配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動(dòng)成圖的實(shí)現(xiàn)

陳 兵， 趙肖旭， 施偉成，馬海濤， 王昊煒， 笪 濤

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動(dòng)成圖的實(shí)現(xiàn)

陳 兵， 趙肖旭， 施偉成，馬海濤， 王昊煒， 笪 濤

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

為給調(diào)控員的調(diào)控運(yùn)行工作提供良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)或者少人干預(yù)的圖形維護(hù)工作，提出了網(wǎng)格化的自動(dòng)成圖概念。文中主要介紹了網(wǎng)格化自動(dòng)成圖的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用效果，先是給出了系統(tǒng)的總體框架，然后詳細(xì)介紹了模型抽取、節(jié)點(diǎn)布局和圖形布線三項(xiàng)自動(dòng)成圖的基本過(guò)程，同時(shí)針對(duì)各種類(lèi)型的圖形成圖作了相關(guān)闡述，并以單線圖、系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖為例分別敘述了樹(shù)狀層次布局、邊界層次布局算法及通道軌道布線算法的具體應(yīng)用情況，最后展示了網(wǎng)格化自動(dòng)成圖的應(yīng)用效果。

配電網(wǎng);網(wǎng)格化;自動(dòng)成圖;布局算法;布線算法

0 引言

圖1 總體框架Fig.1 Diagram of overall frame

配電網(wǎng)是城市的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是連接電網(wǎng)與用戶的重要紐帶，具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管理環(huán)節(jié)交叉等基本特點(diǎn)[1，2]，長(zhǎng)期以來(lái)配電網(wǎng)的運(yùn)行管理相對(duì)薄弱。為提升精益化管理水平，規(guī)范配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架及其過(guò)渡過(guò)程，我國(guó)部分省份正在全面推廣應(yīng)用“單元制”規(guī)劃方法開(kāi)展配電網(wǎng)規(guī)劃，以指導(dǎo)配電網(wǎng)建設(shè)和用戶接入，促進(jìn)按單元開(kāi)展配電網(wǎng)調(diào)控管理、日常運(yùn)維管理和搶修管理。

為給調(diào)控運(yùn)行工作提供良好的人機(jī)界面，便于調(diào)度員清晰明了地掌握網(wǎng)格內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)運(yùn)行位置、電源點(diǎn)情況，需繪制單元格聯(lián)絡(luò)示意圖，但僅僅依靠人工繪制，工作量大同時(shí)還無(wú)法保證圖形的實(shí)時(shí)更新，反而會(huì)給自動(dòng)化運(yùn)維員及調(diào)控員帶來(lái)困擾，這里提出網(wǎng)格化的自動(dòng)成圖[3]，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)或者少人干預(yù)的圖形維護(hù)工作。

網(wǎng)格化自動(dòng)成圖區(qū)別于傳統(tǒng)配網(wǎng)自動(dòng)成圖方式，成的不是配電網(wǎng)的全圖，而是在網(wǎng)格化單元制的規(guī)劃逐步推廣后，可根據(jù)網(wǎng)格的劃分，自動(dòng)生成單線圖、網(wǎng)格圖而非全網(wǎng)圖。本文所述的網(wǎng)格化自動(dòng)成圖，作為支撐配電網(wǎng)網(wǎng)格化調(diào)控運(yùn)行的重要技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易，自動(dòng)成圖的效果更好。

1 總體框架

配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動(dòng)成圖工具是基于主站平臺(tái)部署的獨(dú)立軟件模塊，一般部署在配網(wǎng)工作站上，無(wú)需新增其他硬件設(shè)備，其總體框架如圖1所示。通過(guò)不同圖形的需求抽取模型，再進(jìn)行預(yù)處理及布局布線過(guò)程，最后進(jìn)行整圖修正，生成專(zhuān)題圖。可以通過(guò)一建導(dǎo)入功能實(shí)現(xiàn)主站平臺(tái)的集成。

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動(dòng)成圖包括3個(gè)基本過(guò)程：模型抽取、層次布局和通道布線[4-8]。本節(jié)將詳細(xì)介紹其關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)針對(duì)各種類(lèi)型的圖形成圖作相關(guān)闡述。

2.1 模型抽取

模型抽取過(guò)程基于特定的需求(站所圖、單線圖、聯(lián)絡(luò)圖、區(qū)域圖等)從配電自動(dòng)化主站D5200系統(tǒng)中查詢出對(duì)應(yīng)的設(shè)備集合，根據(jù)獲得的設(shè)備集合構(gòu)建出成圖需求的中間格式文件，如圖2所示。根據(jù)前臺(tái)提供的需求類(lèi)型及參數(shù)對(duì)象，請(qǐng)求不同的拓?fù)浞?wù)，獲得不同的設(shè)備列表。文中主要列舉了單線圖、聯(lián)絡(luò)圖等類(lèi)型，也可以支持多種擴(kuò)展。該過(guò)程根據(jù)獲得的設(shè)備列表查詢其對(duì)應(yīng)的各種屬性(名稱(chēng)、ID、節(jié)點(diǎn)號(hào)、顏色、所示饋線等)，組裝成自動(dòng)成圖應(yīng)用可以接受的中間格式文件。

圖2 模型抽取流程Fig.2 Diagram of model extraction process

2.2 層次布局

在完成模型抽取，構(gòu)建成中間格式文件后，即可進(jìn)行層次布局工作。

解析中間格式文件，根據(jù)設(shè)備對(duì)象及其節(jié)點(diǎn)號(hào)，構(gòu)建設(shè)備對(duì)象，以邊抽象表述各個(gè)設(shè)備；再根據(jù)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型(母線節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)等)，遍歷各個(gè)母線節(jié)點(diǎn)，以母線為環(huán)網(wǎng)柜中心，靜態(tài)拓?fù)涑鲈摥h(huán)網(wǎng)柜所有的節(jié)點(diǎn)對(duì)象(不經(jīng)過(guò)電纜)，構(gòu)建環(huán)網(wǎng)柜對(duì)象，以節(jié)點(diǎn)抽象表述[9，10]。

在完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)、邊對(duì)象的構(gòu)建后，進(jìn)行基于節(jié)點(diǎn)的寬度優(yōu)先(BFS)遍歷，分配各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象的邏輯坐標(biāo)，并進(jìn)行一定的上下移動(dòng)后，即完成了初步布局工作[11，12]。

下一步，可考慮根據(jù)一定的規(guī)律對(duì)象進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化調(diào)整(位置)，從而使整體布局更加平整。此修正過(guò)程初步考慮主要依據(jù)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型及節(jié)點(diǎn)的度信息進(jìn)行,如圖3所示。

圖3 層次布局過(guò)程Fig.3 Schematic diagram of hierarchical layout

2.3 通道布線

圖形布線的工作在于完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連線的處理。文中主要增加了通道對(duì)象，以方便各個(gè)“線”對(duì)象的布局。

首先，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象完成初始布局后，需計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)所占的最大方格數(shù)(N×M)，即為整個(gè)圖形的節(jié)點(diǎn)大小，根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及節(jié)點(diǎn)位置大小，增加水平、豎直通道，重新進(jìn)行坐標(biāo)變換，放置各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象。

其次，依次遍歷邊對(duì)象，根據(jù)各個(gè)邊兩端的節(jié)點(diǎn)對(duì)象，判斷其類(lèi)型及相對(duì)位置。由于節(jié)點(diǎn)布局時(shí)采用了寬度優(yōu)先的分層布局，可以指定左側(cè)、右側(cè)節(jié)點(diǎn)，保證兩節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置為：水平、豎直、右上、右下4種。

根據(jù)獲得節(jié)點(diǎn)類(lèi)型及相對(duì)位置信息，即可完成通道的分配及軌道的排序。

由于除站房?jī)?nèi)設(shè)備為“點(diǎn)”對(duì)象，其他設(shè)備都為“線”對(duì)象，完成布點(diǎn)及布線后，即確定各個(gè)設(shè)備的位置情況。布置圖元進(jìn)行圖形展示時(shí)，兩端節(jié)點(diǎn)直接的線位置上放置圖元，圖元兩側(cè)可考慮增加連接線；在完成全圖布局后，對(duì)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象，如果其度為2，且兩端都往連接線的情況，則將連接線進(jìn)行合并處理。通道布線過(guò)程如圖4所示。

圖4 通道布線過(guò)程Fig.4 Schematic diagram of channel routing process

3 成圖算法的應(yīng)用

網(wǎng)格化自動(dòng)成圖工具的成圖過(guò)程如圖5所示。圖5中的成圖算法(布局布線)在于尋求一個(gè)合適的解，非最優(yōu)解[13-15]。本文使用的布局算法分為兩類(lèi)：樹(shù)狀層次布局和邊界層次布局。布線算法為統(tǒng)一的通道軌道法。

圖5 成圖過(guò)程示意圖Fig.5 Diagram of the mapping process

樹(shù)狀層次布局以廣度優(yōu)先搜索為基礎(chǔ)，針對(duì)電網(wǎng)模型節(jié)點(diǎn)依次遍歷，初次分配各個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬層(即豎直坐標(biāo))，再通過(guò)父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系調(diào)節(jié)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平坐標(biāo)，初步確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的一次坐標(biāo)，再通過(guò)構(gòu)建的開(kāi)關(guān)站對(duì)象及其一次坐標(biāo)，計(jì)算出每個(gè)具體節(jié)點(diǎn)的二次坐標(biāo)，即獲得節(jié)點(diǎn)對(duì)象的最后邏輯坐標(biāo)。

邊界層次布局以初始的邊界節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)圍成一個(gè)矩形，各個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)通過(guò)排列組合計(jì)算出最優(yōu)的排序并指定一次坐標(biāo)。再根據(jù)與已確定坐標(biāo)點(diǎn)的連接關(guān)系持續(xù)迭代其他未確定坐標(biāo)的點(diǎn)的一次坐標(biāo)，通過(guò)從外向內(nèi)的層次推進(jìn)點(diǎn)的坐標(biāo)，直至所有節(jié)點(diǎn)分配了一次坐標(biāo)，再通過(guò)構(gòu)建的開(kāi)關(guān)站對(duì)象及其一次坐標(biāo)，計(jì)算出每個(gè)具體節(jié)點(diǎn)的二次坐標(biāo)，即獲得節(jié)點(diǎn)對(duì)象的最后邏輯坐標(biāo)。

布線算法為統(tǒng)一的通道軌道法。在完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的一次布局后，預(yù)先保證了各個(gè)節(jié)點(diǎn)一次坐標(biāo)的上下左右4個(gè)方向各留有一個(gè)通道，以方便布線；完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的二次布局后，由統(tǒng)一的布線管理器負(fù)責(zé)管理各個(gè)通道，每個(gè)通道由多個(gè)軌道組成，每個(gè)軌道可進(jìn)行布線。在布線時(shí)，需向布線管理器集中申請(qǐng)可用的軌道對(duì)象，軌道使用后由布線管理器進(jìn)行登記。

3.1 單線圖

布局算法為樹(shù)狀層次布局，主要應(yīng)用于單線圖的成圖，其過(guò)程如圖6所示。單線圖成圖的布局布線算法主要包括8個(gè)過(guò)程。

圖6 單線圖成圖原理Fig.6 Schematic diagram of single line drawing

(1) 預(yù)處理。成圖算法是基于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)果來(lái)完成，難以保證各個(gè)模型的正確性和繪圖的合理性。預(yù)處理過(guò)程主要是確保兩個(gè)母線之間沒(méi)有通過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可達(dá)的情況，即兩個(gè)母線之間要么直接相連，要么通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象可達(dá)。

(2) 開(kāi)關(guān)站構(gòu)建及配置。根據(jù)模型中的母線對(duì)象及其拓?fù)潢P(guān)系，計(jì)算出各個(gè)母線節(jié)點(diǎn)與其直接相連的開(kāi)關(guān)或饋線段集合，以開(kāi)關(guān)站對(duì)象描述內(nèi)部的母線開(kāi)關(guān)組集合[16，17]。

(3) 寬度優(yōu)先布局。從起始節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，寬度優(yōu)先遍歷所有節(jié)點(diǎn)對(duì)象(開(kāi)關(guān)站對(duì)象以整體表示)，初步分配各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象(或開(kāi)關(guān)站)的豎直坐標(biāo)；再根據(jù)相鄰層的連接關(guān)系調(diào)節(jié)各個(gè)節(jié)點(diǎn)水平坐標(biāo)。

(4) 開(kāi)關(guān)站邊界排序。根據(jù)寬度優(yōu)先布局完成后的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象和開(kāi)關(guān)站對(duì)象的一次坐標(biāo)及開(kāi)關(guān)站邊界節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，統(tǒng)籌分配各個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)的排序。這里考慮以根據(jù)位置自動(dòng)排序?yàn)橹?，也可以根?jù)配置信息按開(kāi)關(guān)名稱(chēng)進(jìn)行排序。

(5) 二次坐標(biāo)分配。根據(jù)開(kāi)關(guān)站邊界的排序結(jié)果，分配開(kāi)關(guān)站內(nèi)開(kāi)關(guān)的邊界節(jié)點(diǎn)的二次坐標(biāo)，同時(shí)更新其他節(jié)點(diǎn)的二次坐標(biāo)。

(6) 分支節(jié)點(diǎn)處理。對(duì)開(kāi)關(guān)站外部的多度節(jié)點(diǎn)(度大于等于3，即分支情況)進(jìn)行處理，分支節(jié)點(diǎn)根據(jù)連接的外部節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行“分裂”，以“假”開(kāi)關(guān)站的形式統(tǒng)一構(gòu)建分裂出的虛擬節(jié)點(diǎn)的屬性，便于統(tǒng)一布線。

(7) 統(tǒng)一布線。根據(jù)排序后的節(jié)點(diǎn)位置及可用的通道軌道信息，集中申請(qǐng)-分配-登記可用的軌道，以節(jié)點(diǎn)列表的方式描述各個(gè)“邊”對(duì)象的布線過(guò)程。

(8) 整圖壓縮處理。根據(jù)整圖的布局、布線結(jié)構(gòu)，計(jì)算整圖的最大最小位置進(jìn)行平移，保證整體的位置緊湊。

3.2 饋線聯(lián)絡(luò)圖

布局算法為邊界層次布局，主要應(yīng)用于饋線聯(lián)絡(luò)圖的成圖，其過(guò)程如圖7所示。其中，雙度節(jié)點(diǎn)刪除過(guò)程是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)饋線段過(guò)“細(xì)”的情況，算法進(jìn)行了雙度節(jié)點(diǎn)刪除操作，即刪除所有兩饋線段直接相連的對(duì)象，進(jìn)行圖形變換，以使圖形相對(duì)簡(jiǎn)潔；一次節(jié)點(diǎn)分配過(guò)程是根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)圍成的矩形，邊界層次布局算法依次布局內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)象，同時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)站邊界排序。其余過(guò)程同單線圖處理。

圖7 饋線聯(lián)絡(luò)圖成圖原理Fig.7 Schematic diagram of feeder connection diagram

4 成圖效果

網(wǎng)格化的自動(dòng)成圖的單元格總覽，如圖8所示。單元格根據(jù)“差異化指導(dǎo)規(guī)劃”的思想，綜合考慮負(fù)荷密度、行政級(jí)別等因素劃分而成。

圖8 單元格總覽Fig.8 Diagram of unit map overview

如圖9所示，通過(guò)模型抽取結(jié)果以原始的點(diǎn)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行成圖，綠色空?qǐng)A：主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，紅色圓：配網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)，綠色圓：配網(wǎng)配變，黑色空?qǐng)A：普通配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；黑線：配網(wǎng)饋線段；紅線：配網(wǎng)開(kāi)關(guān)，紅線(虛)：開(kāi)關(guān)狀態(tài)為開(kāi)，這些含義可根據(jù)習(xí)慣統(tǒng)一調(diào)整。

圖9 圖拓?fù)漭o助校驗(yàn)Fig.9 Diagram of graph topology check

圖10所示即為最后達(dá)到的單元聯(lián)絡(luò)圖，系統(tǒng)內(nèi)可以按照不同的電源點(diǎn)及饋線分別進(jìn)行拓?fù)渲阌谡{(diào)控員進(jìn)行區(qū)分。

圖10 單元聯(lián)絡(luò)圖Fig.10 Diagram of unit connection

5 網(wǎng)格化FA故障處理的工程應(yīng)用

某日，某單元格內(nèi)金港10號(hào)環(huán)網(wǎng)柜和金港8號(hào)環(huán)網(wǎng)柜之間的電纜線路發(fā)生永久性相間短路故障。如圖11所示，該單元格內(nèi)電源點(diǎn)主要來(lái)自三座變電站的4條出線，他們之間分別有3個(gè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，分別為：1F271Y46、2731F27、2761F27開(kāi)關(guān)，單元格對(duì)外無(wú)任何聯(lián)絡(luò)，該單元格FA投的是交互模式。

圖11 單元格接線示意圖Fig.11 Diagram of cell junction

事故發(fā)生后，基于網(wǎng)格化的FA成功動(dòng)作，準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)位于1F2702-1F2703開(kāi)關(guān)之間，如圖12所示。

圖12 故障點(diǎn)指示Fig.12 Fault point indication

同時(shí)，系統(tǒng)給出故障范圍判斷依據(jù)、隔離及恢復(fù)供電方案。按照系統(tǒng)提示，逐步進(jìn)行故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)供，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)于故障的半自動(dòng)處理。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了網(wǎng)格化自動(dòng)成圖這一概念，并就具體如何實(shí)現(xiàn)給出了設(shè)計(jì)思路以及算法說(shuō)明，從應(yīng)用效果可以看出，自動(dòng)成圖、工程應(yīng)用效果較好。通過(guò)網(wǎng)格化自動(dòng)成圖的推廣應(yīng)用，可明顯提高工作效率，減少人員維護(hù)量。但未來(lái)基于網(wǎng)格化的理念，如何更好服務(wù)于配電網(wǎng)規(guī)劃、配網(wǎng)故障搶修指揮等領(lǐng)域，還需進(jìn)一步研究。

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陳 兵

陳 兵(1975—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)維管理工作(E-mail：13921598100@139.com)；

趙肖旭(1988—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，工程師，從事配電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行工作(E-mail：zhaoxiaoxu1988@126.com)；

施偉成(1966—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作(E-mail：10489550@qq.com)。

(編輯方 晶)

RealizationofAutomaticGridGenerationinDistributionNetwork

CHEN Bing, ZHAO Xiaoxu, SHI Weicheng, MA Haitao, WANG Haowei, DA Tao

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Zhenjiang Power Supply Company, Zhenjiang 212001, China)

In order to provide a good man-machine interface for electric power control operation running, to achieve unattended or less intervention graphics maintenance work, the concept of automatic mapping is proposed. This paper mainly introduces the methods and effect of automatic mapping. Firstly, the overall framework of the system is given, and then the basic process of three automatic mapping models, which are model extraction, node layout and graph routing are introduced. At the same time, this paper makes a description of various types of automatic mapping, and taking the single line diagram and the system diagram as an example, the paper describes the application of the tree level layout, the boundary layer layout algorithm and the channel routing algorithm. Finally, the application effect of the grid automatic mapping will be showed in the paper.

distribution network; grid; automatic mapping; layout algorithm; routing algorithm

TM73

B

2096-3203(2017)06-0100-06

2017-06-18；

2017-07-23