梁 艷 董 昕 鐘小泱 鄭 鵬 陸 璐
(成都工業(yè)學(xué)院,四川 成都 611730)
區(qū)域接線圖是配電管理系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控的重要圖形依據(jù)。配電線之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系反應(yīng)了供電情況,是供電運(yùn)行、故障排除的重要依據(jù)。排布清晰、布局科學(xué)的聯(lián)絡(luò)型區(qū)域接線圖為實(shí)現(xiàn)智能配網(wǎng)調(diào)度提供了可能。
區(qū)域接線圖的自動排布研究主要集中于拓?fù)渌阉鲀?yōu)化和布圖優(yōu)化兩方面?;趫D論對配電網(wǎng)的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,使用關(guān)聯(lián)矩陣法和樹搜索法來分析配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-2],搜索性能良好。基于深度優(yōu)先搜索算法,在構(gòu)造拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時只考慮閉合的刀閘和開關(guān),降低了算法復(fù)雜性并提高了搜索速度[3]。從外向內(nèi)逐次布局的環(huán)形布局算法,可以支持少量聯(lián)絡(luò)開關(guān)的布局,對存在多個環(huán)的復(fù)雜線路則需進(jìn)行手工調(diào)整[4]。基于模型驅(qū)動及層次結(jié)構(gòu)的一次接線圖生成方法,布局布線效果良好[5]。
已有研究解決了單條或多條獨(dú)立配電線拓?fù)渌阉鞯男阅軉栴},布圖美觀,可以基本滿足用戶的需求。但是難以支撐具有各種聯(lián)絡(luò)關(guān)系的區(qū)域接線圖的成圖需求。聯(lián)絡(luò)型區(qū)域接線圖,在拓?fù)錂z索和布圖上構(gòu)成環(huán),大大增加了算法復(fù)雜性;多條配電線的聯(lián)絡(luò)關(guān)系往往顯示不清晰,無法快速找到聯(lián)絡(luò)點(diǎn);另外,聯(lián)絡(luò)點(diǎn)如果發(fā)生變化,快速重新布圖并快速更新區(qū)域接線圖的效率低,無法滿足實(shí)時監(jiān)控要求。
該文基于圖論建模,以橫平豎直算法為布圖[6]策略,針對已有研究無法支撐聯(lián)絡(luò)型區(qū)域接線圖的自動排布的現(xiàn)狀,提出跨越聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行拓?fù)渌阉?,對目?biāo)電氣數(shù)據(jù)構(gòu)建有向且有環(huán)的樹,布圖階段先計算設(shè)備坐標(biāo)、再走線,完成具有手拉手聯(lián)絡(luò)關(guān)系的區(qū)域接線圖的排布。實(shí)驗(yàn)表明,該算法搜索性能良好,布圖美觀,多條配電線的聯(lián)絡(luò)關(guān)系一目了然,具有工程應(yīng)用價值。
對構(gòu)成區(qū)域接線圖的配電線上的設(shè)備和線路,建立基于CIM(公共信息模型)的數(shù)據(jù)模型[6]。該文重點(diǎn)討論聯(lián)絡(luò)點(diǎn)處拓?fù)鋽?shù)據(jù)的搜索和建模策略。總體策略為依據(jù)搜索范圍內(nèi)的配電線的電氣數(shù)據(jù),建立線路的樹結(jié)構(gòu):對于相互沒有聯(lián)系的線路,建立各自獨(dú)立的有向樹;有聯(lián)絡(luò)關(guān)系的多條線路,共同構(gòu)建一棵樹。具體如下。
建模規(guī)則1:一條配電線構(gòu)成的區(qū)域接線圖的搜索范圍是以開閉所的出線開關(guān)或者變電站的配電線出線對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn),向負(fù)荷側(cè)沿線路搜索線路和設(shè)備的拓?fù)鋽?shù)據(jù),直到線路末端,停止線路的搜索。在搜索過程中,如果遇到聯(lián)絡(luò)開關(guān),則繼續(xù)搜索到另一個變電站的配電線出線點(diǎn)(另一個變電站作為普通節(jié)點(diǎn)處理)?;趫D論理論,一條配電線可建立一棵有一條1 級分支和若干條K 級分支(K ≥1)的有向樹[6]。
建模規(guī)則2:N(N ≥1)條區(qū)域接線圖的搜索,每條配電線的搜索遵照一條配電線的搜索規(guī)則,逐一搜索出N條配電線的線路和設(shè)備數(shù)據(jù)。對N 條區(qū)域接線圖的搜索結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)建模,如果N 條配電線中存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系,則記手拉手構(gòu)成聯(lián)絡(luò)關(guān)系的聯(lián)絡(luò)線路為M(1 ≦M ≦N)對。N 條配電線構(gòu)成的區(qū)域接線圖將依據(jù)線路彼此的聯(lián)絡(luò)關(guān)系建立N-M(N>M)棵有向樹;當(dāng)N 條配電線兩兩互為聯(lián)絡(luò)關(guān)系,即N=M 時,N 條配電線建立一棵有向樹。
自動排布算法包括搜索線路和設(shè)備、建立線路樹結(jié)構(gòu)、建立關(guān)鍵路徑和排布4 個步驟。建立線路樹是該算法的關(guān)鍵。
依據(jù)建模規(guī)則搜索用戶所選擇的所有配電線的電氣數(shù)據(jù),即準(zhǔn)備好排布所需要的線路和設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)。在搜索過程中,記錄聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)據(jù)信息,以備生成具有多條聯(lián)絡(luò)關(guān)系的區(qū)域接線圖使用。當(dāng)所有需要生成區(qū)域接線圖的線路全部搜索完畢,建立樹結(jié)構(gòu)。
以圖論為基礎(chǔ),將搜索的設(shè)備(包括電源點(diǎn)、開關(guān)節(jié)點(diǎn)、T 節(jié)點(diǎn)、線路末梢點(diǎn)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等)作為點(diǎn),線路作為有向邊,建立有向且有環(huán)的樹結(jié)構(gòu)(該樹的每個子節(jié)點(diǎn)可能有多個父節(jié)點(diǎn),每個父節(jié)點(diǎn)也可能有多個子節(jié)點(diǎn))。建立線路樹結(jié)構(gòu)的過程具體如下。
步驟1:從配電線的出線開始,在已經(jīng)搜索出的線路和設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)上進(jìn)行搜索。
步驟2:按照深度優(yōu)先遞歸搜索,穿過聯(lián)絡(luò)開關(guān),一直搜索至線路末端或另一個變電站出線節(jié)點(diǎn)為止。在搜索的過程中建立具有深度信息、父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域,可雙向搜索的樹;同時,設(shè)置變電站配電線出線為已經(jīng)建立樹結(jié)構(gòu)的標(biāo)志;建立好的線路樹,存入樹表。
步驟3:重復(fù)步驟1 和2,完成所有線路樹的構(gòu)建。特別地,由于該樹有向且有環(huán),在搜索過程中構(gòu)成環(huán)時做特殊處理。搜索過的每條路徑上的節(jié)點(diǎn)存儲在一個臨時隊列中,并且設(shè)置已訪問標(biāo)記。當(dāng)再次訪問到該隊列中已經(jīng)訪問過的節(jié)點(diǎn)時,說明構(gòu)成環(huán),開始進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的回退操作,一直回退至可選擇其他不構(gòu)成環(huán)的路徑為止。最終隊列中的全部節(jié)點(diǎn),加入樹結(jié)構(gòu)的父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系隊列中,此條路徑搜索成功。
圖1 電氣數(shù)據(jù)搜索結(jié)果
根據(jù)已經(jīng)建立的樹結(jié)構(gòu),標(biāo)識樹的分支級數(shù)和分支添加到排布圖的順序。首先標(biāo)識1 級分支(每棵樹只有一條0 級分支)第1 個參與排布;然后依據(jù)2 級分支的根節(jié)點(diǎn)在1 級分支中的節(jié)點(diǎn)順序,逐個標(biāo)識2 級分支的添加順序;依次標(biāo)識完所有分支的添加順序。
遍歷已經(jīng)建立的每棵樹的關(guān)鍵路徑,按照分支添加順序,依次排布每一個分支、計算分支上各個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),最終形成不交叉、不重疊且橫平豎直排布的區(qū)域接線圖。具體流程如下。
步驟1:遍歷第一棵樹。按照分支的添加順序,遍歷每條分支上的設(shè)備,計算坐標(biāo)。首先,遍歷1 級分支,分支上的節(jié)點(diǎn)按照從父到子的順序,依次計算每個設(shè)備的坐標(biāo);記錄該分支上設(shè)備的最大T1(xmax,ymax)、最小T1(xmin,ymin)坐標(biāo)值。然后,遍歷第一個2 級分支,分支上的節(jié)點(diǎn)按照由父到子的順序,依次計算每個設(shè)備的坐標(biāo);記錄該分支上設(shè)備的最大T2(xmax,ymax)、最小T2(xmin,ymin)坐標(biāo)值。此時,將此2 級分支與已經(jīng)添加的1 分支進(jìn)行交叉重疊判斷,如果無交叉,則坐標(biāo)計算成功;否則,從相交點(diǎn)開始,通過左右平移或上下平移的方式,修正所有相交設(shè)備的坐標(biāo)[6]。
步驟2:同理,完成樹的每條分支的坐標(biāo)計算,記錄整棵樹的最大縱坐標(biāo)Ytree1。
步驟3:遍歷第N(N ≥2)棵樹,參考第一棵樹的最大縱坐標(biāo)Ytree1,同上計算第N 棵樹所有設(shè)備坐標(biāo)。
步驟4:最后,依據(jù)畫布大小,整體縮放區(qū)域接線圖內(nèi)的所有設(shè)備,保證圖形全部顯示在窗口內(nèi)。
依據(jù)用戶選擇的區(qū)域接線圖的配電線,搜索出每條配電線相關(guān)的線路、設(shè)備和拓?fù)鋽?shù)據(jù)。在此用戶選擇了3 條配電線路Fdr1、Fdr2、Fdr3,則搜索得到三條線路的電氣數(shù)據(jù),有1 條獨(dú)立線路,2 條有聯(lián)絡(luò)關(guān)系的線路。每條配電線都是從變電站的出線開關(guān)開始向負(fù)荷側(cè)搜索,直到線路末端停止。搜索結(jié)果如圖1 所示,圖中包括變電站SS1、SS2和SS3,站房設(shè)備S1和S2,1 個聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW,3 個黑色矩形表示的開關(guān)及若干個菱形懸掛設(shè)備。聯(lián)絡(luò)開關(guān)為配電線Fdr2 和Fdr3 的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)。3 條配電線中的電氣設(shè)備和線路構(gòu)成聯(lián)絡(luò)型區(qū)域接線圖的基礎(chǔ)電氣數(shù)據(jù)。
依據(jù)已經(jīng)搜索得到的配電線的電氣數(shù)據(jù),建立樹結(jié)構(gòu)。由于3 條配電線中,F(xiàn)dr1為獨(dú)立的配電線,其對應(yīng)的樹為Tree1。Fdr2和Fdr3為有聯(lián)絡(luò)關(guān)系的配電線,共同建立一棵樹,對應(yīng)樹Tree2,如圖2 所示。設(shè)備樹Tree2的構(gòu)建過程中,從變電站SS2的出線開關(guān)開始搜索,跨越聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW,一直搜索至線路末端或變電站SS3的出線開關(guān)停止,所以,設(shè)備樹Tree2由配電線Fdr2和Fdr3的電氣設(shè)備共同組成,且共享聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW。
依據(jù)已經(jīng)建立的樹結(jié)構(gòu),針對每一棵樹,建立關(guān)鍵路徑。依據(jù)樹深度,搜索每條路徑包括的結(jié)點(diǎn),標(biāo)識1 級分支、分級分支,直至標(biāo)記完所有分支,并標(biāo)記分支添加的順序,以此作為分支計算坐標(biāo)的順序。Tree1包括一條1 級分支和3 條2 級分支,按照2 級分支的根節(jié)點(diǎn)在1 級分支中出現(xiàn)的順序,識別3 條2 級分支。Tree2包括一條1 級分支和4 條2 級分支,按照2 級分支的根節(jié)點(diǎn)在1 級分支中出現(xiàn)的順序,識別4 條2 級分支。
根據(jù)上一步建立的樹結(jié)構(gòu),Tree1是由Fdr1建立的樹,Tree2是由Fdr2和Fdr3共同建立的一棵樹。在此對Tree1和Tree2建立關(guān)鍵路徑,并標(biāo)識分支等級及分支的添加順序。自動布圖效果的示意圖,如圖3 所示。
特別地,在做設(shè)備橫平豎直化排布處理時,為了避免交叉,二級分支在排布時進(jìn)行上下交錯排布處理,在圖例中,Tree1的第一條2 級分支2.1 自下向上排布,第二條2 級分支則自上而下排布。這樣極大的減少了交叉的可能,節(jié)省了相交平移設(shè)備的坐標(biāo)修正成本。
Tree2由2 條配電線構(gòu)成,在設(shè)備樹構(gòu)建環(huán)節(jié)已經(jīng)將兩條線路融合。排布過程中,會將聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW 作為普通線路中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理而不是作為線路末端。在實(shí)例情形中,聯(lián)絡(luò)開關(guān)作為1 級分支節(jié)點(diǎn)參與排布,為了能快速識別聯(lián)絡(luò)點(diǎn),可在著色時高亮顯示。變電站SS3,也作為普通站房節(jié)點(diǎn)參與排布,成為2 級分支的一部分。
圖3 構(gòu)成了3 條配電線組成的聯(lián)絡(luò)型區(qū)域接線圖,在實(shí)際工程應(yīng)用中,聯(lián)絡(luò)開關(guān)的屬性和開合狀態(tài)有可能發(fā)生變化,增量更新顯示范圍,快速重新成圖供工程監(jiān)控人員使用,尤其重要。在該實(shí)例中,更改聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW 的狀態(tài)為合且修改屬性為普通開關(guān),則配電線2 的搜索范圍會增大。搜索算法快速搜索新范圍的電氣設(shè)備數(shù)據(jù),然后在已有排布數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,繼續(xù)增量排布,在保留已有排布效果的同時大大提高了布圖速度。
圖2 設(shè)備樹結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 自動布圖效果
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該文提出的算法兼容各種聯(lián)絡(luò)關(guān)系的區(qū)域接線圖的自動布圖,具有良好的適應(yīng)性;對聯(lián)絡(luò)型線路的排布,聯(lián)絡(luò)點(diǎn)顯示清晰,方便工程人員監(jiān)控調(diào)度;聯(lián)絡(luò)關(guān)系發(fā)生變化時,基于已有拓?fù)鋽?shù)據(jù)基礎(chǔ),可以快速重新構(gòu)建排布樹,效率高。算法遵守橫平豎直的排布原則,部分多聯(lián)絡(luò)架空線路的排布,有走線重疊的現(xiàn)象,需要手動調(diào)圖,對于這種情況,有待進(jìn)一步優(yōu)化。另外,排布過程中對于分支的上下交錯排布處理,雖然避免了相交的可能,但可能造成排布空間的浪費(fèi)。