基于主干線/分支線模型的配網單線圖自動生成方法①

程 偉,彭 森,劉士進,楊昇至,楊文彬,薛鈞昶

(南京南瑞信息通信科技有限公司,南京 211106)

電氣接線圖是電網拓撲狀態的可視化表示,是電力系統運行管理不可或缺的圖形資料[1,2].配電網是由許多配電線路構成的網格,由從配電變電站出線至向用戶供電的變壓器、配電室以及中間配電線路等構成[3].配網單線圖就是利用規定的圖形符號和設備連線對配電網進行可視化的電氣接線圖.隨著我國電網業務迅猛發展,對配電網管理也提出更高要求,配網單線圖作為配網管理的一種專題圖,能顯著提高配網管理的效率.手工繪制的單線圖在用戶自定義、繪制美觀性等方面仍有優勢,但其繪制效率低下、不能及時根據拓撲數據更新圖紙、很難及時發現繪制錯誤等問題也是不爭事實[4–7].用計算機程序進行單線圖自動繪制可有效解決以上問題[8–10].

常見單線圖自動生成方法容易出現設備重疊,在進行設備布局時未考慮布線是否方便往往會導致布線復雜、效率低、重疊交叉現象嚴重等問題[4,11].其中,為了解決設備重疊問題又往往會導致設備間距不均、不對稱等新問題,很難保證生成的單線圖緊湊美觀[11].

為解決上述技術問題,本文提供了一種基于主干線/分支線模型的配網單線圖自動生成方法,以提高單線圖自動布局的效率和美觀性.主干線/分支線模型就是在對每個設備根據其復雜度賦權重后,依據單線圖的樹形結構將饋線中含電源的加權路徑最長支線作為主干進行主干繪制;然后將與主干相連的下級分支繪制在主干兩側(所有主干線/分支線的繪制均為水平或垂直);再將主干相連的下級分支作為主干線完成更深一級分支線繪制;如此交替主干與分支直至全部分支繪制完成.傳統的主干線/分支線模型無法很好解決設備遮蓋問題,在進行設備遮蓋解決后的單線圖通常也無法滿足美觀、緊湊的要求.本文提出局部拉伸與局部收縮相結合的方法進行設備遮蓋解決,即:對完成初始布局的單線圖進行局部拉伸解決設備遮蓋問題,然后對完成全部局部拉伸后的單線圖進行局部收縮以達到緊湊、美觀要求.最后采用朝向目標的線探索法進行自動布線[12–15].

1 主干線/分支線生成

1.1 主干線/分支線創建

每個設備根據設備類型和本身復雜度確定基礎權重.配電站和大型開關站基礎權重最大;站設備權重根據間隔數量對基礎權重調整得到;此外下連分支數越多權重越大.根據表1,依照此原則可得到一個的權重計算公式,如式(1).

表1 設備權重計算表

式中,M表示此設備類型本身對應的基礎權重,其大小根據其此類設備平均復雜程度和用戶需求確定;S為站內間隔數量,若不為站設備其值為0;N為當前節點下連分支個數,若不為T 接節點其值為0;Q1、Q2為常量,分別表示站設備一個間隔、T 接節點一個分支對應權重值.

權重的意義在于能正確表征一個節點設備的復雜程度或重要程度.合理的參數設置能使獲得的加權路徑最大分支更逼近最復雜的那條,將此分支作為主干會得到最佳布局效果.將復雜的路徑先布局能減小重疊交叉概率,在單線圖成圖效果和效率方面有較大提高.此外,權重設置可根據用戶需求調整,不同用戶對主干上優先呈現的設備有不同期望,可以通過調整不同設備類型本身的基礎權重M以及參數Q1、Q2實現這一業務需求.

在本文實驗中Q1取1,Q2取2;非站房類設備M取1;配電站和大型開關站M取3,其他站房類設備M取2.以此組參數確定的權重計算方法,實際單線圖成圖效果較好.當站房基礎權重M以及Q2值小于普通設備基礎權重M時,沖突解決次數會增多.

以電源點為起點追蹤加權路徑最長的分支作為主干,記為0 級分支;將0 級分支作為父分支,繼續追蹤與父分支相連的下一級子分支;將追蹤到的子分支再作為父分支進行追蹤;交替父分支、子分支,直至所有設備被追蹤到便完成全部分支的生成.

從電源點開始追蹤到的主干被命名為0 級分支;以0 級分支的所有設備作為起點追蹤到的下一級分支被命名為1 級分支;以此類推直至(n–1)級分支即全部分支被創建.

1.2 設備對象創建

首先進行主干(0 級分支)的創建.根據追蹤到的0 級分支有序設備信息,依次進行點設備(若為站設備,抽象為點設備)、線設備的創建;在創建過程中,對于站房設備先進行子站圖成圖,之后把整體抽象為普通設備添加到所屬分支設備隊列中;有下一級分支與之相連的設備稱之為T 接節點設備;在創建過程中,對于每個T 接節點設備創建一個T 接節點信息組對象;一個T 接節點信息組對象包括所屬主干,所有相連下一級分支和對應T 接節點設備等信息;將這些T 接節點信息組存入一個隊列記為tNodeBranchList.

完成主干生成后,對T S 接節點信息組隊列tNodeBranchList中每個元素tBranchInfo 執行如下操作:對tBranchInfo 下的所有分支,執行上述主干生成方法進行分支生成;繼續取下一個T 接節點信息組節點,進行分支生成;重復執行,至隊列元素為空,則所有分支設備完成創建.

2 確定主干線/分支線布局方向

任何分支均布置為一條直線,具有4 種布局方向:自左向右、自右向左、自下向上、自上向下.

首先根據用戶輸入確定0 級分支布局方向,然后根據0 級分支布局方向確定剩余全部分支布局方向.如果0 級主干自左向右布局,則與之相連的1 級分支均勻分布在0 級主干兩側,為自下向上或自上向下布局;同樣,2 級分支均勻分布在1 級分支兩側,為自左向右或自右向左;由此遞推至(n–1)分支,完成全部分支方向確定.對于0 級分支布局方向為其他3 種時同理可推.具體流程如圖1.

3 初始布局與局部拉伸

3.1 進行0 級主干分支布局

首先確定主干首節點坐標,若無特殊要求首節點坐標設置為(0,0).根據首節點坐標、布局方向、設備間距確定第2個節點坐標;兩相鄰“點設備”之間的設備間距根據兩設備外接矩形大小計算得到,計算得到的設備間距實現了動態調整間距以達到緊密、美觀的目的.當設備為子站時,要先對子站進行成圖,然后將子站抽象為一個點設備參與布局;為保證美觀,在進行水平布局時要讓主干線中心軸與子站圖的母線對齊.同理,可根據第2個節點設備確定第3個節點坐標.重復此操作至最后一個節點設備布局完成.在進行0 級分支布局時,將所有T 接節點信息組存入一個隊列,生成T 接節點信息組隊列Queue.

3.2 進行剩余全部分支布局

重復執行本節步驟至Queue 隊列長度為0.

取Queue 隊列隊首元素,記為TB,并在隊列中刪除.

(1)進行下一級分支首節點的坐標賦值

TB 下的所有分支均已確定分支方向,且所有分支方向均為橫向或縱向.將TB的所有分支按照布局方向分成兩類,分別記為清單orient1List和orient2List,對應布局方向分別為orient1和orient2.根據TB的T 接節點設備坐標,布局方向orient1和間距配置確定orient1-List 清單內所有分支首節點坐標;同理根據orient2 方向確定orient2List 清單內所有分支首節點坐標.

(2)T 接節點信息組布局所需空間拓展

根據orient1List和orient2List中分支首節點坐標和每個分支“點設備”圖元寬度的最大值,計算當前所有分支布局所需布局空間寬度w(沿T 接節點所在分支布局方向的寬度).以T 接節點為開始點向T 接節點所在分支布局方向和反方向各擴展出w/2的空間,用來當前T 接節點下一級分支的布局.空間擴展就是將相關設備向某個方向拉伸一定距離,以保證特定的空間下不存在設備.

(3)進行分支初始布局和局部拉伸

獲得TB 下所有分支branchList.對branchList 下的每個分支B 進行如下操作:

1)分支初始布局

對分支B調用3.1 節的主干布局方法進行分支布局;分支首節點已經具有坐標,無需進行計算.每進行一次“點設備”布局,執行一次步驟2)進行遮蓋檢測與解決.為分支B下每個T 接節點生成T 接節點信息組加在Queue 隊尾.

2)遮蓋檢測與解決

在根據上一點設備Dk–1完成下一個設備Dk布局后,需要進行遮蓋檢測.求Dk–1和Dk的最小外包矩形,將此外包矩形與其他已布局“點設備”進行重疊檢測;對發生重疊的其他“點設備”進行局部拉伸以消除重疊;拉伸方向為當前“點設備”布局方向.圖2和圖3分別為自上向下和自左向右的拉伸示意圖.

圖2 自上向下布局局部拉伸示意圖

圖3 自左向右布局局部拉伸示意圖

4 局部收縮

在分支布局時,為解決圖元遮蓋問題對整體進行過多次拉伸,導致總體布局圖元間距不均勻不合理,布局不美觀.為了糾正這一問題,完成全部分支布局后,需進行收縮運算.

分支收縮和分支布局一樣,采用分級的方式進行,如圖4.收縮運算采用試探法,按照從分支尾節點到首節點、從(n–1)級分支到0 級分支的順序依次執行.具體步驟如下:

圖4 分支局部收縮方法流程圖

(1)創建shrinkBranchQueue 隊列;按照從(n–1)級分支向0 級分支的順序,將全部分支裝入shrinkBranchQueue隊列;隊首元素為(n–1)級分支,隊尾元素為0 級分支;同級分支之間無嚴格順序,不同級分支間有嚴格順序.

(2)由隊首向隊尾順序遍歷shrinkBranchQueue,對隊列中每一個分支C進行如下操作.

按照從分支尾節點向分支首節點的順序對分支C中每個點設備Dm進行如下操作:

(2.1)若Dm為分支首節點,根據分支C父分支計算Dm最佳坐標needCoor.

(2.2)若Dm不是分支首節點,根據Dm上一個設備Dm–1坐標計算Dm最佳坐標needCoor.

(2.3)計算Dm由實際坐標平移至needCoor的待平移值moveValue.

(2.4)獲得從Dm至分支C尾節點的全部設備節點清單needMoveList(包括Dm).

(2.5)將圖紙中與needMoveList中的設備相連的下級分支全部設備,即將分支C的內部連通關系去掉后仍與needMoveList中的設備有連通關系的全部設備加入needMoveList.

(2.6)根據待平移值moveValue 對needMoveList中全部設備進行一次平移操作.

(2.7)檢查是否有設備遮蓋發生.

(2.7.1)若不存在,則本次局部收縮完成.

(2.7.2)若存在,將needMoveList中所有設備反向回退平移一個單位長度.

(2.7.3)若仍存在遮蓋,重復執行(2.7.2)回退操作,直至圖元遮蓋不存在或回退長度總和超過待平移值.

(2.7.4)若回退距離超過待平移值,將全部待平移設備坐標恢復平移前狀態.

5 進行布線

布線是對線設備進行坐標賦值,根據布線端子設備類型,可分為存在站內出線點和不存在站內出線點兩種情況.

若線設備所連兩端點設備均不含站內出線點,則直接根據點設備坐標對線設備進行賦值,不存在拐點.

若含有出線點則調用朝向目標的布線算法進行布線操作.如圖5所示,具體操作步驟如下文.

圖5 自動布線示意圖

(1)在起始點A 先以B'段目標點向右進行橫向探索,碰到障礙物后在點A1 拐彎.初始探索方向可根據最大探索步長優先原則確定.

(2)在A1 點以B1為階段目標點向上進行縱向探索,碰到障礙物后在點A2 處拐彎.此時階段目標點變為B2.

(3)重復步驟(1)、(2),直到階段目標點和目標點B 重合并到達.

(4)在以上步驟中,若遇到死點則執行步驟(5),若遇到臨界點則執行步驟(6).

探索過程中,當橫縱兩個探索方向均被阻擋,則進入死點;當只需再進行一次成功的橫向或縱向探索便到達布線終點,但此時唯一探索方向被阻擋時,稱為進入臨界點.

(5)處理死點.

(5.1)進行反向探索.在當前節點,向“相反方向”進行探索,每探索一步都往目標方向試探,若沒出路則繼續試探.重復此步驟.

(5.2)回退.若步驟(5.1)無法找到出路則回退到上一節點重復步驟(5.1).若仍無法找到出路,則繼續回退.若回到起始點仍無法探索到新路徑,則當前布線端子不存在有效布線路徑.

(6)處理臨界點.

(6.1)根據當前障礙物節點和探索方向計算繞障偏移量.

(6.2)根據繞障偏移量計算下一個階段探索目標點.

(7)進行布線重疊檢測和偏移.

每完成一次布線需要與已布線進行重疊檢測和偏移.每條已布線由若干個小線段組成,將這些小線段分為橫向線段和縱向線段兩類.依次遍歷當前布線每個小線段,將小線段與它同類已布線段進行重疊檢測,若存在重疊沖突則將當前小線段進行一個單位偏移,重復此操作至重疊不存在.

對有沒有到達布線終點的失敗探索,可將死點障礙物去掉后重新進行弱一級布線探索.此時布線會穿越相關設備圖元.

此布線算法可能因障礙物頻繁變換而導致布線變得復雜,甚至找到所有布線可能解中最復雜的那個.但考慮到單線圖布線中布線起點與終點所隔障礙物一般并不多,若通過步長試探、遍歷對比等方式獲得拐點更少的解會增大時間開銷,卻不會太大提升單線圖整體效果.所以,在沒找到兼顧效果和效率的工程更優布線算法的前提下,本文采用當前有使布線拐點過多風險的布線算法.

圖6為本文最終單線圖成圖,有0 級分支1 條,1 級分支4 條,2 級分支6 條.在進行2 級分支(#19,#20)布局時,發生圖7所示交叉遮蓋.根據局部拉伸算法,沖突區域為設備#19、#12 組成的最小包圍矩形,將分支(#11-#13)、(#8-#24)、(#9-#10)、(27 開關)和主干(110 kV 大李變電站-#01)部分向左整體平移出沖突區域.經過局部拉伸后的單線圖如圖8,節點#08 與25 開關、節點#22 與#26 因局部拉伸間距過大.最后根據局部收縮算法,對節點25 開關、節點#26 向其相連T 節點方向局部收縮,將間距縮至合理值,得到圖6所示緊湊無交叉美觀的單線圖.

圖6 局部收縮后單線圖

圖7 交叉現象

圖8 局部拉伸消除交叉

6 系統實現與驗證

結合上述研究,在實際項目開發中實現了此基于主干線/分支線模型的配網單線圖自動生成方法,滿足了項目需求.

目前在重疊、交叉處理中普遍采用的是局部拉伸法,如文獻[11,16,17]等均采用此方法.本文將局部拉伸法與本文方法效果進行對比.

為避免圖9所示重疊現象的發生,在進行布局時需要進行T 接分支空間拓展.如圖10,以T 接節點#2為例說明.在對T 接節點#2 下連分支布局時僅主干完成布局,對T 接節點#2 下連分支(#16-臺孫線南山南分支14 分支線01 電纜分支箱)進行布局前,先根據下連分支計算其布局所需要寬度w.以#2為中線將此線左側設備向左平移w/2,右側設備向右平移w/2.左側設備包括主干(110 kV 大李變電站-#01)部分,右側設備包括主干(#03-臺孫線效果測試01 配電室)部分.對T 接節點#04、#07 均照此操作.如圖10,經過拉伸后的單線圖在以T 接節點為中心的寬度w范圍內不存在除下連分支外其他設備.最后經過局部收縮,得到圖11所示最終單線圖.

圖9 重疊現象

傳統僅進行局部拉伸的單線圖自動生成方法在局部拉伸后不可避免會產生圖8、圖10中部分設備間距過大問題.本文提出的局部收縮算法,在局部拉伸后將可收縮部分間距收縮至合理值,最終得到如圖6、圖11所示既緊湊又無重疊交叉的單線圖.

圖10 T 接分支空間拓展避免重疊

圖11 局部收縮消除多余空隙

7 小結

一種準確、高效、美觀的單線圖自動生成方法是當前電網配網管理中的現實需求.本文提出的基于主干線/分支線模型的配網單線圖自動生成方法滿足了單線圖成圖無設備遮蓋、布局橫平豎直等基本要求;并加入了局部收縮操作,在單線圖美觀性方面有顯著提高.具體優點如下:

(1)分支初始布局后的局部拉伸可以完全解決設備遮蓋問題.

(2)對局部拉伸后的單線圖進行局部收縮運算,使單線圖更緊湊美觀.

(3)采用分級的朝向目標的繞障線探索法進行布線操作,能在全部場景下完成布線并避免布線重疊.

本文通過初始布局、局部拉伸、局部收縮3個關鍵步驟完成滿足準確、美觀要求的單線圖自動生成;最后通過朝向目標的繞障線探索法高效地完成了布線操作.本文未在文本標注問題上進行深入研究,采用簡單的標注處理方式.今后作者將進一步研究單線圖自動生成方法標注等問題的優化問題.