CN113779767A - 一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，包括，根据电气网络的原始数据构建设备信息连接关系表；利用所述信息连接关系表，基于邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析策略构建节点拓扑模型；利用所述信息连接关系表将各个独立节点连通，自动建立主拓扑模型；利用所述信息连接关系表向所述主拓扑模型中添加节点和支路，形成电气网络的无向图模型；根据设备电压等级对所述无向图模型分层，得到对电气网络电磁暂态仿真模型拓扑结构的可视化展示。本发明将同层的电气设备之间通过线路和断路器相连，不同层的电气设备之间通过变压器相连，可以对任意电气网络的拓扑结构进行分层展示，满足可视化要求。

Description

一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法
技术领域
本发明涉及电气网络自动可视化的技术领域，尤其涉及一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法。
背景技术
在各类电气自动化监控系统应用中，拓扑分析是其他高级分析功能的基础，计算机/通讯设备硬件性能的飞速提升及成熟软件构件技术带来的系统开发成本的下降，使得构建具有数字化数据采集、收发能力的智能设备及自动化仪表的成本得以迅速地降低。
在终端智能仪表及低成本/高带宽的现代数字通信技术的支撑下，电力配电网自动化系统顺应智能电网建设的潮流，将越来越多的新建及改造配网自动化系统纳入各级SCADA系统中进行监控，进而使得整个城乡配网系统的自动化程度得到了极大地提高。
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：无法对任意电气网络的拓扑结构进行分层展示，无法满足可视化要求。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，根据电气网络的原始数据构建设备信息连接关系表；利用所述信息连接关系表，基于邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析策略构建节点拓扑模型；利用所述信息连接关系表将各个独立节点连通，自动建立主拓扑模型；利用所述信息连接关系表向所述主拓扑模型中添加节点和支路，形成电气网络的无向图模型；根据设备电压等级对所述无向图模型分层，得到对电气网络电磁暂态仿真模型拓扑结构的可视化展示。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：所述设备信息连接关系表包括，母线、断路器、传输线、变压器、发电机、负荷和无功补偿装置。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：构建所述无向图模型包括，数据转换、所述节点拓扑模型构建、所述主拓扑模型构建、添加支路，生成所述无向图模型。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：所述数据转换包括，将设备参数和引脚信息的原始数据整理为特定格式的表格数据，生成所述设备信息连接关系表；所述设备信息连接关系表存储基于电气设备的标签、电压等级、详细参数和引脚ID。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：构建所述节点拓扑模型包括，基于所述邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析策略，梳理处电气网络中母线、断路器之间的邻接关系，得到等效母线节点；根据所述邻接关系构建无向图的节点拓扑。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：构建所述主拓扑模型包括，根据线路、变压器的所述设备信息接连关系表，在节点集合中寻找与所述线路、所述变压器设备的i侧ID和j侧ID向匹配的节点；在等效节点之间自动建立连接，形成全连通的主拓扑结构图。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：生成所述无向图模型包括，根据发电机、负荷、无功补偿装置的所述设备信息连接关系表，在所述节点集合中寻找与线路、变压器设备的i侧ID和j侧ID相匹配的节点；向所述主拓扑结构图中添加支路，形成电气网络完整的拓扑结构无向图模型。
作为本发明所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的一种优选方案，其中：所述无向图模型分层包括，根据所述无向图模型中每个节点的额定电压等级，将其放置在相匹配的层级中，同层的设备之间保留原先的拓扑连接关系；将变压器进行特殊处理，分为高压侧和低压侧，所述高压侧放置在高压层，所述低压侧放置在低压层；所述高压侧和所述低压侧之间通过一个放置在两层之间的虚拟节点连接，最终生成电气网络拓扑结构的可视化模型。
本发明的有益效果：本发明设计的电气设备信息和连接关系表能够对原始数据进行格式规范，将电气网络拓扑结构的无向图模型构建方法细化为了四个步骤—数据转换、构建节点拓扑、构建主拓扑和添加支路，利用以上步骤可以完成对任意电气网络的拓扑构建；另一方面，本发明设计的基于设备电压等级的无向图模型分层可视化方案，将同层的电气设备之间通过线路和断路器相连，不同层的电气设备之间通过变压器相连，可以对任意电气网络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电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的无向图模型分层可视化拓扑关系示意图；
图2为本发明一个实施例所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的邻接关系示意图；
图3为本发明一个实施例所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的节点拓扑关系示意图；
图4为本发明一个实施例所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的主拓扑关系示意图；
图5为本发明一个实施例所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的无向图拓扑关系示意图。
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5，为本发明的第一个实施例，提供了一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，包括：
S1：根据电气网络的原始数据构建设备信息连接关系表。
S2：利用信息连接关系表，基于邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析策略构建节点拓扑模型。
S3：利用信息连接关系表将各个独立节点连通，自动建立主拓扑模型。
S4：利用信息连接关系表向主拓扑模型中添加节点和支路，形成电气网络的无向图模型。
S5：根据设备电压等级对无向图模型分层，得到对电气网络电磁暂态仿真模型拓扑结构的可视化展示。
较佳的，典型的电气网络一般由母线、断路器、传输线、变压器、发电机、负荷、无功补偿装置基本电气设备构成，将以上设备参数和引脚信息的原始数据整理为特定格式的表格数据，生成基本电气设备信息连接关系表。
具体的，基本电气设备信息连接关系表包括，由于基本电气设备电磁暂态仿真模型的电气端口都是单端口(母线、负荷、发电机、无功补偿装置)或二端口(断路器、传输线、变压器)，引脚最多有两个(i侧和j侧)，故将设备的参数信息和引脚端口整理在一起，设计了基本电气设备信息和连接关系表，用于存储基本电气设备的标签、电压等级、详细参数、引脚ID这四类信息，本实施例以三相交流母线的信息和连接关系表为例，其标签栏包括设备唯一编号、名称、类型；电压等级栏为额定电压(基准电压)；详细参数栏包括实际电压的幅值和相角；i侧引脚ID(单端口)。
表1：三相交流母线的信息和连接关系表。
Figure BDA0003211585750000051
进一步的，一个电气网络中存在若干段母线，变压器、线路、负荷等电气设备都是通过断路器与母线相连，基于邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析方法，梳理出电气网络中母线、断路器之间的邻接关系，得到等效母线节点，并按照邻接关系构建无向图的节点拓扑。
参照图2，具体包括：
(1)在生成的信息和连接关系表中筛选出类型为母线和断路器的所有行R；
(2)将R的引脚ID(i侧和j侧)存放的集合Pin里面，并删除集合里面重复的的引脚，保证相同的引脚只出现一次，假设共有n个不同的引脚；
(3)构建一个n×n的零矩阵C，从Pin的第p(1≤p≤n)个元素Pin(p)出发，在R中筛选出包含Pin(p)的行Rp；假设共有h行；
(4)从Rp的第k(1≤k≤h)行出发，确定Pin(p)是该行的i侧ID还是j侧ID，若为i侧ID则在Pin中寻找等于其j侧ID(若有)的元素，若存在，假设为Pin(q)，则将零矩阵C的第p行第q列的元素重置为1，重复步骤(4)直到遍历Rp的行；
(5)重复步骤(3)到步骤(4)，直到遍历Pin的所有元素，即可生成表征Pin中所有元素之间连接关系的邻接矩阵C，参照图2，其中，1，2，3，4，5，6，7，8为母线的i侧引脚ID。
(6)参照图3，基于上述邻接矩阵C对Pin行中的所有元素进行深度优先搜索，将有邻接关系的元素放在一个节点集合Ne内，看作一个独立的等效节点，并根据邻接关系构建所有等效节点的内部拓扑结构图。
再进一步的，参照图4，在构建好节点拓扑模型后，根据线路、变压器的信息和连接关系表，在节点集合Ne中寻找与线路、变压器设备的i侧ID和j侧ID相匹配的节点，在等效节点之间自动建立连接，形成一全连通的主拓扑结构图，
参照图5，在构建好主拓扑模型后，根据发电机、负荷、无功补偿装置的信息和连接关系表，在节点集合Ne中寻找与线路、变压器设备的i侧ID和j侧ID相匹配的节点，向主拓扑中添加支路，形成电气网络完整的拓扑结构无向图模型。
实施例2
参照图1，为本发明的第二个实施例，本实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法的无向图模型分层方法，具体包括：
电气设备的拓扑结构是一个无向图模型，无法通过有向图利用节点的深度来分层，考虑到每个电气设备都具有不同的电压等级，因此根据电气设备的额定电压对无向图模型进行分层，从而实现对电气网络电磁暂态仿真模型拓扑结构的可视化展示。
基于当前电力系统的特点，从输电网到配电网可以按额定电压等级分为以下11层。
表2：分层数据表。
Figure BDA0003211585750000071
相同电压等级的电气设备之间通过线路、断路器相连，不同电压等级的电气设备之间通过变压器相连。
(1)依据无向图中每个节点的额定电压等级，将其放置在相匹配的层级中，同层的设备之间保留原先的拓扑连接关系；
(2)将变压器进行特殊处理，将其分为高压侧和低压侧，高压侧放置在高压层，低压侧放置在低压层，高压侧和低压侧之间通过一个放置在两层之间的虚拟节点连接；
(3)最终生成电气网络拓扑结构的可视化模型；
(4)由于同层设备的电压等级可能会有所区别，在可视化模型给每个设备添加一个电压标签，来展示每个设备具体的电压。
本发明所提出的一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，包括电气网络拓扑结构的无向图模型自动建模方法和电气网络拓扑结构无向图模型的可视化方法，设计的电气设备信息和连接关系表能够对原始数据进行格式规范，将电气网络拓扑结构的无向图模型构建方法细化为了四个步骤—数据转换、构建节点拓扑、构建主拓扑和添加支路，利用以上步骤可以完成对任意电气网络的拓扑构建。
优选的，本发明设计的基于设备电压等级的无向图模型分层可视化方案，将同层的电气设备之间通过线路和断路器相连，不同层的电气设备之间通过变压器相连，理论上可以对任意电气网络的拓扑结构进行分层展示，满足可视化要求。
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 (8)

1.一种电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：包括，
根据电气网络的原始数据构建设备信息连接关系表；
利用所述信息连接关系表，基于邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析策略构建节点拓扑模型；
利用所述信息连接关系表将各个独立节点连通，自动建立主拓扑模型；
利用所述信息连接关系表向所述主拓扑模型中添加节点和支路，形成电气网络的无向图模型；
根据设备电压等级对所述无向图模型分层，得到对电气网络电磁暂态仿真模型拓扑结构的可视化展示。
2.根据权利要求1所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：所述设备信息连接关系表包括，母线、断路器、传输线、变压器、发电机、负荷和无功补偿装置。
3.根据权利要求1或2所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：构建所述无向图模型包括，数据转换、所述节点拓扑模型构建、所述主拓扑模型构建、添加支路，生成所述无向图模型。
4.根据权利要求3所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：所述数据转换包括，将设备参数和引脚信息的原始数据整理为特定格式的表格数据，生成所述设备信息连接关系表；
所述设备信息连接关系表存储基于电气设备的标签、电压等级、详细参数和引脚ID。
5.根据权利要求4所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：构建所述节点拓扑模型包括，
基于所述邻接矩阵和深度优先搜索的母线拓扑分析策略，梳理处电气网络中母线、断路器之间的邻接关系，得到等效母线节点；
根据所述邻接关系构建无向图的节点拓扑。
6.根据权利要求5所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：构建所述主拓扑模型包括，
根据线路、变压器的所述设备信息接连关系表，在节点集合中寻找与所述线路、所述变压器设备的i侧ID和j侧ID向匹配的节点；
在等效节点之间自动建立连接，形成全连通的主拓扑结构图。
7.根据权利要求6所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：生成所述无向图模型包括，
根据发电机、负荷、无功补偿装置的所述设备信息连接关系表，在所述节点集合中寻找与线路、变压器设备的i侧ID和j侧ID相匹配的节点；
向所述主拓扑结构图中添加支路，形成电气网络完整的拓扑结构无向图模型。
8.根据权利要求7所述的电气网络电磁暂态仿真模型的自动可视化方法，其特征在于：所述无向图模型分层包括，
根据所述无向图模型中每个节点的额定电压等级，将其放置在相匹配的层级中，同层的设备之间保留原先的拓扑连接关系；
将变压器进行特殊处理，分为高压侧和低压侧，所述高压侧放置在高压层，所述低压侧放置在低压层；
所述高压侧和所述低压侧之间通过一个放置在两层之间的虚拟节点连接，最终生成电气网络拓扑结构的可视化模型。
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