配電主站智能配電室自動拓撲和成圖設(shè)計與實現(xiàn)

王 樸 張兆歸 王興念 劉勝蘭 楊飛勇

1(國家電網(wǎng)北京電力有限公司 北京 102200)2(珠海許繼芝電網(wǎng)自動化有限公司 廣東 珠海 519000)

0 引 言

配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是配電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)，是配電網(wǎng)經(jīng)濟化管理的支撐，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多、變更頻繁，涉及變電站、線路、變壓器、接入點、計量箱、電能表等設(shè)備數(shù)據(jù)、拓撲連接關(guān)系，目前供電企業(yè)基本由各專業(yè)人員手工錄入與維護，錄入維護工作量大，帶來數(shù)據(jù)維護錯誤、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、更新不及時等問題，難以支撐配電網(wǎng)安全運行水平、運維效益、提供供電服務(wù)質(zhì)量需要，為此解決海量配電設(shè)備的自適應(yīng)接入，實現(xiàn)配電臺區(qū)、配電設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系自動識別，配電網(wǎng)拓撲可視化，成為當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題之一[1-4]。為解決低壓拓撲可視化，分析配電室典型接線、結(jié)合供電企業(yè)需求，提出在配電終端側(cè)自動識別拓撲形成拓撲文件，配電主站側(cè)解析配變終端上送拓撲文件、自動生成智能配電室拓撲和接線圖的配電主站與配變終端協(xié)同低壓拓撲可視化方案。

1 整體解決方案

為實現(xiàn)智能配電室自動拓撲與拓撲可視化，提出配電主站與配變終端協(xié)同方案(如圖1所示)。

圖1 整體解決方案

(1) 設(shè)備側(cè)：在配電變壓器側(cè)安裝配變終端(簡稱TTU)、分支箱和表箱側(cè)安裝分布式監(jiān)測終端(簡稱LTU)，TTU基于本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)與LTU協(xié)同完成電氣拓撲識別,并組裝成拓撲文件上送至配電主站。

(2) 配電主站側(cè)：配電主站前置服務(wù)接收來自TTU上送的拓撲文件，對其解析并送至圖模系統(tǒng)。圖模系統(tǒng)處理拓撲文件、生成智能配電室圖模庫，以支撐配電監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用。

前置服務(wù)負責(zé)接收設(shè)備側(cè)上送數(shù)據(jù)并對其解析。當(dāng)前置服務(wù)接收到TTU上報拓撲變化遙信事件后下發(fā)指令并從TTU讀取配電變壓器拓撲關(guān)系描述數(shù)據(jù)，生成拓撲變更記錄，并將數(shù)據(jù)文件保存指定目錄。

圖模系統(tǒng)負責(zé)建立圖模庫,為配電主站監(jiān)控提供模型、圖形支撐。其智能配電室拓撲可視化相關(guān)服務(wù)主要包括：(1) “拓撲變更監(jiān)視服務(wù)”負責(zé)定時掃描、處理拓撲變更記錄；(2) “布局與坐標計算服務(wù)”負責(zé)分析拓撲數(shù)據(jù)生成設(shè)備節(jié)點坐標；(3) “自動成圖服務(wù)”根據(jù)拓撲數(shù)據(jù)和設(shè)備節(jié)點坐標，繪制智能配電室接線圖，實現(xiàn)拓撲可視化。

2 實現(xiàn)方案及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 拓撲文件生成與描述

2.1.1拓撲識別

智能配電室拓撲識別[5-6]由設(shè)備側(cè)完成，其主要識別機制為：配電終端TTU依次注入分布式監(jiān)測終端LTU特征信號，各LTU實時檢測特征信號，TTU輪詢各LTU信號檢測標志，TTU依據(jù)拓撲算法生成拓撲文件。識別采用自動識別和手動識別相結(jié)合，手動識別作為自動識別補充，即當(dāng)自動識別不成功時，通過便攜掌機人工讀取拓撲數(shù)據(jù)以補全信息。具體識別流程如圖2所示。

圖2 臺區(qū)拓撲關(guān)系識別流程

2.1.2拓撲描述

配電主站對智能配電室監(jiān)測與管理以配電變壓器為對象，一個智能配電室對應(yīng)一幅接線圖。在安裝TTU時一般以配電變壓器為單位，其信息采集與監(jiān)控范圍以配電變壓器為起點，以戶表為終點，途經(jīng)低壓線路、低壓分支箱出線等節(jié)點，設(shè)備連接關(guān)系呈類似樹狀的層級結(jié)構(gòu)。因此可以配電變壓器為單位采用樹形節(jié)點的父節(jié)點及子節(jié)點集指針描述各設(shè)備節(jié)點拓撲鏈接關(guān)系，應(yīng)用“深度優(yōu)先”和“廣度優(yōu)先”不同的遍歷策略對其進行拓撲搜索以滿足配電主站各應(yīng)用需求。

(1) 設(shè)備節(jié)點描述：各單個設(shè)備節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如圖3所示。其中：“父節(jié)點”指針和“子節(jié)點集”指針分別指向其對應(yīng)節(jié)點對象的“內(nèi)存地址”；“節(jié)點序號”和“節(jié)點坐標”初始值為空，根據(jù)布局算法進行計算后對其賦值。

圖3 配電設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

(2) 配電變壓器設(shè)備樹描述：采用具備描述層級關(guān)系的XML文件對其進行描述，其中用data節(jié)點描述其拓撲記錄文件概要信息，包括臺區(qū)ID、名稱、更新時間等屬性；nodes節(jié)點描述各設(shè)備信息，包含節(jié)點ID、名稱、設(shè)備類型等屬性；links節(jié)點描述所有連接關(guān)系，每個連接包含指向電源側(cè)節(jié)點的from和指向用戶側(cè)節(jié)點的to屬性。拓撲示意圖如圖4所示，其拓撲描述示例文件如下：

圖4 拓撲示意圖

2.2 自動布局

配電主站智能配電室監(jiān)控一般采用正交圖。正交圖是采用橫平豎直接線圖描述從電源點至電表的電網(wǎng)拓撲關(guān)系[7-9]，在本案中其布局采用每層設(shè)備節(jié)點之間保持相同的行間距，同層兄弟設(shè)備節(jié)點之間保持相同的列間距，父節(jié)點位于所有子節(jié)點的中間位置方式。

2.2.1設(shè)備節(jié)點序號編排

(1) 子節(jié)點的編號大于其父節(jié)點的編號。

(2) 同一子樹中，從當(dāng)前節(jié)點編號減1得到其左兄弟節(jié)點的編號，加1得到其右兄弟節(jié)點的編號。

采用以上原則對節(jié)點編號可達到在判定同級的兩個子樹是否有位置重疊時，只需要判斷左子樹最右邊的子節(jié)點與右子樹最左邊的子節(jié)點的X坐標的大小關(guān)系即可,如圖4接線圖中通過判斷005、006節(jié)點是否有重疊或交叉即可判斷002、003子樹是否有位置重疊。

2.2.2設(shè)備節(jié)點坐標計算

智能配電室接線圖繪制坐標采用標準坐標系，即坐標原點位于繪圖區(qū)正中心，X軸正向朝右，Y軸正向朝上。在繪制圖形前需計算各節(jié)點坐標，并把坐標計算坐標賦值到節(jié)點屬性，為繪制接線圖做好準備。

(1) 節(jié)點坐標計算：以父節(jié)點為單位，把其所直連子節(jié)點編為一組(如圖4所示)。依據(jù)其父節(jié)點的坐標，計算其各子節(jié)點的坐標。即假定根節(jié)點的坐標為(X0,Y0)，設(shè)定兩行相鄰節(jié)點垂直距離(層高值)rh和兩行相鄰節(jié)點水平距離(列寬值)cw，可計算出各子節(jié)點。

Yi=Y0-i×rh

(1)

Xi=X0-((n-1)×cw)/2+(i-1)×cw

(2)

式中：Yi為第i個子節(jié)點的Y坐標；Xi為第i個子節(jié)點的X坐標；n為子節(jié)點的數(shù)量。

(2) 戶表設(shè)備節(jié)點坐標計算：戶表設(shè)備位于末端，設(shè)備數(shù)量不定，當(dāng)戶表設(shè)備數(shù)量超過某值時，將不能在一屏幕內(nèi)展示智能配電室所有設(shè)備，為此針對表箱內(nèi)戶表數(shù)量，采用不同排布方式，坐標計算將根據(jù)排布方式采用不同計算方式，其坐標計算方式如下：

那里！他示意地看了一眼越來越近的被霓虹映照下的酒店。臉色嚴肅地說，就在它的某間客房里，有屬于我們的一塊地，地在召喚主人。你和我就是主人。

(3)

(4)

式中：Xm為編號為m表箱節(jié)點的X坐標；Ym為編號為m表箱節(jié)點的Y坐標；rh為層高值；cw為列寬值；m為表箱戶表的數(shù)量；rm為每行排列的戶表數(shù)量；Yi為表箱第i個戶表Y坐標；Xi為表箱第i個戶表的X坐標；tm為每表箱戶表數(shù)量閾值；floor表示向下取整。

(3) 多配變與母聯(lián)開關(guān)坐標計算：配電主站以配電室為單位展示其所供電范圍設(shè)備，配電室可安裝多臺配電變壓器(配變)，配變間通過母聯(lián)開關(guān)聯(lián)絡(luò)以進行負荷轉(zhuǎn)供。TTU以配變?yōu)閱挝贿M行拓撲識別并上送拓撲信息，配電主站識別其是否屬于同一配電室并根據(jù)配變數(shù)量確定配電室中各配變的初始位置、層高值rh和列寬值cw；識別同一配電室不同TTU上送信息是否存在相同設(shè)備，若存在則進行模型拼接(表明存在母聯(lián)開關(guān))，并計算拼接點坐標。模型拼接和拼接點處理采用以下原則：兩相鄰配變相同設(shè)備僅取其一，刪除左配變樹該設(shè)備；取兩配變樹中該設(shè)備父節(jié)點連線1/2處坐標作為該設(shè)備坐標。

(4) 節(jié)點重疊判定：在繪制圖形過程需要判斷節(jié)點坐標是否重疊，其判定過程如下：比較兩個節(jié)點的Y坐標，可判斷它們是否在同一層級上，若不在同一層級，則判定為不重疊；若在同一層級比較當(dāng)前組第1個子節(jié)點和上一組最后1個子節(jié)點的坐標位置是否重疊，若重疊則進行坐標平移。

(5) 節(jié)點坐標平移：鑒于坐標計算對一個父節(jié)點和其直連子節(jié)點兩層結(jié)構(gòu)能較好適應(yīng)，但超過三層及以上時，采用坐標平移方法解決可能產(chǎn)生節(jié)點重疊的問題。平移的原則如下：保持當(dāng)前組的子節(jié)點的坐標不變，向左平移其左邊各組的節(jié)點坐標。以圖4為例，節(jié)點001的坐標為(X0,Y0),第一次計算時，可以計算組1中，節(jié)點002和節(jié)點003的坐標；第2次計算時，依據(jù)節(jié)點002的坐標，可以計算組2中節(jié)點004和節(jié)點005的坐標；第3次計算時，依據(jù)節(jié)點003的坐標計算組3中，節(jié)點006、節(jié)點007和節(jié)點008的坐標。若組3與組2重疊，則向左平移組2所有的節(jié)點使之與組3不重疊，并且由于移動了節(jié)點002的位置，導(dǎo)致節(jié)點001不再位于節(jié)點002和節(jié)點003的正中間需調(diào)整節(jié)點001的位置。同時，由于移動了組2的節(jié)點，還需再判斷組2是否與其左邊的節(jié)點產(chǎn)生新的重疊，如果有，再繼續(xù)左向平移，直到左邊不再有節(jié)點。X坐標平移距離的計算公式如下：

ifXi=Xi-1thenDist=cw

(5)

ifXi

(6)

式中：Xi為編號為i節(jié)點的X坐標；Xi-1為編號為i-1節(jié)點的X坐標；cw為列寬值。

2.3 自動成圖

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用場景，智能配電室接線圖繪制分成接線圖全量繪制和增量繪制。全量繪制是指從無到有全新繪制，主要用于配變剛接入系統(tǒng)時圖形繪制；增量繪制是指已有接線圖，在配變供電范圍設(shè)備發(fā)生異動(新增、刪除、修改)時，在保持已有圖形基礎(chǔ)上繪制異動設(shè)備接線圖，增量繪制原則上節(jié)點圖形實例不重新生成，對連線進行自動繪制。在自動成圖時，把全量繪制作為增量繪制的特殊處理以統(tǒng)一增量繪制算法，其自動繪制遵循如下原則。

(1) 若設(shè)備節(jié)點不存在，根據(jù)坐標位置繪制新的圖形實例。

(2) 若設(shè)備已存在，則找到設(shè)備節(jié)點對應(yīng)的圖形實例，并將其移動到新的坐標位置刪除連接線進行重新繪制。

(3) 若已有設(shè)備存在但發(fā)現(xiàn)其被刪除，刪除原接線圖上設(shè)備和相關(guān)的連接線。

在繪制圖形過程中，將引入中間虛節(jié)點(如圖5中黑色小點)，虛節(jié)點之間，或虛節(jié)點與實節(jié)點(如圖5中標注編號的設(shè)備節(jié)點)之間，或?qū)嵐?jié)點之間的線段為一條獨立的連線，以滿足智能配電接線圖達到美觀的目的(如圖5示例)。在進行節(jié)點之間的連線繪制時，以一個父節(jié)點及其所有直連子節(jié)點作為參考對象單元進行分組，逐組進行連線繪制，以提升其性能。在進行組內(nèi)繪制時，先根據(jù)組內(nèi)子節(jié)點的數(shù)量，生成虛節(jié)點并計算其坐標，然后在(虛)節(jié)點之間畫連線，并建立(虛)節(jié)點與線之間的連接關(guān)系。

圖5 自動繪圖效果示意

3 應(yīng)用實例及效果

在配電主站采用Java語言，應(yīng)用自動布局和自動成圖算法實現(xiàn)智能配電室低壓配電網(wǎng)接線圖自動拓撲和拓撲可視化功能。

1) 關(guān)鍵類說明?；谂潆娭髡镜牡蛪弘娋W(wǎng)拓撲可視化關(guān)鍵實現(xiàn)類主要包括：

(1) 拓撲信息變更日志類，用于記錄臺區(qū)用戶拓撲的變更記錄及處理標志，并負責(zé)將用戶拓撲描述信息(XML)解析成節(jié)點信息描述。

(2) 節(jié)點信息描述類，用于描述節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及節(jié)點屬性。

(3) 節(jié)點坐標計算類，用于實現(xiàn)節(jié)點標號和節(jié)點坐標計算。

(4) 自動成圖類，用于根據(jù)節(jié)點信息數(shù)據(jù)完成對智能臺區(qū)拓撲可視化繪制。

2) 工程應(yīng)用示例。在智能配電室拓撲可視化設(shè)計方案基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場智能臺接線多樣性以及應(yīng)用場景，對排布進行優(yōu)化，解決智能配電室自動生成以滿足實用化應(yīng)用。圖6為北京昌平、山東供電企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場接線圖示例。

圖6 現(xiàn)場應(yīng)用示例

4 結(jié) 語

為提升對智能配電室低壓配電網(wǎng)管理，提出配電主站與配變終端協(xié)同，配電主站依托配變終端采集上送的拓撲文件、配電室典型接線方式、結(jié)合供電企業(yè)需求的智能配電室拓撲自動生成拓撲可視化方案。通過實際工程應(yīng)用，智能配電室拓撲識別與可視化設(shè)計能及時準確獲取視臺區(qū)的用戶拓撲變動，實現(xiàn)快速更新監(jiān)視模型，減少低壓配網(wǎng)圖模維護的中間環(huán)節(jié)，保證低壓配電網(wǎng)拓撲圖的準確性。后續(xù)將進一步提煉智能臺區(qū)接線圖典型接線特征和收集現(xiàn)場應(yīng)用需求，優(yōu)化布局算法，提升其工程實用性。