城市中压配电网接线模式识别肖峻,王跃强，王成山（天津大学电气自动化工程学院，天津300072）
在配电网的评估、改造和规划中，网架结构十分重要。配电网的接线模式是网架结构的基本反映。为解决对实际配电网进行网架结构分析时数据多，工作量大，分析比较困难的问题，提出了一种基于网络拓扑分析和模式识别理论的城市中压配电网接线模式识别方法。该方法结合了中压配电网的结构特点和各种典型接线模式的具体特征，可有效地自动识别城市中压配电网的典型接线模式，以利于全面了解中压配电网结构特征，发现其薄弱环节，这对接线模式的简化和标准化具有重要意义。
关键词：配电网；接线模式；网络拓扑；模式识别
网架结构是城市电网规划与改造工作中的一个焦点。接线模式是网架结构的基本反映，它不仅牵涉电网建设的经济性和可靠性[1]，而且对于整个电力工业发展具有重要意义。
许多学者对接线模式进行了研究，其研究方向主要是针对接线模式的经济性和可靠性[1,2]，但对接线模式识别的研究则并不多见。以往的识别方法属于中压配电网状态估计的一个功能，仅局限于对网络元件连接关系（即拓扑结构）的识别。对拓扑识别结果再结合负荷和设备运行参数等进行传统的潮流、短路、网损和可靠性等计算[3]，忽略了对中压配电网络结构特征提取和典型接线模式识别，缺乏对接线模式的进一步统计分析，因而难以发现所研究的中压配电网的本质特征。
对于实际的城市中压配电网，如能识别出存在有哪些典型接线模式，统计出各接线模式在整个中压配电网接线中所占比例，则会有助于配电网规划设计人员理解该网的特征，从而实现对该网网架结构的完整分析。同时，在缺少可靠性数据的情况下，对中压配电网进行接线模式识别，全面了解中压配电网结构特征，发现其薄弱环节，这对下一步规划改造中接线模式的简化和标准化工作也具有重要意义。
实际中压配电网的网络结构复杂，数据量非常大，要识别出网络的接线模式，人工方法不可取。为此，本文提出了一种城市中压配电网接线模式识别方法。
2算法基础
本文的识别方法基于网络拓扑分析和模式识别理论[4]的一种方法。网络拓扑分析是把用电气设备描述的物理模型转换为用节点和支路描述的数学模型，为接线模式的识别提供配电网各组成部分之间的电气联系信息，即为接线模式的识别提供样本集。模式识别理论则用于对样本集接线模式的识别。
3城市中压配电网接线模式识别
3.1对输入信号的预处理
为了使输入模式满足识别的要求，需根据具体情况对模式进行处理，以减少外界干扰和噪声的影响，使模糊的模式变为清晰，以便提取模式识别所需要的特征。结合配电网的特点，本文所建的识别系统的预处理主要包括4个方面。
（1）数据的完整性和一致性校验。本文分析的数据从自动绘图/设备管理/地理信息系统（AM/FM/GIS）中提取时有可能丢失，故需做完整性和一致性校验，以确保后续工作的正确性。
（2）网络拓扑分析。从AM/FM/GIS中提取的数据（含网架结构信息）是一物理模型。网络拓扑分析是把配电网的物理模型转换为可供计算分析的数学模型的过程，是进行城市中压配电网接线模式识别的基础。
在配电网规划中，要求配电网闭环设计、开环运行，配电网由变电站各出口向外辐射状供电。文献[5]对树的定义是一个连通且不含回路的无向图。根据此定义，变电站的每一出口及其供电范围内的节点和线路就构成一棵树，称为馈线树。在本文算法中，馈线树是构成接线模式的基本单元。本文网络拓扑分析的实质是以变电站的各出口节点为根节点进行拓扑搜索，将中压配电网的网架分割为多棵馈线树。
电力系统网络拓扑分析方法有多种，如传统网络拓扑分析方法[3]、网络拓扑的快速算法[6,7]和有色Petri网模型分析方法[8]等。文[6]至[8]提出的方法适用于开关状态经常变化的实时情况，如电网调度、状态估计等，而城市中压配电网的中长期规划没有实时应用要求，因此本文采用传统的分析方法。
（3）联络分析。各馈线树间的联络关系是接线模式识别中的关键信息。联络分析的目的是获得馈线树间的联络信息。联络开关是实现配电网闭环设计、开环运行的重要元件，也是使配电网中各馈线树形成多种接线模式的重要元件。本文正是通过对联络开关的定位来实现联络分析的。
（4）建立接线模式模型。在城市中压配电网中，接线模式包含于一棵无联络馈线树或多棵通过联络开关连接在一起的馈线树。在对整个配电网进行网络拓扑分析和联络分析后，获得了各馈线树自身的节点、支路信息和馈线树间的联络关系，此时把有联络关系的多棵馈线树看作为一棵新树，没有联络的馈线树则保持不变。这样，自配电变电站出口开始，中压配电网的网架可分为多个互不相连的部分。这互不相连的每一部分称为一棵接线树，即研究对象。每一接线树包含一种待识别的接线模式。第i棵接线树的接线模式模型Mi为
建立接线模式模型的目的在于为接线模式识别确立研究对象，整合原始数据，为提取特征作准备。
3.2特征提取
经过预处理后，满足识别要求的接线模式将根据识别方法的要求提取特征，作为接线模式识别的依据。一般说来，要求选择的特征能足够代表此接线模式，同时要求其数量尽量少，从而能有效地进行分类和描述。模式特征的选择对识别的效果有直接影响，是模式识别的关键。在本文中提取接线模式的结构特性作为接线模式的特征。
通过对城市中压配电网各典型接线模式的分析，可从中提取接线模式的电源点特征、联络线特征和导线类型特征作为各接线模式的典型特征。
（1）电源点特征。这里所说的电源点是变电站出口节点。如上所述，接线树是接线模式识别的研究对象，而接线树由一棵或多棵馈线树组成，故所要识别的每一接线模式包含一个或多个电源点。所谓的电源点特征提取就是分析出各接线树的电源点信息，包括有多少个电源点、各电源点分别属于哪个变电站以及哪条母线。其具体实现为：对某一棵接线树，根据所建立的接线模式模型，（见式(1)），从Vi中提取出节点类型标识Qi为1的节点，再通过查询配电变电站数据，即可获得各电源节点的变电站标识和母线标识。
（2）联络线特征。联络线特征是模式识别的关键信息，联络线特征提取就是获得接线树的联络线数量和组成该接线树的各馈线树间的联络关系。在上文所述的接线模式模型建立时，接线树的联络线已包含在其支路集合中，只需按支路类型标识Fi提取，再结合联络线分析结果，即可获得该接线模式的联络线特征。
（3）导线类型特征。一般城市的网络由架空线和电缆线混合组成，接线模式可分为架空线和电缆线接线，因此，导线类型也是供识别的一个特征。导线类型特征可直接由接线模式模型中的Fi获得。
值得注意的是，电缆接线中常常出现开闭所，所以要首先识别开闭所节点。根据开闭所多回出线的特点，以节点的度[5]（即与节点相连接的支路数）作为识别开闭所节点的依据。结合配电网电缆接线的情况，度数小于3的节点不是开闭所节点，度数大于4的节点才是开闭所节点。对于度数为3和4的节点则由专家确认属于什么节点。对于有多回进线的大型开闭所，为便于分析，将开闭所内母线间的联络开关支路看作开闭所节点间的联络线。
3.3识别
将接线模式的典型特征提取出来后，采用一定的模式识别方法进行识别，根据配电网典型接线模式结构特征比较明确且易于确定的特点建立规则库[9]，采用特征匹配的方法来识别城市中压配电网的典型接线模式。
（1）建立规则库。对城市中压配电网的典型接线模式进行分析，将其结构特性作为识别条件，为模式识别建立规则库。
城市中压配电网网架结构由架空线和电缆线混合组成。接线模式可分为架空线和电缆线两大类。其中架空线的典型接线模式主要有单电源辐射接线、不同母线的环式接线、不同母线3回馈线的环式接线和多分段多联络接线等。电缆线的典型接线模式主要有单电源线辐射接线、不同母线出线的环式接线和不同母线出线连接开闭所接线等。
城市中压配电网接线模式的特征表达式为
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