劉中原，吳勝旗

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息電子工程系，浙江 杭州 310018）

0 引 言

電網(wǎng)運(yùn)行管理直接面對(duì)電力企業(yè)和廣大的電力用戶(hù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量大，電氣接線復(fù)雜，動(dòng)態(tài)變化頻繁，現(xiàn)有的電網(wǎng)運(yùn)行管理手段已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)生產(chǎn)建設(shè)和發(fā)展的需要。配網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度、生產(chǎn)管理以及配網(wǎng)自動(dòng)化、停電故障管理等都需要用到系統(tǒng)圖。配網(wǎng)系統(tǒng)圖是一份能夠反映配電網(wǎng)供電情況的示意圖，是配網(wǎng)安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，它的正確與否直接影響到10 kV配電網(wǎng)的安全運(yùn)行與生產(chǎn)［1］。

如何方便地建立和維護(hù)全配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷呐渚W(wǎng)系統(tǒng)圖是世界性的難題，采用基于GIS統(tǒng)一的配網(wǎng)空間數(shù)據(jù)管理方式則可以大大地減少這些壓力。目前，世界各國(guó)都在積極探索基于GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成配網(wǎng)系統(tǒng)圖的技術(shù)，但普遍認(rèn)為存在相當(dāng)大的技術(shù)難度。在GIS電網(wǎng)設(shè)備模型基礎(chǔ)上，研究者通過(guò)配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)圖自動(dòng)成圖軟件來(lái)管理龐大的電氣接線圖，而系統(tǒng)圖的線路縱橫交錯(cuò)，按饋線分少則好幾十條，多則好幾百條；架空導(dǎo)線少則上千公里，多則數(shù)千公里；電纜線路少則數(shù)百公里，多則數(shù)千公里；配變少則兩三千臺(tái)，多則上萬(wàn)臺(tái)，各種線路間形成環(huán)網(wǎng)，成圖難度巨大［2-3］。

在系統(tǒng)圖自動(dòng)成圖領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外均無(wú)成熟產(chǎn)品推出。國(guó)外廠家如ABB均采用手工繪制方式。國(guó)內(nèi)目前只有部分廠家具有單條線路的自動(dòng)成圖技術(shù)；對(duì)于系統(tǒng)圖的成圖技術(shù)，因其線路設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)超單條線路，并且線路間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，所以自動(dòng)成圖的技術(shù)難度遠(yuǎn)超單條線路。對(duì)于該技術(shù)，其他廠家尚未開(kāi)始開(kāi)發(fā)或剛剛開(kāi)始探索［4］。

本研究主要探討基于GIS的城市配網(wǎng)系統(tǒng)圖自動(dòng)生成的研究。

1 基于GIS的配網(wǎng)空間數(shù)據(jù)管理

建立形成全配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷南到y(tǒng)圖非常有現(xiàn)實(shí)意義。但是配電網(wǎng)變更頻繁，配網(wǎng)系統(tǒng)圖做到要與實(shí)際現(xiàn)狀完全相符，如何方便地建立和維護(hù)全配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷呐渚W(wǎng)系統(tǒng)圖是世界性的難題。采用基于GIS的統(tǒng)一配網(wǎng)空間數(shù)據(jù)管理方式則可以大大地減少這些壓力，在GIS電網(wǎng)設(shè)備模型基礎(chǔ)上，通過(guò)配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)圖自動(dòng)成圖軟件來(lái)管理龐大的電氣接線圖，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)間信息共享已是大勢(shì)所趨［5-6］。

該系統(tǒng)架構(gòu)分為3層［7］:系統(tǒng)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、物理存儲(chǔ)層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)應(yīng)用層直接調(diào)用GIS系統(tǒng)的空間圖形引擎、電網(wǎng)模型引擎來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的操作。

數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)物理存儲(chǔ)層中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取以及將布局結(jié)果數(shù)據(jù)保存進(jìn)去，從而最大限度地提高數(shù)據(jù)的共享和功能服務(wù)的共享。

物理存儲(chǔ)層存放的是物理數(shù)據(jù)，電網(wǎng)臺(tái)賬數(shù)據(jù)存放在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，電網(wǎng)圖形和電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)存放于SmallWorld數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 系統(tǒng)圖邏輯劃分方式

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)圖中，一個(gè)變電站對(duì)應(yīng)一幅圖，把該變電所的所有供電范圍畫(huà)在同一幅系統(tǒng)圖中。該種系統(tǒng)圖不但圖形過(guò)于復(fù)雜，增加了繪圖工作量、圖形易讀性差；而且對(duì)于聯(lián)絡(luò)的饋線，可能會(huì)在多個(gè)變電站的多張系統(tǒng)圖里重復(fù)出現(xiàn)，如果不能同步更新，就會(huì)造成安全隱患。

經(jīng)過(guò)調(diào)研以及國(guó)內(nèi)外實(shí)用系統(tǒng)比較分析，配網(wǎng)系統(tǒng)圖有以下幾種組成方式［8］:

（1）以一個(gè)變電所為中心的所有供電范圍，對(duì)于聯(lián)絡(luò)線，以開(kāi)環(huán)點(diǎn)為分界。

優(yōu)點(diǎn):抽取數(shù)據(jù)、生成圖形相對(duì)容易；

缺點(diǎn):不利于調(diào)度員對(duì)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供。

（2）以一個(gè)變電所為中心，追溯到與它相鄰有聯(lián)系的變電所所有供電點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn):對(duì)于調(diào)度員調(diào)度轉(zhuǎn)供負(fù)荷較為方便；

缺點(diǎn):圖形顯示信息過(guò)多，不利于生成圖形，調(diào)整工作量大，不同圖形重復(fù)部分內(nèi)容較多?？勺x性差。

（3）以一個(gè)變電所為中心，把饋線分組，按供電聯(lián)絡(luò)關(guān)系組成局部電網(wǎng)部分，形成分區(qū)供電區(qū)域圖。通過(guò)下一個(gè)局部畫(huà)面，即在分區(qū)供電范圍圖上顯示所有詳細(xì)圖形。

優(yōu)點(diǎn):供電范圍清晰，轉(zhuǎn)供負(fù)荷方便；

缺點(diǎn):軟件處理難度較大，必須先處理邏輯分組，生成圖形時(shí)要求程序預(yù)處理工作較多。

（4）以饋線為單位生成系統(tǒng)圖，到相鄰變電所的供電點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn):生成方便、維護(hù)簡(jiǎn)單；

缺點(diǎn):缺乏系統(tǒng)概念，調(diào)度轉(zhuǎn)供麻煩，對(duì)于調(diào)度運(yùn)行不具有實(shí)用性。

綜上所述，選擇第2、第3種方式進(jìn)行配網(wǎng)系統(tǒng)圖的組織較為合理。但第2種圖信息量太大，可讀性不強(qiáng)。因此，本研究選擇了第3種方式進(jìn)行配網(wǎng)系統(tǒng)圖的組織。配電網(wǎng)絡(luò)的電源點(diǎn)來(lái)自變電所，以變電所的10 kV母線為分界，實(shí)際配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)建立這些島。一般的島最多有4個(gè)主變電所和互聯(lián)饋線。使用漫游和縮放特性可以非常容易地在畫(huà)面上移動(dòng)。對(duì)分層系統(tǒng)圖的訪問(wèn)可以通過(guò)總圖上的層次結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從供電區(qū)的總圖上可以訪問(wèn)一組分區(qū)圖和實(shí)際的運(yùn)行分區(qū)畫(huà)面。

2.1 變電站聯(lián)絡(luò)關(guān)系分析模型

本研究通過(guò)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和用電部門(mén)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)的調(diào)查和分析，抽象出變電站之間復(fù)雜聯(lián)絡(luò)關(guān)系的分析模型，提出了依據(jù)線路聯(lián)絡(luò)進(jìn)行供電區(qū)域劃分的方式，很好地解決了復(fù)雜系統(tǒng)圖的分區(qū)問(wèn)題。線路供電方式主要分為聯(lián)絡(luò)型、閉合型、輻射型3種，如圖2所示。聯(lián)絡(luò)型為線路與其他變電站若干線路形成手拉手關(guān)系。閉合型為線路與同一變電站的其他線路形成手拉手關(guān)系。輻射型線路為線路與其他線路無(wú)手拉手關(guān)系。

圖2 線路供電方式

2.2 變電站供電范圍的邏輯劃分方式

本研究分析配電網(wǎng)變電站間線路邏輯聯(lián)絡(luò)關(guān)系抽象模型，得出變電站與其他變電站之間的環(huán)網(wǎng)線路，每個(gè)環(huán)網(wǎng)區(qū)域各成一個(gè)供電范圍，剩余的輻射和閉合線路形成一個(gè)供電范圍，每個(gè)供電范圍對(duì)應(yīng)一幅詳細(xì)的系統(tǒng)圖，因?yàn)檎{(diào)度員進(jìn)行事故處理和負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)都在聯(lián)絡(luò)線路間（即一個(gè)供電范圍）進(jìn)行，該種劃分方式不但縮小了單幅系統(tǒng)圖的規(guī)模，也讓使用者感覺(jué)更加清晰易用。

2.3 供電范圍圖的布局算法

本研究以圖塊和連線的方式，簡(jiǎn)單明了地表達(dá)了供電范圍的劃分結(jié)果，并清晰標(biāo)注出當(dāng)前變電站出線名稱(chēng)。以當(dāng)前變電站為中心，上下兩邊均勻分布供電范圍，標(biāo)明多個(gè)聯(lián)絡(luò)變電站的聯(lián)合名稱(chēng)、供電范圍和當(dāng)前變電站之間用連線表達(dá)聯(lián)絡(luò)的線路數(shù)量，并標(biāo)上當(dāng)前變電站的出線線路名稱(chēng)。

2.4 設(shè)備邏輯分層方式

本研究對(duì)供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行邏輯分層分塊抽象，抽象電網(wǎng)主干網(wǎng)的設(shè)備組及連接的設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的分支層再進(jìn)行分組，分支層設(shè)備組在布局時(shí)依附到主干設(shè)備上，作為另一個(gè)單元來(lái)處理。

3 等密度約束空間算法

如何把大量的圖形盡量繪制在有效的空間里面，既要保持每個(gè)設(shè)備清晰可見(jiàn)、線路之間盡量少交叉重疊，又要讓總體幅面空間盡量小，這歷來(lái)是自動(dòng)布局領(lǐng)域的難題。目前業(yè)內(nèi)比較成熟的是單線圖自動(dòng)成圖算法，單線圖只針對(duì)一條線路，設(shè)備數(shù)量不到百個(gè)級(jí)別，形狀是輻射的。而系統(tǒng)圖設(shè)備規(guī)模達(dá)到千個(gè)級(jí)別，形狀是多條線路相互環(huán)網(wǎng)，這使得生成難度巨大。

通過(guò)對(duì)調(diào)度系統(tǒng)圖本身圖形規(guī)范和配電網(wǎng)線路本身特點(diǎn)的分析和研究，本研究提出了等密度約束空間專(zhuān)題圖布局算法，很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)圖自動(dòng)成圖功能［9］。

所謂等密度，就是把所有設(shè)備線路盡可能均勻分布在系統(tǒng)圖內(nèi)，這樣有利于系統(tǒng)圖清晰、明了。所謂約束布局，就是在有限的空間內(nèi)，把所有相關(guān)設(shè)備都呈現(xiàn)在系統(tǒng)圖中，這樣有利于系統(tǒng)圖的完整性和可操作性。所謂空間，是指在一個(gè)顯示屏幕的范圍內(nèi)，成圖后一目了然，設(shè)備清晰，排列有序，不需要拖動(dòng)滾動(dòng)條，就能一眼瀏覽到整張圖紙內(nèi)容，這樣有利于提高工作效率和工作質(zhì)量。

所謂等密度約束空間布局算法就是在有限的圖幅中，通過(guò)程序自動(dòng)劃分區(qū)域，計(jì)算單位像素內(nèi)的圖元數(shù)量，將所有供電范圍內(nèi)的圖元合理有序地均勻分布在系統(tǒng)圖中，在有限的空間內(nèi)充分利用空間，最終生成設(shè)備識(shí)別度高、走線清晰美觀、內(nèi)容完整、可操作性高的配網(wǎng)系統(tǒng)圖的一種方法。

在剛開(kāi)始研發(fā)的時(shí)候，研究者是從集成電路布圖設(shè)計(jì)規(guī)則中得到啟發(fā)，系統(tǒng)圖成圖原理與它有相似之處，但也有所不同，最大的不同點(diǎn)就是線路板排線圖紙沒(méi)有局限性，多張圖紙或者2層、3層板都沒(méi)有問(wèn)題，但針對(duì)本研究的系統(tǒng)圖，所有需要呈現(xiàn)的設(shè)備必須在一張圖紙中呈現(xiàn)，要求走線清晰，設(shè)備識(shí)別度高，所以，本研究提出了等密度約束空間布局算法。

筆者通過(guò)讀取配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）所維護(hù)的整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及線路信息，對(duì)供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行邏輯分層分塊抽象［10］。電網(wǎng)設(shè)備邏輯劃分完成后，筆者接著對(duì)主干網(wǎng)的設(shè)備組及連接設(shè)備的分支層進(jìn)行分組，分支層設(shè)備組在布局時(shí)依附到主干設(shè)備上，作為一個(gè)單元來(lái)處理。當(dāng)系統(tǒng)圖上的所有設(shè)備都有了初步的邏輯劃分之后，本研究通過(guò)程序運(yùn)行，先計(jì)算圖紙范圍，然后按照?qǐng)D幅約束條件及連接關(guān)系，以米字型為基礎(chǔ)，將圖中所有一級(jí)圖元進(jìn)行空間均勻分布在圖上，例如變電站、刀閘（出線開(kāi)關(guān)）、出線等，一般線路都以正交形式呈現(xiàn)。一級(jí)圖元布局完成后，系統(tǒng)圖還是比較干凈清晰的，接著，再進(jìn)行第2層圖元，即2級(jí)圖元布局，依次遞歸下去。經(jīng)過(guò)一層一層的圖元布局后，因?yàn)榭臻g有限，圖紙內(nèi)容會(huì)越來(lái)越滿(mǎn)。假如，1條出線上有3條或者更多分線，由于空間限制，程序就很難將多條線路均勻分布在一條出線上，此時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)在有限空間內(nèi)尋找空閑位置，通過(guò)密度（一定像素大小的圖幅內(nèi)所包含的圖元個(gè)數(shù)）計(jì)算，從東南西北4個(gè)方向?qū)ふ?，如果都沒(méi)有合適的位置，則向45°角偏移尋找，這樣就可以達(dá)到連接線交叉最少、空間使用充分、連線長(zhǎng)度最短的效果。

本研究通過(guò)設(shè)備分層，不但使主干層優(yōu)先布局保證了主干層的美觀，也可分別控制主干層和分支層的圖層顯示、顯示風(fēng)格，滿(mǎn)足各個(gè)不同部門(mén)的使用要求。通過(guò)分層分區(qū)，很好地解決了系統(tǒng)圖的美觀度及詳細(xì)程度的矛盾，使得分級(jí)調(diào)度部門(mén)能快速處理分支線的應(yīng)急搶修事故。

4 實(shí)例分析

以杭州局為例，自動(dòng)生成的系統(tǒng)圖清晰直觀、極少交叉，有效避免了人工繪制復(fù)雜系統(tǒng)圖所潛在的失誤隱患，又避免了繁重的繪制和更新工作量。在自動(dòng)成圖的過(guò)程中，筆者建立了數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)，保持了數(shù)據(jù)源的唯一性，避免了信息孤島的產(chǎn)生，也為動(dòng)態(tài)著色、開(kāi)關(guān)操作防誤提醒、高級(jí)分析計(jì)算等打下了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

首先，分析單條線路成圖效果及手工繪制的典型調(diào)度系統(tǒng)圖的特點(diǎn)。單線圖雖然清晰明了，但包括信息太少，文件數(shù)量巨大，維護(hù)困難；手工繪制的系統(tǒng)圖維護(hù)成本高、圖紙時(shí)效性低、數(shù)據(jù)完整性差、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率高、數(shù)據(jù)不能有效地共享等。

針對(duì)以上調(diào)度系統(tǒng)圖制作模式的不足，基于GIS系統(tǒng)所維護(hù)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，本研究提出“變電站供電范圍分區(qū)分層”的全新理念，現(xiàn)針對(duì)杭州局的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

（1）分析得出變電站間聯(lián)絡(luò)結(jié)果。讀取電網(wǎng)拓?fù)?，分析線路結(jié)構(gòu)，邏輯劃分供電區(qū)域，形成不同的供電區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一幅系統(tǒng)圖，通過(guò)這種方式可以有效地減低每幅系統(tǒng)圖的復(fù)雜度。

（2）生成變電站供電范圍圖。根據(jù)變電站間聯(lián)絡(luò)分析結(jié)果，運(yùn)行等密度約束空間專(zhuān)題圖布局算法，形成變電站供電范圍圖，如圖3所示。圖3中保持原有電氣拓?fù)潢P(guān)系，但所有圖元的擺放位置只做邏輯示意，不代表實(shí)際位置和長(zhǎng)度。

圖3 抽象分析后的變電站供電范圍圖

（3）通過(guò)讀取GIS所維護(hù)的整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)及線路信息，對(duì)供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行邏輯分層分塊抽象，進(jìn)行設(shè)備分層分塊處理。

（4）根據(jù)對(duì)供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行邏輯分層分塊抽象后，對(duì)主干層設(shè)備進(jìn)行布局［11］，自動(dòng)成圖后的系統(tǒng)圖主干線層如圖4所示。

圖4 自動(dòng)成圖后的系統(tǒng)圖主干線層

（5）然后，對(duì)分支層設(shè)備進(jìn)行布局，顯示分支層的系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 顯示分支層的系統(tǒng)圖

通過(guò)設(shè)備分層，不但使主干層優(yōu)先布局保證了主干層的美觀，也可分別控制主干層和分支層的圖層顯示，滿(mǎn)足各個(gè)不同部門(mén)的使用要求。本研究通過(guò)分層分區(qū)，很好地解決了系統(tǒng)圖的美觀度及詳細(xì)程度的矛盾，使得分級(jí)調(diào)度部門(mén)能快速處理分支線的應(yīng)急搶修事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)圖在配網(wǎng)業(yè)務(wù)中至為重要，配網(wǎng)運(yùn)行指揮調(diào)度、生產(chǎn)管理以及配網(wǎng)自動(dòng)化、停電故障管理等都需要用到系統(tǒng)圖。本研究使用獨(dú)創(chuàng)的自動(dòng)成圖技術(shù)，應(yīng)用于調(diào)度系統(tǒng)圖的自動(dòng)生成和日常增量更新功能，在杭州電力局試運(yùn)行半年時(shí)間。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)具有快速高效自動(dòng)生成橫平豎直正交化接線圖的特點(diǎn)，且能在有限的空間內(nèi)完成電源站室類(lèi)和線路類(lèi)設(shè)備的布局，同時(shí)，避免了線路設(shè)備間的交叉與重疊，極大提高了調(diào)度系統(tǒng)圖的可讀性和美觀性。研究者利用自動(dòng)成圖軟件可以大大減輕系統(tǒng)圖維護(hù)工作量，降低系統(tǒng)運(yùn)維成本。

該系統(tǒng)圖自動(dòng)成圖軟件同時(shí)可以廣泛應(yīng)用于電力、自來(lái)水、煤氣和城市管線綜合管理等領(lǐng)域，將在管線的自動(dòng)生成、增量更新、信息展示等方面產(chǎn)生重大作用。

（References）:

［1］李志新.10 kV配電運(yùn)行管理分析［J］.科技風(fēng)，2010（20）:13-15.

［2］顏孟淵.淺析如何構(gòu)建一種應(yīng)用于配網(wǎng)管理的信息系統(tǒng)［J］.通信電源技術(shù)，2011，28（4）:35-37.

［3］石 巖.淺談10 kV配網(wǎng)自動(dòng)化管理的應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2011（9）:78-79.

［4］董瑞杰.淺談供電企業(yè)配電網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)［J］.China's Foreign Trade，2010（24）:62-63.

［5］鄭瑞晨.基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐［D］.武漢:華中科技大學(xué)軟件學(xué)院，2006:4-6.

［6］張?zhí)毂瑥堅(jiān)鋈A.SmallWorld在電力通信資源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31（11）:21-24.

［7］周恒俊，郭創(chuàng)新.面向智能配網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（8）:8-9.

［8］宋仁平，吳玉新.配網(wǎng)管理信息化業(yè)務(wù)模型構(gòu)架探析［J］.電力信息化，2010，8（10）:91-93.

［9］楊林蛟，張 鑫.基于JGraph的圖像處理編程平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電工程，2011，28（8）:23-25.

［10］謝跟蹤，陳 忠.桌面地圖信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.福建地理，2002，17（3）:55-56.

［11］曾忠平，李宗華，趙中元，等.基于三維GIS的城市規(guī)劃信息系統(tǒng)研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（5）:21-23.