面向業務驅動的配網專題圖自動生成研究與應用

陳 波 張喜平 陳士強

（廣東電網中山供電公司，廣東中山528400）

0 引言

近幾年配電自動化系統在配網調度運行和管理工作中得到了快速推廣與應用，調配用系統數據共享與應用整合的需求越來越迫切，相關應用系統的研究也日益廣泛。面向業務驅動的配網專題圖，根據業務需求包括顯示電源供電范圍的供電范圍圖、顯示用電負荷供電路徑的供電路徑圖、顯示重要用電負荷供電電源的電源追蹤圖、顯示潮流分布的潮流分布圖等[1-3]。

1 總體框架

面向業務驅動的配網專題圖自動生成的前提條件是通過拓撲分析完成目標區域的拓撲模型抽取，在此基礎上進行設備模型的圖形化展示。總體流程圖如圖1所示。

圖1 總體流程圖

2 模型抽取算法

供電路徑模型抽取以網絡拓撲算法為核心，在調配一體化模型基礎上，通過對邊界條件的有效處理，實現對局部供電路徑的搜索分析功能。目前，常用的網絡拓撲分析方法主要有樹搜索法、數據表法、關聯矩陣法、節點標記法及Petri網分析法等。

本文采用廣度優先遍歷法，針對特定的目標設備實現拓撲分析。對于目標設備及指定的追溯電壓等級，首先判斷追溯電壓等級是否高于10 kV，如果高于10 kV，則分兩種情況實現：對于10kV電壓等級設備的電源點追溯采用基本的廣度優先遍歷法得到設備集；對于10kV以上電壓等級，遵循以上兩條原則，向高電壓等級及潮流流入的方向遍歷得到相應設備集，應用廣度優先分層遍歷法，對鄰接點設備遍歷具體流程如下：

（1）判斷當前遍歷設備電壓等級是否低于上級遍歷設備，如果低于則停止遍歷，放棄設備節點，遍歷下一個設備，如果等于或高于則繼續進行下一步驟，保證向高電壓等級方向遍歷。

（2）判斷設備類型是否為交流線段，如果是交流線段則判斷交流線段端口潮流流向，潮流流入則納入設備節點繼續遍歷，否則放棄設備，遍歷下一設備，如果是非交流線段設備則將該設備納入設備集，繼續遍歷下一設備，保證向潮流流入方向遍歷。

（3）判斷本層設備是否遍歷完成，遍歷完成則判斷是否遍歷到電源點，結束本次遍歷，如果未完成或沒有遍歷到電源點，則繼續遍歷本層相關設備或下一層鄰接點設備，回到步驟1循環執行。

（4）如果遍歷到電源點，則結束遍歷，對設備集進行處理，去除分支設備，過濾掉用戶不希望在圖形上進行展示的設備，形成一條完整的供電路徑。

在完成實時供電路徑模型抽取后（路徑集合記為P，聯絡開關集記為Dcon，搜索到的節點集合為N），根據需要可進一步完成當前供電路徑的可轉供路徑的模型抽取。算法過程如下：

（1）遍歷聯絡開關集中的配網開關，標記配網開關不在節點集合中的節點，則將其加入集合Mbrk中。

（2）遍歷集合Mbrk中的配網開關及開關的節點，從開關的節點開始再次搜索配網聯絡開關的供電路徑。搜索結果集合記為Pd，依次將Pd加入路徑P集合中。

（3）遍歷路徑P，過濾重復的設備對象。

至此，則完成了設備全部的供電路徑及可轉供路徑的模型抽取。

3 自動成圖布局算法

布局算法是自動成圖過程中的核心。當前成熟的布局算法主要有層次樹形布局、彈力（引力-斥力）布局算法等。其中，樹形布局算法適用于輻射狀無環的網架結構，由一個根節點延伸出多個子節點，滿足“樹”形分層特性，圖形具有很好的可讀性，但這種布局算法在布局環形結構圖形時容易產生交叉。彈力布局算法基于引力-斥力模型，將待布局的圖形節點看作粒子，粒子與粒子之間存在引力和斥力，圖形中的所有粒子隨著引力和斥力的相互作用而不停地發生位移，直到整體粒子系統之間的引力和斥力達到或近似達到一種平衡。在此過程中，開始時粒子的位置移動相對較快，但隨著多次循環，粒子的運動幅度也逐漸減小。最終整個系統中的粒子位置趨于穩定，同時邊與邊的相交總數也在減少，使整張結構圖更具對稱性和可讀性。此外，還可借助遺傳算法、粒子群算法等優化算法實現圖元的布局過程。

配電網專題圖一般以輻射狀網架居多，因此采用樹形布局算法。樹形布局以多叉樹數據結構來描述待布局的圖元關系，為整個系統圖元設定x、y坐標，如圖2所示。

圖2 樹型布局

4 布線算法

迷宮算法模擬在源點S開始以波浪形式向外擴散，遇到障礙物則停止。優點是可以保證在源點S到目標點T如果存在路徑，則一定可以搜索到該路徑，同時搜索到的路徑是最短路徑。配電網專題圖在完成樹形布局后，設備與設備之間的連線一般以直線或一次折線為主，我們采用啟發式算法完成布線工作。所謂的“啟發式”，就是對每一個搜索的位置進行評價，以當前搜索的位置與目標的距離作為依據，來估計搜索的位置是否最佳。評價函數為F=G+H，其中，G=從起點到當前節點已走過的距離；H=從當前節點位置到終點的曼哈頓距離；F最小即為算法追求的目標。在搜索到終點位置后，根據各個位置對象的父節點關系，依次遍歷到起始位置，得到一條路徑。

布線完成后還需要對圖形進行一定的優化和評價，圖形優化過程是對前期自動構圖的局部修正，主要包括配變、負荷等單節點設備的位置修正，使其保持水平、豎直、距離最短等，另一方面也對整圖空白區域進行了一定的壓縮處理，使圖形盡可能緊湊。評價是對自動構圖效果的量化描述，主要考察布線長度的差異性、圖元占據屏幕的均勻性和布線的交叉點數三個方面。

5 結語

本文分析了面向業務驅動的配網專題圖自動生成在配網調度運行管理工作中的作用及運維現狀，總結了配電網專題圖自動生成的意義和原理。通過基于靜態模型和動態量測信息相結合的模型抽取實現了配電網專題圖對應設備模型集合的自動搜索；根據配電網專題圖的一般網絡特性，采用樹形布局、彈力布局算法及迷宮布線算法等自動成圖技術，實現了配電網專題圖的自動生成，并對成圖效果進行優化和評價。