CN101673949A - 一种电网潮流图自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网潮流图自动生成方法，属于电力系统调度自动化领域。该方法包括：定义电网潮流图的厂站图标模型由本体及在本体四周构成的禁区组成；该方法包括以下步骤：把待生成潮流图的画面分成等间隔的m*n个区域，m，n均为正整数，将厂站图标模型按厂站的相对地理位置分配到相应区域中；采用引力－斥力模型对厂站图标模型坐标在其所属的区域内进行优化，使厂站图标模型间的线路交叉最少。然后，对连接两个变电站的线路布置成横平竖直的折线，使得线路折线不穿过任何厂站图标模型图标及其领域。本发明能够对厂站随机初值达到很好的优化效果；实现调度员对电网进行实时监控和分析。

Description

一种电网潮流图自动生成方法

技术领域

本发明属于电力系统调度自动化技术领域，特别涉及一种电网潮流图自动生成方法。

背景技术

电网潮流图集中显示厂站、厂站间的线路及其潮流分布和线路开关，是调度员对电网进行实时监控和分析的主要界面。为了保证调度中心的能量管理系统运行和控制结果的合理性，需要通过上、下级调度中心交互实时模型实现全局的潮流模型；能量管理系统的电网模型不仅包括本地维护的电网模型，而且包括上下级调度中心维护的电网模型。因此，能量管理系统中最常用的电网潮流图已不能再通过人工维护生成了，需要根据全局的电网模型自动生成全局的潮流图。

现有的潮流图自动生成方法有遗传算法和罚因子算法等。但是由于这些方法对初值的依赖性较强，而且计算花时较多，不能满足大规模的潮流图的自动生成的需要。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电网潮流图自动生成方法，利用电网模型的拓扑关系自动生成潮流图，能够对厂站随机初值达到很好的优化效果；实现调度员对电网进行实时监控和分析。

本发明提出的一种电网潮流图自动生成方法，其特征在于，该发明方法包括：定义电网潮流图的厂站图标模型，该图标由中间的矩形和矩形四边上伸出的多个引线构成，每边的引线长度从中部向两侧依次递减，连接各边最短引线端点所围成的区域构成厂站图标禁区；该方法包括以下步骤：

1)把待生成潮流图的画面分成等间隔的m*n个区域，m，n均为正整数，将厂站图标模型按厂站的相对地理位置分配到相应区域中；

2)采用引力-斥力模型对厂站图标模型坐标在其所属的区域内进行优化，使厂站图标模型间的线路交叉最少；

3)连接两个厂站图标模型的线路布置成横平竖直的折线，使得线路折线不穿过任何厂站图标模型图标及其禁区。

本发明的特点及有益效果：

本发明能够实现电网潮流图的快速自动生成，对厂站随机初值达到很好的优化效果；布线的折点也限制在定值2之内，能够简单迅速的实现线路的横平竖直的走线要求；保证了图形的美观。实现调度员对电网进行实时监控和分析。保证调度中心的能量管理系统运行。

附图说明

图1为本发明的厂站图标模型示意图，虚线的方框为厂站图标模型禁区；

图2为本发明的障碍集为非空集的线路对应矩形的至少一侧可以布通的情况；

图3为本发明的障碍集为非空集的线路对应矩形的两侧都不可以布通的情况；

图4为本发明的迷宫算法走线算例。

具体实施方式

本发明提出的一种电网潮流图自动生成方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明方法包括：定义电网潮流图的厂站图标模型，本实施例的厂站图标模型如图1所示，该图标由中间的矩形11和矩形四边上伸出的多个引线12(总引线与该实际厂站的出线度相等，本发明设定最多不能超过40条)构成，每边的引线长度从中部向两侧依次递减(保证布线时交叉尽可能少)，连接各边最短引线端点所围成的区域构成的禁区13组成；该方法包括以下步骤：

1)把待生成潮流图的画面分成等间隔的m*n个区域(一般m，n＜5)，将厂站图标模型按厂站的相对地理位置分配到相应区域中；

2)采用引力-斥力模型对厂站图标模型坐标在其所属的区域内进行优化，使厂站图标模型间的线路交叉最少；具体包括以下步骤：

(引力-斥力模型基本原理是将所有的厂站考虑成一个个相互排斥的粒子，而有连接关系的节点(厂站)之间又有着相互吸引的作用力。相互间存在线路的任何两个厂站之间都有斥力的作用。在每个粒子趋于平衡的过程中，有连接关系的节点会倾向于聚集在一起，而没有连接关系的则离得相对较远。不断地对所有的节点进行受力分析，直到最终达到相对稳定的状态即可结束)

(21)在各厂站图标模型所属区域的坐标范围内，随机生成所有厂站图标模型的坐标；

(22)计算厂站图标模型间线路的相互引力gv：

若两个厂站图标模型对应的实际厂站没有连线时，引力gv为0；

若有连线时，当两个厂站图标模型之间的距离小于自然距离时，引力gv为0；否则引力gv将和厂站图标模型V_i和V_j之间的当前距离与设定的自然距离的差值成正比，该引力的绝对值|gv|如公式(1)所示：

$\left|\mathrm{gv}\right|=\left\{\begin{array}{c}{k}_1*((\mathrm{dis}(V_i,V_j)-\mathrm{dl}),(\mathrm{dis}(V_i,V_j)>\mathrm{dl})\\ 0,(\mathrm{dis}(V_i,V_j)<=\mathrm{dl})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：k₁——正比例系数；

dl——自然距离；

dis(V_i，V_j)——厂站图标模型V_i和V_j之间的当前距离；

自然距离dl设定的规则为：

如果V_i，V_j不在同一个区域，dl为V_i，V_j所在的两个区域的中心之间的距离；

如果两个厂站图标模型在同一个区域，dl则由公式(2)确定：

wid为该区域x轴方向的宽度，为该区域厂站图标模型个数n开方之后取整加1的值(设定的规则就是保证dl为期望的V_i，V_j之间的距离)；

正比例系数k₁设定规则为：

如果V_i，V_j的出线度(该厂站图标模型与其它厂站图标模型连线的个数为该厂站图标模型的出线度)均大于4时，k₁设为5；

如果V_i，V_j之中的任一个的出线度小于等于4时，k₁设为20；

(23)计算各个厂站图标模型之间的相互斥力rp：

当两个厂站图标模型的距离小于阈值时，两者之间的斥力为强斥力值；否则，相互斥力与两厂站图标模型的出线度成正比，与两厂站图标模型的距离平方成反比；相互斥力的绝对值|rp|如公式(3)所示：

$\left|\mathrm{rp}\right|=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sV},(\mathrm{dis}(V_i,V_j)<=\mathrm{mV})\\ \frac{{\mathrm{dl}}^2*\mathrm{dg}\left(V_i\right)*\mathrm{dg}\left(V_j\right)}{\mathrm{dis}{(V_i,V_j)}^2},(\mathrm{dis}(V_i,V_j)>\mathrm{mV})\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：dl为自然距离，mV为阈值，dg(V_i)为厂站图标模型Vi的出线度，sV为强斥力值；

mV设定为V_i，V_j的厂站图标模型不重叠时的最小距离；

sV为固定值且设定该值大于两个厂站图标模型紧挨着但不重叠时的斥力值(该值设定的太小，很难将两个重叠厂站图标模型分离；设定的太大，循环迭代时，厂站图标模型的震荡会很严重)；本实施例中设定 $\mathrm{sV}=\frac{{\mathrm{dl}}^2*10*10}{{50}^2}.$

(24)根据步骤(22)、(23)的结果计算各厂站图标模型所受的合力，根据合力的方向和大小移动厂站图标模型坐标：

把每个厂站图标模型各自的所有引力与斥力合成，得到各个厂站图标模型受到的合力force(V_i)；

将每个厂站图标模型所受的合力force(V_i)分解成x轴向的合力和y轴向的合力forcex(V_i)和forcey(V_i)，然后根据公式(4)，公式(5)计算得每个厂站图标模型的x轴移动距离dx(V_i)和y轴移动距离dy(V_i)：

$\mathrm{dx}\left(V_i\right)=\frac{\mathrm{forcex}\left(V_i\right)}{\mathrm{dg}\left(V_i\right)}---\left(4\right)$

$\mathrm{dy}\left(V_i\right)=\frac{\mathrm{forcey}\left(V_i\right)}{\mathrm{dg}\left(V_i\right)}---\left(5\right)$

将公式(4)，公式(5)计算得每个厂站图标模型的x轴移动距离dx(V_i)和y轴移动距离dy(V_i)对步骤(21)中所有厂站图标模型的坐标进行更新，再将所有的force(V_i)归零；

(25)设dm为所有厂站图标模型的dx(V_i)，dy(V_i)中的最大值；当dm小于设定值ξ，ξ为正整数(本实施例中ξ设定为50)时，厂站图标模型布局优化结束(说明各厂站图标模型的所受合力都在可以接受的范围之内了)；否则转(22)；

3)连接两个厂站图标模型的线路布置成横平竖直的折线，使得线路折线不穿过任何厂站图标模型图标及其禁区：

为了便于布线，定义：将所有连接厂站图标模型的线路用横平竖直的折线表示；

线路连接的两个厂站图标模型的引线端点构成的矩形区域中包含的厂站图标模型禁区的厂站图标模型集合为该线路的线路障碍集；

若线路连线的两个厂站图标模型的引线端点构成的矩形区域中不包含任何厂站图标模型禁区，则该线路障碍集为空集，不然该线路障碍集为非空集。

(31)线路障碍集为空集的线路的走线：

线路障碍集为空的线路，根据线路两端的坐标形成矩形，任意选取该矩形一侧折线作为线路的走线；

(32)障碍集为非空集的线路的走线：

障碍集非空集的线路的走线进一步可分为两种情况：

a.线路两端对应的矩形一侧边缘不会碰到其他厂站图标模型的厂站图标模型禁区，则直接采用矩形该侧边缘折线作为线路的走线；例如图2中，21为线路对应的矩形区域，而22和23分别为有线路连接的两个厂站图标模型的出线端点(厂站图标模型某个引脚的末梢)坐标值，24、25为边缘走线的两种路径，26为3号厂站图标模型的禁区；从图中可知25对应的路径不会碰到其他厂站图标模型的厂站图标模型禁区，则可以按照25对应的路径走线。

b.否则，采用迷宫算法进行走线，同时规定一条线路最多只能有2个折点，例如图3中，边缘走线的两种路径都会遇到其它厂站图标模型的禁区。

对于情况b，由于一条线路最多只能有2个折点，则只有水平-竖直-水平和竖直-水平-竖直两种布线方式；具体的布线步骤如下：

(321)遍历所有线路，设这时需要横平竖直绘图的线路对应的矩形x轴方向长为l，y轴方向高为h。

(322)先进行水平-竖直-水平布线方式的尝试：

处于左侧的厂站图标模型水平往右探索，一旦遇到某个厂站图标模型禁区时，停止探索，记录下此时探索所走过的距离l₁；如果在走过l的距离仍未遇到任何厂站图标模型禁区，则l₁＝l，并停止探索；同理，处于右侧的厂站图标模型按照类似的方法水平往左探索，得到探索走过的距离l₂；

如果(l₁+l₂)≤l(表明水平-竖直-水平的布线方式行不通)，则转步骤(323)；

如果(l₁+l₂)＞l，将矩形长l从左至右分成3段线段，长度分别为：l-l₂，l₁+l₂-l，l-l₁(这时，水平-竖直-水平方式若想布通，则其中的竖直线路必须布置在l₁+l₂-l这段范围内。而这竖直线路的长度等于矩形y轴方向的高h)；在长为l₁+l₂-l的这段线段范围内，从左至右以步长dl(本实施例中dl设定为3)不断尝试竖直线路是否可以不穿越任何厂站图标模型禁区；一旦存在竖直线路可以不穿越任何厂站图标模型禁区的情况，则按此此尝试线路采用水平-竖直-水平的方式布线，然后转步骤(325)；如果在l₁+l₂-l的范围内不存在竖直线路可以布通的情况(说明水平-竖直-水平的方式不可行)，则转步骤(323)。

(323)进行竖直-水平-竖直布线方式的尝试：

竖直-水平-竖直布线方式的原理与水平-竖直-水平布线方式一样，具体方法如下：

处于上方的厂站图标模型竖直向下探索，一旦遇到某个厂站图标模型禁区时，停止探索，记录下此时探索所走过的距离h₁；如果在走过h的距离仍未遇到任何厂站图标模型禁区，则h₁＝h，并停止探索；同理，处于下方的厂站图标模型按照类似的方法竖直向上探索，得到探索走过的距离h₂；

如果(h₁+h₂)≤h(表明竖直-水平-竖直的布线方式行不通)，则转步骤(324)；

如果(h₁+h₂)＞h，将矩形高h从上到下分成3段线段，长度分别为：h-h₂，h₁+h₂-h，h-h₁(这时，竖直-水平-竖直方式若想布通，则其中的水平线路必须布置在h₁+h₂-h这段范围内。而这水平线路的长度等于矩形x轴方向的长l)；在长为h₁+h₂-h的这段线段范围内，从上至下以步长dl(本实施例中dl设定为3)不断尝试竖直线路是否可以不穿越任何厂站图标模型禁区；一旦存在水平线路可以不穿越任何厂站图标模型禁区的情况，则按此此尝试线路采用竖直-水平-竖直的方式布线，然后转步骤(325)；如果在h₁+h₂-h的范围内不存在水平线路可以布通的情况(说明竖直-水平-竖直的方式不可行)，则转步骤(324)。

(324)如果水平-竖直-水平和竖直-水平-竖直两种布线方式都行不通的话，则先不绘制该条线路；

(325)如果已经遍历完所有的线路，则转步骤(326)，否则转步骤(321)。

(326)若存在未绘制的线路，则手工移动某些影响横平竖直绘图的厂站图标模型，从而确保所有线路都可以用横平竖直的折线表示出来，结束布局；若不存在未绘制的线路，结束布局。

Claims (3)

1、一种电网潮流图自动生成方法，其特征在于，该发明方法包括：定义电网潮流图的厂站图标模型，该图标由中间的矩形和矩形四边上伸出的多个引线构成，每边的引线长度从中部向两侧依次递减，连接各边最短引线端点所围成的区域构成厂站图标禁区；该方法包括以下步骤：

1)把待生成潮流图的画面分成等间隔的m*n个区域，m，n均为正整数，将厂站图标模型按厂站的相对地理位置分配到相应区域中；

2)采用引力-斥力模型对厂站图标模型坐标在其所属的区域内进行优化，使厂站图标模型间的线路交叉最少；

3)连接两个厂站图标模型的线路布置成横平竖直的折线，使得线路折线不穿过任何厂站图标模型图标及其禁区。

2、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：

(21)在各厂站图标模型所属区域的坐标范围内，随机生成所有厂站图标模型的坐标；

(22)计算各个厂站图标模型之间的相互引力gv：

若两个厂站图标模型对应的实际厂站没有连线时，引力gv为0；

若有连线时，当两个厂站图标模型之间的距离小于自然距离时，引力gv为0；否则引力gv将与厂站图标模型V_i和V_j之间的当前距离与设定的自然距离的差值成正比，该引力的绝对值|gv|如公式(1)所示：

$\left|\mathrm{gv}\right|=\left\{\begin{array}{c}{k}_1*((\mathrm{dis}(V_i,V_j)-\mathrm{dl}),(\mathrm{dis}(V_i,V_j)>\mathrm{dl})\\ 0,(\mathrm{dis}(V_i,V_j)<=\mathrm{dl})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：k₁——正比例系数；

      dl——自然距离；

      dis(V_i，V_j)——厂站图标模型V_i和V_j之间的当前距离；

(23)计算各个厂站图标模型之间的相互斥力rp：

当两个厂站图标模型的距离小于阈值时，两者之间的斥力为强斥力值；否则，相互斥力与两厂站图标模型的出线度成正比，与两厂站图标模型的距离平方成反比；相互斥力的绝对值|rp|如公式(3)所示：

$\left|\mathrm{rp}\right|=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sV},(\mathrm{dis}(V_i,V_j)<=\mathrm{mV})\\ \frac{{\mathrm{dl}}^2*\mathrm{dg}\left(V_i\right)*\mathrm{dg}\left(V_j\right)}{\mathrm{dis}{(V_i,V_j)}^2},(\mathrm{dis}(V_i,V_j)>\mathrm{mV})\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：dl为自然距离，mV为阈值，dg(V_i)为厂站图标模型V_i的出线度，sV为强斥力值；

mV设定为V_i，V_j的厂站图标模型不重叠时的最小距离；

sV为固定值且设定该值大于两个厂站图标模型紧挨着但不重叠时的斥力值；

(24)根据步骤(22)、(23)的结果计算各厂站图标模型所受的合力，根据合力的方向和大小移动厂站图标模型坐标：

把每个厂站图标模型各自的所有引力与斥力合成，得到各个厂站图标模型受到的合力force(V_i)；

将每个厂站图标模型所受的合力force(V_i)分解成x轴向的合力和y轴向的合力forcex(V_i)和forcey(V_i)，然后根据公式(4)，公式(5)计算得每个厂站图标模型的x轴移动距离dx(V_i)和y轴移动距离dy(V_i)：

$\mathrm{dx}\left(V_i\right)=\frac{\mathrm{forcex}\left(V_i\right)}{\mathrm{dg}\left(V_i\right)}---\left(4\right)$

$\mathrm{dy}\left(V_i\right)=\frac{\mathrm{forcey}\left(V_i\right)}{\mathrm{dg}\left(V_i\right)}---\left(5\right)$

将公式(4)，公式(5)计算得每个厂站图标模型的x轴移动距离dx(V_i)和y轴移动距离dy(V_i)对步骤(21)中所有厂站图标模型的坐标进行更新，再将所有厂站图标模型的force(V_i)归零；

(25)设dm为所有厂站图标模型的dx(V_i)，dy(V_i)中的最大值；当dm小于设定值ξ时，ξ为正整数，厂站图标模型布局优化结束；否则转(22)；

3、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：定义：将所有连接厂站图标模型的线路用横平竖直的折线表示；

线路连接的两个厂站图标模型的引线端点构成的矩形区域中包含的厂站图标模型禁区的厂站图标模型集合为该线路的线路障碍集；

若线路连线的两个厂站图标模型的引线端点构成的矩形区域中不包含任何厂站图标模型禁区，则该线路障碍集为空集，否则该线路障碍集为非空集。

(31)线路障碍集为空集的线路的走线：根据线路两端的坐标形成矩形，任意选取该矩形一侧折线作为线路的走线；

(32)障碍集为非空集的线路的走线：

a.线路两端对应的矩形一侧边缘不会碰到其他厂站图标模型的厂站图标模型禁区，则直接采用矩形该侧边缘折线作为线路的走线；

b.否则，采用迷宫算法进行走线，同时规定一条线路最多只能有2个折点，

具体的布线步骤如下：

(321)设当前需要横平竖直绘图的线路对应的矩形x轴方向长为l，y轴方向高为h；

(322)先进行水平-竖直-水平布线方式的尝试：

处于左侧的厂站图标模型水平往右探索，一旦遇到某个厂站图标模型禁区时，停止探索，记录下此时探索所走过的距离l₁；如果在走过l的距离仍未遇到任何厂站图标模型禁区，则l₁＝l，并停止探索；同理，处于右侧的厂站图标模型按照类似的方法水平往左探索，得到探索走过的距离l₂；

如果(l₁+l₂)≤l，则转步骤(323)；

如果(l₁+l₂)＞l，将矩形长l从左至右分成3段线段，长度分别为：l-l₂，l₁+l₂-l，l-l₁；在长为l₁+l₂-l的这段线段范围内，从左至右以步长dl不断尝试竖直线路是否可以不穿越任何厂站图标模型禁区；一旦存在竖直线路可以不穿越任何厂站图标模型禁区的情况，则按此此尝试线路采用水平-竖直-水平的方式布线，然后转步骤(325)；如果在l₁+l₂-l的范围内不存在竖直线路可以布通的情况，则转步骤(323)；

(323)进行竖直-水平-竖直布线方式的尝试：具体方法如下：

处于上方的厂站图标模型竖直向下探索，一旦遇到某个厂站图标模型禁区时，停止探索，记录下此时探索所走过的距离h₁；如果在走过h的距离仍未遇到任何厂站图标模型禁区，则h₁＝h，并停止探索；同理，处于下方的厂站图标模型按照类似的方法竖直向上探索，得到探索走过的距离h₂；

如果(h₁+h₂)≤h，则转步骤(324)；

如果(h₁+h₂)＞h，将矩形高h从上到下分成3段线段，长度分别为：h-h₂，h₁+h₂-h，h-h₁；在长为h₁+h₂-h的这段线段范围内，从上至下以步长dl不断尝试竖直线路是否可以不穿越任何厂站图标模型禁区；一旦存在水平线路可以不穿越任何厂站图标模型禁区的情况，则按此此尝试线路采用竖直-水平-竖直的方式布线，然后转步骤(325)；如果在h₁+h₂-h的范围内不存在水平线路可以布通的情况，则转步骤(324)。

(324)如果水平-竖直-水平和竖直-水平-竖直两种布线方式都行不通的话，则先不绘制该条线路；

(325)如果已经遍历完所有的线路，则转步骤(326)，否则转步骤(321)。

(326)若存在未绘制的线路，则手工移动某些影响横平竖直绘图的厂站图标模型，从而确保所有线路都可以用横平竖直的折线表示出来，结束布局；若不存在未绘制的线路，结束布局。

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