CN106202662B - 一种配电网网架图自动绘制映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网网架图自动绘制映射方法，包括：初始化网架连接信息，识别网络中设备字典表，确定配电网设备类型和配电网线路连接点数目，对不同网络号的网架进行分组；对每个配电网的配电网设备和线路梳理，形成节点‑支路关联矩阵；根据节点间连接关系随机确定设备节点位置数组的坐标值；计算节点间斥力和引力；判断配电网网络总能量和迭代次数是否超过阈值，对节点间线路进行正交化；对交叉线路进行调整，确定跨线位置，并重新确定设备节点位置数组的坐标值，并存储坐标值。本发明基于力导向算法通过数据库中线路的连接信息，实现负责配电网网架正交图的拓扑绘制，保障绘制的图形美观性与一致性，实现高维拓扑数据的图形化快速映射。

Description

一种配电网网架图自动绘制映射方法

技术领域

本发明涉及一种大规模复杂配电网网架图自动映射方法，具体涉及一种配电网网架图自动绘制映射方法。

背景技术

随着配电自动化及智能电网的大规模建设，分布在配电自动化系统、地理信息系统，PMS系统、能量管理系统及高级应用系统中的各类图模信息交换更加频繁，当前配电网各系统的数据源为地理信息系统及能量系统导入，地理信息系统负责低压(10kV及以下线路导入)线路导入，能量管理系统负责高压(110kV、220k等)配电网图模导入，不同系统中对配电网线路图形缺乏统一的交换通道，各系统间导入导出对拓扑模型、配电网线路设备、图元布局难以达到较高的一致性，不能实现即导即用。或者直接导入时，图形美观程度不够，不能达到配电网系统中要求的绘图标准。供电公司专门安排大批人员参与图模绘制和修改，形形色色的配电网绘图工具或图模维护工具为各应用系统提供了数据接口和图形绘制平台，有效的提高了配电网基础数据录入和维护的效率，但是图模维护工具操作复杂，学习成本较高，具体制图过程涉及绘图，检查，审批，校核等多个流程，图模维护工作量巨大，发生错误时不容易修改，出现连通性和拓扑错误时很难发现。同时因为配电网建设和变化较快，图模维护速度往往滞后，不能满足工程现场的具体应用，无法保证配电自动化调度控制的准确性，更难以对上层仿真、规划等高级应用提供科学的网架支撑，影响可视化效果。如何利用配电网拓扑连接数据，通过拓扑分析及相应的绘图算法，实现配电网网架结构正交图的智能绘制，简化人员制图、校核工作量，实现配电网各应用系统间图模简单夸平台转换，是当前配电网各系统平台可视化之难点。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种配电网网架图自动绘制映射方法，本发明基于力导向算法通过数据库中线路的连接信息，实现负责配电网网架正交图的拓扑绘制，保障绘制的图形美观性与一致性，实现高维拓扑数据的图形化快速映射。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种配电网网架图自动绘制映射方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：初始化网架连接信息，识别网络中设备字典表，确定配电网设备类型和配电网线路连接点数目；

步骤2：对每个配电网的配电网设备和线路梳理，形成节点-支路关联矩阵EV；

步骤3：对每一个节点-支路关联矩阵EV，根据节点间连接关系随机确定设备节点位置数组的坐标值；

步骤4：对每一个节点-支路关联矩阵EV中所有节点连接计算节点间斥力和引力；

步骤5：判断配电网网络总能量是否超过阈值，若超过阈值，则进行步骤6，否则跳转到步骤3；判断迭代次数是否超过阈值，若超过阈值，则进行步骤7，否则跳转到步骤3；

步骤6：根据节点-支路关联矩阵中记录的连接关系，对节点间线路进行正交化，重新确定设备节点位置数组的坐标值；对交叉线路进行调整，确定跨线位置，并重新确定设备节点位置数组的坐标值；

步骤7：存储更新后的坐标值，并判断是否还有其他网络，若有，则跳转到步骤2，否则结束本次迭代。

进一步地，所述步骤2中，对每个网络中的配电网设备和配电网线路，用集合G＝＜V,E＞来表示图形，V表示配电网设备节点，E表示配电网线路，形成节点-支路关联矩阵EV，用于表示节点间连接关系。

进一步地，所述步骤3中，按照下式将设备节点位置数组的坐标赋随机值：

其中：，同时建立设备节点位置数组{X,Y}；topo(V_i)为配电网设备节点V深度遍历到的次序，s、c为随机值，通过这种处理方式初始化设备节点位置；根据式(1)形成更新设备位置数组{X,Y}；X_i、Y_i、V_i、i分别表示第i次迭代设备节点位置数组的横坐标和纵坐标、设备的第i个节点和第i次迭代。

进一步地，所述步骤4包括下述步骤：

(1)随机分布初始节点位置，设定迭代次数和阈值；

(2)计算每次迭代局部区域内两两节点间的斥力所产生的单位位移，斥力设定为正值；

(3)开始计算网络中每条边的引力对两端节点所产生的单位位移，引力设定为负值。

进一步地，根据节点间连接关系，计算节点-支路关联矩阵EV中所有节点间斥力和引力，对于设备节点V_i受到其他节点斥力大小为fc，连接两节点边E_i产生的引力大小为fy：

fy(E_k)＝-ln[ky(|x_j-x_i|+|y_j-y_i|)],V_j＝znd(E_k),V_i＝nd(E_k) (3)

其中：k为弹性参数，E_k表示第k条配电网线路；l_i为偏移变量，Conn(V_i)为所有与点V_i相连接的变量，znd表示边E_i连接的始节点，nd表示与边E_i连接的末节点，kc为斥力系数，ky为引力系数；V_j表示设备节点，x_i、y_i为V_i的坐标，x_j、y_j为V_j的坐标，i、j分别为集合Conn(V_i)中的任意两个数。

进一步地，所述步骤5中，依据节点间斥力和引力得到设备节点V_i的移动距离更新为：

式中：m为移动系数，m与给定正交图绘制范围成线性相关，Xi、Yi分别为第i次迭代设备节点位置数组的横坐标和纵坐标；同时计算整个配电网的能量，判断是否超过阈值，若超过迭代次数或阈值越线则停止迭代移动，整个配电网的能量用下式表示：

其中：G表示集合，fc为配电网设备节点V_i受到其他节点斥力大小为，fy为连接两配电网设备节点V_i的配电网线路E_i产生的引力大小。

进一步地，所述步骤6包括下述步骤：

1)调整节点间的距离、节点在系统所在区域的平均单位区域；

2)根据每个节点的唯一距离，调整所有节点；累加计算整个配电网的能量值，与输入的阈值或迭代次数进行比对，如果大于阈值或迭代次数跳转到步骤3)，小于阈值或迭代次数则跳转到步骤4；

3)结束网络拓扑，存储各节点及线路的横坐标和纵坐标位置。

进一步地，迭代移动结束后，网络处于稳定状态，循环读取{X,Y}数组，开始对节点间的线路进行正交化处理，包括下述步骤：

(1)对集合G＝＜V,E＞开始广度遍历，通过调整角度保证主枝干呈水平，从主枝干开始与主枝干相连的边垂直于主枝干，对E添加折点，更新设备节点数组坐标{X,Y}；V表示配电网设备节点，E表示配电网线路；

(2)确定与主枝干相连的边为主枝干，广度遍历该主枝干的所有子节点集合G'＝＜V',E'＞，保证与主枝干相连的边垂直于主枝干并对E'添加折点，更新配电网设备节点V'数组坐标，并迭代循环此过程，直至所有边都被调整完成；

其中：V'为子节点所连接树的子节点，E'是子节点所连接树的子边；

(3)依次调整跨线位置，保证相交线l_i与l_j垂直，更新设备节点数组坐标{X,Y}；

(4)完成所有线路调整，并得到配电网设备节点数组坐标{X,Y}和E的所有折点坐标，按照需要的格式存储到数据库中，完成配电网网架正交图的自动映射。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

(1)本发明提供的方法实现了对大规模复杂配电网网架结构正交图的自动绘制，快速高效制图，准确性高，可视效果优秀，能够应用在配电网各种应用系统的图模化工具中。

(2)本发明提供的方法基于的力导向算法，相较于等其他自动绘图方法收敛性较强，效率更高，算法的时间复杂度随着网络规模的扩大并不会出现效率降低，在社交网络等大规模场景中已得到了成熟应用，因此可以应对大规模复杂配电网网架结果图的绘制。

附图说明

图1是本发明提供的配电网网架图自动绘制映射方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明的目的在于提出一种基于力导向算法的大规模复杂配电网网架图自动映射方法，基于配电网网架连接数据实现大规模复杂配电网网架结构图的快速自动绘图，包括网架连接信息的自组织，网架接线图的自动绘制和网架图的正交化三个过程。本发明的核心是基于力导向算法的网架接线图的自动绘制,通过对每个节点的计算，算出节点间的引力和斥力，迭代异动节点位置。通过最小化整个网络能量值的目标函数，实现配电网网架图的自动绘制。算法能够应对大规模复杂配电网的拓扑和自动绘制，并具有较优的收敛性，该方法的流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：初始化网架连接信息，识别设备和线路的连接点数目，对不同网络号的网架进行分组。

步骤2：对每个网络的设备和线路，梳理分为线路和设备部分，形成节点-支路关联矩阵用于表达节点间连接关系。

步骤3：根据节点间连接关系，随机确定分布网络中的所有点，计算节点间斥力和引力，同时相应挪动位置，计算整个网络的能量值并循环迭代次过程，直到能量值超出阈值或迭代次数超过设定值。记录最终每个节点最终位置，并更新节点-支路关联矩阵；

包括以下步骤：

(1)随机分布初始节点位置，设定迭代次数和阈值。

(2)计算每次迭代局部区域内两两节点间的斥力所产生的单位位移(排斥力这里设定为正值)；

(3)开始计算网络中每条边的引力对两端节点所产生的单位位移(引力设定为负值)；

(4)调整节点间的距离、节点在系统所在区域的平均单位区域；

(5)根据每个节点的唯一距离，调整所有节点，；累加计算整个网络的能量值，与输入的阈值或迭代次数进行比对，如果大于阈值或迭代次数跳转到(5)，小于阈值或迭代次数则跳转到(2)。

(6)结束网络拓扑，存储各节点及线路的横坐标和纵坐标位置。

步骤4：根据节点-支路关联矩阵中记录的连接关系，对节点间线路进行正交化，对交叉线进行调整，更新每个节点和线路的最终坐标位置。

实施例

本发明设计了一种基于力导向算法的大规模复杂配电网网架图自动映射方法，相较于多叉树层次遍历或网格方法，不仅能够高效生成大规模复杂多级配电网络，在处理例如多分段多联络、π接型，网格型等配电网环网类拓扑也具有一定可行性。随着经济社会的发展，配电网网络结构变化频繁，单纯依靠人工手动绘制的配电网接线图非常困难，工程量巨大，一般地市公司需要雇佣大量人员进行图模整理和绘制。另一方面当前配电网各应用系统对配电网接线图交互比较弱，从地理信息系统、能量管理系统或生产管理系统中来的图模数据和配电线路接线图不能实现即导即用，需要修改和重绘，这暴露出配电网数据交互通道不通畅等问题。本发明包括基于力导向算法的网架图绘制，配电网接线图正交化的两个关键步骤。

1、初始化网架连接信息，识别网络中设备字典表，确定各设备类型和线路连接点数目，对不同网络号的设备和线路进行分组。

2、对每个网络中的设备和线路，用G＝＜V,E＞来表示图形，其中V表示配电网设备节点，E表示配电网线路，形成节点-支路关联矩阵EV，用于表示节点间连接关系，同时建立设备节点位置数组{X,Y}。按照下面的公式将算法赋随机值：

其中topo(V_i)为设备节点E深度遍历到的次序，s、c为随机值，通过这种处理方式初始化设备节点位置，为下一步力导向算法迭代节省大量时间。根据公式1形成更新设备位置数组{X,Y}。

3、根据节点间连接关系，计算EV矩阵中所有点间斥力和引力，在这里对于设备节点V_i受到其他节点斥力大小为fc，连接两节点边E_i产生的引力大小为fy：

fy(E_k)＝-ln[ky(|x_j-x_i|+|y_j-y_i)],V_j＝znd(E_k),V_i＝nd(E_k) (3)

如上式所示其中：k为弹性参数，l_i为偏移变量，Conn(E_i)为所有与点V_i相连接的变量，znd表示边E_i连接的始节点，nd表示与边E_i连接的末节点，kc为斥力系数，ky为引力系数。依据引力和斥力得到点V_i的移动距离更新为：

如上式所示：m为移动系数，m与给定正交图绘制范围成线性相关。同时计算整个网络的能量，判断是否超过阈值，如超过次数或阈值越线则停止迭代移动。

其中：G表示集合，fc为配电网设备节点V_i受到其他节点斥力大小为，fy为连接两配电网设备节点V_i的配电网线路E_i产生的引力大小。

4、迭代移动结束后，网络处于稳定状态，循环读取{X,Y}数组，开始对节点间的线路进行正交化处理，具体包括如下步骤：

(1)对集合G＝＜V,E＞开始广度遍历，通过调整角度保证主枝干呈水平，从主枝干开始与主枝干相连的边垂直于主枝干，对E添加折点，更新设备节点数组坐标{X,Y}；V表示配电网设备节点，E表示配电网线路；

(2)确定与主枝干相连的边为主枝干，广度遍历该主枝干的所有子节点集合G'＝＜V',E'＞，保证与主枝干相连的边垂直于主枝干并对E'添加折点，更新配电网设备节点V'数组坐标，并迭代循环此过程，直至所有边都被调整完成；

其中：V'为子节点所连接树的子节点，E'是子节点所连接树的子边；

(3)依次调整跨线位置，保证相交线l_i与l_j垂直，更新设备节点数组坐标{X,Y}；

(4)完成所有线路调整，并得到配电网设备节点数组坐标{X,Y}和E的所有折点坐标，按照需要的格式存储到数据库中，完成配电网网架正交图的自动映射。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：初始化网架连接信息，识别网络中设备字典表，确定配电网设备类型和配电网线路连接点数目；

步骤2：对每个配电网的配电网设备和线路梳理，形成节点-支路关联矩阵EV；

步骤3：对每一个节点-支路关联矩阵EV，根据节点间连接关系随机确定设备节点位置数组的坐标值；

步骤4：对每一个节点-支路关联矩阵EV中所有节点连接计算节点间斥力和引力；

步骤5：判断配电网网络总能量是否超过阈值，若超过阈值，则进行步骤6，否则跳转到步骤3；判断迭代次数是否超过阈值，若超过阈值，则进行步骤7，否则跳转到步骤3；

步骤6：根据节点-支路关联矩阵中记录的连接关系，对节点间线路进行正交化，重新确定设备节点位置数组的坐标值；对交叉线路进行调整，确定跨线位置，并重新确定设备节点位置数组的坐标值；

步骤7：存储更新后的坐标值，并判断是否还有其他网络，若有，则跳转到步骤2，否则结束本次迭代；

迭代移动结束后，网络处于稳定状态，循环读取{X,Y}数组，开始对节点间的线路进行正交化处理，包括下述步骤：

(1)对集合G＝＜V,E＞开始广度遍历，通过调整角度保证主枝干呈水平，从主枝干开始与主枝干相连的边垂直于主枝干，对E添加折点，更新设备节点数组坐标{X,Y}；V表示配电网设备节点，E表示配电网线路；

(2)确定与主枝干相连的边为主枝干，广度遍历该主枝干的所有子节点集合G'＝＜V',E'＞，保证与主枝干相连的边垂直于主枝干并对E'添加折点，更新配电网设备节点V'数组坐标，并迭代循环此过程，直至所有边都被调整完成；

其中：V'为子节点所连接树的子节点，E'是子节点所连接树的子边；

(3)依次调整跨线位置，保证相交线l_i与l_j垂直，更新设备节点数组坐标{X,Y}；

(4)完成所有线路调整，并得到配电网设备节点数组坐标{X,Y}和E的所有折点坐标，按照需要的格式存储到数据库中，完成配电网网架正交图的自动映射。

2.如权利要求1所述的配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，所述步骤2中，对每个网络中的配电网设备和配电网线路，用集合G＝＜V,E＞来表示图形，V表示配电网设备节点，E表示配电网线路，形成节点-支路关联矩阵EV，用于表示节点间连接关系。

3.如权利要求1所述的配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，所述步骤3中，按照下式将设备节点位置数组的坐标赋随机值：

其中：同时建立设备节点位置数组{X,Y}；topo(V_i)为配电网设备节点V深度遍历到的次序，s、c为随机值，通过这种处理方式初始化设备节点位置；根据式(1)形成更新设备位置数组{X,Y}；X_i、Y_i、V_i、i分别表示第i次迭代设备节点位置数组的横坐标和纵坐标、设备的第i个节点和第i次迭代。

4.如权利要求1所述的配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，所述步骤4包括下述步骤：

(1)随机分布初始节点位置，设定迭代次数和阈值；

(2)计算每次迭代局部区域内两两节点间的斥力所产生的单位位移，斥力设定为正值；

(3)开始计算网络中每条边的引力对两端节点所产生的单位位移，引力设定为负值。

5.如权利要求4所述的配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，根据节点间连接关系，计算节点-支路关联矩阵EV中所有节点间斥力和引力，对于设备节点V_i受到其他节点斥力大小为fc，连接两节点边E_i产生的引力大小为fy：

fy(E_p)＝-ln[ky(|x_j-x_i|+|y_j-y_i|)]，V_j＝znd(E_p)，V_i＝nd(E_p) (3)

其中：k为弹性参数，E_p表示第p条配电网线路；l_i为偏移变量，Conn(V_i)为所有与点V_i相连接的变量，znd表示边E_i连接的始节点，nd表示与边E_i连接的末节点，kc为斥力系数，ky为引力系数；V_j表示设备节点，x_i、y_i为V_i的坐标，x_j、y_j为V_j的坐标，i、j分别为集合Conn(V_i)中的任意两个数。

6.如权利要求1所述的配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，所述步骤5中，依据节点间斥力和引力得到设备节点V_i的移动距离更新为：

式中：m为移动系数，m与给定正交图绘制范围成线性相关，x_i、y_i为V_i的坐标，x_j、y_j为V_j的坐标；Xi、Yi分别为第i次迭代设备节点位置数组的横坐标和纵坐标；同时计算整个配电网的能量，判断是否超过阈值，若超过迭代次数或阈值越线则停止迭代移动，整个配电网的能量用下式表示：

其中：G表示集合，fc为配电网设备节点V_i受到其他节点斥力大小，fy为连接两配电网设备节点V_i的配电网线路E_i产生的引力大小。

7.如权利要求1所述的配电网网架图自动绘制映射方法，其特征在于，所述步骤6包括下述步骤：

1)调整节点间的距离、节点在系统所在区域的平均单位区域；

2)根据每个节点的唯一距离，调整所有节点；累加计算整个配电网的能量值，与输入的阈值或迭代次数进行比对，如果大于阈值或迭代次数跳转到步骤3)，小于阈值或迭代次数则跳转到步骤4；

3)结束网络拓扑，存储各节点及线路的横坐标和纵坐标位置。

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