CN113742534B - 一种多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法，包括，对多能源系统控制和保护系统的原始数据进行转换，解析生成基本计算元件信息表和计算元件连接关系表；根据所述基本计算元件信息表和所述计算元件连接关系表，拆分控制和保护逻辑结构得到有向无环图；自动构建多能源系统控制和保护系统的有向无环图模型；将所述有向无环图模型的拓扑结构进行分层，生成相应的SVG图，对构建好的控制和保护系统模型的可视化展示。本发明按照每个节点的深度，把深度相同的节点放置在同一层，可以对任意控制和保护系统的拓扑结构进行分层展示，满足可视化要求。
Description
技术领域
本发明涉及多能源控制保护系统的可视化的技术领域，尤其涉及一种多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法。
背景技术
目前，能源系统逐渐由传统电、气、热系统独立运行供应模式向多能耦合协调运行模式转变，组成多能源系统。多能源系统由多种能源系统耦合构成，包括不同能源形式间的传输、转换、存储等功能单元。多种能源的协调运行不仅影响能量的供应比例，而且显著影响能源系统可靠性。
在各级配网自动化监控系统的监控端后台系统所执行的功能中，无论是馈线自动化、配电网优化运行、配网负荷优化、配电图资系统(AM/FM/GIS)还是自动/人工线路故障分析，都对配线网络的实时可视化显示提出了越来越高的要求。
随着GIS系统(地理信息系统)支持被逐步引入到配网拓扑分析中来，主流的配网线路的拓扑分析系统已经能够与Arc/Info/MapInfo进行无缝集成，图元定义也基本实现了对象化，系统的通用性及软件界面的友好性也越来越受到重视，其中对于配网线路的拓扑分析及实时状态刷新(拓扑着色)成为上述各相关技术的重要基础。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：无法实现多能源控制保护系统的自动建模及可视化问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，对多能源系统控制和保护系统的原始数据进行转换，解析生成基本计算元件信息表和计算元件连接关系表；根据所述基本计算元件信息表和所述计算元件连接关系表，拆分控制和保护逻辑结构得到有向无环图；自动构建多能源系统控制和保护系统的有向无环图模型；将所述有向无环图模型的拓扑结构进行分层，生成相应的SVG图，对构建好的控制和保护系统模型的可视化展示。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：包括，将完整的所述控制和保护系统拆分为一个个描述特定计算功能的输入输出元件，基于线性/非线性特征和输入信号类型将计算元件划分为六种类型；所述六种类型包括，基本数学函数、线性控制元件、非线性控制元件、模拟信号元件、数字信号元件和坐标变换元件。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：所述基本数学函数包括，加/减法器、乘法器等常见函数运算；所述线性控制元件包括，增益、积分/微分环节、惯性环节、PI控制器；所述非线性控制元件包括，限幅器、延时环节；所述模拟信号元件包括，比较器、采样环节；所述数字信号元件包括，逻辑门、选择器等逻辑运算元件；所述坐标变换元件包括，Park变换/逆变换器、Clark变换/逆变换器。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：所述基本计算元件信息表包括，存储基本计算元件的类型、参数、限制条件这三类信息。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：所述计算元件连接关系表包括，存储所述基本计算元件的输入端口ID和输出端口ID这两类端口信息，且每个端口ID唯一。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：包括，根据生成的信息表和连接关系表来构建所述有向无环图模型。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：还包括，从某个基本计算元件A出发，将其作为有向图G的一个节点VA，在其余基本计算元件中寻找输出端口ID；若存在，则将所述基本计算元件作为元件A在有向图G中节点VA的父节点VB，VC，VD，...，并与VA之间生成一条指向VA的有向边；遍历所有的基本计算元件，自动构建一个完整的有向图模型。
作为本发明所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的一种优选方案，其中：包括，搜索出所述有向无环图中每个节点的最长路径来确定每个节点对应的深度，将深度相同的节点放置在同一层，对有向无环图模型的拓扑结构进行分层；将分层有向无环图的节点利用相应的基本计算元件图标替换；输入端口与输出端口之间用有向线段相连，绘制出为表征控制和保护系统的逻辑框图，并自动生成SVG图，完成多能源系统控制和保护系统模型的可视化。
本发明的有益效果：本发明通过设计的控制和保护系统基本计算元件信息和连接关系表能够有效规范数据结构，利用有向无向图模型来描述控制和保护系统的结构，将构建有向无向图模型的方法细化为了三个步骤—规范数据格式、匹配端口ID、有向图解环，利用以上步骤可以完成对任意控制和保护系统逻辑结构的建模；同时，设计的基于节点深度的有向无环图模型分层可视化方案，按照每个节点的深度，把深度相同的节点放置在同一层，可以对任意控制和保护系统的拓扑结构进行分层展示，满足可视化要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的有向图模型示意图；
图2为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的有向无环图构建流程示意图；
图3为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的控制逻辑流程示意图；
图4为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的基本计算元件组成的有向无环图模型示意图；
图5为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的有向图模型分层意图；
图6为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的有向图模型分层构建流程示意图；
图7为本发明一个实施例所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法的SVG生成示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图7，为本发明的第一个实施例，提供了一种多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法，包括：
S1：对多能源系统控制和保护系统的原始数据进行转换，解析生成基本计算元件信息表和计算元件连接关系表。
S2：根据基本计算元件信息表和计算元件连接关系表，拆分控制和保护逻辑结构得到有向无环图。
S3：自动构建多能源系统控制和保护系统的有向无环图模型。
S4：将有向无环图模型的拓扑结构进行分层，生成相应的SVG图，对构建好的控制和保护系统模型的可视化展示。
不难理解的是，虽然多能源系统的控制和保护系统所包含的设备种类繁多，控制和保护逻辑结构复杂，但对其进行建模时，可以将完整的控制和保护系统拆分为一个个描述特定计算功能的输入输出元件，基于线性/非线性特征和输入信号类型可以将这些基本计算元件划分为以下六种类型：
(1)基本数学函数：包括加/减法器、乘法器等常见函数运算；
(2)线性控制元件：包括增益、积分/微分环节、惯性环节、PI控制器；
(3)非线性控制元件：包括限幅器、延时环节；
(4)模拟信号元件：包括比较器、采样环节；
(5)数字信号元件：包括逻辑门、选择器等逻辑运算元件；
(6)坐标变换元件：Park变换/逆变换器、Clark变换/逆变换器。
具体的，将多能源系统控制和保护系统的原始数据(包括上述六类基本计算元件参数和端口信息的xml文件)转换为特定的表格形式，包括基本计算元件信息表和连接关系表。
基本计算元件信息表：用来存储基本计算元件的类型(必须)、参数(若有)、限制条件(若有)这三类信息，以PI控制器的信息表为例，其类型信息包含元件ID(唯一)、名称；参数信息包含比例系数、积分系数、积分器初值；限制条件信息包含是否限幅、积分可否重置。
表1：基本计算元件信息表。
基本计算元件连接关系表：用来存储基本计算元件的输入端口ID(可能有多个)和输出端口ID(可能有多个)这两类端口信息(必须)，且每个端口ID唯一，以加/减法器的连接关系表为例，其输入端ID包含加法端ID、减法端ID。
表2：基本计算元件连接关系表。
进一步的，考虑到控制信号的流动是有方向的，拟采用有向无环图模型来表征控制和保护逻辑流程结构，根据生成的信息表和连接关系表来构建有向无环图模型。
具体的，参照图2，从某个基本计算元件A出发，将其作为有向图G的一个节点VA，在其余基本计算元件中寻找输出端口ID(OutputB1，OutputC1，OutputD1，...)等于元件A每个输入端口ID(IutputA1，IutputA2，IutputA1，...)的元件(B，C，D，...)，若存在，则将这些元件(B，C，D，...)作为元件A在有向图G中节点VA的父节点VB，VC，VD，...，并与VA之间生成一条指向VA的有向边，通过遍历所有的基本计算元件，即可自动构建一个完整的有向图模型。
参照图3，对于某些控制系统，其控制结构中有反馈环路，此时可通过在反馈环的输入端添加一个一拍延时环节元件来解环，将其转化为一个有向无环图。
参照图4和图5，,以并网逆变器的电压外环和电流内环双闭环控制系统为例，根据上述控制逻辑流程给出了由基本计算元件组成的有向无环图；在构建好控制和保护系统的有向无环图模型后，需要对有向无环图模型的拓扑结构进行可视化展示，最终得到表征控制和保护系统的可视化逻辑框图。
参照图6，搜索出该有向无环图中每个节点的最长路径来确定每个节点对应的深度，将深度相同的节点放置在同一层，以此来对有向无环图模型的拓扑结构进行分层；具体的，得到所有节点V的父节点集合ΦV，并将所有节点的深度HV初始化为节点总数N+1；其次，将父节点集合为空集的节点的深度设置为1；再此，对于所有深度大于N的节点，查询其所有父节点的深度HΦv，并将其深度HV重置为所有父节点的最大深度max{HΦv}+1；最后，按照每个节点的深度，把深度相同的节点放置在同一层，其中没有父节点的层为输入层，其输入端口一般为量测信号或参考信号；没有子节点的层为输出层；其余为中间层，即可对所有节点完成分层排列。
参照图7，把上述分层有向无环图的节点用相应的基本计算元件图标替换，输入端口与输出端口之间用有向线段相连，绘制出为表征控制和保护系统的逻辑框图，并自动生成SVG图，实现多能源系统控制和保护系统模型的可视化。
实施例2
为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择以传统的方法与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，验证本发明方法所具有的真实效果。
传统的系统关系显示方法无法根据多能源控制和保护系统实现自动化建模以及可视化展示，为验证本发明方法相对于传统方法具有更好的自动建模效率性和可视化结构展示的准确性，本实施例中将采用传统的系统关系显示方法与本发明方法分别对仿真平台的多能源控制和保护系统进行对比测试。
测试环境：将多能源控制和保护系统的运行参数导入仿真平台模拟运行并模拟网络拓扑结构关系生成场景，利用传统方法的人工操作进行结构关系显示输入测试并获得测试结果数据，采用本发明方法，则开启自动化测试设备并运用MATLB实现本发明方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据，每种方法各测试100组数据，计算获得每组数据的时间，与仿真模拟输入的实际预测值进行误差对比计算。
表3：误差测试数据对比表。
| 测试前期/％ | 测试中期/％ | 测试后期/％ | 平均值/％ | |
| 传统方法 | 39.672 | 42.196 | 36.015 | 39.294 |
| 本发明方法 | 22.571 | 25.398 | 23.769 | 23.913 |
参照表3，能够直观地看出，传统方法在测试的三个阶段(前期、中期和后期)的误差率均高于本发明方法的误差率，即验证了本发明方法生成的可视化结构图具有更高的准确度。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法，其特征在于：包括，
对多能源系统控制和保护系统的原始数据进行转换，解析生成基本计算元件信息表和计算元件连接关系表；
根据所述基本计算元件信息表和所述计算元件连接关系表，拆分控制和保护逻辑结构得到有向无环图；
自动构建多能源系统控制和保护系统的有向无环图模型；
将所述有向无环图模型的拓扑结构进行分层，生成相应的SVG图，对构建好的控制和保护系统模型的可视化展示；
将完整的所述控制和保护系统拆分为一个个描述特定计算功能的输入输出元件，基于线性/非线性特征和输入信号类型将计算元件划分为六种类型；
所述六种类型包括，基本数学函数、线性控制元件、非线性控制元件、模拟信号元件、数字信号元件和坐标变换元件；
所述基本计算元件信息表包括，存储基本计算元件的类型、参数、限制条件这三类信息；
所述计算元件连接关系表包括，存储所述基本计算元件的输入端口ID和输出端口ID这两类端口信息，且每个端口ID唯一；
搜索出所述有向无环图中每个节点的最长路径来确定每个节点对应的深度，将深度相同的节点放置在同一层，对有向无环图模型的拓扑结构进行分层；
将分层有向无环图的节点利用相应的基本计算元件图标替换；
输入端口与输出端口之间用有向线段相连，绘制出为表征控制和保护系统的逻辑框图，并自动生成SVG图，完成多能源系统控制和保护系统模型的可视化。
2.根据权利要求1所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法，其特征在于：包括，
所述基本数学函数包括加/减法器、乘法器常见函数运算；
所述线性控制元件包括增益、积分/微分环节、惯性环节、PI控制器；
所述非线性控制元件包括限幅器、延时环节；
所述模拟信号元件包括比较器、采样环节；
所述数字信号元件包括逻辑门、选择器等逻辑运算元件；
所述坐标变换元件包括Park变换/逆变换器、Clark变换/逆变换器。
3.根据权利要求1所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法，其特征在于：包括，
根据生成的基本计算元件信息表和计算元件连接关系表来构建所述有向无环图模型。
4.根据权利要求3所述的多能源系统控制和保护系统的自动建模及可视化方法，其特征在于：还包括，
从某个基本计算元件A出发，将其作为有向无环图G的一个节点VA，在其余基本计算元件中寻找输出端口ID；
若存在，则将所述基本计算元件作为元件A在有向无环图G中节点VA的父节点VB，VC，VD，...，并与VA之间生成一条指向VA的有向边；
遍历所有的基本计算元件，自动构建一个完整的有向无环图模型。
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