基于CIM／G的电网潮流图自动生成关键技术研究及应用

赵家庆，张 亮，钱科军，赵 林，李 春，吕 洋，田 江

（1.国网苏州供电公司，江苏 苏州 215004；2.国网电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

电网潮流图是电力规划、设计、运行、调度等部门日常使用的反映电力系统运行状态的实时画面。电力规划、设计人员需要通过电网潮流图监视电网的接线状态，电力运行、调度人员需要通过电网潮流图随时密切监视并调整潮流分布。

电网潮流图主要由厂站、线路、文字标注、量测等多种图元组成，其主要由自动化运维人员根据电网实际拓扑结构，利用系统的画面编辑器手动绘制。随着经济的快速发展和智能电网建设步伐的加快[1-3]，电网规模不断扩大，电网网络拓扑的复杂度也越来越高，厂站数量越来越多，靠人工绘制电网潮流图画面，往往需要耗费巨大的人力和时间且易出错[4]；此外，随着地理信息系统GIS（Geographic Information System）相关技术的日益成熟，以GIS为基础展示电网的接线及潮流情况的需求越来越大，运维人员需要单独引进GIS并进行电网的三维模型维护，工作繁琐且增加了维护工作。因此，寻求一种潮流图的自动成图及维护技术，将为系统潮流图的实施和日常维护带来极大的帮助。

电网潮流图的自动生成是国内外的研究热点[5-8]，已有的研究成果分别提出了不同的潮流图自动生成及自动布线方法[9-11]。这些研究成果为电网潮流图的自动生成奠定了良好的基础；在国家电网公司智能电网调度控制系统（简称D5000系统）正式上线运行前，各电力公司使用国内外不同厂家研发的电网调度运行控制系统，如国外的Power World公司的Power World Simulator系统，国内如北京科东公司的CC2000A系统、南瑞公司的Open3000系统等，各系统之间的图形、画面格式、内容互不共享、互不兼容，同时各系统之间也不支持潮流图的互相调阅。然而，随着D5000系统的正式上线运行，以及CIM/G规范的推广应用，已经实现了电网调度控制系统间图形、画面（包括潮流图画面）格式的统一，实现了各电力公司D5000系统之间画面的远程调阅。但是目前关于基于国家电网D5000系统及CIM/G规范的电网潮流图的自动生成技术公开报道仍然较少。在其他文献中，往往只是对潮流图的自动生成进行论述，尚未发现有公开报道基于D5000系统的电网潮流图的增量同步、人工记忆调整等潮流图维护技术的系统性研究，以及关于三维GIS潮流图的自动生成技术的研究。本文基于CIM/G规范（下文简称CIM/G），提出并实现了D5000系统中电网潮流图的自动生成，电网潮流图的增量同步、人工记忆调整等潮流图维护技术，并详细论述了二维三维电网潮流图的自动转换技术。

1 电网潮流图的自动成图

基于CIM/G的电网潮流图主要包括电网接线潮流图及基于地理背景的电网潮流图[12]。这2种电网潮流图的自动成图技术的主要实现步骤是首先生成电网范围内各厂站的画面坐标位置，接着进行厂站间线路的样式及坐标位置的自动生成，最后保存为CIM/G格式的潮流图画面文件。在电网接线潮流图的自动成图技术中，通过模拟退火算法生成厂站的画面坐标位置的方法及厂站间线路的走向样式的自动生成方法是关键技术；在基于地理背景的电网潮流图的自动成图技术中，将厂站及线路的经纬度坐标转化为画面平面坐标方法是自动成图技术的关键。

1.1 电网接线潮流图

调控人员在日常工作中最常使用的是抽象的电网接线潮流图。抽象的电网接线潮流图厂站和线路清晰整齐，利于调控人员及时观察电网的拓扑关系及厂站间的潮流监视。

电网接线潮流图的自动成图主要分为2个步骤：一是电网厂站位置的排布，应实现潮流图中厂站位置排布的美观、清晰且符合调控人员的使用习惯，思路如图1所示；二是电网线路的自动布线，应保证生成的线路尽量横平竖直，同时线路之间要尽量避免交叉。

图1 基于地理位置的厂站排布流程图Fig.1 Flowchart of power station allocation based on geographic position

首先获取地区的厂站总数量，根据数量将画面进行网格划分。假如某地区厂站数量为t=57，根据画面的宽高比将画面划分为n=6、m=10的等大小网格，划分的总个数为60，多于厂站数量57。将地区电网的500 kV及220 kV变电站的地理坐标转化为平面坐标，根据坐标的相对位置将500 kV及220 kV变电站放到指定位置的网格内。其他厂站则随机置入画面的某个网格内。

指定位置后即可对该区域厂站布局进行优化。本方案中采用模拟退火算法进行厂站位置的排列，其本质是一种随机的全局优化算法。由于要求电网中变电站的大体区域分布符合实际地理位置，所以对模拟退火算法的抽样取值设定了一定的约束，即指定位置的500 kV及220 kV的变电站不参与随机抽样。对于地区级电网而言，500 kV和220 kV变电站数量相对较少，但都是出线较多的枢纽变电站，对其做约束，即固定位置，可以防止电网结构在随机优化时出现最终结果与实际情况不相符等情况，保证了潮流画面的可读性和实用性。

模拟退火算法流程如图2所示。

图2 模拟退火算法流程图Fig.2 Flowchart of simulated annealing algorithm

主要算法原理如下。

a.模拟退火算法中，设定初始温度为1200，降温速率为0.9985。

b.设定生成的潮流图的目标函数为交叉点和曼哈顿距离的线性关系总和，函数为E（S）=C+hD，经过多次调试和比较h取值为0.015为宜。

c.逐个将变电站的位置进行随机坐标点的交换。如果变电站位置交换后的目标函数比原目标函数小，则接受厂站位置的交换，并进行后续的降温过程。

d.如果变电站位置交换后的目标函数比原目标函数还大，则计算接受概率来决定是否接受该变化。接受概率计算公式为 P（Tk，ΔE）=e-DE/Tk，其中，Tk为温度，ΔE为目标函数差。概率越接近于1则接受此厂站位置交换的概率越大。由于接受概率随着Tk的降低越来越小，这样就避免了算法陷入局部最优解。

e.降温的计算过程取为Tk+1=0.998 5Tk。

f.循环退出的收敛条件为：温度降低到Te=0.00001以下或者当循环次数达到n次后目标函数都没有发生变化时均退出循环。

通过模拟退火算法进行厂站的布局后，得到交叉点较少的厂站布局，在此基础上仍然可以将某些厂站的位置进行微调，使得整体效果更加均匀。

依据调整后的厂站位置，在潮流图的CIM/G文件中为每个厂站添加相应的电力系统图形描述规范中的图形元素，电网接线图往往以矩形代表厂站，厂站的中心位置为厂站的名称。

在潮流图CIM/G文件中为每个厂站均添加如下格式的描述：

其中，rect标签代表厂站的图形描述标签，其他属性为相应的厂站的图形描述信息。

在潮流图CIM/G文件中为每个厂站名称均添加如下格式的描述：

其中，Text标签代表厂站名称描述标签，其他属性为相应的厂站名称的图形描述信息。

厂站的位置位于画面的网格中心，保证了各个厂站位置的规范化，所以为了整个画面的清晰简洁，线路的布线采用直连线、双折线和四折线的连接样式。根据厂站的关系，布线主要分为以下几类。

a.线路的首、末端厂站处于同一行。如果首、末端厂站位于同行且位置相邻，采用直连线方式。如果首、末端厂站是同行但位置不相邻，采用四折线连线方式。同行线路接线方式如图3所示。

图3 同行线路接线形式Fig.3 Wiring patterns of stations in same row

b.线路的首、末端厂站处于同一列。如果首、末端厂站同列且位置相邻，采用直连线方式。如果首、末端厂站同列但位置不相邻，采用四折线连线方式。同列线路接线方式如图4所示。

图4 同列线路接线形式Fig.4 Wiring patterns of stations in same column

c.线路的末端厂站在首端厂站的左下方。如果首、末端厂站只相隔1行，采用双折线连线方式。如果首、末端厂站相隔多行，采用四折线的连线方式。末端厂站在首端厂站的左下方时接线方式如图5所示。

图5 末端厂站在首端厂站的左下方接线形式Fig.5 Wiring patterns when end-station is at left-lower of head-station

d.线路的末端厂站在起始厂站的右下方。如果首、末端厂站只相隔1行，采用双折线连线方式。如果首、末端厂站相隔多行，采用四折线的连线方式。末端厂站在首端厂站的右下方时接线方式如图6所示。

图6 末端厂站在首端厂站的右下方接线形式Fig.6 Wiring patterns when end-station is at right-lower of head-station

依据应生成的线路的走向位置，在潮流图的CIM/G文件中为每条线路添加相应的电力系统图形描述规范中的图形元素，电网接线图往往以直线或折线表示接线图中的线路。

对于直线线路，在潮流图CIM/G文件中为每条直线线路均添加如下格式的描述：

其中，line标签代表直线线路的图形描述标签，其他属性为相应的直线的图形描述信息。

对于直线线路，在潮流图CIM/G文件中为每条折线线路均添加如下格式的描述：

其中，polyline标签代表折线线路的图形描述标签，其他属性为相应的折线的图形描述信息。

在潮流画面自动成图的过程中通过模拟退火算法保证了厂站在画面中位置的合理布局，厂站间线路的规范化进一步保证了潮流画面的清晰美观，利于调控人员及时观察电网的拓扑关系及厂站间的潮流监视。

1.2 基于地理背景的电网潮流图

调控人员在工作中使用基于地理背景的电网潮流图，得以更清晰地观察整个电网在地理平面上的拓扑结构和样式。

假设电网接线潮流图的画面宽度为W，高度为H；画面的左上点坐标为原点（0，0），左上点的经纬度坐标为（lon0，lat0）；画面的右下点坐标为（W，H），右下点的经纬度坐标为（lonn，latn）。地图背景为WGS-84坐标系，因此首先将地图背景的左上点经纬度坐标及右下点经纬度坐标转换为平面坐标，转换后的左上点平面坐标为（x0，y0），转换后的右下点平面坐标为（xn，yn）。 因此得出画面的平面坐标宽度 w=xn-x0，画面的平面坐标高度h=yn-y0，平面坐标与画面坐标的宽度比P0=w/W，高度比P1=h/H。假如其中一个厂站的经纬度坐标为（lon，lat），转化后的平面坐标为（x，y），设该厂站的画面坐标为（X，Y），则得到以下方程：

所以得出最终的厂站画面坐标为：

结合厂站的经纬度信息，依次计算EMS实时数据库中每个厂站的画面坐标。将各个厂站图元依次摆放在其计算的画面坐标位置上。

对于基于地理背景的电网潮流图而言，调控人员并不十分关心线路的真实地理走向。因此，基于地理背景的电网潮流图获取EMS实时数据库中的线路信息，依次取得线路首、末端厂站的画面坐标，在画面上新增加一个线路图元，并设置该线路图元的首、末点坐标为首、末端厂站画面坐标，以直线线路的样式进行连接。如果个别线路需要显示拐点，则由调度维护人员单独修改该线路的样式。

基于地理背景的潮流图中，厂站更习惯以圆图形来表示，因此在基于地理背景的潮流图的CIM/G文件中添加的厂站元素的图形描述示例如下。

而在基于地理背景的潮流图中，线路元素的语言描述和1.1节中添加的线路语言描述大体一致。

2 电网潮流图的增量同步

电网潮流图的增量同步，主要是指随着电网规模的不断扩大，厂站和线路的不断增加。本文将潮流画面上的厂站图元、线路图元与EMS实时数据库中的厂站数据与线路数据对比，得到电网中新增的厂站及线路，并自动将对应的厂站图元与线路图元在潮流图画面上生成，电网潮流的增量同步流程如图7所示。

图7 基于地理背景的电网潮流图自动成图流程Fig.7 Flowchart of automatic grid power flow chart generation based on geographic background

潮流图画面的CIM/G文件记录着画面中每个厂站以及每条线路的实时数据库关键字。将画面上的所有厂站数据关键字与EMS实时数据库中的厂站表（SubStation）中存储的厂站ID逐条对比，将画面上所有的线路数据关键字与EMS实时数据库中的交流线段表（ACLineSegment）中的关键字逐条对比。增量对比的规则如下。

a.厂站对比规则。

遍历实时数据库中的厂站表的每条数据。如果该条数据记录的厂站数据关键字包含在潮流图画面上的厂站图元中，则继续对比下一条厂站数据；否则认定此条记录对应的厂站为新增厂站。重复上述过程直至对比过厂站表中的每条厂站数据为止。

2.4 不同耕作方式对夏玉米农田土壤呼吸速率的影响 从表1可以看出，夏玉米整个生育期内，不同耕作方式下0～10 cm土层土壤呼吸速率均大于10～20 cm土层土壤呼吸速率，且不同耕作方式下10～20 cm土层无显著差异(P>0.05)。

b.线路对比规则。

遍历实时数据库中的线路表的每条数据。如果该条数据记录的线路数据关键字包含在潮流图画面上的线路图元中，则继续对比下一条线路数据；否则认定此条记录对应的线路为新增线路。重复上述过程直至对比过线路表中的每条线路数据为止。

对于通过增量数据对比得到的厂站数据，首先将该厂站的经纬度坐标转换为潮流图画面上的二维平面坐标，然后将厂站图元赋予该厂站数据关键字摆放到潮流图画面的坐标上。

对于增量数据对比得到的线路数据，首先获得线路的两端厂站数据关键字，从画面上获取该线路首、末两端厂站在潮流图画面上的坐标，最后直接将线路的首、末点坐标设置为首、末端厂站在潮流图上的画面坐标，完成线路图元的增量同步添加。

运维人员通过画面编辑器保存添加过增量厂站及线路图形的潮流图的同时，人机系统自动在潮流图的CIM/G文件中增加相应厂站及线路的图形描述内容。

新增的厂站及线路虽然可以按照地理坐标在潮流图上实现自动摆放，但大多数情况下仍需要运维人员手工微调厂站的位置及摆放线路的走向。但是厂站、线路图元的自动生成，实时数据关键字的自动关联以及粗略位置的自动摆放这些功能已经可以帮助运维人员节省大量的潮流图维护时间，极大地提高了运维人员的工作效率。

3 电网潮流图的人工调整记忆

画面自动成图后，为了保证潮流画面的整洁美观，运维人员需手动调整线路图元走向和厂站图元的位置，厂站及线路图元的位置经人工调整后以xml文件的形式存储在本地，存储的xml的基本格式如下。

其中，w 为画面宽度（int）；h 为画面高度（int）。

b.厂站表达方式：

其中，id为厂站数据关键字（long）；x为厂站中心的X 坐标（int）；y 为厂站中心的 Y 坐标（int）。

c.线路表达方式：

其中，id为线路数据关键字（long）；x为线路端点的X 坐标（int）；y 为线路端点 Y 坐标（int）。

在新的画面重新生成潮流图的过程中，首先通过自动成图模块生成电网潮流图的初始画面。由于新生成的潮流图画面尺寸可能发生较大变化，因此新生成的潮流图画面导入存储的人工调整记忆文件后，需要判断是否需要人工调整记忆的坐标自动适应当前的潮流图画面。如果不需要自动适应，则直接读取人工调整记忆文件中记录的厂站图元和线路图元坐标，将潮流图画面中的厂站和线路图元依照记忆坐标更新位置。如果需要适应，则分别计算当前画面的宽度W、高度H与人工调整记忆文件中记录的宽度w和高度h的比例。

宽度比例分别为Sw=W/w，高度比例为Sh=H/h。人工调整记忆文件中记录的厂站图元或线路图元坐标表达形式为（x，y），经画面适应后的坐标为（x0，y0），其中，x0=xSw，y0=ySh，将潮流图画面中的厂站和线路图元依照原有记忆坐标计算后的画面自适应坐标更新位置。

对于通过人工调整记忆过程中生成的新的潮流图CIM/G文件而言，同本文第1节中介绍的厂站和线路的语言描述的添加的内容是一致的，流程如图8所示。

图8 电网潮流图的增量同步流程图Fig.8 Flowchart of increment synchronization of grid power flow chart

4 基于三维GIS的电网潮流图的自动转换

基于三维GIS的电网潮流图通过World Wind Java SDK 来实现[13-14]，NASA World Wind 是美国航空航天管理局推出的一种开放源代码的地理软件，它是一个三维的可视化虚拟地球仪，将NASA、USGS以及其他WMS服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现。World Wind Java SDK是开源的，它提供的工具具有较强的可扩展性和再创造性，它自带多种功能，并提供大量组件和接口，通过进行并不复杂的部署和开发就能开发所需的GIS平台[15-16]。

当二维电网潮流图切换为三维GIS潮流图时，基于三维GIS的电网潮流图直接获取二维潮流图上的厂站图元对象及线路图元对象集合。对象中包含厂站和线路的经纬度坐标、实时数据库关键字等信息。

World Wind支持标准的OBJ模型的导入。如图9所示，当二维电网潮流图切换为三维GIS潮流图时，读取厂站对象的经纬度坐标及数据关键字，将厂站的三维模型导入到World Wind的地理空间中。读取线路的端点及拐点经纬度坐标及数据关键字，按照经纬度坐标生成具有一定高度数值的三维直连线，在线路的拐点经纬度坐标位置将杆塔的三维模型导入到World Wind的地理空间中。图10为基于三维GIS的电网潮流图最终效果图。

图9 坐标调整流程图Fig.9 Flowchart of coordinates adjustment

图10 基于三维GIS的电网潮流图Fig.10 Grid power flow chart based on 3D GIS

5 结语

本文详细论述了电网潮流图自动生成与维护中的4个关键技术：电网潮流图的自动成图技术确定了电网所有厂站的自动布局和所有线路的自动布线，实现了潮流图的自动绘制；电网潮流图的增量同步技术实现了厂站和线路增加的情况下，潮流图中的厂站线路图元自动维护的过程；电网潮流图的人工调整技术记忆实现了手动调整厂站和线路位置后，对于潮流图样式的记忆，方便潮流图的多次生成。基于三维GIS的电网潮流图的自动转换技术，实现了由二维电网潮流图到三维GIS潮流图的自动转换。本文所提出的关键技术已嵌入到苏州电网D5000平台人机系统中，取得了很好的应用效果。