轨道交通电力监控中的拓扑分析

李亮

(国电南瑞科技股份有限公司,江苏 南京 210003)

轨道交通电力监控中的拓扑分析

李亮

(国电南瑞科技股份有限公司,江苏 南京 210003)

在轨道交通电力监控中,根据车站对应电力主接线图上的设备图元和连接线颜色变化来实时监控整个车站内的带电情况。采用深度优先搜索算法,根据实时变化的电源电压和设备开断状态,动态地对电力主接线图进行网络拓扑分析并计算图中设备图元的带电情况。该方案在国内多条地铁线路的运营实践中均能够实时准确地完成拓扑着色功能。

轨道交通 电力监控 网络拓扑 电力主接线图 拓扑着色

0 引言

近年来,我国城市轨道交通发展迅猛。随着城市轨道交通线路的不断增多,作为监控单条线路轨道交通的综合监控系统(integrated supervisory control system,ISCS)[1]和监控管理整个城市轨道交通网络的轨道交通路网指挥中心调度系统(traffic control centre, TCC)[2]的应用也越来越广泛。电力监控是综合监控和指挥交通调度系统中非常重要的部分,而电力监控中核心部分是对整个厂站或者整条线路所有电力设备及线路带电状态的实时监控[3]。

在轨道交通中,电调人员主要通过厂站或者全线电力主接线图来对相应设备和线路带电情况进行监控,所以设计一种高效的拓扑方法,对电力调度人员进行日常监控和决策尤为重要。

1 电力主接线图拓扑分析

1.1 设备分类

根据是否对电力主接线图的网络拓扑结构和带电情况产生影响,对所有设备进行分类。设备主要分为开断设备类、电源类和不产生影响的无关设备类。设备分类情况示意图如图1所示。

图1 设备分类情况示意图Fig.1 Classification of equipment

开断设备类主要包括一些开关、电隔、刀闸、接地刀闸等能够通过状态改变(断开、闭合)影响整个电力主接线图网络拓扑结构的设备。电源类设备主要包括进线线端等能够作为电源送电的设备。无关设备类除开断设备和电源设备外,还包括其他不会对电力主接线图拓扑结构以及带电状态产生影响的设备。

1.2 划分子图

对整个电力主接线图进行拓扑分析,采用图的深度优先搜索(depth-first-search,DFS)[4]算法对子连通图进行划分。考虑到划分后的子图只有存在电源设备才可能带电,所以作如下简化:只需要分别以主接线图上电源设备为根节点,根据设备间的连接关系以及开断设备如开关刀闸等的开合状态,通过深度搜索确定和分配各个电源设备所在子图的拓扑图号(1～n)。剩余的设备由于没有电源设备,因此肯定是无电状态,不需要再划分,图号分配为-1。采用优化DFS算法划分子图的示意图如图2所示。

图2 划分子连通图Fig.2 Sub-graph divided

1.3 子图中设备和线路带电分析计算

划分完子连通图后,对每个子图进行带电分析计算[5]。根据图内有无电源以及电源电压值是否是有效值来确定该子图内设备和线路是否带电。如果无电源或者电源电压无效,则认为子图内所有设备和线路都不带电。

根据实际需要,将设备模型分为直流设备和交流设备,并设定电能从交流设备传给交流设备和直流设备,而直流设备只能传给直流设备。如果子图内只有交流设备,有电源设备且电源电压有效,则认为子图内所有设备都带电;如果子图内直流设备和交流设备都有,则需要对子图进行递归计算,得到各个设备和线路带电情况。

子图中交直流设备混连模型如图3所示。

图3 子图内“交流-直流-交流”连接模型Fig.3 “AC-DC-AC”connection model inside sub-graph

图3中,假定交流设备1即电源的电压正常,线路中所有开断设备都是闭合状态,那么交流设备1、交流设备2和直流设备1都带电。这时由于直流设备1后连接交流设备3,直流设备不能传给交流设备,所以电不能传到交流设备3,子图中交流设备3和交流设备4都不带电。

对每个子连通图完成带电计算后,整个电力主接线图上所有设备和线路带电情况都已经计算完成;然后根据计算结果将主接线图上不带电线路置成无色,带电线路置为彩色,完成整个图的拓扑着色,以供电调人员参考。

2 动态分析和计算

由于主接线图上所有设备图元的状态值都是采集于车站真实环境中相对应的设备,因此开断类设备状态和电源电压都是在实时变化的。每次开断设备状态和电源电压的变化都有可能对整个主接线图网络拓扑结构或者图中带电情况产生影响。因此,需要根据实时开断设备状态和电源电压状态变化,动态地对整个主接线图进行拓扑分析和计算。动态拓扑分析计算程序流程图如图4所示。

图4 动态拓扑分析计算程序流程图Fig.4 Flowchart of dynamic topological analysis calculation program

后台程序收到有设备状态变化后,首先判断其中有没有开断设备状态变化。由于开断设备状态变化会对主接线图拓扑结构产生影响,因此当接收到的变化中有表征开断设备状态的变化时,需要重新拓扑分析划分子连通图,然后再对每个子图进行带电分析,最后根据计算出的设备和线路带电情况对主接线图着色。如果没有收到开断设备状态的变化,再判断是否有主接线电源电压值状态的变化。如果存在变化,由于电源电压变化不会影响整个拓扑结构,因此只需要重新对每个子图进行带电计算,再做主接线图着色即可。

后台程序通过不断循环接收设备状态的变化,并实时根据主接线图上相应开断类设备和电源设备状态的变化来对整个电力主接线图进行动态拓扑分析,并完成着色功能。

3 结束语

通过动态地对电力主接线图进行拓扑分析计算,能够实时准确地反映对应厂站实际环境中整个设备和线路的带电情况,为轨道交通电力调度人员监控和决策提供有效的依据。该方案已经实现并集成于综合监控系统和轨道交通路网指挥中心系统中,目前已稳定高效地运行在国内多条地铁线路监控中。

[1] 李天辉.城市轨道交通综合监控系统的技术发展[J].自动化博览,2013(10):16-17.

[2] 刘志钢,胡华,黄远春,等.城市轨道交通应急调度指挥系统的现状及发展趋势[J].城市轨道交通研究,2012(12):29-30.

[3] 张佳.城市轨道交通电力监控系统的不足与未来展望[J].工业控制计算机,2012(10):25-26.

[4] Cormen T H,Leierson C E,Rivest R L,et al.Introduction to algorithms[M]. Cambridge,MA:MIT Press,2005.

[5] 王曼.电力系统网络拓扑分析算法概述[J].商业现代化,2010(36): 28-29.

Topological Analysis for Rail Transit Electricity Supervisory Control

In electricity monitoring of rail transit,real time monitoring the voltage presenting conditions in overall station according to the image elements of equipment and the color changes of the connecting lines on the electric power main wiring diagram of the station.By adopting depthfirst searching algorithm,in accordance with the real time voltage changes of power,and the ON/OFF states of the equipment,network topological analysis of the electric power main wiring diagram is conducted dynamically,and the voltage presenting conditions of image elements of equipment is calculated.The strategy has been practically applied in several domestic rail transit lines and accurately accomplishes topological coloring function in real time.

Rail transit Electricity supervisory control Network topology Electric power main wiring diagram Topological coloring

TP29

A

修改稿收到日期:2013-12-20。

作者李亮(1984-),男,2010年毕业于浙江大学计算机专业,获硕士学位,工程师;主要从事轨道交通电气化及自动化监控系统的研究。