮断容量特殊的变电站母线的单相和三相短路电流。
[0046] PSD-BPA潮流及暂态稳定程序作为“PSD电力系统软件工具”的重要组成部分，在实际应用过程中取得了较好的效果。本发明采用的潮流计算方法为先利用P-Q分解法进行初始迭代，然后在一定迭代次数后，将所得结果转入牛顿-拉夫逊法求解潮流，这样可以较好的提高潮流的收敛性与收敛速度。
[0047] PSD-SCCP短路电流计算程序的主要功能为基于潮流方式对系统进行对称(三相短路)和不对称故障(单相短路)情况下的短路电流计算，且可指定该故障母线或线路的编号和位置。
[0048] 静态安全分析程序实现的基本思路为读取网络基本数据文件，通过程序中的查询方法找到需要断开的某些元件，将其断开后再保存至基础数据文件，然后调用潮流计算程序对基础数据文件进行潮流迭代，最后读取相应潮流结果即完成一次“N-1”校验计算。
[0049] 为进一步说明本发明方法的发明内容及有益效果，本发明以某地区220kV城市环网为例进行分区方法有效性的验证。该电网由5座500kV变电站和55座220kV变电站组成，500kV变电站均投入两台主变，需与其他500kV变电站“手拉手”运行。
[0050] 220kV变电站节点编号数据如表1所示；220kV交流线数据如表2所示；与500kV变电站直接联系的220kV站点数据如表3所示；采用基于回溯思想改进GN算法获取的220kV城市环网分区方案如表4所示；对获取方案中进行静态安全分析和短路电流校验，校验结果分别如表5、表6和表7所示，其中，静态安全分析主要针对全网进行母线“N-1”、线路“N-1”、同塔线路“N-2”和主变“N-1”校验，短路电流校验主要针对各500kV枢纽变电站的220kV母线处和部分开关遮断容量为40kA的220kV变电站的220kV母线处的三相、单相短路电流。
[0051] 表1 220kV变电站编号
[0052]站点名称 站点编号 站点名称 站点编号 站点名称 站点编号 站点名称 站点编号A 1 J 18 QR 35 ZY 52
B 2 IJ 19 RQ 36 ABC 53
AB 3 JI 20 S 37 BCD 54
BA 4 K 21 T 38 CDE 55
C 5 L 22 ST 39 DEF 56
D 6 KL 23 TS 40 EFG 57
CD 7 LK 24 U 41 FGH 58
DC 8 M 25 V 42 GHI 59
E 9 N 26 UV 43 HIJ 60
F 10 MN 27 VU 44
EF 11 NM 28 W 45
FE 12 O 29 X 46
G 13 P 30 WX 47
H 14 OP 31 XW 48
GH 15 PO 32 Y 49
HG 16 Q 33 Z 50
I 17 R 34 YZ 51
[0053] 表2 220kV交流线数据
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 表3与500kV变电站直接联系的220kV站点信息
[0058]站点名称 站点编号 站点名称 站点编号
DEF 56 GHI 59
EFG 57 HIJ 60
FGH 58
[0059] 表4 220kV城市环网分区方案
[0060]
[0061]
[0062] 表5分区方案静态安全分析结果
[0063]
[0064] 表6三相短路电流校验
[0065]
[0066] 表7单相短路电流校验
[0067]
[0068] 考虑电磁环网220kV等级电网分区的运行原则，基于回溯思想改进GN算法的分区方法将某220kV城市环网划分成5种分区方案，均经过了三相短路电流、单相短路电流、全网的静态安全分析，验证了本发明方法的正确性。本发明方法不仅能够获得满足实际电网分区要求的分区方案，而且能够将所有的满足要求及通过指标校验的方案进行保存并输出。
