CN104951844A - 一种配电网专题图布局优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网专题图布局优化方法，包括如下步骤：针对不同类型的配电网专题图，首先采用力导向布局方式进行优化，然后针对局部的布局优化需求，进一步采用拓扑树形布局方式进行优化。利用本发明，解决了人工绘制或使用配电网专题图所出现的图形重叠、布局不合理、连接线交叉重叠等问题。在图形表达准确完整的前提下，保证了图形布局均匀、大小适中、美观清晰，在一定范围内提升了配电网专题图的可用性和易读性。

Description

一种配电网专题图布局优化方法

技术领域

本发明涉及一种配电网专题图布局优化方法，属于配电自动化技术领域。

背景技术

在配电自动化技术中，专题图是针对配电网业务需要所形成的特定的电网连接图，包括单线图，环网图等。目前，配电自动化主站系统的专题图来源主要有手工绘制及电网GIS平台提供两种方式。其中，手工绘制是由电力系统的专业人员在专用的图形编辑软件上绘制。在绘制过程中，由于图幅数量多，连接关系复杂，且人工绘制耗时、易出错并且同步性较差。随着配电网规模的日益扩大，设备数量和线路复杂度都不断增大，使得手工绘制付出的成本急剧提高，后期也难以维护。另一方面，采用电网GIS平台提供的专题图，虽然保证了源端的唯一性，但该类图形只注重地理信息及拓扑连接关系的展示，忽略了调度使用时对图形位置的布局要求，在日常使用中无法适应电网调度人员的使用习惯。

在专利号为ZL 201120498308.5的中国实用新型专利中，公开了一种基于地理背景应用的智能配电系统，它包括基于地理信息系统的中心服务器，基于地理信息系统的中心服务器的输入端分别与电网分析服务器，客户管理服务器，负荷管理服务器和数据库服务器的输出端连接；基于地理信息系统的中心服务器的输出端与显示终端连接；电网分析服务器的输入端分别与电能表，电流互感器，电力线路保护装置和电力设备监控装置的输出端连接。该系统可以存储多种性质的数据，易于读取、安全可靠，且系统具有强大判断能力和辅助决策能力，适于开发出各种应用分析系统，以及用来编制各种专题图、综合图等。

面对配电网图形改进的需求日趋强烈，针对图形布局的优化算法也相继被提出。目前，常用的优化算法是基于已经绘制好的图形，局部进行调整，尽量避免图形之间的交叉，但该优化算法仅仅适用于配电网单线图的绘制。在实现专题图展示的同时，如何保证图形布局均匀，美观，图形之间避免重叠交叉仍然是配电网专题图布局的关键问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种配电网专题图布局优化方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种配电网专题图布局优化方法，包括如下步骤：

针对不同类型的配电网专题图，首先采用力导向布局方式进行优化，然后针对局部的布局优化需求，进一步采用拓扑树形布局方式进行优化。

其中较优地，在所述力导向布局方式中，将电气设备虚拟化成物理的模型节点，设备拓扑关系虚拟化成力模型，直接相连接的设备拓扑关系虚拟化成拉力，任意电气设备之间的关系虚拟化成张力，通过拉力和张力的彼此作用，将整幅图中的所有节点达到一个相对物理平衡的状态，避免节点的重叠和部分交叉。

其中较优地，在采用力导向布局方式进行优化时，首先固定起始节点，然后进行拉力-张力计算，实现每个节点的局部平衡；将处于局部平衡的节点设为可固定节点，进行正交化处理，然后采用广度遍历、依次固定临近的节点，直至不存在没有固定的节点为止。

其中较优地，如果判断结论是没有可固定节点，则进行人工拖拽，选择特定的节点进行拉力-张力计算。

其中较优地，如果存在剩余节点，对所述剩余节点进行人工拖拽，选择特定的节点进行拉力-张力计算。

其中较优地，在所述拓扑树形布局方式中，将所有电气设备按照拓扑关系进行枝干的分级标识，将根节点到达最远叶子节点所经历的电气设备定义为主干设备，其他电气设备定义为枝干设备，并赋予每一级枝干方向概念。

其中较优地，在所述拓扑树形布局方式中，拓扑树的遍历规则为：

遍历设置树节点到根节点的距离值，根节点到其自身的距离为0，根节点的孩子节点到达根节点的距离为1，依次累加；

遍历设置拓扑树节点到最远叶子节点的距离值，叶子节点到其自身的距离为0，叶子节点的父节点到其叶子结点的距离为1，依次累加，如果一个节点有多个子节点，那么设置为到最远叶子节点的距离；

遍历设置拓扑树主干节点标志，将根节点到最远的叶子节点之间所经过的设备定义为主干，主干方向水平向右；

遍历设置拓扑树其他枝干节点标志，与主干相连接的为二级枝干，与二级枝干相连接的为三级枝干，依次定义出枝干级别，下一级枝干方向优先选择垂直于上一级枝干的方向，二级枝干中最长的一枝方向垂直向下；

遍历设置树节点到上一级节点的距离值，并将树节点的子节点排序，设置节点到上一级枝干节点的距离值，并将节点的子节点按照枝干级别排序，如果枝干级别相同，则按照子节点距离最远叶子节点的距离值排序。

其中较优地，在按照所述遍历规则生成拓扑树之后，根据拓扑树的结构进行布局；在布局时考虑配电网设备的重叠或者交叉需要，对配电网设备的位置进行调整。

其中较优地，在所述拓扑树形布局方式中，通过如下步骤避免出现交叉：

在开展某一个新节点的布局时，首先判断是否与已经布局的配电网设备发生碰撞；如果判断结果为是的话，则判断已经布局完成的配电网设备有效，移动该节点；如果判断结果为否的话，则进一步判断该节点是否为枝干的根节点，如果判断结果为是的话，则布局与该节点在同级枝干有连接关系的整条枝干节点，如果判断结果为否的话，设置当前节点为已布局节点，并按规则设置有效移动节点；进一步判断是否还有剩余节点；如果有的话，重复上述步骤直至剩余节点布局完毕为止；如果没有的话，结束整个布局过程。

与现有技术相比较，本发明对配电网专题图在使用过程中图形内部布局不能满足使用需要，出现图形重叠、布局不合理、连接线交叉重叠等问题进行优化和解决。利用本发明，在图形表达准确完整的前提下，保证了图形布局均匀、大小适中、美观清晰，在一定范围内提升了配电网专题图的可用性和易读性。

附图说明

图1为本发明中，力导向布局方式的实施步骤示意图；

图2为改造前的拓扑树示意图；

图3为改造后的拓扑树示意图；

图4为拓扑树形布局方式中，避免出现交叉的实施步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

在电力系统中，电网GIS平台是实现电网资源的结构化管理和图形化展现，以面向服务的架构为各类业务应用提供电网图形和分析服务的企业级电网空间信息服务平台。该平台也是将电力企业的电力设备、变电站、输配电网络、电力用户与电力负荷和生产及管理等核心业务进行连接，形成满足电力信息化要求的综合生产管理信息系统。

本发明所提供的配电网专题图布局优化方法以电网GIS平台为基础，依靠公共信息模型(Common Information Model，简写为CIM)以及可缩放矢量图形(Scalable Vector Graphics，简写为SVG)，针对不同类型的配电网专题图采用不同的方法快速布局并根据需要进行调整。在图形表达准确完整的前提下，保证了图形布局均匀、大小适中、美观清晰。下面对此展开详细具体的说明。

公共信息模型用于描述电力企业的所有主要对象，特别是与电力运行有关的对象，并使用对象类和属性及它们之间关系来表示电力系统资源。CIM模型由核心模型、公共模型和扩展模型三层构成。其中，核心模型是一系列类、连接和属性的集合，该对象组提供了所有管理域通用的基本信息模型；公共模型提供特定管理域的通用信息模型，这些特定管理域，如系统、应用程序、网络和设备等；扩展模型代表通用模型的特定技术扩展。

可缩放矢量图形是基于可扩展标记语言(标准通用标记语言的子集)，用于描述二维矢量图形的一种图形格式。它本身规范了矢量图形的格式，并将其在客户端浏览器上的解析和表现交给了SVG VIEWER插件(高版本的浏览器已经完全支持SVG渲染)，通过提供服务器端调用及客户端的脚本语言共同完成配电网图形的渲染，从而使服务端的矢量图形数据直接供用户浏览、查询和分析，大大减少了服务器的负载及网络数据的传输量。

在本发明中，配电网模型的基本组织形式是以馈线为最小基本单元的模型集合，馈线之下存在虚拟厂站、分支线、开关柜类厂站。配电网容器层次结构为：馈线、馈线厂站、电压等级。以馈线作为根节点，馈线下包含馈线线段、馈线虚拟厂站和其他配电厂站，配电厂站下包含开关、母线、配变等电气设备。馈线虚拟厂站存放馈线上的设备。针对电力系统的专业人员在配电网专题图使用过程中存在的如图形分布不均匀、连接线重叠、图形大小不规范、布局不合理等布局问题，本发明所提供的配电网专题图布局优化方法在优化过程中采用2种布局方式，即力导向布局和拓扑树形布局，通过两种布局方式相结合的方式，满足配电网专题图在调度现场的使用需求。

本发明所提供的配电网专题图布局优化方法优先采用力导向布局方式进行优化，然后针对局部的布局优化需求，进一步采用拓扑树形布局方式进行优化。具体说明如下：

力导向布局方式是将单个电气设备虚拟化成一个物理的模型节点，设备的拓扑关系虚拟化成力模型，直接相连接的设备拓扑关系虚拟化成拉力，任意电气设备之间的关系虚拟化成张力，通过拉力和张力的彼此作用，将整幅图中的所有节点达到一个相对物理平衡的状态，避免节点的重叠和部分交叉。

如图1所示，力导向布局方式的整体实施步骤是这样的：首先固定起始节点，然后进行拉力-张力计算。在拉力和张力的作用下，每个节点根据所受作用力的合力移动，直到所有节点所受作用力达到最小且趋于平衡，找到每个节点的坐标值，并根据坐标生成最终图形。拉力-张力计算何时停止，即如何确定达到平衡状态，是一个比较复杂的问题，而且保证全局平衡时非常困难的，因此在本发明中首先保证实现每个节点的局部平衡，并将这些处于局部平衡的节点设为可固定节点。对于可固定节点，首先进行正交化处理，然后采用广度遍历、依次固定临近的节点，直至不存在没有固定的节点为止，这样就达到固定所有节点的目的。

在实践中，仅仅采用上述实施步骤往往不能满足配电网专题图的布局需求，成图后所有的连接线不是成水平垂直状而是成网状扩散型，但配电网专题图中所有图形为横平竖直的结构，并且每次平衡后形成的形状不一致。为了解决这一问题，本发明在实施过程中引入了人工拖拽的操作，即在判断是否有可固定节点时，如果结论是没有可固定节点，此时可以进行人工拖拽，选择特定的节点进行拉力-张力计算。在判断是否存在剩余节点时，如果存在剩余节点，也可以对这些剩余节点进行人工拖拽，选择特定的节点进行拉力-张力计算。这样，在本发明所采用的力导向布局方式中，采用自动算法控制与人工干预相结合的方法，在必要时通过人工拖拽节点的位置，带动其他节点产生移动，能够更快速地达到平衡状态。

需要说明的是，上述的力导向布局方式主要负责对配电网专题图进行整体布局，但是对于局部的设备关系，往往由于其存在的业务布局的规范和需要，力导向布局方式无法满足局部布局的要求。所以，针对局部的设备关系，可以采用拓扑树形布局方式进行局部优化，以满足配电网专题图的使用要求。

拓扑树形布局方式依赖于公共信息模型(CIM)文件实现。它自动创建拓扑结构和展现形式，主要针对配电网专题图局部不满足需要的部分进行优化。具体说明如下：

公共信息模型(CIM)文件中的拓扑定义原则是，所有电气设备均设计为多端元件，如线段，开关为双端元件，所有元件都具有端点定义，这样一条馈线的所有设备模型就可以形成一棵以变电站母线或者出线开关为根的树形结构。其中，站房设备作为一个整体节点参与拓扑计算，站房内设备根据模板进行布局。

在本发明所采用的拓扑树形布局方式中，将所有电气设备按照拓扑关系进行枝干的分级标识，将根节点到达最远叶子节点所经历的电气设备定义为主干设备，其他电气设备定义为枝干设备，并赋予每一级枝干方向概念，共有8个方向可选择：左、右、上、下、左上、左下、右上、右下。

拓扑树的遍历规则具体依照以下步骤进行：

遍历设置树节点到根节点的距离值，根节点到其自身的距离为0，根节点的孩子节点到达根节点的距离为1，依次累加；

遍历设置拓扑树节点到最远叶子节点的距离值，叶子节点到其自身的距离为0，叶子节点的父节点到其叶子结点的距离为1，依次累加，如果一个节点有多个子节点，那么设置为到最远叶子节点的距离；

遍历设置拓扑树主干节点标志，将根节点到最远的叶子节点之间所经过的设备定义为主干，主干方向水平向右；

遍历设置拓扑树其他枝干节点标志，与主干相连接的为二级枝干，与二级枝干相连接的为三级枝干，依次定义出枝干级别，下一级枝干方向优先选择垂直于上一级枝干的方向，二级枝干中最长的一枝方向垂直向下；

遍历设置树节点到上一级节点的距离值，并将树节点的子节点排序，设置节点到上一级枝干节点的距离值，并将节点的子节点按照枝干级别排序，如果枝干级别相同，则按照子节点距离最远叶子节点的距离值排序。

根据上述拓扑树的遍历规则，改造前的拓扑树(图2所示)可以被改造为图3所示的拓扑树。

在按照遍历规则生成拓扑树之后，根据拓扑树的结构进行布局，布局时考虑到配电网设备的重叠或者交叉需要，对配电网设备的位置进行调整(如图3中的节点a6与节点a9所示)。在这个过程中，避免出现交叉的具体算法流程如图4所示：

首先，在开展某一个新节点的布局时，首先判断是否与已经布局的配电网设备发生碰撞；如果判断结果为是的话，则判断已经布局完成的配电网设备有效，移动该节点；如果判断结果为否的话，则进一步判断该节点是否为枝干的根节点，如果判断结果为是的话，则布局与该节点在同级枝干有连接关系的整条枝干节点，如果判断结果为否的话，设置当前节点为已布局节点，并按规则设置有效移动节点；进一步判断是否还有剩余节点；如果有的话，重复上述步骤直至剩余节点布局完毕为止；如果没有的话，结束整个布局过程。

与现有技术相比较，本发明解决了人工绘制或使用配电网专题图所出现的图形重叠、布局不合理、连接线交叉重叠等问题，在一定范围内提升了配电网专题图的可用性和易读性。

上面对本发明所提供的配电网专题图布局优化方法进行了详细的说明，但显然本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

针对不同类型的配电网专题图，首先采用力导向布局方式进行优化，然后针对局部的布局优化需求，进一步采用拓扑树形布局方式进行优化。

2.如权利要求1所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

在所述力导向布局方式中，将电气设备虚拟化成物理的模型节点，设备拓扑关系虚拟化成力模型，直接相连接的设备拓扑关系虚拟化成拉力，任意电气设备之间的关系虚拟化成张力，通过拉力和张力的彼此作用，将整幅图中的所有节点达到一个相对物理平衡的状态，避免节点的重叠和部分交叉。

3.如权利要求2所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

在采用力导向布局方式进行优化时，首先固定起始节点，然后进行拉力-张力计算，实现每个节点的局部平衡；将处于局部平衡的节点设为可固定节点，进行正交化处理，然后采用广度遍历、依次固定临近的节点，直至不存在没有固定的节点为止。

4.如权利要求3所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

如果判断结论是没有可固定节点，则进行人工拖拽，选择特定的节点进行拉力-张力计算。

5.如权利要求3所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

如果存在剩余节点，对所述剩余节点进行人工拖拽，选择特定的节点进行拉力-张力计算。

6.如权利要求1所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

在所述拓扑树形布局方式中，将所有电气设备按照拓扑关系进行枝干的分级标识，将根节点到达最远叶子节点所经历的电气设备定义为主干设备，其他电气设备定义为枝干设备，并赋予每一级枝干方向概念。

7.如权利要求6所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于在所述拓扑树形布局方式中，拓扑树的遍历规则为：

遍历设置树节点到根节点的距离值，根节点到其自身的距离为0，根节点的孩子节点到达根节点的距离为1，依次累加；

遍历设置拓扑树节点到最远叶子节点的距离值，叶子节点到其自身的距离为0，叶子节点的父节点到其叶子结点的距离为1，依次累加，如果一个节点有多个子节点，那么设置为到最远叶子节点的距离；

遍历设置拓扑树主干节点标志，将根节点到最远的叶子节点之间所经过的设备定义为主干，主干方向水平向右；

遍历设置拓扑树其他枝干节点标志，与主干相连接的为二级枝干，与二级枝干相连接的为三级枝干，依次定义出枝干级别，下一级枝干方向优先选择垂直于上一级枝干的方向，二级枝干中最长的一枝方向垂直向下；

遍历设置树节点到上一级节点的距离值，并将树节点的子节点排序，设置节点到上一级枝干节点的距离值，并将节点的子节点按照枝干级别排序，如果枝干级别相同，则按照子节点距离最远叶子节点的距离值排序。

8.如权利要求7所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于：

在按照所述遍历规则生成拓扑树之后，根据拓扑树的结构进行布局；在布局时考虑配电网设备的重叠或者交叉需要，对配电网设备的位置进行调整。

9.如权利要求8所述的配电网专题图布局优化方法，其特征在于在所述拓扑树形布局方式中，通过如下步骤避免出现交叉：

在开展某一个新节点的布局时，首先判断是否与已经布局的配电网设备发生碰撞；如果判断结果为是的话，则判断已经布局完成的配电网设备有效，移动该节点；如果判断结果为否的话，则进一步判断该节点是否为枝干的根节点，如果判断结果为是的话，则布局与该节点在同级枝干有连接关系的整条枝干节点，如果判断结果为否的话，设置当前节点为已布局节点，并按规则设置有效移动节点；进一步判断是否还有剩余节点；如果有的话，重复上述步骤直至剩余节点布局完毕为止；如果没有的话，结束整个布局过程。