基于模型驱动的配电网电气联络图自动生成技术研究

王沈亮，宋晓阳，黄 俊，李盛盛，李 莉

（1.南京南瑞信息通信科技有限公司，江苏南京 210000；2.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江宁波 315000；3.国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江杭州 310000）

近年来，我国大部分地区的电力负荷密度不断增加[1]，电力系统的网络结构也变得日趋复杂。但不同电网系统之间的内核不同，编译语言也不同，使得不同系统之间的电网图缺乏统一的绘制标准，兼容性较差[2]。

互联网、计算机技术与数据挖掘[3]、驱动技术[4]的进步，使得自动生成电网接线图成为了可能。应用计算机和智能算法，完全可以实现对电网中各种形式接线图的转化，便于为电网建设作出准确的决策，加强对整体配电网的综合理解[5]。目前，电力行业、计算机行业的众多学者对这一领域进行了研究。对配电网运行人员而言，系统一次接线图的作用较大，使其能够快速、方便地了解配电网的网架结构，再结合具体关键站点和节点的地理位置，对配电网进行管理、事故处理、计划检修等日常维护工作[6]。配电网结构日益复杂、联络线众多，在人工绘制时容易出现各种错误。由于个人习惯的不同，难以把握整个出图风格的统一性，给运行人员查看电气联络图带来了不便。因此该文利用计算机技术，采用模型驱动的方式进行电气联络图的自动生成[7]。就目前而言，针对配电网的各种形式拓扑分析和正交化算法已出现了较多种类，但其性能和准确性有待考量。配电网的拓扑分析是从原理和根本上解决电力系统问题的基础。掌握完整、准确的电气联络关系，能够使运行人员快速、完整地对故障、工程建设重点及电网的薄弱环节作出判断，是电网运行中必不可少的一项工作[8]。配电网系统由高压变电站开始，按照一定层级向周围扩散，具有较强的层次性。正是基于此种特性，文中采用层次化的布局算法进行处理。

该文将电网模型信息数据进行特征提取，结合差异化布局算法、正交化算法，由线路拓扑结构向正交布局转换[9]。将描述线路拓扑结构的树结构进行布局运算，重新计算每个拓扑节点位置，将拓扑转化为横平竖直形式，进而自动生成满足要求的配电网一次接线图。

1 成图算法概述

1.1 算法原理

配电网的电网结构主要可分为辐射型和联络型，也称为有备用线路与无备用线路，这也是区分是否为唯一电源的标准[10]。辐射型线路主要被应用于偏远地区、农村等负荷密度较小的区域，其供电距离通常较长，网架结构简单明了；而联络型线路主要被应用于城市等负荷密度较大的区域，或者一些有特殊用电需求的用户[11]。针对辐射型线路，其结构较为简单，通常不需要单线图的辅助决策；但对于联络型线路，尤其是多联络型线路，其自动成图技术就较为必要。凭借记忆和人工经验，有时无法完整、准确地复现整个单线图，需要通过单线图的自动生成技术进行管理和操作。

绘制单线图的目的在于能够快速、方便、准确地了解整个电网的电气联络关系，其要求一般是最少交叉、最短连线、分布均匀、横平竖直。这些要求限制了自动成图的实现，且成了一种多目标优化问题。

1.2 正交化

由线路拓扑结构向正交布局转换的算法思路如下[12]：将描述线路拓扑结构的树结构进行布局运算，重新计算每个拓扑节点位置，使拓扑边为横平竖直形式。布局转换算法需要考虑以下因素：1）拓扑边之间无交叉；2）拓扑点要占据一定的空间范围，拓扑点、拓扑边之间不能有重合；3）要考虑主干和分支的布局特征，优先主干方向，再考虑分支与主干的垂直。布局转换示意图如图1 所示。

图1 正交布局变化示意图

2 变换算法

2.1 差异布局算法

由于线路割接、线路改造、网架优化、新用户接入等原因，配网线路会频繁发生变化，当产生设备异动以及有设备新增或拆除时，线路的拓扑结构将发生变化。由于线路发生设备异动，导致已生成的单线图拓扑结构与线路实际拓扑结构产生差异，单线图需要更新，以保持与实际现场一致。线路拓扑结构的差异有3 种情况：拓扑增加、拓扑减少、拓扑位置变化，如图2 所示。

图2 单线图部分变化示意图

差异布局算法是比对变化前、变化后的单线图拓扑结构，找出差异部分的拓扑点和拓扑线，在保持变化前的布局基础上，将差异部分的内容进行增加、删除或位置迁移[13]。对新增加的内容，需要在原单线图拓扑结构上找到其新增接入点，并将新增内容摆放于合适区域。对拓扑位置变化的内容，需要找到变化拓扑点及变化后的位置。差异布局算法的处理流程如图3 所示。

图3 差异布局算法流程

2.2 差异布局方案

该文采用的差异布局方案有两种，在具体使用中，针对不同的工况特点选择其差异布局方案过程，如图4 所示。

图4 差异布局方案一和方案二

方案一：按照重新布局的方式生成总体布局，高亮显示差异设备。关键实施过程如下：1）对于差异布局单线图，首先按照重新布局的方式与流程，生成单线图图形设备；2）通过获取线路当前的地理图模型数据，以及旧的单线图图形设备对应的地理图设备模型数据，通过对比分析得到异动的差异设备（包括新增、删除、设备改动、拓扑改接等）；3）将差异的设备在布局后的图形中用高亮重点显示。

该种布局算法的优点在于：1）按重新布局的方式成图，成图后的图形整体效果较好，能更优地符合成图需求；2）成图效果与重新布局显示基本一致，基本可满足一键成图不用调图的要求；3）由于有重新布局的基础，开发效率及完善效果优化进度较快。但用户在单线图中做过的编辑、添加等注记信息将会丢失，在差异布局后的新图中均未保留；同时，对于用户未做改动、没有差异的部分，在差异布局后，图中的相对位置及布局方位，与差异布局前的旧图作对比，仍可能会有细微的改变。

方案二：按照差异布局的方式生成部分布局，高亮显示差异设备。其具体方案实施过程描述如下：获取线路当前的地理图模型数据，以及线路对应的单线图图形设备对应的地理图设备模型数据。通过对比分析得到差异设备（包括新增、设备改动、拓扑改动等），针对差异设备在布局时做标记。在差异布局的过程中，未改动的设备保持原来的位置不做改动，只针对差异设备进行差异布局及坐标更新。然后对差异设备进行增量生成，并对增量生成的设备用高亮重点显示。

方案二的优点在于未改动的设备可以保留原位置及信息不变动，用户在图中完成的编辑及添加标注等操作均可保留。

3 电气联络图自动更新及总体框架

3.1 自动更新

在配网GIS 上，经常会出现增加设备、删除设备或线路拓扑发生变化的情况[14-15]。若每次均需人工绘制更新，将造成大量的人工浪费，同时会降低效率。通过比对配网GIS 上的线路拓扑与已生成的单线图拓扑，找出增加、删除或拓扑变化的部分对象，并在已生成的单线图上进行局部修改，不影响已生成单线图调整后的布局效果。

3.2 总体框架

该文所建立框架以配电网一次网架结构为基础，以电网一次接线关系为研究对象，建立具备配电网联络关系的配电网单线图。

图5 为基于模型驱动的单线图自动生成主要架构，其中包括了从原始系统导出调配系统一体化模型、正交化处理、模型抽取、对象识别、差异布局、图元布局和布线、生成单线图及模型更新等程序。

图5 基于模型驱动的单线图自动生成架构

根据总体架构图，该文的处理对象为GIS 系统和SCADA 系统[16]的相关图形、信息数据。采用正交化处理后，简化出其数学模型，便于进行对象识别、区分电气节点和连接支路。利用差异布局算法进行图元布局和布线，生成电气联络图。当配电网的结构发生变化后，可在原来单线图的基础上进行模型的更新，经过对象识别和差异布局算法后，实现电气联络图的自动更新。

4 应用验证

文中结合某地区110 kV 配电网下的一条10 kV线路进行自动成图实验。该10 kV 线路具有3 条大支线、两个联络点，分别位于1、2 支线的末端。

检验上述成图方法有效性的主要指标为：1）能否正确识别联络开关；2）能否正确判断和识别各节点联络关系；3）能否实现完全正交化。

按该文所述步骤和算法，在所建立的架构下进行成图操作。结果显示，该算法和体生成的单线图（图6）能够满足实际生产、运行需要，且可以保持与实际情况相同的联络关系。

图6 单线图自动生成效果图

从成图效率上而言，该文所建立的成图体系能够从总体上实现高效率成图。在严格遵循图形绘制的要求和原则下，对电气接线图的个别特征区别处理。具体处理参数如表1 所示。

表1 基于模型驱动算法的成图相关数据

在Web 应用环境下，利用英特尔i5 第10 代处理器进行计算，循环1 000 次的成图时间约为4.2 s，其具备较高的准确率和效率，能够满足工程应用需求，有效地支撑电网运维检修、工程建设以及前期决策。

5 结束语

该文所述基于模型驱动的配电网电气联络图自动生成体系，通过建立成图模型，结合正交化算法、差分布局算法，实现了对电网GIS和SCADA 系统的电网图形单线图自动生成。通过树结构的方式，自动生成横平竖直、正交结构的系统单线图。同时，当电网的结构发生部分改变时，比如线路改造与拆除，也能在不改变原有单线图布局的情况下实现单线图布局更新，实际使用效果也验证了文中出图方法的准确性和实用性。