基于配電網(wǎng)地理接線圖的混合型線路自動排布算法

梁艷 張世佳

摘? 要：該文針對包括展開站房設備的混合型線路的自動排布算法兼容性差的現(xiàn)狀，通過分析混合型區(qū)域接線圖的特點，該文提出了依據(jù)站房設備進出線位置不同展開站房設備的排布方法。針對站房設備多條出線的分層排布、末端站房設備的排布和站房設備進出線位置不同的排布3種典型實例，展開研究和實驗。實驗基于配電網(wǎng)地理接線圖的拓撲數(shù)據(jù)完成配電線的有向樹建模，按分支級數(shù)從小到大依次完成所有分支的排布，最終自動生成展開站房設備的混合型線路的區(qū)域接線圖，布圖科學，有效降低了工程實施成本。

關鍵詞：區(qū)域接線圖;自動排布;展開站房設備

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

10 kV配電網(wǎng)中部分饋線組成的區(qū)域接線圖是配電管理系統(tǒng)中實時監(jiān)控的重要圖形數(shù)據(jù)。布局科學、美觀的區(qū)域接線圖自動排布算法能夠有效減輕工程人員調圖的工作量，降低工程實施成本。兼容架空、地纜及混合型線路類型的區(qū)域接線圖自動生成算法，在城網(wǎng)和農網(wǎng)應用中具有更強的應用和推廣價值。

當前，配電網(wǎng)電氣接線圖的自動排布算法集中于拓撲分析、布線和布圖優(yōu)化的研究。

配電網(wǎng)公共信息模型CIM是單線圖、區(qū)域接線圖的拓撲數(shù)據(jù)基礎?；贑IM數(shù)據(jù)自動排布生成圖形數(shù)據(jù)，保證了拓撲數(shù)據(jù)的正確性。基于CIM拓撲數(shù)據(jù)和GIS圖形數(shù)據(jù)，設計圖模一致性的數(shù)據(jù)平臺為配電網(wǎng)各種接線圖提供數(shù)據(jù)基礎，加速自動成圖效率。

自動成圖的排布算法通常以CIM數(shù)據(jù)和地理接線圖為基礎。基于地理接線圖，參照設備相對位置，完成自動布圖，布圖結果擬合地理接線圖走向。以層次結構模型驅動的配電網(wǎng)一次接線圖的自動生成方法，基于Sugiyama的改進型算法，滿足配電網(wǎng)單線圖、聯(lián)絡圖、供電路徑圖的使用需求。

自動成圖的布局優(yōu)化包括交叉處理和空間利用。從外向內逐次布局的環(huán)形布局算法，對已布線的空格進行統(tǒng)一標記以避免重疊或交叉;網(wǎng)格化自動成圖的實現(xiàn)方法有效支持樹狀層次布局、邊界層次布局，無交叉且空間利用充分。

已有研究可以解決架空線路自動排布問題，架空線路的特點是構成線路的設備占據(jù)排布空間小、均勻，但解決方案對包括多個站房設備的混合型線路兼容性差，甚至不可用。站房設備包括內部接線和設備，占據(jù)了矩形排布區(qū)域，對整體排布效果及空間的利用產(chǎn)生影響。

該文以基于圖論的拓撲數(shù)據(jù)建模和橫平豎直的自動成圖排布算法為研究基礎，針對包括展開站房設備的混合型線路的自動排布算法兼容性差的現(xiàn)狀，該文提出了依據(jù)站房設備進、出線位置不同展開站房設備的排布方法。通過基于圖論的有向樹建模，按有向樹分支級數(shù)從小到大依次完成所有分支的排布，自動生成區(qū)域接線圖。算法支持架空、地纜及混合型線路，布圖科學，符合配電網(wǎng)的實時監(jiān)控要求。

1 建立數(shù)據(jù)模型

針對配電網(wǎng)電氣接線圖的設備和線路的拓撲數(shù)據(jù)建立基于圖論的數(shù)據(jù)模型。該文對模型進行了完善和補充。

建模規(guī)則1。節(jié)點包括主節(jié)點和負荷節(jié)點。其中，電源點、開關節(jié)點、T接點、線路末梢點和聯(lián)絡開關為主節(jié)點。配電變壓器為負荷節(jié)點。特別將包含內部接線和設備的站房設備，作為主節(jié)點參與排布。

建模規(guī)則2。從電源點到線路末梢點或聯(lián)絡開關的所有路徑中，所含節(jié)點數(shù)目最多的一條路徑為0級分支;K級分支上包含的T接點為K+1級分支的根。從一個K+1級分支的根，到其中引出的樹狀子網(wǎng)絡的端點的所有路徑中，所含節(jié)點數(shù)目最多的路徑為K+1級分支（K≧0）。一條配電線為一個有向樹，可以分解為一條0級分支和若干條K級分支（K≧0）。

2 混合型區(qū)域接線圖的自動排布算法

2.1 區(qū)域接線圖的排布原則

架空、地纜及混合型線路類型總體排布原則如下。在配電線有向樹拓撲模型基礎上，有向樹分支級數(shù)按從小到大依次計算設備坐標進行排布，生成橫平豎直的區(qū)域接線圖。生成過程中，同時進行交叉和重疊處理。

2.2 站房設備排布

對于包括內部接線和設備的站房設備，作為主節(jié)點參與其所在分支路徑的排布。站房設備節(jié)點的坐標取其所占據(jù)矩形區(qū)域的中心點坐標。站內設備及線路的排布坐標，依據(jù)其在地理接線圖GIS圖形數(shù)據(jù)中相對中心點的距離得出。

對于架空、地纜及混合線路中包含的站房設備，自動排布遵照以下原則。

排布規(guī)則1。0級分支中包含站房設備節(jié)點，且站房設備有多條出線即包含多個子分支時，根據(jù)建模規(guī)則1識別0級分支，選定其中一個出線所在支線作為0級分支，0級分支排布遵守橫平豎直規(guī)則。其余出線所在的支線作為1級分支，站房設備為1級分支的根，考慮充分利用空間及實時監(jiān)控需要，對其進行平行于0級分支方向的排布。具體坐標的確定，依據(jù)同級分支不交叉、不重疊原則。

排布規(guī)則2。K+1級分支的根為站房設備，K+1級分支平行于0級分支排布。

排布規(guī)則3。K級分支（K>0）包含站房設備，K級分支平行于0級分支排布。

排布規(guī)則4。站房設備依據(jù)其進、出線位置確定整個站房的坐標。例如站房設備的進線在上側、出線在下側，進線節(jié)點坐標作為站房設備所占據(jù)矩形區(qū)域的最小縱坐標。如果站房設備的進線、出線都在下側，進線節(jié)點坐標作為站房設備所占據(jù)矩形區(qū)域的最大縱坐標。在此，區(qū)域接線圖從左到右，從上至下排布，坐標原點為左上。

3 實例

首先，對以下包括站房設備的混合型區(qū)域接線圖的圖示符號做以下說明。圖中“MSW”表示站房設備，區(qū)域接線圖中的路徑分支編號為①分支、②分支、③分支、④分支......。區(qū)域接線圖的有向樹從左到右、從上至下排布。區(qū)域接線圖當前最大縱坐標用YCurMax表示。依據(jù)分支設備不重疊原則，兩條平行分支之間保持一定間距d，d定義為開合設備圖符的寬度。

3.1 分支中包括站房設備節(jié)點且站房設備有多條出線的區(qū)域接線圖排布

如圖1所示，圖中有2個站房設備MSW1和MSW2，以下對有多條出線的站房設備排布進行分析。站房設備MSW1包括4條出線，即有4個子分支。

首先，計算每條分支所含節(jié)點數(shù)，確定1條0級分支和3條1級分支。①分支含1個節(jié)點。②分支有1個節(jié)點。③分支有6個節(jié)點。④分支有10個節(jié)點。根據(jù)根據(jù)建模規(guī)則1，選擇④分支為0級分支;其余3個分支作為1級分支。

其次，分支級數(shù)按從小到大依次排布，先排布0級分支，再排布3條1級分支。依據(jù)排布規(guī)則1，包含MSW1的0級分支按橫平豎直排布。3個1級分支與0級分支平行排布，排布過程中，依據(jù)分支在站房設備中的出線順序，依次排布①分支、②分支、③分支，同時遵照支線互相不重疊原則，同級支線水平方向的分層排布分析詳見圖2的實例分析。

3.2 站房設備的多條出線的分層排布以及支線中包括站房設備的區(qū)域接線圖的排布

如圖2所示，圖中有5個站房設備MSW1、MSW2、MSW3、MSW4、MSW5。依據(jù)建模規(guī)則2可知，此圖例中有1條0級分支，7條1級分支。其中，分支①、分支②和分支③為MSW1的3條出線。分支④和分支⑥的根為非站房設備，并且支線中不包含任何站房設備，為純架空支線。分支⑤的根為站房設備，支線中不包含任何站房設備。分支⑦的根為T節(jié)點，支線中包含站房設備MSW5。

依據(jù)排布規(guī)則1，完成0級分支的坐標計算和排布，0級分支所有設備的最大縱坐標記為Y0。則區(qū)域接線圖當前最大縱坐標YCurMax? = Y0。（特別的，站房設備MSW4作為0分支的末端站房設備應水平放置。）

依據(jù)排布規(guī)則2和排布規(guī)則3，7條1級分支都應平行于0級分支排布。1級分支按序號從大到小逐個加入排布，而1級分支①、②和③的根為站房設備，其排布順序依照出線的順序。以下依次分析每條1級分支的水平分層排布情況。

1級分支⑦。末端包含一個站房設備MSW5，此分支應平行于0分支放置。遵照設備不重疊原則。⑦分支初始縱坐標應略大于YCurMax，定義為YCurMax + d。依次計算分支⑦中每個設備的坐標。計算已經(jīng)排布過的0級分支和1級分支⑦的所有設備的最大縱坐標記為YCurMax? = Y1。則區(qū)域接線圖當前最大縱坐標YCurMax? = Y1。

1級分支⑥。分支的根為非站房設備，也不包含站房設備節(jié)點，按橫平豎直排布分支中的每個設備。分支⑥中設備為架空設備，占據(jù)排布空間很小，最終，已經(jīng)參與排布的0級分支、1級分支⑦、1級分支⑥的最大縱坐標仍為Y1。因此，區(qū)域接線圖當前最大縱坐標YCurMax? = Y1。

1級分支⑤。分支的根為站房設備，此分支平行于0分支排布，分支⑤的初始縱坐標為YCurMax + d。依次排布分支中的所有設備。0級分支、1級分支⑦、1級分支⑥、1級分支⑤的最大縱坐標記為Y2;則區(qū)域接線圖當前最大縱坐標YCurMax? =Y2。

1級分支④。與一級分支⑥的處理方式相同;排布結果，區(qū)域接線圖當前最大縱坐標仍然為YCurMax? = Y2。

1級分支①。分支的根為站房設備，此分支平行于0級分支排布。分支①的初始縱坐標為YCurMax + d。依次排布分支中的所有設備。最后，已經(jīng)參與排布的所有設備的最大縱坐標記為Y3。則區(qū)域接線圖當前最大縱坐標YCurMax= Y3。

1級分支②：與一級分支①的處理方式相同。最終，區(qū)域接線圖當前最大縱坐標YCurMax? = Y4。

1級分支③。分支的根為站房設備，并且分支中包含站房設備，此分支平行于0級分支排布。分支③的初始縱坐標為YCurMax + d;依次排布分支中的所有設備。至此，完成整條配電線的所有分支的排布。更新YCurMax的值，最終區(qū)域接線圖最大縱坐標YCurMax為圖2所示位置。

3.3 站房設備及其內部設備的排布

目前，配電網(wǎng)站房設備的內部接線有2種，一種是進線在上、出線在下，另一種是進線、出線都在下。依照排布規(guī)則4，在圖3示例中，MSW1、MSW2進線和出線都在母線下側，進線節(jié)點的坐標作為站房設備矩形區(qū)域的最大縱坐標。MSW3、MSW4進線在母線上側，進線節(jié)點的坐標作為站房設備矩形區(qū)域的最小縱坐標。

4 結語

通過實驗驗證，該文提出的算法兼容架空、地纜及混合型線路的區(qū)域接線圖自動排布，具有廣泛適應性。對進、出線不同位置的站房設備采用不同排布策略，有效利用空間，排布科學。展開站房設備，對站房設備及其內部接線進行排布，可清楚看到站內外供電情況，符合配電網(wǎng)實時監(jiān)控要求。該算法對包含站房設備的分支做平行于0級分支的分層排布處理，造成了一定空間浪費，在這方面有待進一步優(yōu)化。

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