配電網圖元管理系統及關鍵技術研究

楊波，劉凍，過佳平

國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033

0 引言

為了有效整合配電網調度支持系統的各級模型，實現全省標準化統一配電網圖形模型，并最終實現“源端維護，全網共享”的目標[1-3]。文獻[4]提出了一種基于自動生成算法的配電網圖元模型，實現了均勻接線，但是所提方法精準度不高且運算程序復雜，是實際中很難推廣應用。與此相反，文獻[5]提出了一種基于卷積神經網絡的配電網圖元模型，具有很高的精度，但是可靠性較差，嚴重依賴計算機性能。為此，本文提出了一套新型圖元模型方案，具體實施方案如下。

1 系統總體結構設計

為加強配電網圖元管理水平，更好地服務配網調度運行、停電計劃、搶修指揮、安全管控等工作。本文基于物聯網技術搭建了配電網圖元管理系統，如圖1所示。

圖1中系統主要為強化配網停電計劃管理，實現圖元全面精準管理[6]。同時，不斷提升反校核范圍和智能化程度，實現圖元準確性自動校核功能。

圖1 配電網圖元管理系統

圖2所示為多個變電站聯絡關系的單線圖。在配電網中，電力設備類型主要分為電力設備和非電力設備信息。電力設備主要由母線、開關站、柱上負荷開關、柱上斷路器、熔斷器、配電變壓器、配電室、箱式變電站、故障指示器等組成。而非電力設備信息主要由線路總長度、配電變壓器數量以及配電變壓器容量等[7]。整個單線圖不拘于固定形式，可以根據業務需求，其顯示方式可以不斷改變，配電網圖元符號樣式如表1所示。

圖2 配電網單線示意圖

表1 圖元符號樣式

在配電網中，架空線路使用的大多數導線由鋁制成。這些導線通常為全鋁導線、全鋁合金導線和鋼芯鋁導線，架空線路的圖元建模需要的尺寸參數有導線外徑d、幾何平均半徑（GMR）和電阻r。在不影響顯著精度的情況下，采用修正后的卡森方程可計算具有n個導體的架空線路圖元原始阻抗矩陣，其表達式為：

式（1）中，Zii是第i根導線的自阻抗，單位為Ω/英里，而Zij是第i條導線和第j條導線之間的互阻抗，i≠j。此外，GMRi是第i根導線的幾何平均半徑，Dij是導線i和j之間的距離。當架空導線之間的間距已知時，計算原始阻抗矩陣[8]。

通常，這些單相變壓器有一個中壓繞組（用h表示）和兩個低壓繞組（用l和t表示），基于此連接，可以在相導線之間獲得240V（分別為480V）或從任何相導線和接地中性導線獲得120V（分別為240V）。關于單相變壓器示意圖如圖3所示。

圖3 單相變壓器示意圖

2 配電網圖元及拓撲關系

2.1 配電網圖元模型

配電網圖元模型主要特征為圖元標識，圖元標識是區分、標識配電網模型中不同設備的唯一編碼。模型標識由64位二進制數構成，在建立模型時由相應建模單位的系統自動生成，生成后不再發生改變。配電網模型標識應按照統一的規則生成，確保不同系統生成的設備標識是唯一的。生成規則如下：配電網圖元標識根據模型的所屬機構進行地區分段劃分，從而可以通過模型標識來區分不同地區的設備模型，確保全網模型標識的唯一性，二進制表示結構如圖4所示。

圖4 模型標識結構

配電網模型標識由表號、區域號、區域內順序號3個部分組成，設備模型連接點號用于標識配電網模型中設備（端）的連接關系。對于新建模但還未生成連接關系的設備，設備模型連接點號應為-1；對于已經生成連接關系的設備，設備（端）連接點號由64位二進制數構成，在生成連接關系時由相應建模單位的系統自動生成。設備模型連接點號應按照統一的規則生成，確保不同線路的設備模型連接點號不相同[9]。

配電網設備圖元之間的連接點號被用于確定設備的連接關系，實現電網拓撲。設備模型的連接點號應在節點入庫時由系統自動生成，為避免設備模型連接點號出現重復，連接點號的生成采用統一規則，如圖5所示。

圖5 設備模型連接點號生成規則

設備模型連接點號由區域、配調、變電站、饋線和節點號5個部分組成，設備模型連接點號是由以上二進制編碼轉換為十進制數再轉換為字符串得到。配電網調度技術支持系統中的配電網模型參數應優先使用經過相關專業處室核定的運行參數和實測參數。設備圖元按照設備狀態劃分為6種顏色，見表2。

表2 設備狀態顏色

2.2 拓撲關系

關于配電網設備圖元模型拓撲圖如圖6所示。

圖6 配電網設備圖元模型拓撲圖

由圖6可知，電力設備圖元從大體功能上進行區分，可分為主設備和輔助設備。其中主設備主要作用是直接用于生產的電力主回路設備，主要包含斷路器、熔斷器、刀閘、接地刀閘、母線段、儲能設備、饋線段、配電變壓器、并聯補償器以及電阻器等[10]。輔助設備主要作用是用來輔助主設備正常運行，輔助設備通過連接點的關聯連接到主設備上，包括故障指示器、電壓互感器、桿塔等。

本研究采用SVG技術進行動態展示電力圖形，通過JavaScript語言進行編碼。JavaScript語言能夠直接在Web上進行解析，且其腳本技術能解決SVG圖像的交互問題。

2.3 配電網圖元切換方法

在搶修指揮中，為了實現配電網圖元管理系統高速運轉，本研究提供的基于圖層切換的圖元狀態切換方法，需要對圖元進行重新定義，圖7為本研究提供的圖元結構示意圖。

圖7 圖元數據框示意圖

如圖7所示，一個配電網圖元可以包括圖元基礎信息，其中一個圖元包括至少兩個顯示狀態，每個顯示狀態均有對應的圖元狀態與圖層之間的關系，圖元的尺寸可以為圖元的寬度、高度。圖層信息包括圖層名稱和圖元數據，圖元數據包括圖元基礎元素的形狀、位置、縮放比例、旋轉角度。圖元基礎元素包括基礎的圖元元素，例如直線、圓形、橢圓、矩形等。圖元的位置例如可以為圖元基礎元素的起始點信息。根據各圖層的圖元數據[11]，可以在繪圖區域中將圖元基礎元素填充至繪圖區域中。

圖8為基于圖層切換的圖元狀態切換方法的流程圖。

圖8 基于圖層切換的圖元狀態切換方法的流程圖

如圖8所示，本研究提供的基于圖層切換的圖元狀態切換方法包括：步驟S301，確定圖元的當前顯示狀態，當前顯示狀態包括圖元的待顯示圖層列表，待顯示圖層列表包括待顯示的圖層信息，圖元包括至少兩個圖層；步驟S302，根據圖元狀態與圖層的關系，遍歷圖元對應的每個圖層；步驟S303，判斷是否還有圖層，若是則執行步驟S204，否則完成圖元狀態切換；步驟S304，判斷當前圖層是否存在于顯示圖層列表，若是則顯示當前圖層，否則隱藏當前圖層；步驟S305，完成對當前圖層的判斷后，繼續執行步驟S203，對下一個圖層繼續進行判斷。

3 實驗與分析

為了驗證本文所研究的關鍵技術的適用性和可靠性，構建出配電網設備圖元單線圖（圖9）。

圖9 配電網圖元

如圖9所示，整個配電網是從母線和若干個直線延展出來的，主要按照《IEC61970-453EMS-API-Part453：圖形布局子集》、《GB/T4728.2-2005電力簡圖用圖形符號》、《DL/T890.402-2011公共服務(IEC61970-402:2003)》和《Q/GDW624-2011電力系統圖形描述規范》得出，具體如表3所示。

表3 電力設備圖元模型

為了驗證所提出的配電網圖元拓撲的實用性，打開該系統的繪圖工具，將圖元存放位置為工具安裝包解壓后symbol文件夾的路徑，此文件夾的路徑就是圖元存放位置。打開在圖形文件列表里根據配調、變電站、饋線依次展開，雙擊任一條饋線就可以對這條線進行編輯，圖紙編輯中如果遇到一條支線上所有設備改到另外一條線上可能會用到跨圖復制功能，如果用戶已登錄且有權限傳圖，保存成功后即可點擊上傳入庫按鈕將圖紙入庫。

在得到電力設備圖元模型后，還需要進行精度監測。以接地刀閘為例，通過從配電網自動化系統中的所有接地刀閘設置若干個測點，采集相關規劃數據（長度和角度）。監測數據統計表如表4所示。

通過監測100～1000個測點，統計相關規劃數據（長度和角度）的誤差百分比（表4），并繪制成柱狀圖（圖11）。

表4 監測數據統計表

從圖11可以看出，在不同數量測點環境下，本研究系統所繪制的圖元標準尺寸誤差更小，精準度更高。

圖11 兩種方法監測數據精準度對比

4 結語

本研究結合配電網調度技術支持系統構建了配電網自動化系統。基于拓撲反推技術，構建配電網設備圖元數據初始空間，通過公式推導出拓撲反推關系并使初始空間轉變為目標空間，實現對配電網圖元設備多元數據的準確分析，并通過實驗驗證了該方法的可靠性。