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      低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖關(guān)鍵技術(shù)的研究與設(shè)計

      2023-01-24 12:52:12劉麗珠孫曉佳李騰騰
      電子設(shè)計工程 2023年2期
      關(guān)鍵詞:拓撲圖支線饋線

      劉麗珠,孫曉佳,李騰騰

      (深圳供電局有限公司福田供電局,廣東 深圳 518000)

      電力系統(tǒng)變電站間關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過配網(wǎng)拓撲圖展示,配網(wǎng)拓撲圖是電力系統(tǒng)配電自動化實現(xiàn)的基礎(chǔ)[1]。低壓配網(wǎng)規(guī)模龐大,設(shè)備改造頻繁,配網(wǎng)結(jié)構(gòu)需依據(jù)設(shè)備改造情況實時更新。

      文獻[2-3]分別研究了配電網(wǎng)拓撲模型生成以及拓撲圖可視化方法,仍無法解決拓撲圖自動生成耗時過長以及無法準確成圖的缺陷。研究低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖技術(shù),提升成圖速度,可降低拓撲圖自動成圖的人工工作量。低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖需滿足一定的布局規(guī)則。布局算法是拓撲圖自動成圖的關(guān)鍵技術(shù)[4],可通過自動布線以及節(jié)點布局兩個部分實現(xiàn)自動成圖。拓撲圖自動生成需滿足節(jié)點無重疊、線路正交等原則。選取決策樹ID3 特征選擇算法[5]實現(xiàn)低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖,獲取可滿足拓撲圖自動成圖原則的最佳低壓配網(wǎng)拓撲圖成圖效果。研究低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖關(guān)鍵技術(shù),令配電網(wǎng)運行狀態(tài)通過拓撲圖直觀、靈活顯示,便于電力系統(tǒng)管理人員良好管理。

      1 低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖關(guān)鍵技術(shù)

      1.1 低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖實現(xiàn)過程

      通過配電自動化數(shù)據(jù)庫的映射可以有效獲取配電網(wǎng)內(nèi)存拓撲模型圖,實現(xiàn)低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖,具體流程如圖1 所示。

      圖1 低壓配網(wǎng)自動成圖流程圖

      如圖1所示,利用決策樹ID3算法,根據(jù)拓撲圖中的屬性特征完成初始自動布局。通過拓撲圖布局調(diào)整方法可以調(diào)節(jié)拓撲圖內(nèi)設(shè)備支線繪制方向以及不同設(shè)備所在節(jié)點位置,實現(xiàn)低壓配網(wǎng)拓撲圖的布局調(diào)整。依據(jù)電力一次節(jié)點圖格式能夠自動生成低壓配網(wǎng)拓撲圖,完成低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖的設(shè)計。

      1.2 決策樹ID3算法

      用Z表示拓撲圖自動成圖樣本集合,k表示樣本類別,pk表示拓撲圖中樣本k所占比例,可得拓撲圖樣本集合Z的信息熵表達式如式(1)[6]:

      設(shè)拓撲圖中包含離散屬性集[7]用A表示,離散屬性集中的a值包含共V個可能取值{a1,a2,…,aV},將樣本集Z利用a值劃分獲取V個分支節(jié)點,且均處于分支點v中,共包含取值數(shù)量Av個。將樣本集Z利用屬性A劃分所獲取的信息增益[8]如式(2)所示:

      通過以上過程可獲取其他屬性的信息增益,獲取樣本集內(nèi)全部特征屬性的信息增益值max{Gain(Z,A),Gain(Z,B),…}。

      將通過以上過程所獲取的具有最大信息增益的屬性設(shè)置為決策樹算法來劃分節(jié)點,完成劃分后的剩余節(jié)點利用具有最大信息增益的屬性繼續(xù)劃分[9],重復(fù)迭代以上過程,直至建立低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖的決策樹。

      1.3 拓撲圖布局調(diào)整

      依據(jù)所建立的決策樹完成低壓配網(wǎng)拓撲圖初始成圖后,需依據(jù)實際情況調(diào)整拓撲圖布局,獲取最佳布局結(jié)果。繪制低壓配網(wǎng)拓撲圖單條饋線支線時,需令拓撲圖中節(jié)點呈均勻分配狀態(tài)[10],盡量避免直線交叉重疊情況,提升繪制拓撲圖成圖質(zhì)量以及成圖效率。

      拓撲圖繪制時,需將最長直線優(yōu)先排列,將較長的直線分布于主線兩側(cè),使布局較為均勻。依據(jù)排序次序為拓撲圖中兄弟直線分配繪制方向,依據(jù)偶數(shù)與奇數(shù)先上后下以及先右后左的排列原則,減少支線重疊交叉情況。初始布局調(diào)整分配方向流程圖如圖2 所示。

      圖2 初始方向分配流程圖

      分配支線初始繪制方向b后,需依據(jù)干線兩側(cè)節(jié)點均衡性以及支線占比大小對所繪制支線實施調(diào)整[11],調(diào)整過程如下:

      1)計算支線占比

      支線占比為各支線節(jié)點數(shù)量所占全部兄弟支線節(jié)點總數(shù)的比例[12]。支線節(jié)點占比高于0.5 時,表明該支線節(jié)點占比較高,需令其單獨占有初始繪制方向b,令該干線兩側(cè)節(jié)點具有較高均勻性,將未調(diào)整的其他支線繪制方向設(shè)置為b的相反方向。

      支線占比如式(3)所示:

      式中,M與Ci分別表示兄弟支線總數(shù)量以及排序數(shù)為i時的兄弟支線中全部節(jié)點數(shù)量。

      2)均衡干線兩側(cè)節(jié)點數(shù)量

      支線繪制方向b為固定時,需計算該支線節(jié)點在拓撲圖干線上相鄰節(jié)點分支數(shù)量。用(N1,N2)表示通過計算所獲取的分支數(shù)量[13],0、1、2 為分支數(shù)可能取值。未考慮次序情況下,節(jié)點分支數(shù)量共包含六種組合情況,以此得到繪制方向調(diào)整流程圖,如圖3 所示。

      圖3 繪制方向調(diào)整流程圖

      由圖3 可知,存在僅占用一個相鄰節(jié)點的相同方向時,分支數(shù)量相應(yīng)取值為(0,1)與(2,1),設(shè)置初始繪制方向與該方向相反;存在相同方向占用相鄰節(jié)點情況時,可得分支數(shù)量為(1,1),需判斷相鄰兄弟支線繪制方向是否存在差異,存在差異以及未存在差異時,分別設(shè)置初始繪制方向與兩個兄弟支線繪制方向相反,以及僅與包含較多節(jié)點的直線繪制方向相反[14-15]。未占用以及完全占用繪制方向時,分支數(shù)量相應(yīng)取值為(0,0)、(2,2)、(0,2),此時直線繪制方向b固定。

      拓撲圖中節(jié)點Ri的坐標位置需通過節(jié)點所在直線繪制方向確定[16],邊的繪制利用拓撲圖內(nèi)節(jié)點連接關(guān)系實現(xiàn),完成節(jié)點位置確定以及邊的繪制后自動生成低壓配網(wǎng)拓撲圖[17-18]。

      節(jié)點坐標上下繪制方向確定公式如式(4)所示:

      節(jié)點坐標左右繪制方向確定公式如下:

      式中,G(Ri,RT) 與RT分別表示分支節(jié)點Ri至RT邊的條數(shù)以及分支的T節(jié)點。

      2 實例分析

      選取某低壓臺區(qū)作為實例分析對象,驗證該文方法對低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖有效性。實驗臺區(qū)包含3 個斷路器,3 個隔離開關(guān),2 個電流互感器,1 個電壓互感器數(shù)量,共2 個分路檢測單元數(shù)量。建立自動成圖決策樹,并對初始成圖布局實施調(diào)整,采用該文方法對該低壓配網(wǎng)區(qū)域?qū)嵤┳詣映蓤D,獲取拓撲圖結(jié)果如圖4 所示。

      圖4 低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖結(jié)果

      圖4 實驗結(jié)果可以看出,采用該文方法可實現(xiàn)低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖,且未存在交叉等情況,具有較高的自動成圖有效性。

      為直觀驗證該文方法自動成圖效果,將該文方法與引言中提到的文獻[2]適應(yīng)分布式饋線自動化的配電網(wǎng)拓撲模型生成方法以及文獻[3]面向雙/多變量的連續(xù)面域拓撲圖可視化方法進行對比,對比結(jié)果如表1 所示。

      表1 時間復(fù)雜度分析

      由表1 可以看出,采用該文方法對不同變電站數(shù)量下的低壓配網(wǎng)實施自動成圖,數(shù)據(jù)讀取時間以及布局生成時間均明顯低于另外兩種方法,說明該文方法具有較低的時間復(fù)雜度。該文方法自動成圖的時間效率與低壓配網(wǎng)區(qū)域的數(shù)據(jù)庫讀取速率以及設(shè)備數(shù)量成正比,圖形規(guī)模增加將導(dǎo)致自動成圖時間有所增加。該文方法在不同變電站數(shù)量時,均具有較高的布局效率,說明采用該文方法對低壓配網(wǎng)實施自動成圖具有較高的時間優(yōu)勢。

      統(tǒng)計采用該文方法對不同變電站數(shù)量情況下的低壓配網(wǎng)實施自動成圖的布局完成度。當存在無法布置的饋線組情況時,所連接饋線組不計入布局完成數(shù)量中。不同變電站數(shù)量下布局完成情況如表2所示。

      表2 布局完成度分析

      由表2 可知,該文方法對于不同變電站數(shù)量情況下的拓撲圖生成完成度均較高。變電站數(shù)量增加時,不規(guī)則饋線數(shù)量增加,導(dǎo)致生成效果以及生成效率降低。不同配電網(wǎng)情況下該文方法的布局完成度均明顯高于另兩種方法,驗證該文方法可規(guī)范生成低壓配網(wǎng)中饋線組結(jié)構(gòu),生成效果以及生成效率均較高,低壓配網(wǎng)拓撲圖自動生成質(zhì)量極高。

      檢測采用三種方法生成低壓配網(wǎng)拓撲圖的重疊次數(shù)、線路總長等指標,對比結(jié)果如表3 所示。

      表3 不同方法自動成圖評價結(jié)果

      由表3 可知,采用該文方法自動生成低壓配網(wǎng)拓撲圖,未存在節(jié)點交叉以及重疊情況,圖幅面積以及線路總長均為最低,未存在拐點情況;另兩種方法自動生成低壓配網(wǎng)拓撲圖,圖幅面積以及線路總長高于該文方法,且存在交叉以及重疊情況,驗證該文方法具有較高的自動成圖效果,可有效解決以往人工成圖過于復(fù)雜,耗費大量人力的缺陷。

      3 結(jié)論

      低壓配網(wǎng)拓撲圖自動生成具有覆蓋面大、數(shù)量巨大的特點,低壓配網(wǎng)拓撲圖自動生成是電力系統(tǒng)維護以及管理的重點。研究低壓配網(wǎng)拓撲圖自動成圖關(guān)鍵技術(shù),實例驗證采用該方法自動生成低壓配網(wǎng)拓撲圖具有工作量小、數(shù)據(jù)準確的特點,可滿足拓撲圖應(yīng)用于低壓配網(wǎng)中的實際需求,為低壓配網(wǎng)智能化發(fā)展提供理論支撐。所研究方法可滿足低壓配網(wǎng)區(qū)域業(yè)務(wù)應(yīng)用需求,降低低壓配網(wǎng)維護工作量,準確及時更新低壓配網(wǎng)數(shù)據(jù),實現(xiàn)低壓配網(wǎng)精益化管理。

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