基于配电网地理接线图的混合型线路自动排布算法

梁艳 张世佳

摘  要：该文针对包括展开站房设备的混合型线路的自动排布算法兼容性差的现状，通过分析混合型区域接线图的特点，该文提出了依据站房设备进出线位置不同展开站房设备的排布方法。针对站房设备多条出线的分层排布、末端站房设备的排布和站房设备进出线位置不同的排布3种典型实例，展开研究和实验。实验基于配电网地理接线图的拓扑数据完成配电线的有向树建模，按分支级数从小到大依次完成所有分支的排布，最终自动生成展开站房设备的混合型线路的区域接线图，布图科学，有效降低了工程实施成本。

关键词：区域接线图;自动排布;展开站房设备

中图分类号：TP391              文献标志码：A

0 引言

10 kV配电网中部分馈线组成的区域接线图是配电管理系统中实时监控的重要图形数据。布局科学、美观的区域接线图自动排布算法能够有效减轻工程人员调图的工作量，降低工程实施成本。兼容架空、地缆及混合型线路类型的区域接线图自动生成算法，在城网和农网应用中具有更强的应用和推广价值。

当前，配电网电气接线图的自动排布算法集中于拓扑分析、布线和布图优化的研究。

配电网公共信息模型CIM是单线图、区域接线图的拓扑数据基础。基于CIM数据自动排布生成图形数据，保证了拓扑数据的正确性。基于CIM拓扑数据和GIS图形数据，设计图模一致性的数据平台为配电网各种接线图提供数据基础，加速自动成图效率。

自动成图的排布算法通常以CIM数据和地理接线图为基础。基于地理接线图，参照设备相对位置，完成自动布图，布图结果拟合地理接线图走向。以层次结构模型驱动的配电网一次接线图的自动生成方法，基于Sugiyama的改进型算法，满足配电网单线图、联络图、供电路径图的使用需求。

自动成图的布局优化包括交叉处理和空间利用。从外向内逐次布局的环形布局算法，对已布线的空格进行统一标记以避免重叠或交叉;网格化自动成图的实现方法有效支持树状层次布局、边界层次布局，无交叉且空间利用充分。

已有研究可以解决架空线路自动排布问题，架空线路的特点是构成线路的设备占据排布空间小、均匀，但解决方案对包括多个站房设备的混合型线路兼容性差，甚至不可用。站房设备包括内部接线和设备，占据了矩形排布区域，对整体排布效果及空间的利用产生影响。

该文以基于图论的拓扑数据建模和横平竖直的自动成图排布算法为研究基础，针对包括展开站房设备的混合型线路的自动排布算法兼容性差的现状，该文提出了依据站房设备进、出线位置不同展开站房设备的排布方法。通过基于图论的有向树建模，按有向树分支级数从小到大依次完成所有分支的排布，自动生成区域接线图。算法支持架空、地缆及混合型线路，布图科学，符合配电网的实时监控要求。

1 建立数据模型

针对配电网电气接线图的设备和线路的拓扑数据建立基于图论的数据模型。该文对模型进行了完善和补充。

建模规则1。节点包括主节点和负荷节点。其中，电源点、开关节点、T接点、线路末梢点和联络开关为主节点。配电变压器为负荷节点。特别将包含内部接线和设备的站房设备，作为主节点参与排布。

建模规则2。从电源点到线路末梢点或联络开关的所有路径中，所含节点数目最多的一条路径为0级分支;K级分支上包含的T接点为K+1级分支的根。从一个K+1级分支的根，到其中引出的树状子网络的端点的所有路径中，所含节点数目最多的路径为K+1级分支（K≧0）。一条配电线为一个有向树，可以分解为一条0级分支和若干条K级分支（K≧0）。

2 混合型区域接线图的自动排布算法

2.1 区域接线图的排布原则

架空、地缆及混合型线路类型总体排布原则如下。在配电线有向树拓扑模型基础上，有向树分支级数按从小到大依次计算设备坐标进行排布，生成横平竖直的区域接线图。生成过程中，同时进行交叉和重叠处理。

2.2 站房设备排布

对于包括内部接线和设备的站房设备，作为主节点参与其所在分支路径的排布。站房设备节点的坐标取其所占据矩形区域的中心点坐标。站内设备及线路的排布坐标，依据其在地理接线图GIS图形数据中相对中心点的距离得出。

对于架空、地缆及混合线路中包含的站房设备，自动排布遵照以下原则。

排布规则1。0级分支中包含站房设备节点，且站房设备有多条出线即包含多个子分支时，根据建模规则1识别0级分支，选定其中一个出线所在支线作为0级分支，0级分支排布遵守横平竖直规则。其余出线所在的支线作为1级分支，站房设备为1级分支的根，考虑充分利用空间及实时监控需要，对其进行平行于0级分支方向的排布。具体坐标的确定，依据同级分支不交叉、不重疊原则。

排布规则2。K+1级分支的根为站房设备，K+1级分支平行于0级分支排布。

排布规则3。K级分支（K>0）包含站房设备，K级分支平行于0级分支排布。

排布规则4。站房设备依据其进、出线位置确定整个站房的坐标。例如站房设备的进线在上侧、出线在下侧，进线节点坐标作为站房设备所占据矩形区域的最小纵坐标。如果站房设备的进线、出线都在下侧，进线节点坐标作为站房设备所占据矩形区域的最大纵坐标。在此，区域接线图从左到右，从上至下排布，坐标原点为左上。

3 实例

首先，对以下包括站房设备的混合型区域接线图的图示符号做以下说明。图中“MSW”表示站房设备，区域接线图中的路径分支编号为①分支、②分支、③分支、④分支......。区域接线图的有向树从左到右、从上至下排布。区域接线图当前最大纵坐标用YCurMax表示。依据分支设备不重叠原则，两条平行分支之间保持一定间距d，d定义为开合设备图符的宽度。

3.1 分支中包括站房设备节点且站房设备有多条出线的区域接线图排布

如图1所示，图中有2个站房设备MSW1和MSW2，以下对有多条出线的站房设备排布进行分析。站房设备MSW1包括4条出线，即有4个子分支。

首先，计算每条分支所含节点数，确定1条0级分支和3条1级分支。①分支含1个节点。②分支有1个节点。③分支有6个节点。④分支有10个节点。根据根据建模规则1，选择④分支为0级分支;其余3个分支作为1级分支。

其次，分支级数按从小到大依次排布，先排布0级分支，再排布3条1级分支。依据排布规则1，包含MSW1的0级分支按横平竖直排布。3个1级分支与0级分支平行排布，排布过程中，依据分支在站房设备中的出线顺序，依次排布①分支、②分支、③分支，同时遵照支线互相不重叠原则，同级支线水平方向的分层排布分析详见图2的实例分析。

3.2 站房设备的多条出线的分层排布以及支线中包括站房设备的区域接线图的排布

如图2所示，图中有5个站房设备MSW1、MSW2、MSW3、MSW4、MSW5。依据建模规则2可知，此图例中有1条0级分支，7条1级分支。其中，分支①、分支②和分支③为MSW1的3条出线。分支④和分支⑥的根为非站房设备，并且支线中不包含任何站房设备，为纯架空支线。分支⑤的根为站房设备，支线中不包含任何站房设备。分支⑦的根为T节点，支线中包含站房设备MSW5。

依据排布规则1，完成0级分支的坐标计算和排布，0级分支所有设备的最大纵坐标记为Y0。则区域接线图当前最大纵坐标YCurMax  = Y0。（特别的，站房设备MSW4作为0分支的末端站房设备应水平放置。）

依据排布规则2和排布规则3，7条1级分支都应平行于0级分支排布。1级分支按序号从大到小逐个加入排布，而1级分支①、②和③的根为站房设备，其排布顺序依照出线的顺序。以下依次分析每条1级分支的水平分层排布情况。

1级分支⑦。末端包含一个站房设备MSW5，此分支应平行于0分支放置。遵照设备不重叠原则。⑦分支初始纵坐标应略大于YCurMax，定义为YCurMax + d。依次计算分支⑦中每个设备的坐标。计算已经排布过的0级分支和1级分支⑦的所有设备的最大纵坐标记为YCurMax  = Y1。则区域接线图当前最大纵坐标YCurMax  = Y1。

1级分支⑥。分支的根为非站房设备，也不包含站房设备节点，按横平竖直排布分支中的每个设备。分支⑥中设备为架空设备，占据排布空间很小，最终，已经参与排布的0级分支、1级分支⑦、1级分支⑥的最大纵坐标仍为Y1。因此，区域接线图当前最大纵坐标YCurMax  = Y1。

1级分支⑤。分支的根为站房设备，此分支平行于0分支排布，分支⑤的初始纵坐标为YCurMax + d。依次排布分支中的所有设备。0级分支、1级分支⑦、1级分支⑥、1级分支⑤的最大纵坐标记为Y2;则区域接线图当前最大纵坐标YCurMax  =Y2。

1级分支④。与一级分支⑥的处理方式相同;排布结果，区域接线图当前最大纵坐标仍然为YCurMax  = Y2。

1级分支①。分支的根为站房设备，此分支平行于0级分支排布。分支①的初始纵坐标为YCurMax + d。依次排布分支中的所有设备。最后，已经参与排布的所有设备的最大纵坐标记为Y3。则区域接线图当前最大纵坐标YCurMax= Y3。

1级分支②：与一级分支①的处理方式相同。最终，区域接线图当前最大纵坐标YCurMax  = Y4。

1级分支③。分支的根为站房设备，并且分支中包含站房设备，此分支平行于0级分支排布。分支③的初始纵坐标为YCurMax + d;依次排布分支中的所有设备。至此，完成整条配电线的所有分支的排布。更新YCurMax的值，最终区域接线图最大纵坐标YCurMax为图2所示位置。

3.3 站房设备及其内部设备的排布

目前，配电网站房设备的内部接线有2种，一种是进线在上、出线在下，另一种是进线、出线都在下。依照排布规则4，在图3示例中，MSW1、MSW2进线和出线都在母线下侧，进线节点的坐标作为站房设备矩形区域的最大纵坐标。MSW3、MSW4进线在母线上侧，进线节点的坐标作为站房设备矩形区域的最小纵坐标。

4 结语

通过实验验证，该文提出的算法兼容架空、地缆及混合型线路的区域接线图自动排布，具有广泛适应性。对进、出线不同位置的站房设备采用不同排布策略，有效利用空间，排布科学。展开站房设备，对站房设备及其内部接线进行排布，可清楚看到站内外供电情况，符合配电网实时监控要求。该算法对包含站房设备的分支做平行于0级分支的分层排布处理，造成了一定空间浪费，在这方面有待进一步优化。

参考文献

[1]刘健，吴娱，刘巩权.配电馈线地理图到电气接线图的转换[J].电力系统自動化，2005，29（14）：73-77.

[2]周博曦，孟昭勇，王志臣，等.基于CIM的变电站与配电馈线一次接线图自动绘制算法[J].电力系统自动化， 2012， 36（11）：77-81.

[3]章坚民， 叶义， 徐冠华.变电站单线图模数图一致性设计与自动成图[J].电力系统自动化， 2013， 37（9）：84-91.

[4]基于地理相对位置的省级输电网均匀接线图自动生成[J].电力系统自动化， 2010， 34（24）：55-59.

[5]陈连杰， 赵仰东， 韩韬，等.基于层次结构及模型驱动的配电网图形自动生成[J]. 电力系统自动化， 2015（1）：226-232.

[6]陈璐， 陈连杰， 欧阳文，等.基于环形结构的配电网联络图布局算法[J].电力系统自动化， 2016（24）：151-156.

[7]陈兵， 赵肖旭， 施伟成，等.配电网网格化自动成图的实现[J]. 电力工程技术， 2017（6）：106-111.