CN114448087A - 一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法和系统。所述方法包括：步骤S1：提取配电网拓扑数据；步骤S2：确定零级主干并进行视图划分；步骤S3：遍历所有下一级主干并进行可视化。本发明考虑新型配电网网络结构特点，使用多样化的布局方式改良网络整体拓扑结构，通过拓扑布局决定在有限显示空间内如何确定和分配映射几何图形的节点和边的具体位置；充分利用了辐射型配电网结构特征，一次生成所有布局和位置，后续拓扑过程中不需要调整，拓扑可视化速度快。

Description

一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法和系统

技术领域

本发明涉及供电或配电领域，具体涉及一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法和系统。

背景技术

配电网在线离线一体化仿真辅助决策系统由在线仿真和离线仿真两部分组成，离线仿真部分含有图模一体化建模工具，一般通过用户绘制配电网网络拓扑模型，然后录入设备参数后开始离线仿真；但对于在线仿真来说，实际配电网线路多、规模大，使用离线仿真的方式建立网架模型工作量太多难以实施。因此，需要通过数据导入的方式将配电网在线仿真数据导入配电网在线离线一体化仿真辅助决策系统，一般结构化数据仅需通过数据关联、匹配、迁移、存储即可实现，但配电网网架数据处理面临三大困难：(1)一些配电网网架为非结构化数据，难以进行存储、处理和使用；(2)其它应用系统中的配电网网架一般作为中间载体使用，其开发商不愿公开其具体数据结构；(3)不同系统之间的配电网网架应用差异大，其网络数据需要大量筛选、提取甚至重构处理。因此，基于配电网网络拓扑数据，配电网在线离线一体化仿真辅助决策系统直接生成可视化配电网网络架构，能够为在线离线一体化应用提供专业定制的展示媒介，同时有利于缩短数据处理过程提高数据可靠性。

网络可视化工具种类、数量繁多，如Gephi、GraphViz等，这些工具功能丰富、适用性强，并不局限于特定的使用目的。Gephi是一款开源、免费跨平台、基于JVM的复杂网络分析软件，主要用于各种网络和复杂系统，动态和分层图的交互可视化与探测开源工具。Gephi提供了各类代表性图布局方法并允许用户进行布局设置，支持时变网络数据可视化并支持用户实时过滤网络，从过滤结果建立新网络。Gephi使用聚类和分层图的方法处理较大规模的图，通过加速探索编辑大型分层结构图来探究多层图；利用数据属性和内置的聚类算法聚合图网络。GraphViz是由贝尔实验室设计的一个开源的图形绘制工具，支持Windows、Linux和Mac等各种操作系统，使用一个特定的DSL(领域特定语言)——dot作为脚本语言，并使用布局引擎解析此脚本，提供自动布局算法。GraphViz的dot脚本语言非常简单方便，而且提供了大量的自动布局算法和丰富的导出格式供用户选择。虽然这些工具或软件包都有各自的功能特点，但在可扩展性、大规模数据处理、表现方式优化、自主可控等方面仍然存在诸多缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提出了一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法，包括：

步骤S1：提取配电网拓扑数据；

步骤S2：确定零级主干并进行视图划分；

步骤S3：遍历所有下一级主干并进行可视化。

进一步的，所述步骤S1具体为：基于设备节点连接关系，对配电网络进行连通性分析，剔除孤岛设备，建立拓扑设备集合。

进一步的，所述步骤S2具体为：以电源节点为始点，对拓扑设备集合进行宽度优先搜索，使用双向链式树状数据结构进行存储，生成拓扑树，并保存各节点在搜索中的层级；获取搜索层数最多的路径，然后筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干。

进一步的，以主干路径为X轴，将显示视图划分为面积相等的上下两个区域。

进一步的，所述筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干，筛选路径节点特定类型子节点数量之和最大的路径为主干。

进一步的，所述特定类型子节点为用户选择的设备节点。

进一步的，所述对配电网络进行连通性分析，具体为：获取设备节点总数NALL，随机选择X＝A*NALL个初始设备节点，从每个初始设备节点出发建立其对应的一个或者多个子拓扑设备集合；将子拓扑设备集合中设备节点最多的子拓扑设备集合作为所述拓扑设备集合；其中：A为预设值。

进一步的，每个子拓扑设备集合中设备节点最多的初始节点对应一个子拓扑设备集合。

基于同一发明构思，本发明还提供一种辐射型配电网络动态拓扑可视化系统，所述系统包括：

数据提取模块，用于提取配电网拓扑数据；

零级主干分析模块，用于确定零级主干并进行视图划分；

迭代分析模块，用于遍历所有下一级主干并进行可视化。

进一步的，所述提取配电网拓扑数据，具体为：基于设备节点连接关系，对配电网络进行连通性分析，剔除孤岛设备，建立拓扑设备集合。

进一步的，所述确定零级主干并进行视图划分，具体为：以电源节点为始点，对拓扑设备集合进行宽度优先搜索，使用双向链式树状数据结构进行存储，生成拓扑树，并保存各节点在搜索中的层级；获取搜索层数最多的路径，然后筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干。

进一步的，以主干路径为X轴，将显示视图划分为面积相等的上下两个区域。此时所述主干为零级主干。

基于同一发明构思，本发明提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述方法。

基于同一发明构思，本发明提供一种执行设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现上述方法。

基于同一发明构思，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、考虑新型配电网网络结构特点，使用多样化的布局方式改良网络整体拓扑结构，通过拓扑布局决定在有限显示空间内如何确定和分配映射几何图形的节点和边的具体位置；充分利用了辐射型配电网结构特征，一次生成所有布局和位置，后续拓扑过程中不需要调整，拓扑可视化速度快。

2、避免拓扑结构图的显示重叠，减少拓扑结构图中边之间的交叉，更加美观大方地展示配电网络拓扑结构。

附图说明

图1为本发明的辐射型配电网络动态拓扑可视化流程图；

图2为本发明的节点子树分布示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本发明提供一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法，所述方法包含以下步骤：

步骤S1：提取配电网拓扑数据；具体为：基于设备节点连接关系，对配电网络进行连通性分析，剔除孤岛设备，建立拓扑设备集合。

所述对配电网络进行连通性分析，具体为：获取设备节点总数NALL，随机选择X＝A*NALL个初始设备节点，从每个初始设备节点出发建立其对应的一个或者多个子拓扑设备集合；将子拓扑设备集合中设备节点最多的子拓扑设备集合作为所述拓扑设备集合；

优选的：A是随机系数，A＝5％；

优选的：通过设置比例阈值的方式选择最大的子拓扑设备集合；所述比例阈值为95％比例；

所述从每个初始设备节点出发建立其对应的一个或者多个子拓扑设备集合，具体包括如下步骤：

步骤SUB11：选择一未分析的初始设备节点；

步骤SUB12：标记所述初始设备节点为已处理，从该初始设备节点出发，确定和所述初始设备节点存在直接连接关系的设备节点，获取并存储存在连接关系的设备节点的属性信息；

步骤SUB13：并将所述存在直接连接关系的设备节点放入和所述初始设备节点关联的子拓扑设备集合中；

步骤SUB14；从子拓扑设备集合中选择一个未处理设备节点，标记所述未处理设备节点为已处理，该初始设备节点出发，确定和所述初始设备节点存在直接连接关系的设备节点，获取并存储存在连接关系的设备节点的属性信息，并返回步骤SUB13继续处理，直到子拓扑设备集合中的设备节点均为已处理为止；

步骤SUB15：输出所述初始设备节点及其对应的子拓扑设备集合；此时从该初始设备节点出发的连通关系已经分析完毕，继续下一初始设备节点的处理。若所有初始设备节点均分析完毕，则结束，否则，返回步骤SUB11，继续下一初始设备节点的分析；

优选的：在提取配电网拓扑数据时，不考虑设备工作状态，例如：开关分合等。

步骤S2：确定零级主干并进行视图划分；具体为：以电源节点为始点，对拓扑设备集合进行宽度优先搜索，使用双向链式树状数据结构进行存储，生成拓扑树，并保存各节点在搜索中的层级；获取搜索层数最多的路径，然后筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干。以主干路径为X轴，将显示视图划分为面积相等的上下两个区域。此时所述主干为零级主干；

可替换的：所述筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干，为筛选路径节点特定类型子节点数量之和最大的路径为主干；

优选的：所述特定类型子节点为用户选择的设备节点；

步骤S3：遍历所有下一级主干并进行可视化；具体包括如下步骤：

步骤SUB31：确定下一级主干；遍历主干节点，对于主干节点n，基于拓扑树，忽略主干支路后获取主干节点n的所有连接支路，每条支路对应拓扑树进行剪枝分别生成一级子树；以此类推，直到将节点n的m个一级子树布局完毕；主干上下侧形成两组一级子树g₁和g₂；

首次确定下一级主干时，遍历对象是零级主干上的节点；

步骤SUB32：遍历所述下一级主干；具体为：设节点n一级子树数量为m；然后分别获取各一级子树最大长度{l₁，l₂，l₃，...，l_m}，按照长度从大到小对m个一级子树进行排序并依次编号；m个一级子树布局的基本原则为长度长的两个一级子树组成上下对，且其位置趋向于中部；

具体排列布局如附图2所示：

对于1号一级子树：若节点n-1最大长度一级子树布局在下，则节点n最大长度一级子树在上；若节点n-1一级子树数量为0，则参考节点n-2，以此类推；若没有可参考的节点，节点n最大长度一级子树位置可在上下随意选择。

2号一级子树在1号一级子树的对侧相同位置。

3号一级子树在2号一级子树的同侧，且距离中央位置(即2号一级子树)最近；若有两个位置到中间位置距离相等，则参考节点n在主干中的位置，若节点n离节点1端近则3号一级子树在节点n-1方向(如附图2为左侧)，反之则在相反方向，相等可随机选择。

4号一级子树在3号一级子树的对侧相同位置。

5号一级子树在4号一级子树的同侧，且距离中央位置(即1号一级子树)最近。

6号一级子树在5号一级子树的对侧相同位置。

7号一级子树在6号一级子树的同侧，且距离中央位置(即2号一级子树)最近，参考节点n位置7号一级子树在左侧。

如附图2所示，主干上下侧形成两组一级子树g₁和g₂；有g₁＝{...，4，1，5，...}，g₂＝{...，7，3，2，6，...}。

综上所述，则节点n的X轴宽度为所有一级子树对的最大长度之和，即

当i值大于m时，l_i＝0；各个一级子树的位置与其∑项max(l_2i-1，l_2i)一一对应。以附图2绘出子树为例，则X轴宽度等于max(l₁，l₂)+max(l₃，l₄)+max(l₅，l₆)+l₇。

步骤SUB33：遍历该下一级节点；生成节点下一级子树并计算其长度；基于所述长度对所述节点下一级子树进行布局；确定所述节点绘图范围，并为所述节点下一级子树分配绘图范围；

具体为：遍历所有一级子树t，遍历一级子树t所有主干节点，对于其节点o，基于拓扑树，忽略主干支路后获取节点o的所有连接支路，每条支路对应拓扑树进行剪枝分别生成二级子树，设节点o二级子树数量为p；然后分别获取各二级子树最大长度{r₁，r₂，r₃，...，r_p}，按照长度从大到小对p个二级子树进行排序并依次编号。

优选的，p个二级子树布局的基本原则为长度长的两个二级子树组成左右对，且其位置趋向于中部；其具体过程与步骤SUB32相似，仅需将图2中以及子树对的左右布局修改为针对二级子树对上下布局，在此不再赘述。直到将节点o的p个二级子树布局完毕，一级主干左右侧形成两组一级子树h₁和h₂。

则节点o的Y轴高度为

当j值大于p时，r_j＝0；各个二级子树的位置与其∑项max(r_2j-1，r_2j)一一对应。

步骤SUB34：确定是否所有下一级节点均遍历完毕，如果是，进入下一步骤；否则，返回步骤SUB33；

步骤SUB35：进一步确定是否完成主干节点遍历，如果是，进入下一步骤；否则，返回步骤SUB32；若u为奇数其过程同步骤SUB33；

步骤SUB36：进一步确定是否存在下一级树，如果是，则整理所有下一级主干，并返回步骤SUB32；否则，结束整个流程，此时，针对所有u级子树v，面向u级子树v的所有主干节点；为其所有主干节点的下一级子树分配布局位置，并为该节点确定可视化范围；若u为偶数其过程同步骤SUB32；辐射型配电网络动态拓扑可视化结束。

基于同一发明构思，本发明提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述方法。

基于同一发明构思，本发明提供一种执行设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现上述方法。

基于同一发明构思，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述方法。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供一种辐射型配电网络动态拓扑可视化系统；所述系统包括；

数据提取模块，用于提取配电网拓扑数据；具体为：基于设备节点连接关系，对配电网络进行连通性分析，剔除孤岛设备，建立拓扑设备集合。

零级主干分析模块，用于确定零级主干并进行视图划分；具体为：以电源节点为始点，对拓扑设备集合进行宽度优先搜索，使用双向链式树状数据结构进行存储，生成拓扑树，并保存各节点在搜索中的层级；获取搜索层数最多的路径，然后筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干。以主干路径为X轴，将显示视图划分为面积相等的上下两个区域。此时所述主干为零级主干；

迭代分析模块，用于遍历所有下一级主干并进行可视化；

实施例3：

基于同一发明构思，本发明还提供一种辐射型配电网络动态拓扑可视化服务器；所述服务器用于设置上述一种辐射型配电网络动态拓扑可视化系统；

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种辐射型配电网络动态拓扑可视化方法，其特征在于，包括：

步骤S1：提取配电网拓扑数据；

步骤S2：确定零级主干并进行视图划分；

步骤S3：遍历所有下一级主干并进行可视化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：基于设备节点连接关系，对配电网络进行连通性分析，剔除孤岛设备，建立拓扑设备集合。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：以电源节点为始点，对拓扑设备集合进行宽度优先搜索，使用双向链式树状数据结构进行存储，生成拓扑树，并保存各节点在搜索中的层级；获取搜索层数最多的路径，然后筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，以主干路径为X轴，将显示视图划分为面积相等的上下两个区域。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干，筛选路径节点特定类型子节点数量之和最大的路径为主干。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述特定类型子节点为用户选择的设备节点。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对配电网络进行连通性分析，具体为：获取设备节点总数NALL，随机选择X＝A*NALL个初始设备节点，从每个初始设备节点出发建立其对应的一个或者多个子拓扑设备集合；将子拓扑设备集合中设备节点最多的子拓扑设备集合作为所述拓扑设备集合；其中：A为预设值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个子拓扑设备集合中设备节点最多的初始节点对应一个子拓扑设备集合。

9.一种辐射型配电网络动态拓扑可视化系统，其特征在于，所述系统包括：

数据提取模块，用于提取配电网拓扑数据；

零级主干分析模块，用于确定零级主干并进行视图划分；

迭代分析模块，用于遍历所有下一级主干并进行可视化。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述提取配电网拓扑数据，具体为：基于设备节点连接关系，对配电网络进行连通性分析，剔除孤岛设备，建立拓扑设备集合。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述确定零级主干并进行视图划分，具体为：以电源节点为始点，对拓扑设备集合进行宽度优先搜索，使用双向链式树状数据结构进行存储，生成拓扑树，并保存各节点在搜索中的层级；获取搜索层数最多的路径，然后筛选路径节点子节点数量之和最大的路径为主干。

12.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1-8中任一项所述的方法。

13.一种执行设备，其特征在于，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现权利要求1-8中任一项所述的方法。

14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-8中任一项所述的方法。

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