CN110851932A - 一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法。本发明根据低压三相配电网单馈线的拓扑关系以及负荷节点的等效单相负荷，计算出abc单相按照120度的扇面布局，最终构成平面均匀布置的三相配电网单馈线单线图。本发明可以在一个平面上对低压配电网接线图分相进行其走线自动计算各节点的坐标，并根据节点间的连接关系绘制线段，并可通过系数l的选择，避免线段交叉，最终形成分布均匀且无交叉的低压配电网分相接线图；为下一步的图形优化计算提供优良的初始单线图，也可直接用于低压配电网接线图最终图形，在单线图上进行基于智能电表量测数据以及潮流计算等计算值进行各类专题的渲染，形成低压配电网准实时态势监视用途的效果更佳。

Description

一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法

技术领域

本发明属于智能电网态势感知与可视化领域，涉及一种适合态势分析的低压配电网三相电路分相支线单线图的自动生成方法。

背景技术

公变台区低压配电网是电网公司为广大低压用电用户服务的最底层电网；其用电用户可分为三相用户和单相用户；低压配电网以配电变压器为供电电源，以三相四线为主供电方式，兼顾单相双线供电方式；其主干线以三相四线铺设，中间设置分线箱或分线盒，用以引出三相四线分支，或引出三相四线用户的进户线，或引出中性线或某相线形成单相双线分支，或引出单相用户的进户线。

低压配电网由于存在单相双线分支及用户进户线，存在拓扑的三相不平衡；由于单相用户的单相用电，三相用户户内存在大量的单相双线负载，以及不少用户安装了单相光伏，使得低压配电网运行可能呈现严重的三相不平衡运行状态，从而导致电压越限、损耗增加等严重问题。

因此，在自动生成的低压配电网单线图基础上进行基于智能电表量测数据以及潮流计算的节点电压、支路电流等电气参数值的态势渲染，以形成优良的态势图形。

单线图自动生成主要有规则法、优化数学模型法、基于力场模型或动力学算法；其中规则法计算快速，可避免重叠问题，主要缺点是可能出现空间飞白，造成空间浪费；用优化数学模型法建立单线图的优化数学模型非常简单，但是它是一个高维优化数学问题，很难求解；而基于力场模型或动力学算法计算出的单线图较为美化，而且计算快速，但可能出现交叉以及布局球簇化。

发明内容

本发明在对低压配电网电气接线以及运行的特点研究基础上，深入分析单线图自动生成的三种基本方法的优缺点，提供一种基于扇形的配电变压器为中心低压配电网(Transformer-centralized Distribution Network，TCDN)单线图初始布局计算方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法，低压配电网从配电变压器低压母线出发，按照三相四线方式铺设主线，在分线箱或分线盒产生分支线；从配电变压器低压母线分出的三相四线的束，称为低压出线束，假设有M束，用m标设其顺序，即m∈[1，M]，对应m束出线，其三相标设为a^m、b^m和c^m；

所述的低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法包括步骤：

步骤1)，对于m束出线的某相线路，假设选择a^m，对其进行静态拓扑分析，建立支线模型；选择最长的支线作为一级支线，生成其线路等级表与节点顺序表；

步骤2)，进行m束出线的单相a^m单线图初始布局，计算单馈线的扇面角和扇面中心线极角；

步骤3)，设定所有相的出线总扇面角为120度；假设m为各对应出线扇面的排序顺序；根据M条出线的扇面角计算获取各出线扇面的缩放比例；并以x轴为作为总扇面的起始计算轴，120度为各相出线总扇面角，分别计算各出线的新扇面中心线极角，以及所有节点的新极坐标坐标；

步骤4)，设定a,b,c三相单线图的目标扇面布局范围为[-60，60]、[60，180]，[180，300]，对步骤3)确定的所有各相的节点计算最后的新极坐标坐标，最终通过扇面拼装计算构成平面均匀布置的三相配电网单馈线单线图。

本发明根据低压三相配电网单馈线的拓扑关系以及负荷节点的等效单相负荷，计算出abc单相按照120度的扇面布局，最终构成平面均匀布置的三相配电网单馈线单线图。

进一步地，步骤2)中，进行m束出线的单相a^m单线图初始布局的步骤包括：

首先，设置配电变压器的低压母线为一个点，其坐标为(0，0)；并设置节点间初始距离为D；

接着，将一级支线固定在x轴正方向；从原点(0，0)出发，第一个节点离原点选择为5倍节点间初始距离D；其后的各节点横坐标按顺序依次累加节点间初始距离D，而纵坐标始终为0；

二级支线各节点坐标：从一级支线节点坐标取到第i条二级支线起始节点坐标(x_i，y_i)，第i条二级支线第j个节点的坐标为(x_ij，y_ij)，则有：

其中，k的值：当i为奇数时取1，当i为偶数时取-1；系数l用于调节不同级别支线节点之间线段的长度，l取值为小于1的正实数；

三级支线以上支路各节点坐标：从上一级支线节点坐标取到第i条本级支线起始节点坐标(x_i,y_i)，第i条本级支线第j个节点的坐标为(x_ij，y_ij)，则有：

其中，π/3为二级支线与一级支线的夹角；k的取值：当y_i(j-1)为正数时取1，当y_i(j-1)为负数时取-1；

为拼装需要，所有线束的单相接线按以上计算节点坐标，要计算其所有节点的极坐标；所有节点的笛卡儿坐标(x_ij，y_ij)和极坐标(r_ij，q_ij)的转换关系如下：

式中arctan为反正切函数；

最后，水平单馈线图呈现有规则的分级支线布局，并形成可测量和可缩放的扇面；单相原扇面的最小最大角度

扇面角

扇面中心线极角θ_ctr-m，分别计算如下：

其中，θ_ij,+,θ_ij,-为第一、第四象限节点极角，即具有θ_ij,+>0,θ_ij,-<0，因此

进一步地，步骤2)中，单馈线目标扇面角和旋转角的计算步骤如下：

为进行扇面缩放、旋转操作，并最终形成低压配电网三相单线图初始布局的整体布局；每相的扇面为120度，则原单相单馈线扇面的扇面角缩放系数γ_θ为：

由于缩放只对极角进行，保持极径不变，保持扇面中心线极角不变，若缩放后各节点极坐标坐标为(r'_ik,q'_ik)，故：

q'_ctr-m＝q_ctr-m，

θ'_ik＝θ_ctr-m+γ_θ(θ_ik-θ_ctr-m)，

r'_ik＝r_ik，

其中q_ctr-m，q'_ctr-m为原扇面m缩放前后的扇面中心线极角；r_ik,r'_ik为原图节点的径距和缩放后的径距；q_ik，q'_ik为原图节点的极角和扇面m缩放后该节点的极角；

缩放后扇面的最小极角

最大极角的计算如下：

对照扇面角

扇面中心线极角θ_ctr-m的定义，也有：

缩放后的扇面角

进一步地，步骤4)中，扇面拼接计算的步骤如下：

假设A、B、C三相的扇面最小最大极角、中心线极角中心为：

A相：[-60度，60度]，θ'_ctr-A＝0，

B相：[60度，180度]，θ'_ctr-B＝120，

C相：[180度，360度]，θ'_ctr-C＝240；

以A相的M个馈线扇面组装为例：

1)假设M个扇面的拼转顺序为1到M，即第1条出线线束扇面的最小极角为-60，即：

即第1个缩放后的扇面将最小极角旋转到-60度，图形的旋转角度dθ₁计算如下：

第1条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r'_ik＝r_ik

其最大极角

计算如下：

2)拼接第2条出线线束扇面，其最小极角为第1条出线线束扇面的最大极角，即

最大极角为

即

即第2条线束扇面缩放后的扇面的旋转角度dθ₂计算如下：

第2条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r'_ik＝r_ik

3)以此类推，对于拼接第m条出线线束扇面，有：

a)其最小极角为第m-1条出线线束扇面的最大极角，即

其最大极角计算如下：

即第m条线束扇面缩放后的扇面的旋转角度dθ_m计算如下：

因此，第m条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r'_ik＝r_ik

B、C相的馈线扇面组装，按照以上原则。

本发明具有的有益效果如下：本发明的方法可以在一个平面上对低压配电网接线图分相进行其走线自动计算各节点的坐标，并根据节点间的连接关系绘制线段，并可通过系数l的选择，避免线段交叉，最终形成分布均匀且无交叉的低压配电网分相接线图；为下一步的图形优化计算提供优良的初始单线图，也可直接用于低压配电网接线图最终图形；在此其上可展示各用户节点、配变侧智能电表的电气测量值作为准实时运行监视用途，尤其在其上进行基于智能电表量测数据以及潮流计算等计算值进行各类专题的渲染，以形成低压配电网准实时态势监视用途的效果更佳。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中m束出线的某相线路水平布局的构图原则；

图2为本发明具体实施方式中m束出线的某相线路水平布局所形成的扇面；

图3为本发明具体实施方式中三个a、b、c单相馈线扇面缩放旋转后，拼接成的TCDN单线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种适合态势分析的低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法。

低压配电网从配电变压器低压母线出发，按照三相四线方式铺设主线，在分线箱或分线盒产生分支线；从配电变压器低压母线分出的三相四线的束，称为低压出线束，假设有M束，用m标设其顺序，即m∈[1，M]，对应m束出线，其三相标设为a^m、b^m和c^m。

本发明包括以下步骤：

步骤1，对于m束出线的某相线路，假设选择a^m，对其进行静态拓扑分析，建立支线模型；选择最长的支线作为一级支线，生成其线路等级表与节点顺序表。

步骤2，进行m束出线的单相a^m单线图布局，计算单馈线的扇面角和扇面中心线极角。m束出线的单相a^m单线图布局如图1所示。

首先，设置配电变压器的低压母线为一个点，其坐标为(0，0)；并设置节点间初始距离D，比如D＝200。

接着，将一级支线固定在x轴正方向；为使得馈线形成的扇面较小，从原点(0，0)出发，第一个节点离原点选择为5倍节点间初始距离D；其后的各节点横坐标按顺序依次累加节点间初始距离D，而纵坐标始终为0。

二级支线各节点坐标：从一级支线节点坐标取到第i条二级支线起始节点坐标(x_i，y_i)，第i条二级支线第j个节点的坐标为(x_ij，y_ij)，则有：

其中k的值：当i为奇数时取1，当i为偶数时取-1；系数l＝0.8。

三级支线及三级以上支路各节点坐标：从上一级支线节点坐标取到第i条本级支线起始节点坐标(x_i,y_i)，第i条本级支线第j个节点的坐标为(x_ij，y_ij)，则有：

其中π/3为二级支线与一级支线的夹角，如图1所示，这个夹角为60度；k的取值：当y_i(j-1)为正数时取1，当y_i(j-1)为负数时取-1；系数l为0.8。

为了拼装需要，所有线束的单相接线按以上计算节点坐标，要计算其所有节点的极坐标；所有节点的笛卡儿坐标(x_ij，y_ij)和极坐标(r_ij，q_ij)的转换关系如下：

最后如图1，水平单馈线图呈现有规则的分级支线布局，并形成可测量和可缩放的扇面；单相原扇面的最小最大角度

扇面角

扇面中心线极角θ_ctr-m，可分别计算如下：

其中，θ_ij,+,θ_ij,-为第一、第四象限节点极角，即具有θ_ij,+>0,θ_ij,-<0，因此

单馈线目标扇面角和旋转角计算

如图2所示，为进行扇面缩放、旋转操作，并最终形成低压配电网三相单线图初始布局的整体布局；每相的扇面为120度，则原单相单馈线扇面的扇面角缩放系数γ_θ为：

由于缩放只对极角进行，保持极径不变，保持扇面中心线极角不变，若缩放后各节点极坐标坐标为(r'_ik,q'_ik)，故：

q'_ctr-m＝q_ctr-m， (8)

θ'_ik＝θ_ctr-m+γ_θ(θ_ik-θ_ctr-m)， (9)

r'_ik＝r_ik， (10)

其中q_ctr-m，q'_ctr-m为原扇面m缩放前后的扇面中心线极角；r_ik,r'_ik为原图节点的径距和缩放后的径距；q_ik，q'_ik为原图节点的极角和扇面m缩放后该节点的极角；

缩放后扇面的最小极角

最大极角

的计算如下：

对照扇面角

扇面中心线极角θ_ctr-m的定义，也有：

缩放后的扇面角

步骤3.设定所有相的出线总扇面角为120度；假设m为各对应出线扇面的排序顺序；根据M条出线的扇面角计算获取各出线扇面的缩放比例；并以x轴为作为总扇面的起始计算轴，120度为各相出线总扇面角，分别计算各出线的新扇面中心线极角，以及所有节点的新极坐标坐标。

步骤4.设定a,b,c三相单线图的目标扇面布局范围为[-60，60]、[60，180]，[180，300]，对步骤3)确定的所有各相的节点计算最后的新极坐标坐标，最终通过扇面拼装计算构成平面均匀布置的三相配电网单馈线单线图。

步骤4)中，扇面拼接计算的步骤如下：

假设A、B、C三相的扇面最小最大极角、中心线极角中心为：

A相：[-60度，60度]，θ'_ctr-A＝0，

B相：[60度，180度]，θ'_ctr-B＝120，

C相：[180度，360度]，θ'_ctr-C＝240；

以A相的M个馈线扇面组装为例：

1)假设M个扇面的拼转顺序为1到M，即第1条出线线束扇面的最小极角为-60，即：

即第1个缩放后的扇面将最小极角

旋转到-60度，图形的旋转角度dθ₁计算如下：

第1条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r'_ik＝r_ik

其最大极角计算如下：

2)拼接第2条出线线束扇面，其最小极角为第1条出线线束扇面的最大极角，即

最大极角为

即

即第2条线束扇面缩放后的扇面的旋转角度dθ₂计算如下：

第2条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r'_ik＝r_ik

3)以此类推，对于拼接第m条出线线束扇面，有：

a)其最小极角为第m-1条出线线束扇面的最大极角，即

其最大极角计算如下：

即第m条线束扇面缩放后的扇面的旋转角度dθ_m计算如下：

因此，第m条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r'_ik＝r_ik

B、C相的馈线扇面组装，按照以上原则，在此不再赘述。三个A、B、C相单相馈线扇面缩放旋转后，拼接成的TCDN单线图，如图3所示。

上述实施方式已经对本发明的一些细节进行了描述，但是不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法，其特征在于，低压配电网从配电变压器低压母线出发，按照三相四线方式铺设主线，在分线箱或分线盒产生分支线；从配电变压器低压母线分出的三相四线的束，称为低压出线束，假设有M束，用m标设其顺序，即m∈[1，M]，对应m束出线，其三相标设为a^m、b^m和c^m；

所述的低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法包括步骤：

步骤1)，对于m束出线的某相线路，假设选择a^m，对其进行静态拓扑分析，建立支线模型；选择最长的支线作为一级支线，生成其线路等级表与节点顺序表；

步骤2)，进行m束出线的单相a^m单线图初始布局，计算单馈线的扇面角和扇面中心线极角；

步骤3)，设定所有相的出线总扇面角为120度；假设m为各对应出线扇面的排序顺序；根据M条出线的扇面角计算获取各出线扇面的缩放比例；并以x轴为作为总扇面的起始计算轴，120度为各相出线总扇面角，分别计算各出线的新扇面中心线极角，以及所有节点的新极坐标坐标；

步骤4)，设定a、b、c三相单线图的目标扇面布局范围为[-60，60]、[60，180]，[180，300]，对步骤3)确定的所有各相的节点计算最后的新极坐标坐标，最终通过扇面拼装计算构成平面均匀布置的三相配电网单馈线单线图。

2.根据权利要求1所述的一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法，其特征在于，步骤2)中，进行m束出线的单相a^m单线图初始布局的步骤包括：

首先，设置配电变压器的低压母线为一个点，其坐标为(0，0)；并设置节点间初始距离为D；

接着，将一级支线固定在x轴正方向；从原点(0，0)出发，第一个节点离原点选择为5倍节点间初始距离D；其后的各节点横坐标按顺序依次累加节点间初始距离D，而纵坐标始终为0；

二级支线各节点坐标：从一级支线节点坐标取到第i条二级支线起始节点坐标(x_i，y_i)，第i条二级支线第j个节点的坐标为(x_ij，y_ij)，则有：

其中，k的值：当i为奇数时取1，当i为偶数时取-1；系数l用于调节不同级别支线节点之间线段的长度，l取值为小于1的正实数；

三级支线以上支路各节点坐标：从上一级支线节点坐标取到第i条本级支线起始节点坐标(x_i,y_i)，第i条本级支线第j个节点的坐标为(x_ij，y_ij)，则有：

其中，π/3为二级支线与一级支线的夹角；k的取值：当y_i(j-1)为正数时取1，当y_i(j-1)为负数时取-1；

为拼装需要，所有线束的单相接线按以上计算节点坐标，要计算其所有节点的极坐标；所有节点的笛卡儿坐标(x_ij，y_ij)和极坐标(r_ij，q_ij)的转换关系如下：

式中arctan为反正切函数；

最后，水平单馈线图呈现有规则的分级支线布局，并形成可测量和可缩放的扇面；单相原扇面的最小最大角度扇面角

扇面中心线极角θ_ctr-m，分别计算如下：

其中，θ_ij,+,θ_ij,-为第一、第四象限节点极角，即具有θ_ij,+>0,θ_ij,-<0，因此

3.根据权利要求2所述的一种低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法，其特征在于，步骤2)中，单馈线目标扇面角和旋转角的计算步骤如下：

为进行扇面缩放、旋转操作，并最终形成低压配电网三相单线图初始布局的整体布局；每相的扇面为120度，则原单相单馈线扇面的扇面角缩放系数γ_θ为：

由于缩放只对极角进行，保持极径不变，保持扇面中心线极角不变，若缩放后各节点极坐标坐标为(r'_ik,q'_ik)，故：

q'_ctr-m＝q_ctr-m，

θ'_ik＝θ_ctr-m+γ_θ(θ_ik-θ_ctr-m)，

r′_ik＝r_ik，

其中q_ctr-m，q'_ctr-m为原扇面m缩放前后的扇面中心线极角；r_ik,r′_ik为原图节点的径距和缩放后的径距；q_ik，q'_ik为原图节点的极角和扇面m缩放后该节点的极角；

缩放后扇面的最小极角

最大极角

的计算如下：

对照扇面角

扇面中心线极角θ_ctr-m的定义，也有：

缩放后的扇面角

4.根据权利要求3所述的一种适合态势分析的低压配电网三相单线图初始布局自动生成方法，其特征在于，步骤4)中，扇面拼接计算的步骤如下：

假设A、B、C三相的扇面最小最大极角、中心线极角中心为：

A相：[-60度，60度]，θ'_ctr-A＝0，

B相：[60度，180度]，θ'_ctr-B＝120，

C相：[180度，360度]，θ'_ctr-C＝240；

以A相的M个馈线扇面组装为例：

1)假设M个扇面的拼转顺序为1到M，即第1条出线线束扇面的最小极角为-60，即：

即第1个缩放后的扇面将最小极角

旋转到-60度，图形的旋转角度dθ₁计算如下：

第1条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r’_ik＝r_ik

其最大极角

计算如下：

2)拼接第2条出线线束扇面，其最小极角为第1条出线线束扇面的最大极角，即

最大极角为即

即第2条线束扇面缩放后的扇面的旋转角度dθ₂计算如下：

第2条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r’_ik＝r_ik

3)以此类推，对于拼接第m条出线线束扇面，有：

a)其最小极角为第m-1条出线线束扇面的最大极角，即

其最大极角计算如下：

即第m条线束扇面缩放后的扇面的旋转角度dθ_m计算如下：

因此，第m条出线线束扇面所有节点的径距和极角即(r”_ik,q”_ik)的计算如下：

r”_ik＝r’_ik＝r_ik

B、C相的馈线扇面组装，按照以上原则。

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