CN112163330B - 一种配电网规划图形可视性优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种配电网规划图形可视性优化方法，包含以下步骤：S1、基于空间限制的FR算法进行配电网规划图形全局可视性优化；S2、基于CD‑TIN的配电网规划图形密集区识别；S3、基于格网法的FR算法参数优化；S4、在最优参数FR优化结果基础上，基于FE算法进行配电网规划图形局部密集区可视性优化。本发明实现从全局到局部的配电网规划图形节点布局优化，增大同源密集线路之间的夹角，优化后的配电网规划图形能满足兼顾线路与配电设施之间的拓扑关系清晰和配电设施空间位置准确的需求。

Description

一种配电网规划图形可视性优化方法
技术领域
本发明涉及图形可视化以及电力领域，具体是一种配电网规划图形可视性优化方法。
背景技术
近年来，随着经济的高速发展、用电量的快速增长，配电网的规模急剧扩大，据统计，我国目前高压配电网已达440WKM，预计2020年将达505WKM。同时，城市建设不断加速，电力规划与城市规划脱节，导致配电网空间分布十分混乱。空间分布密集、结构复杂的庞大配电网数据愈发不利于配电网的空间可视化。
配电网空间可视化指的是利用计算机技术将各种错综繁杂的电网数据信息转换成清晰直观的图形或图像，辅助电力工作人员进行电网规划、运行管理等工作。
常用的配电网空间可视化图形包括馈线单线图和地理接线图。其中，馈线单线图是一种描述配电网线路及配电设施实际连接关系的电力图，具有结构清晰、图形规整的特点，用来清晰表现设备与线路之间的拓扑关系以及电网运行状态。地理接线图一般根据电力设施的真实坐标绘制，不仅能反映电力系统中发电厂、变电站以及杆塔之间的拓扑连接关系，而且提供了这些电力设施的准确地理空间位置，直接反映电力线路的走向。地理接线图与馈线单线图的最大区别在于很好的保留准确地理空间位置信息，由地理接线图可直接获得对电力网络空间布局的宏观印象。
配电线路与配电设施之间清晰的拓扑连接关系以及配电设施准确的地理空间位置信息是面向规划的配电网空间可视化图形的两个必不可少的要素，但现有配电网空间可视化技术无法兼顾二者。因此，本发明提出一种兼顾线路与配电设施之间的拓扑关系清晰和配电设施空间位置相对准确的配电网规划图形可视性优化方法。
开发此项可视化优化技术可应用于配电网数据的高效导出和转化，实现将基础数据从现有的PMS系统转移到GIS系统，助力于电力系统规划设计工作。该工作实现系统的自动化配电网空间布局优化，节省人力资源，带来一定的经济效益，推动电力规划自动化工具的研发，有助于精确、严谨、高效的电力规划，进而促进电力基础设施为社会发展提供有力保障。
发明内容
本发明的目的在于针对现有配电网空间可视化技术的不足，提出一种配电网规划图形可视性优化方法，该方法采用从全局到局部的优化图形节点布局的思路，具体通过以下技术方案实现：
本发明提供一种配电网规划图形可视性优化方法，包含以下顺序的步骤：
一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、基于一种基于空间限制的FR算法(Fruchterman-Reingold Algorithm)进行全局优化配电网规划图形节点布局，具体包括：
S11、遍历配电网规划图形中的线路，将线路中的节点分为关键配电设施节点集T以及普通配电设施节点集P；其中集合T包括代表变电站、发电厂、变压器影响电气计算的关键配电设施节点，该类节点不进行位移迭代操作，集合P包括代表直线杆塔、转角杆塔不影响电气计算的配电设施的节点，这类节点进行空间限制下的位移迭代；
S12、从节点集P任取一节点N，以点N的原始坐标为圆心，空间限制阈值ρ为半径建立缓冲区，其中ρ经验值；
S13、计算点N所受的合力，具体包括点N与其他所有节点之间的库伦斥力，点N与所有邻接节点之间的弹簧力以及点N与非邻接边中点之间的库伦斥力；
S14、将点N所受合力映射为位移，得到点N位移后的空间坐标位置；
S15、若点N位移后的空间坐标仍在缓冲区内，则以此坐标更新点N的空间位置坐标，反之，若点N位移后的空间坐标在缓冲区外，则连接点N与缓冲区圆心，以连线与缓冲区边界交点坐标更新点N的空间位置坐标；
S16、遍历节点P，依次计算所有节点的合力并更新其空间位置坐标；
S17、重复步骤S12-S16，直到配电网规划图形节点布局平衡或者达到最大迭代次数；
S2、基于CD-TIN(Constrained Delaunay Triangulate Irregular Network)识别配电网规划图形密集区域方法和基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标，以量化配电网规划图形可视化效果以及优化程度，具体包括：
S21、以配电设施节点作为离散点集，基于三角网生长法构建D-TIN(DelaunayTriangulate Irregular Network)；
S22、在D-TIN的基础上，以配电网线路作为约束集，采用两步法构建CD-TIN；
S23、遍历CD-TIN中的三角形，判定并统计配电网规划图形密集区域数量，计算基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标；
S3、以S2中所提配电网规划图形密集区域数量最小化为优化目标，提出一种格网法以优化S1中提出的基于空间限制的FR算法参数，实现最优参数下的配电网规划图形FR全局可视性优化，具体包括：
S31、确定库伦系数Kr以及弹簧劲度系数Ks的取值范围和增长步长，Kr∈[φ1,φ2]，步长Δ1，Ks∈[φ3,φ4]，步长Δ2，式中φi,Δj可由配电网数据范围基于经验值确定，迭代面向配电网图形整体优化的FR算法，取得多组配电网图形优化结果；
S32、以配电设施节点作为离散点集，配电网线特征作为约束集，采用两步法构建配电网CD-TIN；
S33、统计每组(Kr，Ks)对应CD-TIN中密集区的数量；
S34、当密集区数量最小时，配电网规划图形可视化效果最好，对应的Kr以及Ks的取值即为FR算法的最优参数；
S35、将最佳参数Kr以及Ks代入步骤S1，执行FR优化程序，得到最优参数下的配电网规划图形全局可视性优化结果；
S4、在S3的配电网规划图形优化基础上，结合S2所提出的密集区识别方法，基于FE(Fisheye Algorithm)算法优化配电网规划图形局部密集区域的可视化效果，具体包括：
S41、遍历CD-TIN中的密集区，合并具有相同边的密集区，形成密集区多边形；
S42、任取一密集区多边形，以两倍于其外接矩形大小的区域作为FE算法优化矩形范围，确定优化范围上下边界与左右边界坐标；
S43、基于经验值确定缩放因子zoomF，并以优化范围几何中心为算法的缩放中心；
S44、迭代配电网可视化图形中线路节点，若点坐标落入优化矩形内，则基于点距离缩放中心的距离以及方位优化其坐标；
S45、重复步骤S42～S44，直到所有的密集区多边形处理完毕。
在上述的一种配电网规划图形可视性优化方法，步骤S13中，节点所受合力是3种类型的力叠加所得，具体为：
合力一、本节点与其他所有节点之间的库伦斥力；
合力二、本节点与非邻接边中点之间的库伦斥力；
合力三、本节点与所有邻接节点之间的弹簧力；
其中，库伦斥力基于库伦定律计算：
Figure BDA0002697684980000051
公式1中，q1、q2为节点的电荷数，d为两节点之间的距离，Kr为库伦系数；
弹簧力基于胡克定律计算：
Figure BDA0002697684980000061
公式中，d为两节点之间的距离，
Figure BDA0002697684980000062
为弹簧的初始长度，Ks为弹簧的劲度系数，当
Figure BDA0002697684980000063
时，两节点之间的弹簧力表现为斥力，当
Figure BDA0002697684980000064
时，两节点之间的弹簧力表现为引力。
在上述的一种配电网规划图形可视性优化方法，步骤S21中，构建D-TIN，具体为：
S211、遍历配电网数据，以配电网线特征要素(架空线段、地下电缆、超连接线等)作为边约束集E，并构建包含所有配电设施节点(变电站、发电厂、环网柜等)和线路端点的离散点集P；
S212、从离散点集E中任取一点，作为D-TIN的初始三角形的第一个顶点；
S213、遍历离散点集E，计算所有点与第一个顶点的距离，取距离最小的点作为初始三角形的第二个顶点；
S214、连接两个顶点，构成一条基线；
S215、遍历离散点集，找出距离基线中点最近且不在基线上点作为以该基线为边的三角形的第三个顶点，构成三角形；
S216、以新形成的三角形的两条作为基线；
S217、重复步骤S214～S215，直到构成的三角网中包含整个离散点集，得到配电网D-TIN。
在上述的一种配电网规划图形可视性优化方法，步骤S22中，在D-TIN的基础上，构建CD-TIN，具体为：
S221、任取约束集E中的一条配电网线要素；
S222、搜索D-TIN中所有边界与配电网线要素相交的三角形，并删除这些三角形中的所有公共边，得到受配电网线要素影响的区域；
S223、将影响区域内的其他所有顶点与配电网线要素的起点相连，将影响区域分割成若干三角形；
S224、对影响区域内的三角进行LOP(Local Optimal Procedure)优化，更新影响区域内的三角形，使配电网线要素成为三角网的一部分；
S225、重复上述步骤，直至遍历完整个约束集E，将所有配电网线要素添加到D-TIN中，得到配电网CD-TIN。
在上述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其中，步骤S224中的LOP优化，用于构建具有空圆特性的三角形，具体如下：
(1)以边相邻的两个三角形组成一个凸四边形；
(2)以空圆特性检查这个两个三角形；
(3)若三角形不满足空圆特性，则调整四边形的对角线，得到两个满足空圆特性的三角形。
在上述的一种配电网规划图形可视性优化方法，步骤S23中，遍历CD-TIN中的三角形，判定并统计配电网规划图形密集区域数量，同时计算基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标；其中，配电网规划图形密集区域定义如下：
Figure BDA0002697684980000081
上述定义中，P1,P2,P3为三角形的顶点，Sta,Stb为不同配电网线路，h1,h2,h3为三角形的垂距，θ为密集区阈值，取值与可视化图形的比例尺相关；若CD-TIN中的三角形满足上述条件，则称该三角形所在区域为配电网线路密集区域；
基于密集区区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标定义如下：
Figure BDA0002697684980000082
公式4中，OD为可视性优化评价指标，OD值越大，说明优化后配电网图形中密集区数量越少，可视化效果越优，其中，∑DAor为原始图形中密集区的数量，∑DAop为优化后配电网规划图形中密集区的数量。
在上述的一种配电网规划图形可视性优化方法，步骤S44中，基于点距离缩放中心的距离以及方位优化其坐标，具体计算方法为：
当PnormX<PfocusX时:
Figure BDA0002697684980000083
DmaxX＝|PfocusX-marginLeft| (公式6)
当PnormX>PfocusX时:
Figure BDA0002697684980000084
DmaxX＝|PfocusX-marginRight| (公式8)
当PnormY<PfocusY时:
Figure BDA0002697684980000091
DmaxY＝|PfocusY-marginBottom| (公式10)
当PnormY>PfocusY时:
Figure BDA0002697684980000092
DmaxY＝|PfocusY-marginTop| (公式12)
其中，
DnormX＝|PfocusX-PnormX| (公式13)
DnormY＝|PfocusY-PnormY| (公式14)
Figure BDA0002697684980000093
上述公式中，PnormX为点P在正常坐标系下的横坐标，Pnorm Y为点P在正常坐标系下的纵坐标，Pfeye X为点P在Fisheye-view下的横坐标，Pfeye Y为点P在Fisheye-view下的纵坐标，Pfocus X为缩放中心的横坐标，PfocusY为缩放中心的纵坐标，缩放中心在正常坐标系和Fisheye-view下的坐标保持一致，marginLeft为图幅的左边缘坐标，marginRight为图幅的右边缘坐标，marginTop为图幅的上边缘坐标，marginBottom为图幅的下边缘坐标，zoomF为Fisheye-view的缩放因子。
本发明产生的有益效果是：本发明针对配电网空间分布不均和局部线路密集，缺少一种兼顾配电设施空间位置准确性与线路拓扑关系清晰的配电网规划图形自动生成算法，以满足配电网规划需求，提出一种从全局到局部的空间限制的配电网规划图形节点布局优化方法，进而提升配电网规划图形的可视化效果，同时，提供一种基于CD-TIN识别配电网规划图形密集区的方法和基于密集区数量衡量图形可视化效果以及优化程度的指标。具体如下：
1、基于空间限制的FR算法，全局优化配电网规划图形节点，提升图形的可视化效果。
受城市建设以及配电网规划的影响，配电网空间分布不均，部分地区配电设施和线路密集，规划图形可视化效果差。本发明在传统FR算法的基础上，引入特征点空间限制策略，根据配电网规划图形中节点所代表的配电设施的重要性，将节点分为普通配电设施节点和关键配电设施节点，其中，关键配电设施节点保持空间位置不变，普通配电设施节点在限制条件下进行位移迭代，以保证优化前后配电网规划图形的相似性以及配电设施的空间位置相对准确。此外，引入点边规避策略，将配电网规划图形中节点的受力扩展为三种，即传统算法考虑的节点与关联节点的弹簧力，节点与非关联节点的库伦斥力，以及本策略引入的节点与非关联边中点的库伦斥力，以防止配电设施与线路位置过近从而降低辨识度，进而全局提升配电网图形的可视化效果。
2、在FR优化的基础上，结合配电网规划图形密集区识别方法，基于FE算法优化局部密集区域的可视化效果。
基于空间限制的FR算法从全局层面进行配电网规划图形节点的布局优化，但由于空间限制策略的引入，优化后的配电网规划图形仍然存在部分局部线路与配电设施密集、可视化效果不佳的区域。因此，本发明在最佳FR参数优化配电网规划图形的基础上，结合密集区识别方法，对密集区域内的节点进行基于FE算法的布局优化，根据缩放因子以及节点与缩放中心的距离进一步优化节点的空间位置，进而提升局部密集区域的可视化效果。
3、提出一种配电网规划图形密集区域识别方法，以及一个基于密集区数量的配电网规划图形可视性优化评价指标。
针对当前缺少一种配电网规划图形可视化效果定量评价方法，本发明给出了密集区数学定义，提供一种基于CD-TIN识别配电网规划图形密集区的方法，以配电网规划图形密集区数量定量评价图形的可视化效果。同时，给出一个基于密集区数量的配电网规划图形可视性优化评价指标OD，以图形优化前后密集区域数量衡量图形可视性优化程度。
4、本发明可取代传统的手工绘制配电网规划图形的方法，节约人力资源成本。
传统的手工绘制配电网规划图形工作繁重、效率低下，随着我国经济发展与城市化建设的推进，配电网规模也愈来愈庞大，基于人工绘制并且维护配电网规划图形的方法已无法满足配电网高速发展的需求。本发明提供的配电网规划图形可视性优化方法，实现自动化生成满足线路拓扑关系清晰、配电设施空间位置准确等规划需求配电网规划图形，减少人力资源的消耗。
附图说明
图1是本发明一个具体实施例的技术路线图。
图2是节点在改进FR模型中所受三种不同类型力的示意图。
图3是配电网规划图形密集区示意图。
图4是一个具体实施例中Kr,Ks与密集区数量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的基础是湖北省鄂州市高压配电网数据，电网数据来源于现有电网系统，如图1所示为本实施例具体技术路线图，具体实施时分为以下步骤：
步骤S1：基于空间限制的FR算法，全局优化配电网规划图形节点布局，整体提高配电网规划图形可视化效果，具体实施如下：
S11、遍历配电网规划图形中的线路，将线路中的节点分为关键配电设施节点集T以及普通配电设施节点集P。其中集合T包括代表变电站、发电厂、变压器等影响电气计算的配电设施的节点，这些节点不进行位移迭代操作，集合P包括代表直线杆塔、转角杆塔等不影响电气计算的配电设施的节点，这些节点进行限制条件下的位移迭代操作；
S12、从节点集P任取一节点N，以点N的原始坐标为圆心，空间限制阈值ρ＝300为半径建立缓冲区；
S13、计算点N所受的合力，具体包括点N与其他所有节点之间的库伦斥力，点N与所有邻接节点之间的弹簧力以及点N与非邻接边中点之间的库伦斥力，如图2所示；
S14、并将点N所受合力映射为位移，得到点N位移后的空间坐标位置；
S15、若点N位移后的空间坐标仍在缓冲区内，则以此坐标更新点N的空间位置坐标，反之，若点N位移后的空间坐标在缓冲区外，则连接点N与缓冲区圆心，以连线与缓冲区边界交点坐标更新点N的空间位置坐标；
S16、遍历节点P，依次计算所有节点的合力并更新其空间位置坐标。
S17、重复步骤S12-S16，直到配电网规划图形节点布局平衡或者达到最大迭代次数。
其中，步骤S13计算节点所受合力，库伦力计算公式如下：
Figure BDA0002697684980000131
公式中，q1、q2为节点的电荷数，d为两节点之间的距离，Kr为库伦系数。
弹簧力计算公式如下：
Figure BDA0002697684980000132
公式中，d为两节点之间的距离，
Figure BDA0002697684980000133
为弹簧的初始长度，Ks为弹簧的劲度系数，当
Figure BDA0002697684980000134
时，两节点之间的弹簧力表现为斥力，当
Figure BDA0002697684980000135
时，两节点之间的弹簧力表现为引力。
步骤S2：基于CD-TIN识别配电网规划图形密集区域，具体包括以下步骤：
S21、以配电设施节点作为离散点集，基于三角网生长法构建D-TIN；
S22、在D-TIN的基础上，以配电网线路作为约束集，采用两步法构建CD-TIN；
S23、遍历CD-TIN中的三角形，判定并统计配电网规划图形密集区域数量，并计算基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标。
步骤S21，基于三角网生长法构建D-TIN，具体做法为：
S211、遍历配电网数据，以配电网线特征要素(架空线段、地下电缆、超连接线等)作为边约束集E，并构建包含所有配电设施节点(变电站、发电厂、环网柜等)和线路端点的离散点集P；
S212、从离散点集E中任取一点，作为D-TIN的初始三角形的第一个顶点；
S213、遍历离散点集E，计算所有点与第一个顶点的距离，取距离最小的点作为初始三角形的第二个顶点；
S214、连接两个顶点，构成一条基线；
S215、遍历离散点集，找出距离基线中点最近且不在基线上点作为以该基线为边的三角形的第三个顶点，构成三角形；
S216、以新形成的三角形的两条作为基线；
S217、重复步骤S214～S215，直到构成的三角网中包含整个离散点集，得到配电网D-TIN。
步骤S22中，在D-TIN的基础上构建CD-TIN，具体做法为：
S221、任取约束集E中的一条配电网线要素；
S222、搜索D-TIN中所有边界与配电网线要素相交的三角形，并删除这些三角形中的所有公共边，得到受配电网线要素影响的区域；
S223、将影响区域内的其他所有顶点与配电网线要素的起点相连，将影响区域分割成若干三角形；
S224、对影响区域内的三角形进行LOP优化，更新影响区域内的三角形，使配电网线要素成为三角网的一部分；
S225、重复上述步骤，直至遍历完整个约束集E，将所有配电网线要素添加到D-TIN中，得到配电网CD-TIN。
其中，步骤S224中的LOP优化，用于构建具有空圆特性的三角形，具体如下：
(1)以边相邻的两个三角形组成一个凸四边形；
(2)以空圆特性检查这个两个三角形；
(3)若三角形不满足空圆特性，则调整四边形的对角线，得到两个满足空圆特性的三角形。
步骤S23中，判定并统计配电网规划图形密集区数量，其中，密集区定义如下：
Figure BDA0002697684980000151
定义中，P1,P2,P3为三角形的顶点，Sta,Stb为不同配电网线路，h1,h2,h3为三角形的垂距，θ为密集区阈值，在本实施例中，取值为θ＝100米。若CD-TIN中的三角形满足上述条件，则称该三角形所在区域为配电网线路密集区域。
基于密集区区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标定义如下：
Figure BDA0002697684980000161
上式中，OD为可视性优化指标，OD值越大，说明优化后配电网图形中密集区数量越少，可视化效果越优，其中，∑DAor为原始图形中密集区的数量，ΣDAop为优化后配电网规划图形中密集区的数量。
步骤S3：以配电网规划图形密集区域数量最小化为优化目标，基于格网法优化FR算法参数，获得最优参数下的配电网规划图形FR全局可视性优化结果，具体做法如下：
S31、根据配电网数据范围以及经验值确定库伦系数Kr以及弹簧劲度系数Ks的取值范围，本实施例数据为湖北省鄂州市高压配电网数据，经度方向跨度为42KM，纬度方向跨度为37KM，基于经验值，Kr以及Ks取值范围以及步长分别为Kr∈[1*107,1000*107]，步长10*107，Ks∈[50,1000]，步长50，迭代优化程序，共计获得共计2000组图形优化数据；
S32、以配电设施节点作为离散点集，配电网线特征作为约束集，采用两步法构建配电网CD-TIN；
S33、统计每组(Kr，Ks)对应CD-TIN中密集区的数量；
S34、当密集区数量最小时，图形可视化效果最好，对应的Kr以及Ks的取值即为FR算法的最优参数。
S35、将最佳参数Kr以及Ks代入步骤S1，执行FR优化程序，得到最优参数下的配电网规划图形全局可视性优化结果。
如图4所示，X轴为库伦力系数Kr，Y轴为弹簧的劲度系数Ks，Z轴为配电网规划图形中密集区个数，由图可知，当Kr＝600*107,Ks＝850时，密集区的数量最小，denseArea＝64，此时图形优化程度最好，可视化效果最佳。
步骤S4：在最优参数的FR优化结果基础上，基于FE算法优化配电网规划图形局部密集区域可视化效果，具体做法为：
S41、遍历CD-TIN中的密集区，合并具有相同边的密集区，形成密集区多边形；
S42、任取一密集区多边形，以两倍于其外接矩形大小的区域作为FE算法优化矩形范围，确定优化范围上下边界与左右边界坐标；
S43、基于经验值确定缩放因子zoomF，并以优化范围几何中心为算法的缩放中心；
S44、迭代配电网可视化图形中线路节点，若点坐标落入优化矩形内，则基于点距离缩放中心的距离以及方位优化其坐标；
S45、重复步骤S42～S44，直到所有的密集区多边形处理完毕。
其中，步骤S44中，节点P在Fisheye-view下的坐标的计算方式如下：
当PnormX<PfocusX时:
Figure BDA0002697684980000171
DmaxX＝|PfocusX-marginLeft| (公式23)
当PnormX>PfocusX时:
Figure BDA0002697684980000172
DmaxX＝|PfocusX-marginRight| (公式25)
当PnormY<PfocusY时:
Figure BDA0002697684980000181
DmaxY＝|PfocusY-marginBottom| (公式27)
当PnormY>PfocusY时:
Figure BDA0002697684980000182
DmaxY＝|PfocusY-marginTop| (公式29)
其中，
Dnorm X＝|Pfocus X-PnormX| (公式30)
Dnorm Y＝|PfocusY-PnormY| (公式31)
Figure BDA0002697684980000183
上述公式中，PnormX为点P在正常坐标系下的横坐标，Pnorm Y为点P在正常坐标系下的纵坐标，Pfeye X为点P在Fisheye-view下的横坐标，Pfeye Y为点P在Fisheye-view下的纵坐标，Pfocus X为缩放中心的横坐标，PfocusY为缩放中心的纵坐标，缩放中心在正常坐标系和Fisheye-view下的坐标保持一致，marginLeft为图幅的左边缘坐标，marginRight为图幅的右边缘坐标，marginTop为图幅的上边缘坐标，marginBottom为图幅的下边缘坐标，zoomF为Fisheye-view的缩放因子。
本发明针对传统的依靠人工绘制配电网规划图形的方法工作量巨大，图形维护更新繁琐，且现有的配电网空间可视化技术无法绘制同时兼顾配电设施空间位置准确性与线路拓扑关系清晰性的满足配电网规划需求的配电网空间可视化图形，提出一种配电网规划图形可视性优化方法。该方法能优化配电网规划图形中节点的布局，增大同源密集线路之间的夹角，使线路与配电设施之间的拓扑连接关系更加清晰，同时保持配电设施空间位置相对准确，以满足的配电网规划工作对配电网规划图形的需求。同时，本发明可取代传统的手工绘制配电网规划图形的方法，从而避免手工绘图带来的费时费力且容易出错的问题，减少人力资源成本浪费。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、基于一种基于空间限制的FR算法(Fruchterman-Reingold Algorithm)进行全局优化配电网规划图形节点布局，具体包括：
S11、遍历配电网规划图形中的线路，将线路中的节点分为关键配电设施节点集T以及普通配电设施节点集P；其中集合T包括代表变电站、发电厂、变压器影响电气计算的关键配电设施节点，该类节点不进行位移迭代操作，集合P包括代表直线杆塔、转角杆塔不影响电气计算的配电设施的节点，这类节点进行空间限制下的位移迭代；
S12、从节点集P任取一节点N，以点N的原始坐标为圆心，空间限制阈值ρ为半径建立缓冲区，其中ρ为经验值；
S13、计算点N所受的合力，具体包括点N与其他所有节点之间的库伦斥力，点N与所有邻接节点之间的弹簧力以及点N与非邻接边中点之间的库伦斥力；
S14、将点N所受合力映射为位移，得到点N移动后的空间坐标位置；
S15、若点N移动后的空间坐标仍在缓冲区内，则以此坐标更新点N的空间位置坐标，反之，若点N移动后的空间坐标在缓冲区外，则连接点N与缓冲区圆心，以连线与缓冲区边界交点坐标更新点N的空间位置坐标；
S16、遍历节点P，依次计算所有节点的合力并更新其空间位置坐标；
S17、重复步骤S12-S16，直到配电网规划图形节点布局平衡或者达到最大迭代次数；
S2、基于CD-TIN(Constrained Delaunay Triangulate Irregular Network)识别配电网规划图形密集区域方法和基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标，以量化配电网规划图形可视化效果以及优化程度，具体包括：
S21、以配电设施节点作为离散点集，基于三角网生长法构建D-TIN(DelaunayTriangulate Irregular Network)；
S22、在D-TIN的基础上，以配电网线路作为约束集，采用两步法构建CD-TIN；
S23、遍历CD-TIN中的三角形，判定并统计配电网规划图形密集区域数量，计算基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标；
S3、以S2中所提配电网规划图形密集区域数量最小化为优化目标，提出一种格网法以优化S1中提出的基于空间限制的FR算法参数，实现最优参数下的配电网规划图形FR全局可视性优化，具体包括：
S31、确定库伦系数Kr以及弹簧劲度系数Ks的取值范围和增长步长，Kr∈[φ1，φ2]，步长Δ1，Ks∈[φ3，φ4]，步长Δ2，式中φi，Δj可由配电网数据范围基于经验值确定，迭代面向配电网图形整体优化的FR算法，取得多组配电网图形优化结果；
S32、以配电设施节点作为离散点集，配电网线特征作为约束集，采用两步法构建配电网CD-TIN；
S33、统计每组(Kr，Ks)对应CD-TIN中密集区的数量；
S34、当密集区数量最小时，配电网规划图形可视化效果最好，对应的Kr以及Ks的取值即为FR算法的最优参数；
S35、将最佳参数Kr以及Ks代入步骤S1，执行FR优化程序，得到最优参数下的配电网规划图形全局可视性优化结果；
S4、在S3的配电网规划图形优化基础上，结合S2所提出的密集区识别方法，基于FE(Fisheye Algorithm)算法优化配电网规划图形局部密集区域的可视化效果，具体包括：
S41、遍历CD-TIN中的密集区，合并具有相同边的密集区，形成密集区多边形；
S42、任取一密集区多边形，以两倍于其外接矩形大小的区域作为FE算法优化矩形范围，确定优化范围上下边界与左右边界坐标；
S43、基于经验值确定缩放因子zoomF，并以优化范围几何中心为算法的缩放中心；
S44、迭代配电网可视化图形中线路节点，若点坐标落入优化矩形内，则基于点距离缩放中心的距离以及方位优化其坐标；
S45、重复步骤S42～S44，直到所有的密集区多边形处理完毕。
2.如权利要求1所述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，步骤S13中，节点所受合力是3种类型的力叠加所得，具体为：
合力一、本节点与其他所有节点之间的库伦斥力；
合力二、本节点与非邻接边中点之间的库伦斥力；
合力三、本节点与所有邻接节点之间的弹簧力；
其中，库伦斥力基于库伦定律计算：
Figure FDA0003800072310000041
公式1中，q1、q2为节点的电荷数，d为两节点之间的距离，Kr为库伦系数；
弹簧力基于胡克定律计算：
Figure FDA0003800072310000042
公式中，d为两节点之间的距离，
Figure FDA0003800072310000043
为弹簧的初始长度，Ks为弹簧的劲度系数，当
Figure FDA0003800072310000044
时，两节点之间的弹簧力表现为斥力，当
Figure FDA0003800072310000045
时，两节点之间的弹簧力表现为引力。
3.如权利要求1所述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，步骤S21中，构建D-TIN，具体为：
S211、遍历配电网数据，以配电网线特征要素作为边约束集E，并构建包含所有配电设施节点和线路端点的离散点集P；
S212、从离散点集E中任取一点，作为D-TIN的初始三角形的第一个顶点；
S213、遍历离散点集E，计算所有点与第一个顶点的距离，取距离最小的点作为初始三角形的第二个顶点；
S214、连接两个顶点，构成一条基线；
S215、遍历离散点集，找出距离基线中点最近且不在基线上点作为以该基线为边的三角形的第三个顶点，构成三角形；
S216、以新形成的三角形的两条作为基线；
S217、重复步骤S214～S215，直到构成的三角网中包含整个离散点集，得到配电网D-TIN。
4.如权利要求1所述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，步骤S22中，在D-TIN的基础上，构建CD-TIN，具体为：
S221、任取约束集E中的一条配电网线要素；
S222、搜索D-TIN中所有边界与配电网线要素相交的三角形，并删除这些三角形中的所有公共边，得到受配电网线要素影响的区域；
S223、将影响区域内的其他所有顶点与配电网线要素的起点相连，将影响区域分割成若干三角形；
S224、对影响区域内的三角进行LOP(Local Optimal Procedure)优化，更新影响区域内的三角形，使配电网线要素成为三角网的一部分；
S225、重复步骤S221～S224，直至遍历完整个约束集E，将所有配电网线要素添加到D-TIN中，得到配电网CD-TIN。
5.如权利要求1所述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，步骤S224中的LOP优化，用于构建具有空圆特性的三角形，具体如下：
(1)以边相邻的两个三角形组成一个凸四边形；
(2)以空圆特性检查(1)中两个三角形；
(3)若三角形不满足空圆特性，则调整四边形的对角线，得到两个满足空圆特性的三角形。
6.如权利要求1所述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，步骤S23中，遍历CD-TIN中的三角形，判定并统计配电网规划图形密集区域数量，同时计算基于密集区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标；其中，配电网规划图形密集区域定义如下：
Figure FDA0003800072310000061
上述定义中，P1，P2，P3为三角形的顶点，Sta，Stb为不同配电网线路，h1，h2，h3为三角形的垂距，θ为密集区阈值，取值与可视化图形的比例尺相关；若CD-TIN中的三角形满足公式(3)，则称该三角形所在区域为配电网线路密集区域；
基于密集区区域数量的配电网规划图形可视性优化评价指标定义如下：
Figure FDA0003800072310000062
公式4中，OD为可视性优化评价指标，OD值越大，说明优化后配电网图形中密集区数量越少，可视化效果越优，其中，∑DAor为原始图形中密集区的数量，∑DAop为优化后配电网规划图形中密集区的数量。
7.如权利要求1所述的一种配电网规划图形可视性优化方法，其特征在于，步骤S44中，基于点距离缩放中心的距离以及方位优化其坐标，具体计算方法为：
当PnormX＜PfocusX时：
Figure FDA0003800072310000071
DmaxX＝|PfocusX-marginLeft| (公式6)
当PnormX＞PfocusX时：
Figure FDA0003800072310000072
DmaxX＝|PfocusX-marginRight| (公式8)
当PnormY＜PfocusY时：
Figure FDA0003800072310000073
DmaxY＝|PfocusY-marginBottom| (公式10)
当PnormY＞PfocusY时：
Figure FDA0003800072310000074
DmaxY＝|PfocusY-marginTop| (公式12)
其中，
DnormX＝|PfocusX-PnormX| (公式13)
DnormY＝|PfocusY-PnormY| (公式14)
Figure FDA0003800072310000075
上述公式中，PnormX为点P在正常坐标系下的横坐标，PnormY为点P在正常坐标系下的纵坐标，PfeyeX为点P在Fisheye-view下的横坐标，PfeyeY为点P在Fisheye-view下的纵坐标，PfocusX为缩放中心的横坐标，PfocusY为缩放中心的纵坐标，缩放中心在正常坐标系和Fisheye-view下的坐标保持一致，marginLeft为图幅的左边缘坐标，marginRight为图幅的右边缘坐标，marginTop为图幅的上边缘坐标，marginBottom为图幅的下边缘坐标，zoomF为Fisheye-view的缩放因子。
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