配電網(wǎng)圖元管理系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究

楊波，劉凍，過佳平

國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033

0 引言

為了有效整合配電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)的各級模型，實現(xiàn)全省標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一配電網(wǎng)圖形模型，并最終實現(xiàn)“源端維護，全網(wǎng)共享”的目標(biāo)[1-3]。文獻[4]提出了一種基于自動生成算法的配電網(wǎng)圖元模型，實現(xiàn)了均勻接線，但是所提方法精準(zhǔn)度不高且運算程序復(fù)雜，是實際中很難推廣應(yīng)用。與此相反，文獻[5]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)圖元模型，具有很高的精度，但是可靠性較差，嚴(yán)重依賴計算機性能。為此，本文提出了一套新型圖元模型方案，具體實施方案如下。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為加強配電網(wǎng)圖元管理水平，更好地服務(wù)配網(wǎng)調(diào)度運行、停電計劃、搶修指揮、安全管控等工作。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了配電網(wǎng)圖元管理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1中系統(tǒng)主要為強化配網(wǎng)停電計劃管理，實現(xiàn)圖元全面精準(zhǔn)管理[6]。同時，不斷提升反校核范圍和智能化程度，實現(xiàn)圖元準(zhǔn)確性自動校核功能。

圖1 配電網(wǎng)圖元管理系統(tǒng)

圖2所示為多個變電站聯(lián)絡(luò)關(guān)系的單線圖。在配電網(wǎng)中，電力設(shè)備類型主要分為電力設(shè)備和非電力設(shè)備信息。電力設(shè)備主要由母線、開關(guān)站、柱上負荷開關(guān)、柱上斷路器、熔斷器、配電變壓器、配電室、箱式變電站、故障指示器等組成。而非電力設(shè)備信息主要由線路總長度、配電變壓器數(shù)量以及配電變壓器容量等[7]。整個單線圖不拘于固定形式，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求，其顯示方式可以不斷改變，配電網(wǎng)圖元符號樣式如表1所示。

圖2 配電網(wǎng)單線示意圖

表1 圖元符號樣式

在配電網(wǎng)中，架空線路使用的大多數(shù)導(dǎo)線由鋁制成。這些導(dǎo)線通常為全鋁導(dǎo)線、全鋁合金導(dǎo)線和鋼芯鋁導(dǎo)線，架空線路的圖元建模需要的尺寸參數(shù)有導(dǎo)線外徑d、幾何平均半徑（GMR）和電阻r。在不影響顯著精度的情況下，采用修正后的卡森方程可計算具有n個導(dǎo)體的架空線路圖元原始阻抗矩陣，其表達式為：

式（1）中，Zii是第i根導(dǎo)線的自阻抗，單位為Ω/英里，而Zij是第i條導(dǎo)線和第j條導(dǎo)線之間的互阻抗，i≠j。此外，GMRi是第i根導(dǎo)線的幾何平均半徑，Dij是導(dǎo)線i和j之間的距離。當(dāng)架空導(dǎo)線之間的間距已知時，計算原始阻抗矩陣[8]。

通常，這些單相變壓器有一個中壓繞組（用h表示）和兩個低壓繞組（用l和t表示），基于此連接，可以在相導(dǎo)線之間獲得240V（分別為480V）或從任何相導(dǎo)線和接地中性導(dǎo)線獲得120V（分別為240V）。關(guān)于單相變壓器示意圖如圖3所示。

圖3 單相變壓器示意圖

2 配電網(wǎng)圖元及拓撲關(guān)系

2.1 配電網(wǎng)圖元模型

配電網(wǎng)圖元模型主要特征為圖元標(biāo)識，圖元標(biāo)識是區(qū)分、標(biāo)識配電網(wǎng)模型中不同設(shè)備的唯一編碼。模型標(biāo)識由64位二進制數(shù)構(gòu)成，在建立模型時由相應(yīng)建模單位的系統(tǒng)自動生成，生成后不再發(fā)生改變。配電網(wǎng)模型標(biāo)識應(yīng)按照統(tǒng)一的規(guī)則生成，確保不同系統(tǒng)生成的設(shè)備標(biāo)識是唯一的。生成規(guī)則如下：配電網(wǎng)圖元標(biāo)識根據(jù)模型的所屬機構(gòu)進行地區(qū)分段劃分，從而可以通過模型標(biāo)識來區(qū)分不同地區(qū)的設(shè)備模型，確保全網(wǎng)模型標(biāo)識的唯一性，二進制表示結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模型標(biāo)識結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)模型標(biāo)識由表號、區(qū)域號、區(qū)域內(nèi)順序號3個部分組成，設(shè)備模型連接點號用于標(biāo)識配電網(wǎng)模型中設(shè)備（端）的連接關(guān)系。對于新建模但還未生成連接關(guān)系的設(shè)備，設(shè)備模型連接點號應(yīng)為-1；對于已經(jīng)生成連接關(guān)系的設(shè)備，設(shè)備（端）連接點號由64位二進制數(shù)構(gòu)成，在生成連接關(guān)系時由相應(yīng)建模單位的系統(tǒng)自動生成。設(shè)備模型連接點號應(yīng)按照統(tǒng)一的規(guī)則生成，確保不同線路的設(shè)備模型連接點號不相同[9]。

配電網(wǎng)設(shè)備圖元之間的連接點號被用于確定設(shè)備的連接關(guān)系，實現(xiàn)電網(wǎng)拓撲。設(shè)備模型的連接點號應(yīng)在節(jié)點入庫時由系統(tǒng)自動生成，為避免設(shè)備模型連接點號出現(xiàn)重復(fù)，連接點號的生成采用統(tǒng)一規(guī)則，如圖5所示。

圖5 設(shè)備模型連接點號生成規(guī)則

設(shè)備模型連接點號由區(qū)域、配調(diào)、變電站、饋線和節(jié)點號5個部分組成，設(shè)備模型連接點號是由以上二進制編碼轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)再轉(zhuǎn)換為字符串得到。配電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)中的配電網(wǎng)模型參數(shù)應(yīng)優(yōu)先使用經(jīng)過相關(guān)專業(yè)處室核定的運行參數(shù)和實測參數(shù)。設(shè)備圖元按照設(shè)備狀態(tài)劃分為6種顏色，見表2。

表2 設(shè)備狀態(tài)顏色

2.2 拓撲關(guān)系

關(guān)于配電網(wǎng)設(shè)備圖元模型拓撲圖如圖6所示。

圖6 配電網(wǎng)設(shè)備圖元模型拓撲圖

由圖6可知，電力設(shè)備圖元從大體功能上進行區(qū)分，可分為主設(shè)備和輔助設(shè)備。其中主設(shè)備主要作用是直接用于生產(chǎn)的電力主回路設(shè)備，主要包含斷路器、熔斷器、刀閘、接地刀閘、母線段、儲能設(shè)備、饋線段、配電變壓器、并聯(lián)補償器以及電阻器等[10]。輔助設(shè)備主要作用是用來輔助主設(shè)備正常運行，輔助設(shè)備通過連接點的關(guān)聯(lián)連接到主設(shè)備上，包括故障指示器、電壓互感器、桿塔等。

本研究采用SVG技術(shù)進行動態(tài)展示電力圖形，通過JavaScript語言進行編碼。JavaScript語言能夠直接在Web上進行解析，且其腳本技術(shù)能解決SVG圖像的交互問題。

2.3 配電網(wǎng)圖元切換方法

在搶修指揮中，為了實現(xiàn)配電網(wǎng)圖元管理系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)，本研究提供的基于圖層切換的圖元狀態(tài)切換方法，需要對圖元進行重新定義，圖7為本研究提供的圖元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 圖元數(shù)據(jù)框示意圖

如圖7所示，一個配電網(wǎng)圖元可以包括圖元基礎(chǔ)信息，其中一個圖元包括至少兩個顯示狀態(tài)，每個顯示狀態(tài)均有對應(yīng)的圖元狀態(tài)與圖層之間的關(guān)系，圖元的尺寸可以為圖元的寬度、高度。圖層信息包括圖層名稱和圖元數(shù)據(jù)，圖元數(shù)據(jù)包括圖元基礎(chǔ)元素的形狀、位置、縮放比例、旋轉(zhuǎn)角度。圖元基礎(chǔ)元素包括基礎(chǔ)的圖元元素，例如直線、圓形、橢圓、矩形等。圖元的位置例如可以為圖元基礎(chǔ)元素的起始點信息。根據(jù)各圖層的圖元數(shù)據(jù)[11]，可以在繪圖區(qū)域中將圖元基礎(chǔ)元素填充至繪圖區(qū)域中。

圖8為基于圖層切換的圖元狀態(tài)切換方法的流程圖。

圖8 基于圖層切換的圖元狀態(tài)切換方法的流程圖

如圖8所示，本研究提供的基于圖層切換的圖元狀態(tài)切換方法包括：步驟S301，確定圖元的當(dāng)前顯示狀態(tài)，當(dāng)前顯示狀態(tài)包括圖元的待顯示圖層列表，待顯示圖層列表包括待顯示的圖層信息，圖元包括至少兩個圖層；步驟S302，根據(jù)圖元狀態(tài)與圖層的關(guān)系，遍歷圖元對應(yīng)的每個圖層；步驟S303，判斷是否還有圖層，若是則執(zhí)行步驟S204，否則完成圖元狀態(tài)切換；步驟S304，判斷當(dāng)前圖層是否存在于顯示圖層列表，若是則顯示當(dāng)前圖層，否則隱藏當(dāng)前圖層；步驟S305，完成對當(dāng)前圖層的判斷后，繼續(xù)執(zhí)行步驟S203，對下一個圖層繼續(xù)進行判斷。

3 實驗與分析

為了驗證本文所研究的關(guān)鍵技術(shù)的適用性和可靠性，構(gòu)建出配電網(wǎng)設(shè)備圖元單線圖（圖9）。

圖9 配電網(wǎng)圖元

如圖9所示，整個配電網(wǎng)是從母線和若干個直線延展出來的，主要按照《IEC61970-453EMS-API-Part453：圖形布局子集》、《GB/T4728.2-2005電力簡圖用圖形符號》、《DL/T890.402-2011公共服務(wù)(IEC61970-402:2003)》和《Q/GDW624-2011電力系統(tǒng)圖形描述規(guī)范》得出，具體如表3所示。

表3 電力設(shè)備圖元模型

為了驗證所提出的配電網(wǎng)圖元拓撲的實用性，打開該系統(tǒng)的繪圖工具，將圖元存放位置為工具安裝包解壓后symbol文件夾的路徑，此文件夾的路徑就是圖元存放位置。打開在圖形文件列表里根據(jù)配調(diào)、變電站、饋線依次展開，雙擊任一條饋線就可以對這條線進行編輯，圖紙編輯中如果遇到一條支線上所有設(shè)備改到另外一條線上可能會用到跨圖復(fù)制功能，如果用戶已登錄且有權(quán)限傳圖，保存成功后即可點擊上傳入庫按鈕將圖紙入庫。

在得到電力設(shè)備圖元模型后，還需要進行精度監(jiān)測。以接地刀閘為例，通過從配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的所有接地刀閘設(shè)置若干個測點，采集相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)（長度和角度）。監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表4所示。

通過監(jiān)測100～1000個測點，統(tǒng)計相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)（長度和角度）的誤差百分比（表4），并繪制成柱狀圖（圖11）。

表4 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從圖11可以看出，在不同數(shù)量測點環(huán)境下，本研究系統(tǒng)所繪制的圖元標(biāo)準(zhǔn)尺寸誤差更小，精準(zhǔn)度更高。

圖11 兩種方法監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度對比

4 結(jié)語

本研究結(jié)合配電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)構(gòu)建了配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)?；谕負浞赐萍夹g(shù)，構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備圖元數(shù)據(jù)初始空間，通過公式推導(dǎo)出拓撲反推關(guān)系并使初始空間轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)空間，實現(xiàn)對配電網(wǎng)圖元設(shè)備多元數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析，并通過實驗驗證了該方法的可靠性。