CN108629061B - 一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法：步骤1、导入配电网电气模型；步骤2、将配电网电气模型抽象为“节点‑边”的无向图，其中：将管理设备抽象为节点，将各管理设备下属的一次设备作为该节点内部布局元素，并将各节点内部一次设备对外的电气连接转换为该节点的连接点；对于未包含在管理设备内的一次设备：从单端设备或与管理设备相连的设备作为入口，通过搜索电气拓扑关系，形成干线‑支线模型；步骤3、对节点内部进行布局和走线；步骤4、对“节点‑边”的无向图进行均匀化布局和位置规整；步骤5、采用走线算法对节点间的连接关系进行走线；步骤6、将“节点‑边”的无向图转换为配电网单线图。提高工程实施效率。

Description

一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法

技术领域

本发明涉及一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法。

背景技术

配电网单线图是通过图形化方式描述一条馈线供电范围内所有设备拓扑关系的逻辑图，是配电网规划设计和运行管理的重要工具之一。单线图由馈线电气设备图元和连接线组成，主要实现对设备及其连接关系的完整准确表达，要求生成图形的易读性和美观性，图中设备图元的位置不代表设备的实际位置。

单线图传统上采用“鱼骨头”的布局方式，如图1所示，即以干线、支路和配变(配电变压器)形成一个鱼骨架结构，主要描述开关、馈线段以及配变的连接关系。针对“鱼骨头”绘制方式的单线图，目前已有较多的自动成图方法。

近年来配电网单线图由于绘制内容在传统的开关、馈线段、配变等一次设备基础上，增加了开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理设备，因此呈现出混合式布局要求，要求单线图包含的内容更加准确和完整，不仅包含开关、馈线段、配变等设备，还增加了开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理设备的内容，而现有技术中，针对此类混合式布局单线图的自动成图方法尚未有自动生成方法，目前还需要人工绘制，工作量巨大。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，不仅支持自动生成传统的只包含断路器、隔离开关、配变、馈线段等一次设备的“鱼骨头”单线图，支持由开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理设备组成的“分块”单线图，而且还支持自动生成具备以上两种元素的混合布局单线图。

名词解释：

1、管理设备：主要是指开闭所、配电房、环网柜、分支箱等站设备，内部安装有母线、开关、刀闸等电气设备。在逻辑上它是一个容器类设备，管理其内部电气设备。其中内部电气设备之间存在电气连接，并且部分内部电气设备与外部配电设备存在电气连接。

2、“节点-边”的图模型：在图论中，图G是一个由节点V和边E组成的二元集合,即G＝(V,E)。凡是涉及到事物间的关系，都可以抽象为图论模型。在电网中，节点表示电力设备，连线表示设备间的电气连接。图模型可以方便描述电网设备间的电气连接关系。

3、“块”型节点：是指在图形显示中，以多边形区域(一般为矩形)显示的节点，主要用于管理设备。

4、“支线”型节点：是指在图形显示中，以横竖交叉的支路形式显示的节点。

5、“鱼骨头”布局：是指传统馈线图绘制时，采用以干线与支路相互垂直的方式进行布局，形成一个类似于鱼骨架的结构。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，包括如下步骤：

步骤1、导入配电网电气模型；

步骤2、将配电网电气模型抽象为“节点-边”的无向图，其中：

将管理设备抽象为节点，将各管理设备下属的一次设备作为该节点内部布局元素，并将各节点内部一次设备对外的电气连接转换为该节点的连接点；

对于未包含在管理设备内的一次设备：从单端外部设备或与管理设备相连的外部设备作为入口，通过搜索电气拓扑关系，形成干线-支线模型；

步骤3、对节点内部进行布局和走线；

步骤4、对“节点-边”的无向图进行均匀化布局和位置规整；

步骤5、采用走线算法对节点间的连接关系进行走线；

步骤6、将“节点-边”的无向图转换为配电网单线图。

优选，步骤2中，将配电网中的馈线入口母线、开闭所、配电房、环网柜、分支箱抽象为“块”型节点。

优选，步骤2中，通过对外部设备电气拓扑关系进行搜索形成多层干线-支线模型，对形成的多层干线-支线模型进行拆分，拆分为多个两层结构，且当干线或支线的长度大于设定的阈值时，对干线或支线分拆为多段，得到多个两层结构的干线-支线模型，设备间的电气连接关系，转换为两层的干线-支线模型之间的连接关系。

优选，步骤3中，对于“块”型节点，内部布局按照“母线-开关”的拓扑关系、采用固定的π形布局与走线；针对“支线”型节点，内部布局将两层标准的干线-支线模型采用逆推法得到内部的“鱼骨头”布局和走线。

优选，步骤4中，均匀化布局具体包括如下步骤：

A、确定各节点初始位置：若一次设备模型有地理坐标，则以原始地理位置折算的画布坐标为各个节点的初始位置；若一次设备模型无地理坐标，则随机分配各个节点的初始位置；

B、采用引力-斥力算法进行自动布局。

优选，步骤4中，位置规整具体包括如下步骤：

A、确定网格大小；

B、对已经均匀化的布局图进行自上而下、自左及右的节点坐标离散化。

本发明的有益效果是：

本发明实现了由配电网电气模型自动生成布局良好的单线图，不仅支持生成传统的只包含断路器、隔离开关、配变、馈线段等一次设备的“鱼骨头”单线图，还支持由开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理设备组成的“分块”单线图，而且还支持具备以上两种元素的混合布局单线图，避免了由于配电网模型由GIS系统维护、配网自动化系统更换等情况导致的配电网自动化系统监视画面需要重新人工绘制的问题，大大提高了工程维护的效率。

附图说明

图1是传统的“鱼骨头”馈线结构示意图；

图2是本发明一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法的流程图；

图3是本发明具体实施例的“块”型节点划分示意图；

图4是本发明具体实施例的“支线”型节点划分示意图；

图5是本发明具体实施例抽象化后形成的节点图；

图6是本发明具体实施例均匀化布局的节点图；

图7是本发明具体实施例位置规整后的节点图；

图8是本发明具体实施例走线算法原理图；

图9是本发明具体实施例节点图的连接线走线；

图10是本发明具体实施例节点图转换后的单线图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1、导入配电网电气模型；

步骤2、将配电网电气模型抽象为“节点-边”的无向图，其中：

将管理设备抽象为节点，将各管理设备下属的一次设备作为该节点内部布局元素，并将各节点内部一次设备对外的电气连接转换为该节点的连接点；

对于未包含在管理设备内的一次设备：从单端外部设备或与管理设备相连的外部设备作为入口，通过搜索电气拓扑关系，形成干线-支线模型；

步骤3、对节点内部进行布局和走线；

步骤4、对“节点-边”的无向图进行均匀化布局和位置规整；

步骤5、采用走线算法对节点间的连接关系进行走线；

步骤6、将“节点-边”的无向图转换为配电网单线图。

图1是某配电网的一条馈线A的电气拓扑关系(忽略了隔离刀闸和地刀等次要设备)，下面将以此条馈线为例详细描述单线图自动生成方法。

步骤1、导入配电网电气模型：配电网电气模型来自旧自动化系统的模型或GIS系统的模型，一般以XML的CIM模型为标准。

步骤2、配电网电气模型抽象化，即将配电网电气模型抽象为“节点-边”的无向图：

由于各种布局算法研究一般是以图论模型为基础，为了能够使用基于图论模型的各种遍历、布局算法，需要将电气模型抽象为“节点-边”的图模型，因此如何将配电网电气模型抽象形成合适的图论模型，将直接关系到后续布局和走线的效率和效果。抽象具体方法以实际图形情况而定，以能够达到布局目的为唯一标准。一般以占据图形核心内容的体型较大的组成元素为节点，线路为边。分布在线路上一些不重要的设备可以忽略，成为边的一部分。

配电网电气模型来自CIM文件，通过分析配电网电气模型特点，确定如下抽象化的策略：

首先将配电网中的馈线入口母线、开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理设备抽象为“块”型大节点，将管理设备下属的一次设备作为内部布局元素，并将下属一次设备与管理设备以外的电气连接转换为该大节点的连接点。如图3虚线框所示，馈线A母线、馈线B母线、开闭所1、配电房1、环网柜1、分支箱1，均作为一个“块”型大节点，分别命名为BlockNode1、BlockNode2、BlockNode3、BlockNode4、BlockNode5、BlockNode6。其下属的小母线、开关、配变及负荷等一次设备都包含在这些大节点内。

未包含在管理设备内的一次设备抽象过程为：从单端外部设备或与管理设备相连的外部设备作为入口，通过搜索电气拓扑关系，形成干线-支线模型，这是一个多层的干线-支线模型，即干线下有多个支线，每个支线其下又有多个支线。为了布局方便，对多层的干线-支线模型进行拆分，拆分方法是第三层支线及以下转换为一个新的干线-支线模型，通过迭代拆分，最终形成多个只有两层的干线-支线结构，拆分时保留电气连接关系。拆分时干线和支线的长度应有一定的限制，干线或支线过长，不利于布局，可分别设置一个阈值，过长则分拆为多段(即，当干线或支线的长度大于设定的阈值时，对干线或支线分拆为多段)。通过分拆得到多个两层的干线-支线模型，设备间的电气连接关系，转换为两层的干线-支线模型之间的连接关系。如图4虚线框所示。将每个两层干线-支线模型抽象为一个“支线”型大节点，分别命名为FishNode1、FishNode2、FishNode3、FishNode4、FishNode5。将两层干线-支线模型所包含的一次设备作为大节点的内部布局元素。

将配电网中的开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理单元抽象为“块”型大节点；其次将管理单元以外的干线、支线模型通过搜索后拆分为多个两层标准的干支线模型，并将每个干线-支线模型抽象为一个“支线”型大节点；最后，将原电气连接关系转换为大节点间的边。经过这样的抽象转化，将复杂的电气拓扑关系转换为整体上的“节点-边”的图论模型，以及大节点内部的规则模型。大节点抽象完成后，将大节点内部一次设备对外的电气连接转换为该大节点的连接点，从而最后形成大节点间的连接关系V(N，E)，如图5所示。

步骤3、对大节点内部进行布局和走线，并计算大节点的占位：针对开闭所、配电房、环网柜、分支箱等“块”型大节点，内部布局按照“母线-开关”的拓扑关系采用固定的π形布局与走线；针对“支线”型大节点，内部布局将两层标准的干线-支线模型采用逆推法得到内部的“鱼骨头”布局和走线，具体如下：

针对开闭所、配电房、环网柜、分支箱等“块”型大节点，一般内部结构均为分段母线、母线之间有或无母联开关、母线下连接开关和配变，因此可按照固定的π形布局与走线方式，从母线开始检索拓扑关系，从而计算母线、母联开关、线路开关和配变在大节点内的相对位置。

针对“支线”型大节点，内部布局将两层标准的干线-支线模型采用逆推法得到内部的“鱼骨头”布局和走线，具体过程是：先假定干线水平排列，干线上每个一次设备如开关、隔离刀闸、馈线段、配变按照拓扑关系的顺序依次排列，计算出每个一次设备的坐标和大小；然后根据每个支线的连接在干线上的位置，纵向排列，推算出每个一次设备的坐标和大小；最后根据内部所有设备的大小，计算出本“支线”型大节点的占位大小。

步骤4、整体布局：对“节点-边”的图采用均匀化布局，根据大节点之间的连接关系和大节点的初始位置和占位，采用自动布局和位置规整，形成均匀分布和纵横对其的布局，详细描述如下：

均匀化布局具体包括如下步骤：

A、确定各节点初始位置：若一次设备模型有地理坐标，则以原始地理位置折算的画布坐标为各个节点的初始位置；若一次设备模型无地理坐标，则随机分配各个节点的初始位置；

B、采用引力-斥力算法进行自动布局。

优选，采用可视化方法进行均匀化布局，人工可通过拖拽移动节点的方式优化布局过程，从而达到最佳布局效果。

本实施例采用引力-斥力算法，引力-斥力算法模型是将所要进行布局的拓扑图形按照物理系统建模，把图中的每一个节点看成是一个物理质点，每一条边看成是一个橡皮筋，当两点间的距离超过橡皮筋的自然长度，就会受到张力的作用；任意两节点间有斥力的作用，节点有大小，两个节点有接触时斥力将无限大，直接排斥到无接触状态。在每一步中，计算各节点受到的合力，并让该顶点沿合力方向移动一定的距离，直至最终达到平衡。这样图中的节点就会在张力和斥力的相互作用下不断运动，直到系统最终达到平衡。

对于任意区域电网，m个大节点的集合设为F＝{F1，F2，F3…Fm}，即布局图的顶点集合；大节点间n条连接线路的集合设为C＝{C1，C2，C3…Cn)，即布局图各顶点间的连接线集合。

按照胡克定律，对于顶点F_i，F_j，其第m条线路C_m的张力矢量大小T(F_i，F_j，C_m)与相角φ(F_i，F_j，C_m)分别为：

式中，L(C_m)为边C_m的自然长度；D(F_i，F_j)为顶点F_i，F_j的距离；k为边的弹性系数。

斥力存在于任意两顶点之间，对于任意顶点F_i，F_j，相互间的斥力R(F_i，F_j)与相角φ(F_i，F_j)分别为：

当两节点重叠时，斥力为一个较大的常量，方向随机；当两节点间靠近且有接触时，斥力为一个较大的常量，方向为沿两节点中心的的连线方向；两节点无接触时，斥力为与两节点间距离和质量有关，斥力系数为g，g越大，布局越稀疏，越快趋向平衡状态。根据物理意义，算法的结果满足：有连接的顶点会分布在一处，距离相近的顶点分布均匀(斥力作用)，边的交叉尽可能少(斥力作用)。

对系统中的每个厂站节点Fi，首先在画布中任意分配其坐标(Xi,Yi)。根据式(1)、(2)和式(3)、(4)，可以得到每个节点所受的张力和斥力，将张力和斥力相加得到合力，再通过矢量加法，正交分解为X轴、y轴方向的力。在系统没有平衡时(初始情况)，使F中的每一个顶点Fi沿合力的方向移动距离d，从而可以得到每个节点的X轴、y轴坐标信息。图5是布局过程起始状态，图6是布局后的平衡状态。从图6可看出，基于力导算法自动布局方式满足了布局图边交叉尽量少，顶点分布距离均匀，有直接连线的顶点尽可能分布在一处的要求，图形分布合理。

位置规整就是将节点连续坐标网格化，使得节点呈现纵横对齐的布局，既美观又便于走线。位置规整分为两步：

A、确定网格大小：网格化过程的关键是确定网格数或最小网格单位，方法是可以选择10个最小线路曼哈顿距离的平均值作为网格单位，以避免极个别区域变电站之间原地理位置很近。

B、离散化：在目标网格图纸确定后，对已经均匀化的布局图进行自上而下、自左及右的节点坐标离散化，即对节点i的坐标根据其在原有坐标系中的坐标(Xi，Yi)，计算在新的离散坐标系中的最近位置作为离散坐标(Xgi，Ygi)。如果在某离散坐标已经存在一个节点，那么选此离散坐标附近最近的空点作为该变电站的新离散坐标，为了避免重叠，选择最近空点后产生的位移，同样叠加到其右下侧的节点，这样做的目的是避免坐标离散后出现重叠情况。

对于有重叠节点(坐标判断得到下一个节点)，对于各节点查看左右上下(主要是上和右)是否可以有空位置，如果有则放置，如果没有则先考虑右移一行，如果右移导致整行太长，则考虑下移一行。

通过位置规整，得到对齐的节点图如图7所示。

步骤5、整体走线：对于单线图，要求自动绘制出横平竖直的连接线，这个过程就是走线。走线的要求总结为如下几点：横平竖直走线、线路最短、线路弯折次数最少、线路不发生重叠、线路不穿越节点矩形以及线路交叉尽可能少，当然少量的线路交叉是允许的。

常见走线算法有通道布线算法、迷宫算法、线探索法以及这几种算法的改进算法，分为无网格布线和网格布线两类。

采用走线算法对节点间的连接关系进行走线，使得大节点间的连接走线达到单线图连接线的标准，并对走线进行优化，使得走线更均匀合理。

本实施例采用面向线网的自动布线算法来实现线路的自动布局，而迷宫算法是面向线网的自动布线常用算法，下面以迷宫算法为例进行详细说明。

迷宫算法主要解决走迷宫问题：给定一个大小为N*M的迷宫，迷宫由通道和墙壁组成,每一步可以向邻接的上下左右四格的通道移动，请求出从某个起点到某个终点的最短路径。常用于大规模集成电路布线。迷宫算法是图论中最小路径算法在矩形网格上的一种应用。其优点是只要最短路径存在，就一定能找到，然而对于以N*N的网格空间，它需要平方倍级的运行时间和存储空间，并会产生较多的层间引线孔。单线图抽象后的节点布局图，节点相对较少，并且单线图线路布局对存储量和计算时间的要求不高，因此本实施例采用迷官算法进行布局图的整体走线。

算法比较简单，如图8所示，布线问题的解空间是一个图，则从起始位置A开始将它作为第一个扩展结点，与该扩展结点相邻并可达的方格成为可行结点被加入到活结点队列中，并且将这些方格标记为1，即从起始方格A到这些方格的距离为1。接着，从活结点队列中取出队首结点作为下一个扩展结点，并将与当前扩展结点相邻且未标记过的方格标记为2，并存入活结点队列。这个过程一直继续到算法搜索到目标方格B或活结点队列为空时为止。

根据迷宫算法重新布线，让线路横平竖直，但有时候转折点过多，因此需要通过一定的优化和调整，来提高效果。

走线优化需要通过对具体采用的走线算法结果特点进行分析，然后采取相应的优化方式。

采用迷宫算法线路刚布通时会有很多冗余结点，因此要对结点进行调整，重复检测三点组合是否共线，若是则删除其中间点。

迷宫算法常会导致产生冗余折线也称蛇行线，线路弯曲影响美观，所以线路布通之后还需要对折线进行优化。折线优化方法如下：将蛇形折线中三点组合的中间点映射到由该三点组成的矩形上对应的对角点上，从而将两次转折线拉直为一次转折，从而减少弯折。在映射时需要判断新的路线是否有障碍物或与其他线条重叠，如果有则不能优化。

另外，迷宫算法存在无法得到路径的情况。为了解决这个问题，可以通过改进算法，允许走线交叉跨越，即走线路径查找时，水平占用对垂直走线是通畅的，垂直占用对水平走线是通畅的(但是要记录这条路径的交叉次数)，这样可以保证肯定可以寻找到路径。然后从得到的多条路径中，以最短路径与交叉次数综合考虑(加权)来选择最优路径。

优化调整后的效果如图9所示。

步骤6、生成配网单线图：将节点布局转换为配网单线图的电气图形，具体包括如下步骤：

A、依次将各个节点进行内部布局；

B、将各个节点内部各电气图元的布局位置信息转换为全局坐标，并生成相应的图元对象；

C、将各节点间的走线生成为电气图元之间的连接线，从而形成完整的单线图，所图10所示。

不仅支持生成传统的只包含断路器、隔离开关、配变、馈线段等一次设备的“鱼骨头”单线图，还支持由开闭所、配电房、环网柜、分支箱等管理设备组成的“分块”单线图，而且还支持具备以上两种元素的混合布局单线图，避免了由于配电网模型由GIS系统维护、配网自动化系统更换等情况导致的配电网自动化系统监视画面需要重新人工绘制的问题，大大提高了工程维护的效率。可广泛用于从已有的配电网电气模型生成配电网单线图的场景。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、导入配电网电气模型；

步骤2、将配电网电气模型抽象为“节点-边”的无向图，其中：

将管理设备抽象为节点，将各管理设备下属的一次设备作为该节点内部布局元素，并将各节点内部一次设备对外的电气连接转换为该节点的连接点；

对于未包含在管理设备内的一次设备：从单端外部设备或与管理设备相连的外部设备作为入口，通过搜索电气拓扑关系，形成多个两层干线-支线模型，并将每个两层干线-支线模型抽象为节点，将节点内一次设备对外的电气连接转换为该节点的连接点；

步骤3、对节点内部进行布局和走线；

步骤4、对“节点-边”的无向图进行均匀化布局和位置规整；

步骤5、采用走线算法对节点间的连接关系进行走线；

步骤6、将“节点-边”的无向图转换为配电网单线图；

步骤2中，将配电网中的馈线入口母线、开闭所、配电房、环网柜、分支箱抽象为“块”型节点；

步骤2中，通过对外部设备电气拓扑关系进行搜索形成多层干线-支线模型，对形成的多层干线-支线模型进行拆分，拆分为多个两层结构，且当干线或支线的长度大于设定的阈值时，对干线或支线分拆为多段，得到多个两层结构的干线-支线模型，设备间的电气连接关系，转换为两层的干线-支线模型之间的连接关系；

步骤6具体包括如下步骤：

A、依次将各个节点进行内部布局；

B、将各个节点内部各电气图元的布局位置信息转换为全局坐标，并生成相应的图元对象；

C、将各节点间的走线生成为电气图元之间的连接线，从而形成完整的单线图。

2.根据权利要求1所述的一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，步骤3中，对于“块”型节点，内部布局按照“母线-开关”的拓扑关系、采用固定的π形布局与走线；针对“支线”型节点，内部布局将两层标准的干线-支线模型采用逆推法得到内部的“鱼骨头”布局和走线。

3.根据权利要求2所述的一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，步骤4中，均匀化布局具体包括如下步骤：

A、确定各节点初始位置：若一次设备模型有地理坐标，则以原始地理位置折算的画布坐标为各个节点的初始位置；若一次设备模型无地理坐标，则随机分配各个节点的初始位置；

B、采用引力-斥力算法进行自动布局。

4.根据权利要求3所述的一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，采用可视化方法进行均匀化布局，人工可通过拖拽移动节点的方式优化布局过程。

5.根据权利要求4所述的一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，步骤4中，位置规整具体包括如下步骤：

A、确定网格大小；

B、对已经均匀化的布局图进行自上而下、自左及右的节点坐标离散化。

6.根据权利要求1所述的一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，步骤5中，采用自动布线算法对节点间的连接关系进行走线。

7.根据权利要求6所述的一种混合式布局的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，采用迷宫算法对节点间的连接关系进行走线。

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