配電網網格化自動成圖的實現

陳 兵， 趙肖旭， 施偉成，馬海濤， 王昊煒， 笪 濤

(國網江蘇省電力公司鎮江供電公司,江蘇 鎮江 212001)

配電網網格化自動成圖的實現

陳 兵， 趙肖旭， 施偉成，馬海濤， 王昊煒， 笪 濤

(國網江蘇省電力公司鎮江供電公司,江蘇 鎮江 212001)

為給調控員的調控運行工作提供良好的人機界面，實現無人干預或者少人干預的圖形維護工作，提出了網格化的自動成圖概念。文中主要介紹了網格化自動成圖的實現方法及應用效果，先是給出了系統的總體框架，然后詳細介紹了模型抽取、節點布局和圖形布線三項自動成圖的基本過程，同時針對各種類型的圖形成圖作了相關闡述，并以單線圖、系統聯絡圖為例分別敘述了樹狀層次布局、邊界層次布局算法及通道軌道布線算法的具體應用情況，最后展示了網格化自動成圖的應用效果。

配電網;網格化;自動成圖;布局算法;布線算法

0 引言

圖1 總體框架Fig.1 Diagram of overall frame

配電網是城市的關鍵基礎設施，是連接電網與用戶的重要紐帶，具有點多、線長、面廣、結構復雜、管理環節交叉等基本特點[1，2]，長期以來配電網的運行管理相對薄弱。為提升精益化管理水平，規范配電網目標網架及其過渡過程，我國部分省份正在全面推廣應用“單元制”規劃方法開展配電網規劃，以指導配電網建設和用戶接入，促進按單元開展配電網調控管理、日常運維管理和搶修管理。

為給調控運行工作提供良好的人機界面，便于調度員清晰明了地掌握網格內的設備運行狀態、聯絡開關運行位置、電源點情況，需繪制單元格聯絡示意圖，但僅僅依靠人工繪制，工作量大同時還無法保證圖形的實時更新，反而會給自動化運維員及調控員帶來困擾，這里提出網格化的自動成圖[3]，可實現無人干預或者少人干預的圖形維護工作。

網格化自動成圖區別于傳統配網自動成圖方式，成的不是配電網的全圖，而是在網格化單元制的規劃逐步推廣后，可根據網格的劃分，自動生成單線圖、網格圖而非全網圖。本文所述的網格化自動成圖，作為支撐配電網網格化調控運行的重要技術手段，實現起來更容易，自動成圖的效果更好。

1 總體框架

配電網網格化自動成圖工具是基于主站平臺部署的獨立軟件模塊，一般部署在配網工作站上，無需新增其他硬件設備，其總體框架如圖1所示。通過不同圖形的需求抽取模型，再進行預處理及布局布線過程，最后進行整圖修正，生成專題圖。可以通過一建導入功能實現主站平臺的集成。

2 實現過程

配電網網格化自動成圖包括3個基本過程：模型抽取、層次布局和通道布線[4-8]。本節將詳細介紹其關鍵實現方法，同時針對各種類型的圖形成圖作相關闡述。

2.1 模型抽取

模型抽取過程基于特定的需求(站所圖、單線圖、聯絡圖、區域圖等)從配電自動化主站D5200系統中查詢出對應的設備集合，根據獲得的設備集合構建出成圖需求的中間格式文件，如圖2所示。根據前臺提供的需求類型及參數對象，請求不同的拓撲服務，獲得不同的設備列表。文中主要列舉了單線圖、聯絡圖等類型，也可以支持多種擴展。該過程根據獲得的設備列表查詢其對應的各種屬性(名稱、ID、節點號、顏色、所示饋線等)，組裝成自動成圖應用可以接受的中間格式文件。

圖2 模型抽取流程Fig.2 Diagram of model extraction process

2.2 層次布局

在完成模型抽取，構建成中間格式文件后，即可進行層次布局工作。

解析中間格式文件，根據設備對象及其節點號，構建設備對象，以邊抽象表述各個設備；再根據節點的類型(母線節點、邊緣節點、普通節點等)，遍歷各個母線節點，以母線為環網柜中心，靜態拓撲出該環網柜所有的節點對象(不經過電纜)，構建環網柜對象，以節點抽象表述[9，10]。

在完成各個節點、邊對象的構建后，進行基于節點的寬度優先(BFS)遍歷，分配各個節點對象的邏輯坐標，并進行一定的上下移動后，即完成了初步布局工作[11，12]。

下一步，可考慮根據一定的規律對象進行節點的優化調整(位置)，從而使整體布局更加平整。此修正過程初步考慮主要依據節點類型及節點的度信息進行,如圖3所示。

圖3 層次布局過程Fig.3 Schematic diagram of hierarchical layout

2.3 通道布線

圖形布線的工作在于完成各個節點之間連線的處理。文中主要增加了通道對象，以方便各個“線”對象的布局。

首先，各個節點對象完成初始布局后，需計算各個節點所占的最大方格數(N×M)，即為整個圖形的節點大小，根據節點坐標及節點位置大小，增加水平、豎直通道，重新進行坐標變換，放置各個節點對象。

其次，依次遍歷邊對象，根據各個邊兩端的節點對象，判斷其類型及相對位置。由于節點布局時采用了寬度優先的分層布局，可以指定左側、右側節點，保證兩節點的相對位置為：水平、豎直、右上、右下4種。

根據獲得節點類型及相對位置信息，即可完成通道的分配及軌道的排序。

由于除站房內設備為“點”對象，其他設備都為“線”對象，完成布點及布線后，即確定各個設備的位置情況。布置圖元進行圖形展示時，兩端節點直接的線位置上放置圖元，圖元兩側可考慮增加連接線；在完成全圖布局后，對任何一個節點對象，如果其度為2，且兩端都往連接線的情況，則將連接線進行合并處理。通道布線過程如圖4所示。

圖4 通道布線過程Fig.4 Schematic diagram of channel routing process

3 成圖算法的應用

網格化自動成圖工具的成圖過程如圖5所示。圖5中的成圖算法(布局布線)在于尋求一個合適的解，非最優解[13-15]。本文使用的布局算法分為兩類：樹狀層次布局和邊界層次布局。布線算法為統一的通道軌道法。

圖5 成圖過程示意圖Fig.5 Diagram of the mapping process

樹狀層次布局以廣度優先搜索為基礎，針對電網模型節點依次遍歷，初次分配各個節點所屬層(即豎直坐標)，再通過父子節點關系調節各個節點的水平坐標，初步確定各個節點的一次坐標，再通過構建的開關站對象及其一次坐標，計算出每個具體節點的二次坐標，即獲得節點對象的最后邏輯坐標。

邊界層次布局以初始的邊界節點為目標圍成一個矩形，各個邊界節點通過排列組合計算出最優的排序并指定一次坐標。再根據與已確定坐標點的連接關系持續迭代其他未確定坐標的點的一次坐標，通過從外向內的層次推進點的坐標，直至所有節點分配了一次坐標，再通過構建的開關站對象及其一次坐標，計算出每個具體節點的二次坐標，即獲得節點對象的最后邏輯坐標。

布線算法為統一的通道軌道法。在完成各個節點的一次布局后，預先保證了各個節點一次坐標的上下左右4個方向各留有一個通道，以方便布線；完成各個節點的二次布局后，由統一的布線管理器負責管理各個通道，每個通道由多個軌道組成，每個軌道可進行布線。在布線時，需向布線管理器集中申請可用的軌道對象，軌道使用后由布線管理器進行登記。

3.1 單線圖

布局算法為樹狀層次布局，主要應用于單線圖的成圖，其過程如圖6所示。單線圖成圖的布局布線算法主要包括8個過程。

圖6 單線圖成圖原理Fig.6 Schematic diagram of single line drawing

(1) 預處理。成圖算法是基于電網拓撲結果來完成，難以保證各個模型的正確性和繪圖的合理性。預處理過程主要是確保兩個母線之間沒有通過一個節點可達的情況，即兩個母線之間要么直接相連，要么通過兩個或多個節點對象可達。

(2) 開關站構建及配置。根據模型中的母線對象及其拓撲關系，計算出各個母線節點與其直接相連的開關或饋線段集合，以開關站對象描述內部的母線開關組集合[16，17]。

(3) 寬度優先布局。從起始節點開關，寬度優先遍歷所有節點對象(開關站對象以整體表示)，初步分配各個節點對象(或開關站)的豎直坐標；再根據相鄰層的連接關系調節各個節點水平坐標。

(4) 開關站邊界排序。根據寬度優先布局完成后的各個節點對象和開關站對象的一次坐標及開關站邊界節點的連接關系，統籌分配各個邊界節點的排序。這里考慮以根據位置自動排序為主，也可以根據配置信息按開關名稱進行排序。

(5) 二次坐標分配。根據開關站邊界的排序結果，分配開關站內開關的邊界節點的二次坐標，同時更新其他節點的二次坐標。

(6) 分支節點處理。對開關站外部的多度節點(度大于等于3，即分支情況)進行處理，分支節點根據連接的外部節點數量進行“分裂”，以“假”開關站的形式統一構建分裂出的虛擬節點的屬性，便于統一布線。

(7) 統一布線。根據排序后的節點位置及可用的通道軌道信息，集中申請-分配-登記可用的軌道，以節點列表的方式描述各個“邊”對象的布線過程。

(8) 整圖壓縮處理。根據整圖的布局、布線結構，計算整圖的最大最小位置進行平移，保證整體的位置緊湊。

3.2 饋線聯絡圖

布局算法為邊界層次布局，主要應用于饋線聯絡圖的成圖，其過程如圖7所示。其中，雙度節點刪除過程是對現場饋線段過“細”的情況，算法進行了雙度節點刪除操作，即刪除所有兩饋線段直接相連的對象，進行圖形變換，以使圖形相對簡潔；一次節點分配過程是根據邊界節點圍成的矩形，邊界層次布局算法依次布局內部節點對象，同時進行開關站邊界排序。其余過程同單線圖處理。

圖7 饋線聯絡圖成圖原理Fig.7 Schematic diagram of feeder connection diagram

4 成圖效果

網格化的自動成圖的單元格總覽，如圖8所示。單元格根據“差異化指導規劃”的思想，綜合考慮負荷密度、行政級別等因素劃分而成。

圖8 單元格總覽Fig.8 Diagram of unit map overview

如圖9所示，通過模型抽取結果以原始的點線結構進行成圖，綠色空圓：主網節點，紅色圓：配網母線節點，綠色圓：配網配變，黑色空圓：普通配網節點；黑線：配網饋線段；紅線：配網開關，紅線(虛)：開關狀態為開，這些含義可根據習慣統一調整。

圖9 圖拓撲輔助校驗Fig.9 Diagram of graph topology check

圖10所示即為最后達到的單元聯絡圖，系統內可以按照不同的電源點及饋線分別進行拓撲著色，便于調控員進行區分。

圖10 單元聯絡圖Fig.10 Diagram of unit connection

5 網格化FA故障處理的工程應用

某日，某單元格內金港10號環網柜和金港8號環網柜之間的電纜線路發生永久性相間短路故障。如圖11所示，該單元格內電源點主要來自三座變電站的4條出線，他們之間分別有3個聯絡點，分別為：1F271Y46、2731F27、2761F27開關，單元格對外無任何聯絡，該單元格FA投的是交互模式。

圖11 單元格接線示意圖Fig.11 Diagram of cell junction

事故發生后，基于網格化的FA成功動作，準確判斷故障點位于1F2702-1F2703開關之間，如圖12所示。

圖12 故障點指示Fig.12 Fault point indication

同時，系統給出故障范圍判斷依據、隔離及恢復供電方案。按照系統提示，逐步進行故障隔離、負荷轉供，即實現了對于故障的半自動處理。

6 結語

本文提出了網格化自動成圖這一概念，并就具體如何實現給出了設計思路以及算法說明，從應用效果可以看出，自動成圖、工程應用效果較好。通過網格化自動成圖的推廣應用，可明顯提高工作效率，減少人員維護量。但未來基于網格化的理念，如何更好服務于配電網規劃、配網故障搶修指揮等領域，還需進一步研究。

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陳 兵

陳 兵(1975—)，男，江蘇鎮江人，碩士，高級工程師，從事電力系統自動化運維管理工作(E-mail：13921598100@139.com)；

趙肖旭(1988—)，男，江蘇鎮江人，碩士，工程師，從事配電網調控運行工作(E-mail：zhaoxiaoxu1988@126.com)；

施偉成(1966—)，男，江蘇鎮江人，高級工程師，從事電力系統調控運行工作(E-mail：10489550@qq.com)。

(編輯方 晶)

RealizationofAutomaticGridGenerationinDistributionNetwork

CHEN Bing, ZHAO Xiaoxu, SHI Weicheng, MA Haitao, WANG Haowei, DA Tao

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Zhenjiang Power Supply Company, Zhenjiang 212001, China)

In order to provide a good man-machine interface for electric power control operation running, to achieve unattended or less intervention graphics maintenance work, the concept of automatic mapping is proposed. This paper mainly introduces the methods and effect of automatic mapping. Firstly, the overall framework of the system is given, and then the basic process of three automatic mapping models, which are model extraction, node layout and graph routing are introduced. At the same time, this paper makes a description of various types of automatic mapping, and taking the single line diagram and the system diagram as an example, the paper describes the application of the tree level layout, the boundary layer layout algorithm and the channel routing algorithm. Finally, the application effect of the grid automatic mapping will be showed in the paper.

distribution network; grid; automatic mapping; layout algorithm; routing algorithm

TM73

B

2096-3203(2017)06-0100-06

2017-06-18；

2017-07-23