基于拓扑分层的配电网单线图自动生成方法

摘要

本发明公开了一种基于拓扑分层的配电网单线图自动生成方法，包括以下步骤：删减该配电网拓扑结构中的一些相关设备，简化配电网拓扑结构；获取该配电网拓扑结构的关键节点，生成该配电网拓扑结构的主干骨架；基于引力—斥力模型对所述关键节点位置进行布局，得到基于引力—斥力的骨架结构；通过电站出线—主干线—T型键节点—分支线模型的数据结构来描述配电网拓扑结构；在电站内设备的拓扑结构基础上完成电站内设备的布局和自动成图；分别对所述主干线和所述分支线分贝进行无重叠交叉布线成图。本发明实现了一定规模以上的配电网的单线图自动生成，同时，通过避免重叠交叉的布线算法，使生成的单线图更加清晰和美观。

说明书

技术领域

本发明涉及一种配电网的绘图方法，特别是一种基于拓扑分层的配电网单线图自动生成方法。

 

背景技术

电气接线图是对电网拓扑状态的可视化表示，是电力系统运行管理中必不可少的图形资料。传统的电网单线图是通过CAD绘图软件手工绘制而成，不仅绘制工作量大，还存在拓扑数据与绘制图形不一致的隐患。

目前，电网单线图自动生成系统主要包括单个厂站电气接线图的自动生成、单条馈线单线图的自动生成和输电网潮流图的自动生成三个方面，这些系统仅能对电网的某些特定部分或在很小区域内自动生成相应的接线图。对于设备数量众多、连接结构复杂的配电网，现有成图系统不能处理超过一定规模的拓扑数据，一次性完整清晰的自动生成与数据一一对应的单线图。

 

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于拓扑分层的配电网单线图自动生成方法，包括以下步骤：

对初始配电网拓扑结构进行简化，使其仅包括主要的拓扑结构；

获取简化后的配电网拓扑结构的关键节点，生成该配电网拓扑结构的主干骨架；

基于引力—斥力模型对所述关键节点位置进行布局，得到基于引力—斥力的配电网主干骨架结构；

通过电站出线—主干线—T型节点—分支线模型的数据结构来描述配电网拓扑结构；

在电站内设备的拓扑结构基础上完成电站内设备的布局和自动成图；

    分别对所述主干线和所述分支线进行无重叠交叉布线及自动成图；

其中，定义连接有多于两个设备的站外节点为T型节点；定义由T型节点某一分支出发一直到末端都没经过其他T型节点和电站的线路为分支线；将电站处理为虚拟节点；将电站虚拟节点与T型节点一并定义为配电网的关键节点；定义连接任意两关键节点的线路为主干线；将所有关键节点和主干线在遵循原拓扑连接关系下构成的拓扑结构定义为配电网的骨架结构。

较佳地，所述对初始配电网拓扑结构进行简化的方法包括：

1）对于任意两个直接串联的导线设备，将其中一个导线设备的阻抗、长度等特征值并入另一导线设备中，同时删除前一个导线设备，整个过程不中改变原来的拓扑连接关系;

    2)对于任意两个直接串联的开关设备，直接将其中一个开关设备删除，若这两个开关设备中有一个为断路器，则保留该断路器开关设备并删除另一开关设备，整个过程中不改变原来的拓扑连接关系;

3)对于任意拓扑末端不为负荷和变压器的分支，以该末端为起点，删除该支路上的所有设备。

较佳地，所述获取简化后的配电网拓扑结构的关键节点，生成该配电网拓扑结构的主干骨架具体包括以下步骤：

1）通过拓扑遍历方法搜寻出拓扑中的T型节点，并在此基础上以该T型节点为起点向着每条分支线路搜索至末端，确定拓扑结构中所有的分支线；

2)将配电网拓扑中的每个电站抽象为一个虚拟节点，并将所有与该电站有拓扑连接关系的线路转接到该节点上，由此完成电站虚拟节点的获取;

3)由以上两步确定的T型节点与电站虚拟节点构成配电网中的关键节点，由这些节点根据原有拓扑连接关系确定出拓扑中的主干线，由此确定所有关键节点和主干线构成的拓扑;

4)将上一步所确定出的拓扑用CIM模型重新描述，用一导线设备替代该拓扑中的主干线，由此生成一组新的拓扑数据，即为初始配电网拓扑对应的配电网主干骨架结构。

较佳地，所述基于引力—斥力模型对所述关键节点位置进行布局，得到基于引力—斥力的配电网主干骨架结构的方法如下：

1）对任意有直接连接关系的两个节点间计算引力，引力的大小由这对节点间的距离和这两个节点间线路所代表的主干线设备数量决定；

2）对该拓扑中任意两个节点间计算斥力，斥力大小与这对节点间的距离平方成反比，与节点的度成正比；

3）计算每个节点所受引力和斥力的合力，并按此结果改变节点的坐标位置，由此完成配电网骨架结构的布局，确定原拓扑中关键节点的坐标位置。

较佳地，所述电站内设备的布局与自动成图方法如下：

①对每个电站，以母线为遍历起点，以该电站边界为遍历终点，对应每条出线相应生成一个电站出线类对象，并在遍历过程确定该对象部分属性值；

②根据电站出线类对象关联的主干线在主干骨架布局中的位置，将电站内的所有出线分为出线方向向上和出线方向向下的两组；对每一组电站出线，根据各出线所关联主干线的斜率大小按顺序排序，从而确定每个电站出线类对象之间的相对排列位置；

③以主干骨架布局后电站虚拟节点的坐标为计算电站出线对象各坐标属性值的基础，根据设定的相邻两条电站出线间间距的大小确定电站出线类对象的起始点坐标值；根据②中划分的两组电站出线类对象中对象数多的那组对象所占据的位置大小确定每条母线的长度；

④完善电站出线类对象中其他坐标属性值，进而确定每个电站内设备的坐标位置，完成电站内设备的布局与自动成图。

较佳地，线路无重叠交叉布线流程如下：

①将一个主干线的所有关联的出线位于其所在电站的最左或最右侧的主干线划分为边主干线，其余为非边主干线，在以下布线过程中，优先对边主干线进行布线；

②建立一个垂直坐标系，若该主干线两端点坐标的X值或Y值相等，转到⑥，该主干线的端点分别为第一端点和第二端点；

③取第一端点坐标的X值与第二端点坐标的Y值构成该线路的折点坐标，则该折点分别与第一端点和第二端点确定该线路的竖直布线和水平布线；

④若③中确定的两条布线与所有已布线路不存在重叠和交叉，则转到⑥；若存在重叠和交叉，则将该折点的Y值向第一端点方向移动单位长度；

⑤检测此时该折点的Y值是否位于两端点Y值之间，若是，则转到③；若不是，则移动该线路任意端点的位置，增加其布线范围，再转到②；

⑥该主干线布线结束。

较佳地，主干线和分支线路的自动成图方法如下：

①根据主干线中设备间的拓扑连接顺序，依次在布线决定的坐标位置范围内调用具体设备的绘制函数绘制该主干线包含的所有设备；

②在分支线路连接的节点处，依次检测其Y轴方向，负Y轴方向，X轴方向，负X轴方向是否已被线路占据，以及该方向是否有足够的空间完成分支线的成图，若该方向能布线，则选定该方向为分支线的成图方向；若不能，则按序检测下一个方向，直到找出其布线方向；

③在分支线路确定的布线方向上，按着实际拓扑连接顺序，依次调用具体设备的绘制函数绘制出该分支线的所有设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、提出了基于拓扑分层的成图思路和方法，首先对拓扑主干骨架结构布局，然后再对各局部部分成图，实现了一定规模以上的配电网的单线图自动生成；

2、采用基于引力—斥力模型的布局算法，实现了配电网中各设备在单线图中的合理布局。同时，通过避免重叠交叉的布线算法，使生成的单线图更加清晰和美观；

3、提出用电站出线—主干线—T型键节点—分支线模型的数据结构来在更宏观的层面上描述配电网拓扑，大大简化了配电网在整体布局时拓扑元素的数量，为单线图的自动生成带来便利；

4、第一次实现了一定规模以上配电网单线图的自动生成，极大地提高了单线图绘制的准确性和及时性，为配电运行管理提供了全面、准确的图形资料，保障了电力系统运行的经济性、可靠性和灵活性；

5、本发明作为配电管理系统的一部分，该系统界面友好，操作简便，以可视化的方式直观准确地呈现了电网运行状态，为运行管理人员及时了解电网运行状况带来了极大方便，大大提高了配电网管理的智能化水平。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本发明实施例的配电网网络拓扑结构示意图；

图2是图1所示配电网网络拓扑的主干骨架结构；

图3是本发明实施例配电网单线图的自动生成流程图。

 

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明提供了一种基于拓扑分层的配电网单线图自动生成方法，包括以下步骤：

删减该配电网拓扑结构中的一些相关设备，简化配电网拓扑结构；

获取该配电网拓扑结构的关键节点，生成该配电网拓扑结构的主干骨架；

基于引力—斥力模型对所述关键节点位置进行布局，得到基于引力—斥力的骨架结构；

通过电站出线—主干线—T型键节点—分支线模型的数据结构来描述配电网拓扑结构；

在电站内设备的拓扑结构基础上完成电站内设备的布局和自动成图；

分别对所述主干线和所述分支线分贝进行无重叠交叉布线成图。

    

    具体实施方式

简化配电网拓扑结构

一般初始配电网拓扑数据来自于生产管理系统，它详尽而全面地描述配电网中的每一个设备以及它们之间的连接关系。但就生成单线图所需的数据来说，仅取其中主要的拓扑数据即可，因此在成图之前需要对初始配电网拓扑数据进行简化。

简化配电网拓扑结构方法如下：

①对于任意两个直接串联的导线设备，将其中一个导线设备的阻抗、长度等特征值并入另一导线设备中，并同时删除前一个导线设备，整个过程不中改变原来的拓扑连接关系。 

②对于任意两个直接串联的开关设备，直接将其中一个开关设备删除，若这两个开关设备中有一个为断路器，则保留该断路器开关设备并删除另一开关设备，整个过程中不改变原来的拓扑连接关系。

③对于任意拓扑末端不为负荷和变压器的分支，它不构成完整的供电线路，生成其单线图是没有意义的，所以以该末端为起点，删除该支路上的所有设备。

配电网主干骨架结构的获取

由于配电网本身设备数量众多，直接一次性成图难以实现。本系统首先提取出原配电网拓扑中的主干骨架结构（将其定义为配电网在宏观层面拓扑结构），为配网中的关键节点布局做准备。

配电网主干骨架结构的获取步骤如下：

①通过拓扑遍历方法搜寻出拓扑中的T型节点，并在此基础上以该节点为起点向着每条分支线路搜索至末端，根据前述分支线的定义确定拓扑中所有的分支线。

②将配电网拓扑中的每个电站抽象为一个虚拟节点，并将所有与该电站有拓扑连接关系的线路转接到该节点上，由此完成电站虚拟节点的获取。

③由以上两步确定的T型节点与电站虚拟节点构成配电网中的关键节点，由这些节点根据原有拓扑连接关系确定出拓扑中的主干线，由此确由所有关键节点和主干线构成的拓扑。

④将上一步所确定出的拓扑用CIM模型重新描述，用一导线设备替代该拓扑中的主干线，由此生成一组新的拓扑数据，即为初始配电网拓扑对应的配电网主干骨架结构。

基于引力—斥力模型的配电网骨架结构布局

配电网主干骨架结构的布局是确定每个设备坐标位置并最终生成单线图的基础，该系统通过基于引力—斥力模型的算法确定配电网骨架的布局，由此确定原拓扑中关键节点的坐标位置。

基于引力—斥力模型的配电网主干骨架结构布局方法如下：

①对任意有直接连接关系的两个节点间计算引力，引力的大小由这对节点间的距离和这两个节点间线路所代表的主干线设备数量决定。

②对该拓扑中任意两个节点间计算斥力，斥力大小与这对节点间的距离平方成反比，与节点的度成正比。

③计算每个节点所受引力和斥力的合力，并按此结果改变节点的坐标位置，由此完成配电网骨架结构的布局，确定原拓扑中关键节点的坐标位置。

电站出线—主干线—T型节点—分支线模型的数据结构

配电网众多的设备、复杂的结构是制约单线图自动生成的关键因素，本系统提出一种电站出线—主干线—T型节点—分支线模型的数据结构，该结构在能够在更宏观的层面上描述配电网，减少描述配电网拓扑的元素数量，为此给单线图的自动生成带来便利。

系统通过电站出线类（OutletLine类）、主干线类（MainBranch类）、T型节点类（OutStaKeyCN类）、分支线类（Branch类）实现对配电网拓扑宏观层面的描述，OutletLine类的属性描述如下：

class OutletLine

{

    public string ID;// OutletLine对象的ID

    public string busbarID;// OutletLine对象所连接的母线

    public int locationType; // OutletLine对象的位置标识

    public int Type; // OutletLine对象的类型

    public MainBranch adjacentMB; // OutletLine对象连接的主干线对象

    public ArrayList PSRs;// OutletLine对象中包含的设备

    public ArrayList adjacentPSRs;// OutletLine对象连接的站外设备

    public PointF startPoint; // OutletLine对象的起点坐标

    public PointF endPoint; // OutletLine对象的末端点坐标

    public PointF connectPoint; // OutletLine对象的连接点坐标

    public float slope; // OutletLine对象关联主干线的斜率

}；

MainBranch类的属性描述如下：

class MainBranch

{

    public string ID;// MainBranch对象的ID

    public ArrayList PSRs;// MainBranch对象包含的设备

    public ArrayList twoEnds;//MainBranch对象两端节点对象的ID

    public PointF startPoint; // MainBranch对象的起点坐标

    public PointF endPoint; // MainBranch对象的末端坐标

    public List<PointF> ListBreakPoint ;// MainBranch对象的折点坐标

}；

OutStaKeyCN类的属性描述如下：

class OutStaKeyCN

{

    public string ID;// OutStaKeyCN对象的ID

    public ArrayList adjacentPSRs; // OutStaKeyCN对象关联的设备

    public bool y; // OutStaKeyCN对象Y轴方向标识

    public bool _y; // OutStaKeyCN对象负Y轴方向标识

    public bool x; // OutStaKeyCN对象X轴方向标识

    public bool _x; // OutStaKeyCN对象负X轴方向标识

public PointF initialPoint; // OutStaKeyCN对象的初始点坐标

public List<MainBranch> adjacentMBs; // OutStaKeyCN对象关联的主干线

}；

Branch类的属性描述如下：

class Branch

{

    public string ID;// Branch对象的ID

    public string connectCN; // Branch对象的连接节点

    public ArrayList PSRs;// Branch对象包含的设备

    public int direction = 0; // Branch对象的指向标识

}

电站内设备的布局与自动成图

在配电网主干骨架层面，电站是用虚拟节点表示的，其接线图的自动生成需要在分析电站内拓扑结构的基础上进行。 

电站内设备的布局与自动成图方法如下：

①对每个电站，以母线为遍历起点，以该电站边界为遍历终点，对应每条出线相应生成一个电站出线类对象，并在遍历过程确定该对象部分属性值。

②根据电站出线类对象关联的主干线在主干骨架布局中的位置，将电站内的所有出线分为出线方向向上和出线方向向下的两组；对每一组电站出线，根据各出线所关联主干线的斜率大小按顺序排序，从而确定每个电站出线类对象之间的相对排列位置。

③以主干骨架布局后电站虚拟节点的坐标为计算电站出线对象各坐标属性值的基础，根据设定的相邻两条电站出线间间距的大小确定电站出线类对象的起始点坐标值；根据②中划分的两组电站出线类对象中对象数多的那组对象所占据的位置大小确定每条母线的长度。

④完善电站出线类对象中其他坐标属性值，进而确定每个电站内设备的坐标位置，完成电站内设备的布局与自动成图。

基于优先级的线路的无重叠交叉布线算法

对于布线线路，本系统认为重叠只发生在同为水平布线和同为竖直布线的线段之间，交叉只发生在水平布线和竖直布线的线段之间。

线路无重叠交叉布线算法流程如下：

① 将所有主干线根据其关联的出线是否位于其所在电站的最左和最右侧来将电站出线对象分为边主干线和非边主干线，在以下布线过程中，优先对边主干线进行布线。

②建立一个垂直坐标系，水平方向为横坐标，垂直方向为纵坐标，若该主干线两端点坐标的X值或Y值相等，转到⑥。

③取第一端点坐标的X值与第二端点坐标的Y值构成该线路的折点坐标，则该折点分别与第一端点和第二端点确定该线路的竖直布线和水平布线。

④若③中确定的两条布线与所有已布线路不存在重叠和交叉，则转到⑥；若存在重叠和交叉，则将该折点的Y值向第一端点方向移动单位长度。

⑤检测此时该折点的Y值是否位于两端点Y值之间，若是，则转到③；若不是，则移动该线路任意端点的位置，增加其布线范围，再转到②。

⑥该主干线布线结束。

主干线路和分支线路的自动成图

主干线在布线过程中是用一线路设备代替的，在其布线结束后需在其布线决定的坐标位置范围内具体确定该主干线包含的每个设备的坐标位置，并根据布线空间的大小完成主干线的自动成图；对于分支线路，也需在确定其连接节点的某个布线方向后确定该分支线路中每个设备的坐标位置，并根据该分支线内的各设备之间的拓扑连接关系完成分支线的自动成图。

主干线和分支线路的自动成图方法如下：

①根据主干线中设备间的拓扑连接顺序，依次在布线决定的坐标位置范围内调用具体设备的绘制函数绘制该主干线包含的所有设备。

②在分支线路连接的节点处，依次检测其Y轴方向，负Y轴方向，X轴方向，负X轴方向是否已被线路占据，以及该方向是否有足够的空间完成分支线的成图，若该方向能布线，则选定该方向为分支线的成图方向；若不能，则按序检测下一个方向，直到找出其布线方向。

③在分支线路确定的布线方向上，按着实际拓扑连接顺序，依次调用具体设备的绘制函数绘制出该分支线的所有设备。

 

如图1所示，图1是本系统的配电网网络拓扑结构示意图，现说明如下：

该图表示的是配电网拓扑简化后的情况。根据现实中配电网网络拓扑的连接结构，一般可将配电网拓扑结构分为架空线类和电缆线类两类。架空线路类拓扑分支较多，含有负荷、杆上变压器等设备，如该图中间部分所示；电缆线类拓扑由各电站和开关站间通过电缆线连接在一起，没有站外分支线路，如该图左部分所示。用CIM模型表示的配电网拓扑结构中，每两个设备间都是通过CN节点（ConnecticityNode）连接在一起的，考虑到示意图的美观和与其单线图的一致性，该图中仅在T型节点处用了小圆点（●）来表示CN节点。如图1所示，沿着某些小圆点的分支直接到达末端的支路则为本系统定义的分支线。

请参阅图2，图2是图1所示配电网网络拓扑的主干骨架结构，现说明如下：

将原配电网拓扑中的电站用黑色小方块（■）表示，从原拓扑中删去分支线，并将任意关键节点（■和●表示）间的拓扑用一线路设备表示后拓扑结构即为原配电网拓扑的主干骨架结构。有直接连接关系的两个关键节点间的线路即本系统定义的主干线（在主干骨架结构中用一线路设备来了代替表示）。该结构简洁准确地表示出了原拓扑的主要网架结构，而其中的拓扑元素数量却大大减少了，这即是本系统提出的拓扑分层中的第一层---主干骨架结构，它是配电网从原拓扑到单线图生成过程中的关键中间桥梁。

 

请参阅图3，图3是本发明的流程图，现说明如下：

本系统的单线图的自动成图是以CIM模型的配电网拓扑数据为基础，将拓扑简化后，在首先对拓扑主干骨架结构合理布局的基础上，再完成主干线和分支线的自动成图，从而实现配电网单线图自动生成的整个过程。具体步骤如下：

第一步：获取配电网拓扑数据，并将所有设备按类型分别存于相应哈希表中，为拓扑的后续分析处理做准备。

第二步：遍历整个配电网拓扑，合并串联的导线设备、合并串联的开关设备、删减不完整且没成图必要的支路，完成CIM模型配电网拓扑结构的简化（步骤1）。

第三步：根据本系统对配电网关键节点、主干线、分支线的定义，从原拓扑中抽取其主干骨架结构，根据基于引力—斥力模型的布局算法完成原配电网拓扑中关键节点的布局（步骤2）。

第四步：以电站虚拟节点的坐标位置为基础，根据本系统对电站出线的定义和电站内设备的排列布局方法，获取电站内每个设备的具体坐标位置，完成电站内设备的自动成图（步骤3）。

第五步：以本系统对主干线的定义和步骤2确定的拓扑中关键节点坐标位置为基础，根据主干线两端的坐标数据完成主干线的布线（步骤4）。在布线过程中，判断所布线路间是否产生交叉和重叠现象，如果是，则通过对布线折点的平移来避免交叉和重叠，完成对主干线的无交叉重叠布线。

第六步：根据分支线所连接关键节点的坐标位置以及该关键节点四个方向上的布线情况，确定分支线路的布线方向，确定该分支线中每个设备的坐标位置（步骤5）。

最后，根据以上步骤确定的配电网中每个设备的坐标位置，调用具体设备的绘图函数，绘制出与拓扑数据完全一致的各个设备，完成单线图的自动成图。

 

本发明提出了基于拓扑分层的成图思路和方法，首先对拓扑主干骨架结构布局，然后再对各局部部分成图，实现了一定规模以上的配电网的单线图自动生成；采用基于引力—斥力模型的布局算法，实现了配电网中各设备在单线图中的合理布局。同时，通过避免重叠交叉的布线算法，使生成的单线图更加清晰和美观；也提出用电站出线—主干线—T型键节点—分支线模型的数据结构来在更宏观的层面上描述配电网拓扑，大大简化了配电网在整体布局时拓扑元素的数量，为单线图的自动生成带来便利；而且第一次实现了一定规模以上配电网单线图的自动生成，极大地提高了单线图绘制的准确性和及时性，为配电运行管理提供了全面、准确的图形资料，保障了电力系统运行的经济性、可靠性和灵活性；最后本发明作为配电管理系统的一部分，该系统界面友好，操作简便，以可视化的方式直观准确地呈现了电网运行状态，为运行管理人员及时了解电网运行状况带来了极大方便，大大提高了配电网管理的智能化水平。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。