配電主站智能配電室自動拓撲和成圖設計與實現

王 樸 張兆歸 王興念 劉勝蘭 楊飛勇

1(國家電網北京電力有限公司 北京 102200)2(珠海許繼芝電網自動化有限公司 廣東 珠海 519000)

0 引 言

配電網拓撲結構是配電網安全經濟運行的基礎，是配電網經濟化管理的支撐，配電網結構復雜、設備眾多、變更頻繁，涉及變電站、線路、變壓器、接入點、計量箱、電能表等設備數據、拓撲連接關系，目前供電企業基本由各專業人員手工錄入與維護，錄入維護工作量大，帶來數據維護錯誤、數據不統一、更新不及時等問題，難以支撐配電網安全運行水平、運維效益、提供供電服務質量需要，為此解決海量配電設備的自適應接入，實現配電臺區、配電設備及網絡拓撲關系自動識別，配電網拓撲可視化，成為當前需要解決的關鍵問題之一[1-4]。為解決低壓拓撲可視化，分析配電室典型接線、結合供電企業需求，提出在配電終端側自動識別拓撲形成拓撲文件，配電主站側解析配變終端上送拓撲文件、自動生成智能配電室拓撲和接線圖的配電主站與配變終端協同低壓拓撲可視化方案。

1 整體解決方案

為實現智能配電室自動拓撲與拓撲可視化，提出配電主站與配變終端協同方案(如圖1所示)。

圖1 整體解決方案

(1) 設備側：在配電變壓器側安裝配變終端(簡稱TTU)、分支箱和表箱側安裝分布式監測終端(簡稱LTU)，TTU基于本地無線網絡與LTU協同完成電氣拓撲識別,并組裝成拓撲文件上送至配電主站。

(2) 配電主站側：配電主站前置服務接收來自TTU上送的拓撲文件，對其解析并送至圖模系統。圖模系統處理拓撲文件、生成智能配電室圖模庫，以支撐配電監控系統應用。

前置服務負責接收設備側上送數據并對其解析。當前置服務接收到TTU上報拓撲變化遙信事件后下發指令并從TTU讀取配電變壓器拓撲關系描述數據，生成拓撲變更記錄，并將數據文件保存指定目錄。

圖模系統負責建立圖模庫,為配電主站監控提供模型、圖形支撐。其智能配電室拓撲可視化相關服務主要包括：(1) “拓撲變更監視服務”負責定時掃描、處理拓撲變更記錄；(2) “布局與坐標計算服務”負責分析拓撲數據生成設備節點坐標；(3) “自動成圖服務”根據拓撲數據和設備節點坐標，繪制智能配電室接線圖，實現拓撲可視化。

2 實現方案及關鍵技術研究

2.1 拓撲文件生成與描述

2.1.1拓撲識別

智能配電室拓撲識別[5-6]由設備側完成，其主要識別機制為：配電終端TTU依次注入分布式監測終端LTU特征信號，各LTU實時檢測特征信號，TTU輪詢各LTU信號檢測標志，TTU依據拓撲算法生成拓撲文件。識別采用自動識別和手動識別相結合，手動識別作為自動識別補充，即當自動識別不成功時，通過便攜掌機人工讀取拓撲數據以補全信息。具體識別流程如圖2所示。

圖2 臺區拓撲關系識別流程

2.1.2拓撲描述

配電主站對智能配電室監測與管理以配電變壓器為對象，一個智能配電室對應一幅接線圖。在安裝TTU時一般以配電變壓器為單位，其信息采集與監控范圍以配電變壓器為起點，以戶表為終點，途經低壓線路、低壓分支箱出線等節點，設備連接關系呈類似樹狀的層級結構。因此可以配電變壓器為單位采用樹形節點的父節點及子節點集指針描述各設備節點拓撲鏈接關系，應用“深度優先”和“廣度優先”不同的遍歷策略對其進行拓撲搜索以滿足配電主站各應用需求。

(1) 設備節點描述：各單個設備節點的數據結構描述如圖3所示。其中：“父節點”指針和“子節點集”指針分別指向其對應節點對象的“內存地址”；“節點序號”和“節點坐標”初始值為空，根據布局算法進行計算后對其賦值。

圖3 配電設備數據結構描述

(2) 配電變壓器設備樹描述：采用具備描述層級關系的XML文件對其進行描述，其中用data節點描述其拓撲記錄文件概要信息，包括臺區ID、名稱、更新時間等屬性；nodes節點描述各設備信息，包含節點ID、名稱、設備類型等屬性；links節點描述所有連接關系，每個連接包含指向電源側節點的from和指向用戶側節點的to屬性。拓撲示意圖如圖4所示，其拓撲描述示例文件如下：

圖4 拓撲示意圖

2.2 自動布局

配電主站智能配電室監控一般采用正交圖。正交圖是采用橫平豎直接線圖描述從電源點至電表的電網拓撲關系[7-9]，在本案中其布局采用每層設備節點之間保持相同的行間距，同層兄弟設備節點之間保持相同的列間距，父節點位于所有子節點的中間位置方式。

2.2.1設備節點序號編排

(1) 子節點的編號大于其父節點的編號。

(2) 同一子樹中，從當前節點編號減1得到其左兄弟節點的編號，加1得到其右兄弟節點的編號。

采用以上原則對節點編號可達到在判定同級的兩個子樹是否有位置重疊時，只需要判斷左子樹最右邊的子節點與右子樹最左邊的子節點的X坐標的大小關系即可,如圖4接線圖中通過判斷005、006節點是否有重疊或交叉即可判斷002、003子樹是否有位置重疊。

2.2.2設備節點坐標計算

智能配電室接線圖繪制坐標采用標準坐標系，即坐標原點位于繪圖區正中心，X軸正向朝右，Y軸正向朝上。在繪制圖形前需計算各節點坐標，并把坐標計算坐標賦值到節點屬性，為繪制接線圖做好準備。

(1) 節點坐標計算：以父節點為單位，把其所直連子節點編為一組(如圖4所示)。依據其父節點的坐標，計算其各子節點的坐標。即假定根節點的坐標為(X0,Y0)，設定兩行相鄰節點垂直距離(層高值)rh和兩行相鄰節點水平距離(列寬值)cw，可計算出各子節點。

Yi=Y0-i×rh

(1)

Xi=X0-((n-1)×cw)/2+(i-1)×cw

(2)

式中：Yi為第i個子節點的Y坐標；Xi為第i個子節點的X坐標；n為子節點的數量。

(2) 戶表設備節點坐標計算：戶表設備位于末端，設備數量不定，當戶表設備數量超過某值時，將不能在一屏幕內展示智能配電室所有設備，為此針對表箱內戶表數量，采用不同排布方式，坐標計算將根據排布方式采用不同計算方式，其坐標計算方式如下：

那里！他示意地看了一眼越來越近的被霓虹映照下的酒店。臉色嚴肅地說，就在它的某間客房里，有屬于我們的一塊地，地在召喚主人。你和我就是主人。

(3)

(4)

式中：Xm為編號為m表箱節點的X坐標；Ym為編號為m表箱節點的Y坐標；rh為層高值；cw為列寬值；m為表箱戶表的數量；rm為每行排列的戶表數量；Yi為表箱第i個戶表Y坐標；Xi為表箱第i個戶表的X坐標；tm為每表箱戶表數量閾值；floor表示向下取整。

(3) 多配變與母聯開關坐標計算：配電主站以配電室為單位展示其所供電范圍設備，配電室可安裝多臺配電變壓器(配變)，配變間通過母聯開關聯絡以進行負荷轉供。TTU以配變為單位進行拓撲識別并上送拓撲信息，配電主站識別其是否屬于同一配電室并根據配變數量確定配電室中各配變的初始位置、層高值rh和列寬值cw；識別同一配電室不同TTU上送信息是否存在相同設備，若存在則進行模型拼接(表明存在母聯開關)，并計算拼接點坐標。模型拼接和拼接點處理采用以下原則：兩相鄰配變相同設備僅取其一，刪除左配變樹該設備；取兩配變樹中該設備父節點連線1/2處坐標作為該設備坐標。

(4) 節點重疊判定：在繪制圖形過程需要判斷節點坐標是否重疊，其判定過程如下：比較兩個節點的Y坐標，可判斷它們是否在同一層級上，若不在同一層級，則判定為不重疊；若在同一層級比較當前組第1個子節點和上一組最后1個子節點的坐標位置是否重疊，若重疊則進行坐標平移。

(5) 節點坐標平移：鑒于坐標計算對一個父節點和其直連子節點兩層結構能較好適應，但超過三層及以上時，采用坐標平移方法解決可能產生節點重疊的問題。平移的原則如下：保持當前組的子節點的坐標不變，向左平移其左邊各組的節點坐標。以圖4為例，節點001的坐標為(X0,Y0),第一次計算時，可以計算組1中，節點002和節點003的坐標；第2次計算時，依據節點002的坐標，可以計算組2中節點004和節點005的坐標；第3次計算時，依據節點003的坐標計算組3中，節點006、節點007和節點008的坐標。若組3與組2重疊，則向左平移組2所有的節點使之與組3不重疊，并且由于移動了節點002的位置，導致節點001不再位于節點002和節點003的正中間需調整節點001的位置。同時，由于移動了組2的節點，還需再判斷組2是否與其左邊的節點產生新的重疊，如果有，再繼續左向平移，直到左邊不再有節點。X坐標平移距離的計算公式如下：

ifXi=Xi-1thenDist=cw

(5)

ifXi

(6)

式中：Xi為編號為i節點的X坐標；Xi-1為編號為i-1節點的X坐標；cw為列寬值。

2.3 自動成圖

根據現場應用場景，智能配電室接線圖繪制分成接線圖全量繪制和增量繪制。全量繪制是指從無到有全新繪制，主要用于配變剛接入系統時圖形繪制；增量繪制是指已有接線圖，在配變供電范圍設備發生異動(新增、刪除、修改)時，在保持已有圖形基礎上繪制異動設備接線圖，增量繪制原則上節點圖形實例不重新生成，對連線進行自動繪制。在自動成圖時，把全量繪制作為增量繪制的特殊處理以統一增量繪制算法，其自動繪制遵循如下原則。

(1) 若設備節點不存在，根據坐標位置繪制新的圖形實例。

(2) 若設備已存在，則找到設備節點對應的圖形實例，并將其移動到新的坐標位置刪除連接線進行重新繪制。

(3) 若已有設備存在但發現其被刪除，刪除原接線圖上設備和相關的連接線。

在繪制圖形過程中，將引入中間虛節點(如圖5中黑色小點)，虛節點之間，或虛節點與實節點(如圖5中標注編號的設備節點)之間，或實節點之間的線段為一條獨立的連線，以滿足智能配電接線圖達到美觀的目的(如圖5示例)。在進行節點之間的連線繪制時，以一個父節點及其所有直連子節點作為參考對象單元進行分組，逐組進行連線繪制，以提升其性能。在進行組內繪制時，先根據組內子節點的數量，生成虛節點并計算其坐標，然后在(虛)節點之間畫連線，并建立(虛)節點與線之間的連接關系。

圖5 自動繪圖效果示意

3 應用實例及效果

在配電主站采用Java語言，應用自動布局和自動成圖算法實現智能配電室低壓配電網接線圖自動拓撲和拓撲可視化功能。

1) 關鍵類說明。基于配電主站的低壓電網拓撲可視化關鍵實現類主要包括：

(1) 拓撲信息變更日志類，用于記錄臺區用戶拓撲的變更記錄及處理標志，并負責將用戶拓撲描述信息(XML)解析成節點信息描述。

(2) 節點信息描述類，用于描述節點數據結構以及節點屬性。

(3) 節點坐標計算類，用于實現節點標號和節點坐標計算。

(4) 自動成圖類，用于根據節點信息數據完成對智能臺區拓撲可視化繪制。

2) 工程應用示例。在智能配電室拓撲可視化設計方案基礎上根據現場智能臺接線多樣性以及應用場景，對排布進行優化，解決智能配電室自動生成以滿足實用化應用。圖6為北京昌平、山東供電企業應用現場接線圖示例。

圖6 現場應用示例

4 結 語

為提升對智能配電室低壓配電網管理，提出配電主站與配變終端協同，配電主站依托配變終端采集上送的拓撲文件、配電室典型接線方式、結合供電企業需求的智能配電室拓撲自動生成拓撲可視化方案。通過實際工程應用，智能配電室拓撲識別與可視化設計能及時準確獲取視臺區的用戶拓撲變動，實現快速更新監視模型，減少低壓配網圖模維護的中間環節，保證低壓配電網拓撲圖的準確性。后續將進一步提煉智能臺區接線圖典型接線特征和收集現場應用需求，優化布局算法，提升其工程實用性。