基于模型驅動的配電網(wǎng)電氣聯(lián)絡圖自動生成技術研究

王沈亮，宋曉陽，黃 俊，李盛盛，李 莉

（1.南京南瑞信息通信科技有限公司，江蘇南京 210000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波 315000；3.國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，浙江杭州 310000）

近年來，我國大部分地區(qū)的電力負荷密度不斷增加[1]，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構也變得日趨復雜。但不同電網(wǎng)系統(tǒng)之間的內核不同，編譯語言也不同，使得不同系統(tǒng)之間的電網(wǎng)圖缺乏統(tǒng)一的繪制標準，兼容性較差[2]。

互聯(lián)網(wǎng)、計算機技術與數(shù)據(jù)挖掘[3]、驅動技術[4]的進步，使得自動生成電網(wǎng)接線圖成為了可能。應用計算機和智能算法，完全可以實現(xiàn)對電網(wǎng)中各種形式接線圖的轉化，便于為電網(wǎng)建設作出準確的決策，加強對整體配電網(wǎng)的綜合理解[5]。目前，電力行業(yè)、計算機行業(yè)的眾多學者對這一領域進行了研究。對配電網(wǎng)運行人員而言，系統(tǒng)一次接線圖的作用較大，使其能夠快速、方便地了解配電網(wǎng)的網(wǎng)架結構，再結合具體關鍵站點和節(jié)點的地理位置，對配電網(wǎng)進行管理、事故處理、計劃檢修等日常維護工作[6]。配電網(wǎng)結構日益復雜、聯(lián)絡線眾多，在人工繪制時容易出現(xiàn)各種錯誤。由于個人習慣的不同，難以把握整個出圖風格的統(tǒng)一性，給運行人員查看電氣聯(lián)絡圖帶來了不便。因此該文利用計算機技術，采用模型驅動的方式進行電氣聯(lián)絡圖的自動生成[7]。就目前而言，針對配電網(wǎng)的各種形式拓撲分析和正交化算法已出現(xiàn)了較多種類，但其性能和準確性有待考量。配電網(wǎng)的拓撲分析是從原理和根本上解決電力系統(tǒng)問題的基礎。掌握完整、準確的電氣聯(lián)絡關系，能夠使運行人員快速、完整地對故障、工程建設重點及電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)作出判斷，是電網(wǎng)運行中必不可少的一項工作[8]。配電網(wǎng)系統(tǒng)由高壓變電站開始，按照一定層級向周圍擴散，具有較強的層次性。正是基于此種特性，文中采用層次化的布局算法進行處理。

該文將電網(wǎng)模型信息數(shù)據(jù)進行特征提取，結合差異化布局算法、正交化算法，由線路拓撲結構向正交布局轉換[9]。將描述線路拓撲結構的樹結構進行布局運算，重新計算每個拓撲節(jié)點位置，將拓撲轉化為橫平豎直形式，進而自動生成滿足要求的配電網(wǎng)一次接線圖。

1 成圖算法概述

1.1 算法原理

配電網(wǎng)的電網(wǎng)結構主要可分為輻射型和聯(lián)絡型，也稱為有備用線路與無備用線路，這也是區(qū)分是否為唯一電源的標準[10]。輻射型線路主要被應用于偏遠地區(qū)、農村等負荷密度較小的區(qū)域，其供電距離通常較長，網(wǎng)架結構簡單明了；而聯(lián)絡型線路主要被應用于城市等負荷密度較大的區(qū)域，或者一些有特殊用電需求的用戶[11]。針對輻射型線路，其結構較為簡單，通常不需要單線圖的輔助決策；但對于聯(lián)絡型線路，尤其是多聯(lián)絡型線路，其自動成圖技術就較為必要。憑借記憶和人工經驗，有時無法完整、準確地復現(xiàn)整個單線圖，需要通過單線圖的自動生成技術進行管理和操作。

繪制單線圖的目的在于能夠快速、方便、準確地了解整個電網(wǎng)的電氣聯(lián)絡關系，其要求一般是最少交叉、最短連線、分布均勻、橫平豎直。這些要求限制了自動成圖的實現(xiàn)，且成了一種多目標優(yōu)化問題。

1.2 正交化

由線路拓撲結構向正交布局轉換的算法思路如下[12]：將描述線路拓撲結構的樹結構進行布局運算，重新計算每個拓撲節(jié)點位置，使拓撲邊為橫平豎直形式。布局轉換算法需要考慮以下因素：1）拓撲邊之間無交叉；2）拓撲點要占據(jù)一定的空間范圍，拓撲點、拓撲邊之間不能有重合；3）要考慮主干和分支的布局特征，優(yōu)先主干方向，再考慮分支與主干的垂直。布局轉換示意圖如圖1 所示。

圖1 正交布局變化示意圖

2 變換算法

2.1 差異布局算法

由于線路割接、線路改造、網(wǎng)架優(yōu)化、新用戶接入等原因，配網(wǎng)線路會頻繁發(fā)生變化，當產生設備異動以及有設備新增或拆除時，線路的拓撲結構將發(fā)生變化。由于線路發(fā)生設備異動，導致已生成的單線圖拓撲結構與線路實際拓撲結構產生差異，單線圖需要更新，以保持與實際現(xiàn)場一致。線路拓撲結構的差異有3 種情況：拓撲增加、拓撲減少、拓撲位置變化，如圖2 所示。

圖2 單線圖部分變化示意圖

差異布局算法是比對變化前、變化后的單線圖拓撲結構，找出差異部分的拓撲點和拓撲線，在保持變化前的布局基礎上，將差異部分的內容進行增加、刪除或位置遷移[13]。對新增加的內容，需要在原單線圖拓撲結構上找到其新增接入點，并將新增內容擺放于合適區(qū)域。對拓撲位置變化的內容，需要找到變化拓撲點及變化后的位置。差異布局算法的處理流程如圖3 所示。

圖3 差異布局算法流程

2.2 差異布局方案

該文采用的差異布局方案有兩種，在具體使用中，針對不同的工況特點選擇其差異布局方案過程，如圖4 所示。

圖4 差異布局方案一和方案二

方案一：按照重新布局的方式生成總體布局，高亮顯示差異設備。關鍵實施過程如下：1）對于差異布局單線圖，首先按照重新布局的方式與流程，生成單線圖圖形設備；2）通過獲取線路當前的地理圖模型數(shù)據(jù)，以及舊的單線圖圖形設備對應的地理圖設備模型數(shù)據(jù)，通過對比分析得到異動的差異設備（包括新增、刪除、設備改動、拓撲改接等）；3）將差異的設備在布局后的圖形中用高亮重點顯示。

該種布局算法的優(yōu)點在于：1）按重新布局的方式成圖，成圖后的圖形整體效果較好，能更優(yōu)地符合成圖需求；2）成圖效果與重新布局顯示基本一致，基本可滿足一鍵成圖不用調圖的要求；3）由于有重新布局的基礎，開發(fā)效率及完善效果優(yōu)化進度較快。但用戶在單線圖中做過的編輯、添加等注記信息將會丟失，在差異布局后的新圖中均未保留；同時，對于用戶未做改動、沒有差異的部分，在差異布局后，圖中的相對位置及布局方位，與差異布局前的舊圖作對比，仍可能會有細微的改變。

方案二：按照差異布局的方式生成部分布局，高亮顯示差異設備。其具體方案實施過程描述如下：獲取線路當前的地理圖模型數(shù)據(jù)，以及線路對應的單線圖圖形設備對應的地理圖設備模型數(shù)據(jù)。通過對比分析得到差異設備（包括新增、設備改動、拓撲改動等），針對差異設備在布局時做標記。在差異布局的過程中，未改動的設備保持原來的位置不做改動，只針對差異設備進行差異布局及坐標更新。然后對差異設備進行增量生成，并對增量生成的設備用高亮重點顯示。

方案二的優(yōu)點在于未改動的設備可以保留原位置及信息不變動，用戶在圖中完成的編輯及添加標注等操作均可保留。

3 電氣聯(lián)絡圖自動更新及總體框架

3.1 自動更新

在配網(wǎng)GIS 上，經常會出現(xiàn)增加設備、刪除設備或線路拓撲發(fā)生變化的情況[14-15]。若每次均需人工繪制更新，將造成大量的人工浪費，同時會降低效率。通過比對配網(wǎng)GIS 上的線路拓撲與已生成的單線圖拓撲，找出增加、刪除或拓撲變化的部分對象，并在已生成的單線圖上進行局部修改，不影響已生成單線圖調整后的布局效果。

3.2 總體框架

該文所建立框架以配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結構為基礎，以電網(wǎng)一次接線關系為研究對象，建立具備配電網(wǎng)聯(lián)絡關系的配電網(wǎng)單線圖。

圖5 為基于模型驅動的單線圖自動生成主要架構，其中包括了從原始系統(tǒng)導出調配系統(tǒng)一體化模型、正交化處理、模型抽取、對象識別、差異布局、圖元布局和布線、生成單線圖及模型更新等程序。

圖5 基于模型驅動的單線圖自動生成架構

根據(jù)總體架構圖，該文的處理對象為GIS 系統(tǒng)和SCADA 系統(tǒng)[16]的相關圖形、信息數(shù)據(jù)。采用正交化處理后，簡化出其數(shù)學模型，便于進行對象識別、區(qū)分電氣節(jié)點和連接支路。利用差異布局算法進行圖元布局和布線，生成電氣聯(lián)絡圖。當配電網(wǎng)的結構發(fā)生變化后，可在原來單線圖的基礎上進行模型的更新，經過對象識別和差異布局算法后，實現(xiàn)電氣聯(lián)絡圖的自動更新。

4 應用驗證

文中結合某地區(qū)110 kV 配電網(wǎng)下的一條10 kV線路進行自動成圖實驗。該10 kV 線路具有3 條大支線、兩個聯(lián)絡點，分別位于1、2 支線的末端。

檢驗上述成圖方法有效性的主要指標為：1）能否正確識別聯(lián)絡開關；2）能否正確判斷和識別各節(jié)點聯(lián)絡關系；3）能否實現(xiàn)完全正交化。

按該文所述步驟和算法，在所建立的架構下進行成圖操作。結果顯示，該算法和體生成的單線圖（圖6）能夠滿足實際生產、運行需要，且可以保持與實際情況相同的聯(lián)絡關系。

圖6 單線圖自動生成效果圖

從成圖效率上而言，該文所建立的成圖體系能夠從總體上實現(xiàn)高效率成圖。在嚴格遵循圖形繪制的要求和原則下，對電氣接線圖的個別特征區(qū)別處理。具體處理參數(shù)如表1 所示。

表1 基于模型驅動算法的成圖相關數(shù)據(jù)

在Web 應用環(huán)境下，利用英特爾i5 第10 代處理器進行計算，循環(huán)1 000 次的成圖時間約為4.2 s，其具備較高的準確率和效率，能夠滿足工程應用需求，有效地支撐電網(wǎng)運維檢修、工程建設以及前期決策。

5 結束語

該文所述基于模型驅動的配電網(wǎng)電氣聯(lián)絡圖自動生成體系，通過建立成圖模型，結合正交化算法、差分布局算法，實現(xiàn)了對電網(wǎng)GIS和SCADA 系統(tǒng)的電網(wǎng)圖形單線圖自動生成。通過樹結構的方式，自動生成橫平豎直、正交結構的系統(tǒng)單線圖。同時，當電網(wǎng)的結構發(fā)生部分改變時，比如線路改造與拆除，也能在不改變原有單線圖布局的情況下實現(xiàn)單線圖布局更新，實際使用效果也驗證了文中出圖方法的準確性和實用性。