配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動成圖的實現(xiàn)

陳 兵， 趙肖旭， 施偉成，馬海濤， 王昊煒， 笪 濤

(國網(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)格化自動成圖的實現(xiàn)

陳 兵， 趙肖旭， 施偉成，馬海濤， 王昊煒， 笪 濤

(國網(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)控運行工作提供良好的人機界面，實現(xiàn)無人干預或者少人干預的圖形維護工作，提出了網(wǎng)格化的自動成圖概念。文中主要介紹了網(wǎng)格化自動成圖的實現(xiàn)方法及應用效果，先是給出了系統(tǒng)的總體框架，然后詳細介紹了模型抽取、節(jié)點布局和圖形布線三項自動成圖的基本過程，同時針對各種類型的圖形成圖作了相關闡述，并以單線圖、系統(tǒng)聯(lián)絡圖為例分別敘述了樹狀層次布局、邊界層次布局算法及通道軌道布線算法的具體應用情況，最后展示了網(wǎng)格化自動成圖的應用效果。

配電網(wǎng);網(wǎng)格化;自動成圖;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)是城市的關鍵基礎設施，是連接電網(wǎng)與用戶的重要紐帶，具有點多、線長、面廣、結(jié)構(gòu)復雜、管理環(huán)節(jié)交叉等基本特點[1，2]，長期以來配電網(wǎng)的運行管理相對薄弱。為提升精益化管理水平，規(guī)范配電網(wǎng)目標網(wǎng)架及其過渡過程，我國部分省份正在全面推廣應用“單元制”規(guī)劃方法開展配電網(wǎng)規(guī)劃，以指導配電網(wǎng)建設和用戶接入，促進按單元開展配電網(wǎng)調(diào)控管理、日常運維管理和搶修管理。

為給調(diào)控運行工作提供良好的人機界面，便于調(diào)度員清晰明了地掌握網(wǎng)格內(nèi)的設備運行狀態(tài)、聯(lián)絡開關運行位置、電源點情況，需繪制單元格聯(lián)絡示意圖，但僅僅依靠人工繪制，工作量大同時還無法保證圖形的實時更新，反而會給自動化運維員及調(diào)控員帶來困擾，這里提出網(wǎng)格化的自動成圖[3]，可實現(xiàn)無人干預或者少人干預的圖形維護工作。

網(wǎng)格化自動成圖區(qū)別于傳統(tǒng)配網(wǎng)自動成圖方式，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)格化自動成圖，作為支撐配電網(wǎng)網(wǎng)格化調(diào)控運行的重要技術(shù)手段，實現(xiàn)起來更容易，自動成圖的效果更好。

1 總體框架

配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動成圖工具是基于主站平臺部署的獨立軟件模塊，一般部署在配網(wǎng)工作站上，無需新增其他硬件設備，其總體框架如圖1所示。通過不同圖形的需求抽取模型，再進行預處理及布局布線過程，最后進行整圖修正，生成專題圖。可以通過一建導入功能實現(xiàn)主站平臺的集成。

2 實現(xiàn)過程

配電網(wǎng)網(wǎng)格化自動成圖包括3個基本過程：模型抽取、層次布局和通道布線[4-8]。本節(jié)將詳細介紹其關鍵實現(xiàn)方法，同時針對各種類型的圖形成圖作相關闡述。

2.1 模型抽取

模型抽取過程基于特定的需求(站所圖、單線圖、聯(lián)絡圖、區(qū)域圖等)從配電自動化主站D5200系統(tǒng)中查詢出對應的設備集合，根據(jù)獲得的設備集合構(gòu)建出成圖需求的中間格式文件，如圖2所示。根據(jù)前臺提供的需求類型及參數(shù)對象，請求不同的拓撲服務，獲得不同的設備列表。文中主要列舉了單線圖、聯(lián)絡圖等類型，也可以支持多種擴展。該過程根據(jù)獲得的設備列表查詢其對應的各種屬性(名稱、ID、節(jié)點號、顏色、所示饋線等)，組裝成自動成圖應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，即可進行層次布局工作。

解析中間格式文件，根據(jù)設備對象及其節(jié)點號，構(gòu)建設備對象，以邊抽象表述各個設備；再根據(jù)節(jié)點的類型(母線節(jié)點、邊緣節(jié)點、普通節(jié)點等)，遍歷各個母線節(jié)點，以母線為環(huán)網(wǎng)柜中心，靜態(tài)拓撲出該環(huán)網(wǎng)柜所有的節(jié)點對象(不經(jīng)過電纜)，構(gòu)建環(huán)網(wǎng)柜對象，以節(jié)點抽象表述[9，10]。

在完成各個節(jié)點、邊對象的構(gòu)建后，進行基于節(jié)點的寬度優(yōu)先(BFS)遍歷，分配各個節(jié)點對象的邏輯坐標，并進行一定的上下移動后，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)律對象進行節(jié)點的優(yōu)化調(diào)整(位置)，從而使整體布局更加平整。此修正過程初步考慮主要依據(jù)節(jié)點類型及節(jié)點的度信息進行,如圖3所示。

圖3 層次布局過程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節(jié)點之間連線的處理。文中主要增加了通道對象，以方便各個“線”對象的布局。

首先，各個節(jié)點對象完成初始布局后，需計算各個節(jié)點所占的最大方格數(shù)(N×M)，即為整個圖形的節(jié)點大小，根據(jù)節(jié)點坐標及節(jié)點位置大小，增加水平、豎直通道，重新進行坐標變換，放置各個節(jié)點對象。

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

根據(jù)獲得節(jié)點類型及相對位置信息，即可完成通道的分配及軌道的排序。

由于除站房內(nèi)設備為“點”對象，其他設備都為“線”對象，完成布點及布線后，即確定各個設備的位置情況。布置圖元進行圖形展示時，兩端節(jié)點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，對任何一個節(jié)點對象，如果其度為2，且兩端都往連接線的情況，則將連接線進行合并處理。通道布線過程如圖4所示。

圖4 通道布線過程Fig.4 Schematic diagram of channel routing process

3 成圖算法的應用

網(wǎng)格化自動成圖工具的成圖過程如圖5所示。圖5中的成圖算法(布局布線)在于尋求一個合適的解，非最優(yōu)解[13-15]。本文使用的布局算法分為兩類：樹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 成圖過程示意圖Fig.5 Diagram of the mapping process

樹狀層次布局以廣度優(yōu)先搜索為基礎，針對電網(wǎng)模型節(jié)點依次遍歷，初次分配各個節(jié)點所屬層(即豎直坐標)，再通過父子節(jié)點關系調(diào)節(jié)各個節(jié)點的水平坐標，初步確定各個節(jié)點的一次坐標，再通過構(gòu)建的開關站對象及其一次坐標，計算出每個具體節(jié)點的二次坐標，即獲得節(jié)點對象的最后邏輯坐標。

邊界層次布局以初始的邊界節(jié)點為目標圍成一個矩形，各個邊界節(jié)點通過排列組合計算出最優(yōu)的排序并指定一次坐標。再根據(jù)與已確定坐標點的連接關系持續(xù)迭代其他未確定坐標的點的一次坐標，通過從外向內(nèi)的層次推進點的坐標，直至所有節(jié)點分配了一次坐標，再通過構(gòu)建的開關站對象及其一次坐標，計算出每個具體節(jié)點的二次坐標，即獲得節(jié)點對象的最后邏輯坐標。

布線算法為統(tǒng)一的通道軌道法。在完成各個節(jié)點的一次布局后，預先保證了各個節(jié)點一次坐標的上下左右4個方向各留有一個通道，以方便布線；完成各個節(jié)點的二次布局后，由統(tǒng)一的布線管理器負責管理各個通道，每個通道由多個軌道組成，每個軌道可進行布線。在布線時，需向布線管理器集中申請可用的軌道對象，軌道使用后由布線管理器進行登記。

3.1 單線圖

布局算法為樹狀層次布局，主要應用于單線圖的成圖，其過程如圖6所示。單線圖成圖的布局布線算法主要包括8個過程。

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

(1) 預處理。成圖算法是基于電網(wǎng)拓撲結(jié)果來完成，難以保證各個模型的正確性和繪圖的合理性。預處理過程主要是確保兩個母線之間沒有通過一個節(jié)點可達的情況，即兩個母線之間要么直接相連，要么通過兩個或多個節(jié)點對象可達。

(2) 開關站構(gòu)建及配置。根據(jù)模型中的母線對象及其拓撲關系，計算出各個母線節(jié)點與其直接相連的開關或饋線段集合，以開關站對象描述內(nèi)部的母線開關組集合[16，17]。

(3) 寬度優(yōu)先布局。從起始節(jié)點開關，寬度優(yōu)先遍歷所有節(jié)點對象(開關站對象以整體表示)，初步分配各個節(jié)點對象(或開關站)的豎直坐標；再根據(jù)相鄰層的連接關系調(diào)節(jié)各個節(jié)點水平坐標。

(4) 開關站邊界排序。根據(jù)寬度優(yōu)先布局完成后的各個節(jié)點對象和開關站對象的一次坐標及開關站邊界節(jié)點的連接關系，統(tǒng)籌分配各個邊界節(jié)點的排序。這里考慮以根據(jù)位置自動排序為主，也可以根據(jù)配置信息按開關名稱進行排序。

(5) 二次坐標分配。根據(jù)開關站邊界的排序結(jié)果，分配開關站內(nèi)開關的邊界節(jié)點的二次坐標，同時更新其他節(jié)點的二次坐標。

(6) 分支節(jié)點處理。對開關站外部的多度節(jié)點(度大于等于3，即分支情況)進行處理，分支節(jié)點根據(jù)連接的外部節(jié)點數(shù)量進行“分裂”，以“假”開關站的形式統(tǒng)一構(gòu)建分裂出的虛擬節(jié)點的屬性，便于統(tǒng)一布線。

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

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

3.2 饋線聯(lián)絡圖

布局算法為邊界層次布局，主要應用于饋線聯(lián)絡圖的成圖，其過程如圖7所示。其中，雙度節(jié)點刪除過程是對現(xiàn)場饋線段過“細”的情況，算法進行了雙度節(jié)點刪除操作，即刪除所有兩饋線段直接相連的對象，進行圖形變換，以使圖形相對簡潔；一次節(jié)點分配過程是根據(jù)邊界節(jié)點圍成的矩形，邊界層次布局算法依次布局內(nèi)部節(jié)點對象，同時進行開關站邊界排序。其余過程同單線圖處理。

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

4 成圖效果

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

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

如圖9所示，通過模型抽取結(jié)果以原始的點線結(jié)構(gòu)進行成圖，綠色空圓：主網(wǎng)節(jié)點，紅色圓：配網(wǎng)母線節(jié)點，綠色圓：配網(wǎng)配變，黑色空圓：普通配網(wǎng)節(jié)點；黑線：配網(wǎng)饋線段；紅線：配網(wǎng)開關，紅線(虛)：開關狀態(tài)為開，這些含義可根據(jù)習慣統(tǒng)一調(diào)整。

圖9 圖拓撲輔助校驗Fig.9 Diagram of graph topology check

圖10所示即為最后達到的單元聯(lián)絡圖，系統(tǒng)內(nèi)可以按照不同的電源點及饋線分別進行拓撲著色，便于調(diào)控員進行區(qū)分。

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

5 網(wǎng)格化FA故障處理的工程應用

某日，某單元格內(nèi)金港10號環(huán)網(wǎng)柜和金港8號環(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)電源點主要來自三座變電站的4條出線，他們之間分別有3個聯(lián)絡點，分別為：1F271Y46、2731F27、2761F27開關，單元格對外無任何聯(lián)絡，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成功動作，準確判斷故障點位于1F2702-1F2703開關之間，如圖12所示。

圖12 故障點指示Fig.12 Fault point indication

同時，系統(tǒng)給出故障范圍判斷依據(jù)、隔離及恢復供電方案。按照系統(tǒng)提示，逐步進行故障隔離、負荷轉(zhuǎn)供，即實現(xiàn)了對于故障的半自動處理。

6 結(jié)語

本文提出了網(wǎng)格化自動成圖這一概念，并就具體如何實現(xiàn)給出了設計思路以及算法說明，從應用效果可以看出，自動成圖、工程應用效果較好。通過網(wǎng)格化自動成圖的推廣應用，可明顯提高工作效率，減少人員維護量。但未來基于網(wǎng)格化的理念，如何更好服務于配電網(wǎng)規(guī)劃、配網(wǎng)故障搶修指揮等領域，還需進一步研究。

[1] 劉 健,倪建立,鄧永輝. 配電自動化系統(tǒng)[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2003.

LIU Jian, NI Jianli, DENG Yonghui. Distribution automation system[M]. Beijing:China Water & Power Press, 2003.

[2] 王守相,王成山. 現(xiàn)代配電系統(tǒng)分析[M]. 北京:高等教育出版社, 2007.

WANG Shouxiang, WANG Chengshan. Modern distribution system analysis[M]. Beijing:Higher Education Press, 2007.

[3] 李曉凱,周長建,許和炎. 配電網(wǎng)管理中的自動制圖研究[J]. 繼電器,2008(6):65-67,70.

LI Xiaokai, ZHOU Changjian, XU Heyan. A new automatic mapping algorithm in power distribution management[J]. Relay,2008(6):65-67,70.

[4] 廖凡欽,劉 東,閆紅漫,等. 基于拓撲分層的配電網(wǎng)電氣接線圖自動生成算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2014, 38(13):174-181.

LIAO Fanqin, LIU Dong, YAN Hongman, et al. An automatic electrical diagram generation method for distribution networks based on hierarchical topology model[J]. Automation of Electric Power Systems,2014, 38(13):174-181.

[5] 盛方正,常 聞,陸超杰, 等. 自動成圖在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的研究及應用[J]. 華東電力,2014,42(10):2152-2156.

SHENG Fangzheng, CHANG Wen, LU Chaojie, et al. The research and application of automatic mapping in distribution automation system[J]. East China Electric Power,2014,42(10):2152-2156.

[6] 吳麗賢,鄧 肅. 基于GIS的配網(wǎng)單線圖自動成圖算法[J]. 信息技術(shù),2016(8):155-158.

WU Lixian, DENG Su. Automatic mapping algorithm for single line diagram of distribution network[J]. Information T-e-c-h-n-o-logy,2016(8):155-158.

[7] 陳連杰,趙仰東,韓 韜,等. 基于層次結(jié)構(gòu)及模型驅(qū)動的配電網(wǎng)圖形自動生成[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2015, 39(1):226-232.

CHEN Lianjie, ZHAO Yangdong, HAN Tao, et al. Hierarchically structured and model driven automatic generation of distribution network graphs[J]. Automation of Electric Power Systems,2015,39(1):226-232.

[8] 梁壽愚,方文崇,唐羿軒, 等. 基于CIM模型的電力系統(tǒng)全景視圖生成研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2016,10(6):20-26.

LIANG Shouyu, FANG Wenchong, TANG Yixuan, et al.Research on CIM based panorama generating of power system[J]. Southern Power System Technology,2016,10(6):20-26.

[9] ZHU Yongli, MALIK O P. Intelligent automatic generation of graphical one-line substation arrangement diagrams[J]. IEEE Transactions on Power Delivery. 2003,18(3):729-735.

[10] ONG, Y S, GOOI H B, CHAN C K. Generation algorithms for automatic generation of one-line diagrams[J]. Transmission and Distribution, IEE Proceedings, 2000,147(5):292-298.

[11] 張 魁,王亞明,伏祥運,等. 基于“三級網(wǎng)格”的配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究及應用[J]. 江蘇電機工程,2016,35(4):51-55.

ZHANG Kui,WANG Yaming,FU Xiangyun,et al.Research and application of distribution network planning method based on “Three Level Grid” [J]. Jiangsu Electrical Engineering,2016,35(4):51-55.

[12] 王 峰,李 穎,王春寧. 配電網(wǎng)線路最優(yōu)分段數(shù)算法研究及應用[J]. 江蘇電機工程,2014,33(4):5-7，12.

WANG Feng,LI Ying,WANG Chunning. Research on optimal sectionalizing number of distribution lines [J]. Jiangsu Electrical Engineering,2014,33(4):5-7，12.

[13] 趙冬梅,龔 群,張 旭. 基于組合圖元的輸電網(wǎng)單線圖自動布局方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2013(10):2979-2984.

ZHAO Dongmei, GONG Qun, ZHANG Xu. A grouped primitives based approach to automatic layout for single-line diagram of power transmission network[J]. Power System Technology,2013(10):2979-2984.

[14] 章堅民,葉 義,徐冠華. 變電站單線圖模數(shù)圖一致性設計與自動成圖[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2013,37(9):84-91.

ZHANG Jianmin, YE Yi, XU Guanhua.Consistency design of model, data, diagram of substation one-line diagram and its auto-generation[J]. Automation of Electric Power Systems,2013,37(9):84-91.

[15] 章堅民,葉 義,陳立躍，等. 基于新型力導算法的省級輸電網(wǎng)均勻接線圖自動布局[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2013,37(11):107-112.

ZHANG Jianmin, YE Yi, CHEN Liyue, et al. A novel force-direction algorithm and its application in automatic generation of uniformly-distributed provincial transmission power grid diagram[J]. Automation of Electric Power Systems,2013,37(11):107-112.

[16] 周博曦,孟昭勇,王志臣，等. 基于CIM的變電站與配電饋線一次接線圖自動繪制算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2012,36(11):77-81.

ZHOU Boxi,MENG Zhaoyong,WANG Zhicheng, et al. Automatic graphing algorithm for primary electric wiring diagram of substation and distribution feeder based on CIM[J]. Automation

of Electric Power Systems,2012,36(11):77-81.

[17] 章堅民,方文道,胡 冰,等. 基于分區(qū)和變電站內(nèi)外模型的區(qū)域電網(wǎng)單線圖自動生成[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2012,36(5):72-76,85.

ZHANG Jianmin,FANG Wendao,HU Bing, et al.Regional power grid system single-line diagram automatic generation using grid dividing and internal/external substation models[J]. Automation of Electric Power Systems,2012,36(5):72-76,85.

陳 兵

陳 兵(1975—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化運維管理工作(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)控運行工作(E-mail：zhaoxiaoxu1988@126.com)；

施偉成(1966—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)控運行工作(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