0　引言
　　与能量管理系统（EMS）类似，网络建模和结线分析（也称拓扑分析）是配电管理系统（DMS）的基础。网络建模的基本功能是定义网络模型，建立网络数据库，为其他网络分析软件定义网络物理结构。结线分析的基本功能是根据开关状态将用户定义的网络物理模型（结点模型）化为计算用模型（母线模型）。网络结线分析是网络计算的前提，用于各种网络分析程序，如状态估计、潮流计算、短路分析等。
　　在EMS网络数据库中，电力系统数据或模型按层次结构来组织［1］。即公司（CO）包含若干分区（DV）；分区又包含若干电站（ST）和线路（LN）；电站包含若干电压等级（KV）和变压器（XFMR）；电压等级又包含若干元件，如开关（CB）、负荷（LD）、机组（UN）、电容器（CP）等。元件之间的电气连接由元件的公共端点或它们的公共结点来定义，这样即形成所谓的基于结点的网络模型。
　　从数据库设计角度来说，虽然上述EMS网络数据库结构和网络模型是针对任意输电网络的，原则上可以用于对配电网络建模。但是由于没有考虑配电网络的特殊结构和配电管理系统软件的具体要求，在用于DMS时可能存在下列问题。
　　首先，众所周知，配电网及配电馈线为辐射状结构，在用上述输电网建模方法对配电馈线建模时，要求对馈线上每一分支线两端结点分别定义一个“电站（ST）”模型，并把每一分支线定义为一条线路（LN）。与EMS中电站不同，这种“电站”只是数据库定义的需要，物理上并没有电站的含义，只对应馈线上的一个结点（或结点组），因此是“虚电站”。由于一条配电馈线可能包含多个分段开关和联络开关（拉手开关），以及数十个甚至数百个分支线段和用户负荷，因此必然在DMS网络数据库中引入大量对运行监视、控制和管理来说没有任何物理意义的“虚电站”，从而使网络数据库变得更为庞大。此外，这种定义方法很不直观，使用户建立和维护网络数据库的工作量加重。
　　其次，从软件设计和开发角度，配电软件在功能、算法、结构等方面与输电软件有明显不同。例如，在输电网中，网损优化主要通过调节无功电源以改变潮流分布来实现，而在配电网中则主要通过开/合馈线上分段开关和联络开关以改变网络结构来实现；再如，在输电网中，母线负荷预测根据事先定义好的层次结构将系统负荷分配到各个母线，而在配电网中则根据馈线的树状结构将馈线负荷分配到各用户负荷结点。因此在DMS应用中，通常要求提供特定辐射状馈线结构和电气接线，而这些数据不能由现有EMS建模方法所建立的网络数据库提供。
　　第三，为了将来与地理信息系统（GIS）和设备管理系统（FM）等实现横向集成，应该提供在一般意义上设计的符合配电网络结构特点的统一网络数据库，以便有可能直接从FM数据库生成网络数据库，并将网络分析结果送入GIS数据库，从而在数据库级实现DMS与GIS之间的动态数据交换。
　　因此，必须对配电网络数据库结构和网络模型进行专门设计，以满足DMS设计和开发的需要。

1　配电网络建模
　　基于上述情况，本文在EMS网络数据库结构的基础上，提出了一种适合配电系统的网络数据库结构和网络层次模型，如图1所示。在这种数据库结构中，引入新模型FD，SEC和SO，以分别描述配电馈线、馈线段（分支线）和电源（输电部分）。此外，在馈线与其元件之间定义了一个层次关系，以描述辐射状馈线结构。与EMS网络数据库比较，图1数据库结构实际上扩展了电站和电压等级的范围，使它们进一步包含馈线和馈线段。利用这种建模方法，一方面，通过在电压等级下引入SEC模型来描述馈线段的电气接线和物理模型，从而避免了在网络数据库中引入大量的“虚电站”，使网络数据库中电站模型与实际变电站相对应，并且使用户易于理解和维护网络数据库；另一方面，通过定义馈线与其组成元件的层次关系，又能提供辐射状馈线结构。因此，图1所示数据库更适合于DMS。
 

图1　配电网络数据库结构
Fig.1　Database structure of distribution network

　　在图1所示数据库结构中，馈线类FD的数据成员包括：馈线标识（id），馈线描述（descr），连接变电站（st），连接结点（nd），有功功率（w），无功功率（r），电流（i）等；馈线段SEC的数据成员包括：线段标识（id），线段描述（descr），首端结点（nd），末端结点（znd），线段类型（lnty），线段长度（len）等；电源类SO的数据成员包括：电源标识（id），电源描述（descr），连接结点（nd），有功供电功率（w），无功供电功率（r），供电电压（v），最大有功供电功率（wmax），最大无功供电功率（rmax），最大供电电压（vmax），最小供电电压（vmin）等。
　　应该指出的是，在图1所示数据库结构中，电源类SO用来描述配电系统的供电电源，即输电系统部分，它与EMS中将配电系统定义为负荷相互对应。具体地说，例如对图2所示网络，在DMS网络数据库中，将开关CB0以上的输电网络部分定义为一个电源，该电源连接在结点ND0上，而在EMS网络数据库中，将开关CB0以下的配电网络部分定义为一个负荷，该负荷连接在结点ND1上。因此，开关CB0是EMS/DMS的分界点，它在EMS/DMS网络数据库中必须重复定义。
 

图2　DMS数据库中电源的定义
Fig.2　Definition of supply source in DMS database

　　此外，在配电网中，由于不同馈线之间一般通过联络开关（拉手开关）相互联络，这种联络开关物理上不属于任何一条与其连接的馈线。因此在利用图1所示数据库结构建立配电网络数据库时，为了描述馈线之间通过联络开关相互连接的连接关系，需要在每一组联络开关的一端与其相应的一个馈线段的一端之间串联引入一条零阻抗支路，以使联络开关定义为属于其一侧的馈线，而将零阻抗支路定义为馈线之间的联络线。图3说明对变电站STA的出线（馈线）FDA与变电站STB的出线FDB通过拉手开关CB1相联络的情况，通过引入零阻抗支路ZBR0来定义这种连接关系的方法。
 

图3　零阻抗支路ZBR的定义
Fig.3　Definition of zero impedance branch

2　配电网络结线分析
　　网络结线分析（也称拓扑分析）的主要功能是把上述由用户建立的基于结点的物理模型转换成可供各应用功能，如配电潮流、短路计算、网络重构等使用的数学模型。其主要要求是可靠、快速、有效。
　　网络结线分析包括2个步骤：母线分析和电气岛分析。母线分析是将闭合开关连接在一起的结点集合定义为一个母线；电气岛分析是将线路和变压器连接在一起的母线集合定义为一个“岛”。既有电源又有负荷的“岛”才有计算意义，称为“活岛”，物理上对应带电部分；否则称为“死岛”，物理上对应停电部分。
　　虽然从功能、原理和内容上来说，配电网络结线分析与输电网络结线分析没有什么本质不同，但是由于配电网络结构与输电网络结构不同，因此为了进一步提高结线分析的速度和效率，应该充分利用配电网络结构特点和上述网络数据库信息，采用与输电网有所不同的结线分析算法控制策略。
　　在EMS中，当电站的所有开关都闭合时，一个电压等级一般只包含一二个母线，因此对开关变位可以将搜索过程限定在电压等级范围之内，以对电压等级内的母线进行重新分配。然而如图1所示，在DMS中，一个电压等级可能包括数百个馈线段和数百个母线，而某个开关变位只影响很少几个相关的母线重新分配。因此，如果也把搜索过程限定在整个电压等级范围之内，势必会降低结线分析的速度和效率。结线分析中，搜索过程实际上是检查某个开关变位是否导致其两端母线的对应变化。当一个开关断开时，如果能在这个开关两端结点之间通过相邻的闭合开关搜索到另一条连通路径，则网络结线保持不变，否则为该开关一端结点或对应结点组分裂为一个新母线。另一方面，当一个开关闭合时，如果这个开关两端结点所对应的母线相同（即在这两个结点之间存在另一条由闭合开关组成的连通路径），则网络结线保持不变，否则合并这两个母线。
　　如上所述，配电馈线为辐射状结构，而且馈线分段开关和联络开关为串联分组连接，以便与两端馈线段连接。当一个馈线开关断开/闭合时，由于在这个开关两端结点之间不存在其他并联开关（或并联开关组），即在这个开关两端结点之间不可能搜索到由其他闭合开关所组成的连通路径，所以必然引起该馈线开关两端母线的分裂/合并。因此可以得出结论：馈线开关变位必然导致网络结线变化。应用这个结论，对馈线开关变位可以省略搜索过程，直接得出母线变化结果，以提高结线分析速度和效率。
　　配电网络结线分析的程序流程图如图4所示。对每一个开关变位，首先检查该开关是变电站开关还是馈线开关。如果是变电站开关变位，则在变电站内执行宽度优先搜索（从一侧结点开始向外逐层搜索与各结点相连接的所有闭合开关），以确定在变电站内是否发生母线变化；否则，如果是馈线开关变位，则直接根据开关状态确定母线变化结果。即如果馈线开关断开，则为该开关一侧的结点或结点组分配一个新母线。如果馈线开关闭合，则合并这个开关两侧结点的母线为一个母线。应用这个简单逻辑，大大提高了网络结线分析的速度和效率。
 

图4　配电网络结线分析程序流程图
Fig.4　Flow chart for distribution connectivity analysis

3　动态网络着色
　　以上述网络结线分析为基础，可以实现配电网络的各种着色功能。应该指出的是，虽然从视觉效果来说，以DMS网络结线分析为基础的动态着色和以GIS中空间连通分析为基础的动态着色都能反映电网物理设备的各种运行状态，如带电、不带电、接地、环网等，但是两者的实现基础和方式不同。具体地说，前者以电气连接关系为分析基础，而后者以空间连接关系为分析基础。特别是，DMS中的网络结线分析除分析网络的连通性外，还能够形成网络的计算模型（母线模型），因此能够支持DMS的分析和控制软件，而GIS中的空间拓扑和连通分析则不具备这个功能。从这个角度来说，现有的GIS平台不能充分地支持DMS。
　　配电网络动态着色功能包括电气状态着色、电压等级着色、馈线跟踪与着色、环路着色、电源跟踪与着色、电路跟踪与着色、子树着色等功能，其中每种着色功能的颜色和效果都应该能够在线修改或重定义。
3.1　电气状态着色
　　根据结线分析的结果，在电网图（单线图或地理图）上用不同颜色和方式表示配电网中各元件的带电、停电、接地等状态。由于配电网正常运行时一般包括多个运行“岛”，为了直观区分不同的运行“岛”，可以通过定义着色参考点来自动地实现不同运行“岛”内元件的不同颜色表示，具体方法如下。
　　假设配电网包含n个电源S1，S2，…，Sn，选取这n个电源为n个着色参考点R1，R2，…，Rn，并对应每个着色参考点赋予一个颜色C1，C2，…，Cn和一个优先级P1，P2，…，Pn。则配电网的着色原则是：
　　对每个运行“岛”，选择该“岛”内具有最高优先级的着色参考点所对应的颜色为着色颜色，并对该“岛”内所有元件用该着色颜色进行着色。
　　按照上述原则，正常运行时，配电网包含n个以各电源Si为始点的辐射网（运行“岛”）Ni（i=1，2，…，n），因此每个运行“岛”Ni仅包含1个着色参考点Ri，相应地每个运行“岛”内各元件的着色颜色为Ci，此时电网图上有n种不同的带电颜色表示C1，C2，…，Cn。
　　当进行环网操作时，例如当“岛”Ni和Nj合并成一个运行“岛”Nk时，则此时“岛”Nk包含2个着色参考点Ri和Rj。选择“岛”Nk的着色颜色，如果Pi＞Pj，选择Ci为着色颜色；如果Pj＞Pi，选择Cj为着色颜色，而其他运行“岛”的着色颜色不变，此时电网图上有n-1种不同的带电颜色表示。
3.2　电压等级着色
　　对配电网中各种元件用不同颜色表示不同的电压等级。与电气状态着色不同，由于网络中元件的电压等级一定，所以电压等级着色不随运行状态发生变化。
3.3　馈线跟踪与着色
　　与上述用不同颜色表示不同“岛”内元件类似，在电网图上用不同颜色表示配电网中不同的运行馈线。馈线跟踪与着色通过对各馈线定义不同的颜色，并根据网络数据库所提供的馈线与其元件之间的层次关系，实现不同馈线及其元件的不同着色表示。
3.4　环路着色
　　根据结线分析的结果，判断各运行“岛”是否为辐射网（母线数Bn与支路数Ln之间是否满足关系Bn+1=Ln）。对非辐射网，首先从电源点开始应用宽度优先搜索算法确定环路的闭合母线，然后从该闭合母线出发应用深度优先搜索算法沿环路两侧支路向上游（电源侧）搜索，直至到达一个公共母线，从而确定环路的构成支路，并对各个构成支路赋予一个标志。最终用专门颜色表示构成环路的所有支路。
3.5　电源跟踪与着色
　　在结线分析的基础上，对指定的负荷点，自动搜索供电电源并显示供电路径。在实现电源跟踪与着色时，要充分利用辐射网的结构特点，以提高着色速度和效率。具体地说，对由结线分析所形成的辐射网中的每个母线，除电源母线外，其他母线有且仅有一条上游连接支路（功率流入支路），电源母线为始端母线，无功率流入连接支路。因此，对每一个母线（除电源母线外），记录其上游连接支路。对任一负荷点（负荷母线），依次查找上游连接支路直到电源点为止，即可得到该负荷的供电路径及其构成支路。
3.6　电路跟踪与着色
　　对指定2个点之间的所有通路的构成支路进行跟踪与着色。对辐射状配电网，任意2个指定点之间存在且只存在1条连通路径，与上述电源跟踪与着色类似，对该连通路径的构成支路进行标志并着色。
3.7　子树跟踪与着色
　　对指定点下游所有分支线路进行跟踪与着色。子树跟踪与着色应用宽度优先搜索算法，从指定点开始向下游搜索所有分支线路，并加以着色。

4　结语
　　本文提出了一种适合配电网络结构特点的网络数据库结构，通过引入一些新模型来描述配电馈线、线段和供电电源，以避免在数据库中定义大量“虚电站”和“虚母线”，并使用户能直观方便地建立网络数据库。此外，介绍了配电网络结线分析策略及在此基础上实现的动态网络着色功能，通过对变电站开关变位和馈线开关变位分别处理，以提高结线分析的速度和效率。本文提出的建模方法和结线分析策略已在一个实际的DMS工程中得到应用，证明本文建模方法合理、灵活，结线分析有效、快速，从而为DMS的研究与开发奠定了基础。

参考文献

1　于尔铿，刘广一，周京阳.能量管理系统(EMS).北京：科学出版社，1998