趙家慶，張 亮，錢科軍，趙 林，李 春，呂 洋，田 江

（1.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004；2.國網(wǎng)電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

電網(wǎng)潮流圖是電力規(guī)劃、設計、運行、調(diào)度等部門日常使用的反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時畫面。電力規(guī)劃、設計人員需要通過電網(wǎng)潮流圖監(jiān)視電網(wǎng)的接線狀態(tài)，電力運行、調(diào)度人員需要通過電網(wǎng)潮流圖隨時密切監(jiān)視并調(diào)整潮流分布。

電網(wǎng)潮流圖主要由廠站、線路、文字標注、量測等多種圖元組成，其主要由自動化運維人員根據(jù)電網(wǎng)實際拓撲結(jié)構，利用系統(tǒng)的畫面編輯器手動繪制。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和智能電網(wǎng)建設步伐的加快[1-3]，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲的復雜度也越來越高，廠站數(shù)量越來越多，靠人工繪制電網(wǎng)潮流圖畫面，往往需要耗費巨大的人力和時間且易出錯[4]；此外，隨著地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）相關技術的日益成熟，以GIS為基礎展示電網(wǎng)的接線及潮流情況的需求越來越大，運維人員需要單獨引進GIS并進行電網(wǎng)的三維模型維護，工作繁瑣且增加了維護工作。因此，尋求一種潮流圖的自動成圖及維護技術，將為系統(tǒng)潮流圖的實施和日常維護帶來極大的幫助。

電網(wǎng)潮流圖的自動生成是國內(nèi)外的研究熱點[5-8]，已有的研究成果分別提出了不同的潮流圖自動生成及自動布線方法[9-11]。這些研究成果為電網(wǎng)潮流圖的自動生成奠定了良好的基礎；在國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)（簡稱D5000系統(tǒng)）正式上線運行前，各電力公司使用國內(nèi)外不同廠家研發(fā)的電網(wǎng)調(diào)度運行控制系統(tǒng)，如國外的Power World公司的Power World Simulator系統(tǒng)，國內(nèi)如北京科東公司的CC2000A系統(tǒng)、南瑞公司的Open3000系統(tǒng)等，各系統(tǒng)之間的圖形、畫面格式、內(nèi)容互不共享、互不兼容，同時各系統(tǒng)之間也不支持潮流圖的互相調(diào)閱。然而，隨著D5000系統(tǒng)的正式上線運行，以及CIM/G規(guī)范的推廣應用，已經(jīng)實現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)間圖形、畫面（包括潮流圖畫面）格式的統(tǒng)一，實現(xiàn)了各電力公司D5000系統(tǒng)之間畫面的遠程調(diào)閱。但是目前關于基于國家電網(wǎng)D5000系統(tǒng)及CIM/G規(guī)范的電網(wǎng)潮流圖的自動生成技術公開報道仍然較少。在其他文獻中，往往只是對潮流圖的自動生成進行論述，尚未發(fā)現(xiàn)有公開報道基于D5000系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流圖的增量同步、人工記憶調(diào)整等潮流圖維護技術的系統(tǒng)性研究，以及關于三維GIS潮流圖的自動生成技術的研究。本文基于CIM/G規(guī)范（下文簡稱CIM/G），提出并實現(xiàn)了D5000系統(tǒng)中電網(wǎng)潮流圖的自動生成，電網(wǎng)潮流圖的增量同步、人工記憶調(diào)整等潮流圖維護技術，并詳細論述了二維三維電網(wǎng)潮流圖的自動轉(zhuǎn)換技術。

1 電網(wǎng)潮流圖的自動成圖

基于CIM/G的電網(wǎng)潮流圖主要包括電網(wǎng)接線潮流圖及基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖[12]。這2種電網(wǎng)潮流圖的自動成圖技術的主要實現(xiàn)步驟是首先生成電網(wǎng)范圍內(nèi)各廠站的畫面坐標位置，接著進行廠站間線路的樣式及坐標位置的自動生成，最后保存為CIM/G格式的潮流圖畫面文件。在電網(wǎng)接線潮流圖的自動成圖技術中，通過模擬退火算法生成廠站的畫面坐標位置的方法及廠站間線路的走向樣式的自動生成方法是關鍵技術；在基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖的自動成圖技術中，將廠站及線路的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)化為畫面平面坐標方法是自動成圖技術的關鍵。

1.1 電網(wǎng)接線潮流圖

調(diào)控人員在日常工作中最常使用的是抽象的電網(wǎng)接線潮流圖。抽象的電網(wǎng)接線潮流圖廠站和線路清晰整齊，利于調(diào)控人員及時觀察電網(wǎng)的拓撲關系及廠站間的潮流監(jiān)視。

電網(wǎng)接線潮流圖的自動成圖主要分為2個步驟：一是電網(wǎng)廠站位置的排布，應實現(xiàn)潮流圖中廠站位置排布的美觀、清晰且符合調(diào)控人員的使用習慣，思路如圖1所示；二是電網(wǎng)線路的自動布線，應保證生成的線路盡量橫平豎直，同時線路之間要盡量避免交叉。

圖1 基于地理位置的廠站排布流程圖Fig.1 Flowchart of power station allocation based on geographic position

首先獲取地區(qū)的廠站總數(shù)量，根據(jù)數(shù)量將畫面進行網(wǎng)格劃分。假如某地區(qū)廠站數(shù)量為t=57，根據(jù)畫面的寬高比將畫面劃分為n=6、m=10的等大小網(wǎng)格，劃分的總個數(shù)為60，多于廠站數(shù)量57。將地區(qū)電網(wǎng)的500 kV及220 kV變電站的地理坐標轉(zhuǎn)化為平面坐標，根據(jù)坐標的相對位置將500 kV及220 kV變電站放到指定位置的網(wǎng)格內(nèi)。其他廠站則隨機置入畫面的某個網(wǎng)格內(nèi)。

指定位置后即可對該區(qū)域廠站布局進行優(yōu)化。本方案中采用模擬退火算法進行廠站位置的排列，其本質(zhì)是一種隨機的全局優(yōu)化算法。由于要求電網(wǎng)中變電站的大體區(qū)域分布符合實際地理位置，所以對模擬退火算法的抽樣取值設定了一定的約束，即指定位置的500 kV及220 kV的變電站不參與隨機抽樣。對于地區(qū)級電網(wǎng)而言，500 kV和220 kV變電站數(shù)量相對較少，但都是出線較多的樞紐變電站，對其做約束，即固定位置，可以防止電網(wǎng)結(jié)構在隨機優(yōu)化時出現(xiàn)最終結(jié)果與實際情況不相符等情況，保證了潮流畫面的可讀性和實用性。

模擬退火算法流程如圖2所示。

圖2 模擬退火算法流程圖Fig.2 Flowchart of simulated annealing algorithm

主要算法原理如下。

a.模擬退火算法中，設定初始溫度為1200，降溫速率為0.9985。

b.設定生成的潮流圖的目標函數(shù)為交叉點和曼哈頓距離的線性關系總和，函數(shù)為E（S）=C+hD，經(jīng)過多次調(diào)試和比較h取值為0.015為宜。

c.逐個將變電站的位置進行隨機坐標點的交換。如果變電站位置交換后的目標函數(shù)比原目標函數(shù)小，則接受廠站位置的交換，并進行后續(xù)的降溫過程。

d.如果變電站位置交換后的目標函數(shù)比原目標函數(shù)還大，則計算接受概率來決定是否接受該變化。接受概率計算公式為 P（Tk，ΔE）=e-DE/Tk，其中，Tk為溫度，ΔE為目標函數(shù)差。概率越接近于1則接受此廠站位置交換的概率越大。由于接受概率隨著Tk的降低越來越小，這樣就避免了算法陷入局部最優(yōu)解。

e.降溫的計算過程取為Tk+1=0.998 5Tk。

f.循環(huán)退出的收斂條件為：溫度降低到Te=0.00001以下或者當循環(huán)次數(shù)達到n次后目標函數(shù)都沒有發(fā)生變化時均退出循環(huán)。

通過模擬退火算法進行廠站的布局后，得到交叉點較少的廠站布局，在此基礎上仍然可以將某些廠站的位置進行微調(diào)，使得整體效果更加均勻。

依據(jù)調(diào)整后的廠站位置，在潮流圖的CIM/G文件中為每個廠站添加相應的電力系統(tǒng)圖形描述規(guī)范中的圖形元素，電網(wǎng)接線圖往往以矩形代表廠站，廠站的中心位置為廠站的名稱。

在潮流圖CIM/G文件中為每個廠站均添加如下格式的描述：

其中，rect標簽代表廠站的圖形描述標簽，其他屬性為相應的廠站的圖形描述信息。

在潮流圖CIM/G文件中為每個廠站名稱均添加如下格式的描述：

其中，Text標簽代表廠站名稱描述標簽，其他屬性為相應的廠站名稱的圖形描述信息。

廠站的位置位于畫面的網(wǎng)格中心，保證了各個廠站位置的規(guī)范化，所以為了整個畫面的清晰簡潔，線路的布線采用直連線、雙折線和四折線的連接樣式。根據(jù)廠站的關系，布線主要分為以下幾類。

a.線路的首、末端廠站處于同一行。如果首、末端廠站位于同行且位置相鄰，采用直連線方式。如果首、末端廠站是同行但位置不相鄰，采用四折線連線方式。同行線路接線方式如圖3所示。

圖3 同行線路接線形式Fig.3 Wiring patterns of stations in same row

b.線路的首、末端廠站處于同一列。如果首、末端廠站同列且位置相鄰，采用直連線方式。如果首、末端廠站同列但位置不相鄰，采用四折線連線方式。同列線路接線方式如圖4所示。

圖4 同列線路接線形式Fig.4 Wiring patterns of stations in same column

c.線路的末端廠站在首端廠站的左下方。如果首、末端廠站只相隔1行，采用雙折線連線方式。如果首、末端廠站相隔多行，采用四折線的連線方式。末端廠站在首端廠站的左下方時接線方式如圖5所示。

圖5 末端廠站在首端廠站的左下方接線形式Fig.5 Wiring patterns when end-station is at left-lower of head-station

d.線路的末端廠站在起始廠站的右下方。如果首、末端廠站只相隔1行，采用雙折線連線方式。如果首、末端廠站相隔多行，采用四折線的連線方式。末端廠站在首端廠站的右下方時接線方式如圖6所示。

圖6 末端廠站在首端廠站的右下方接線形式Fig.6 Wiring patterns when end-station is at right-lower of head-station

依據(jù)應生成的線路的走向位置，在潮流圖的CIM/G文件中為每條線路添加相應的電力系統(tǒng)圖形描述規(guī)范中的圖形元素，電網(wǎng)接線圖往往以直線或折線表示接線圖中的線路。

對于直線線路，在潮流圖CIM/G文件中為每條直線線路均添加如下格式的描述：

其中，line標簽代表直線線路的圖形描述標簽，其他屬性為相應的直線的圖形描述信息。

對于直線線路，在潮流圖CIM/G文件中為每條折線線路均添加如下格式的描述：

其中，polyline標簽代表折線線路的圖形描述標簽，其他屬性為相應的折線的圖形描述信息。

在潮流畫面自動成圖的過程中通過模擬退火算法保證了廠站在畫面中位置的合理布局，廠站間線路的規(guī)范化進一步保證了潮流畫面的清晰美觀，利于調(diào)控人員及時觀察電網(wǎng)的拓撲關系及廠站間的潮流監(jiān)視。

1.2 基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖

調(diào)控人員在工作中使用基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖，得以更清晰地觀察整個電網(wǎng)在地理平面上的拓撲結(jié)構和樣式。

假設電網(wǎng)接線潮流圖的畫面寬度為W，高度為H；畫面的左上點坐標為原點（0，0），左上點的經(jīng)緯度坐標為（lon0，lat0）；畫面的右下點坐標為（W，H），右下點的經(jīng)緯度坐標為（lonn，latn）。地圖背景為WGS-84坐標系，因此首先將地圖背景的左上點經(jīng)緯度坐標及右下點經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標，轉(zhuǎn)換后的左上點平面坐標為（x0，y0），轉(zhuǎn)換后的右下點平面坐標為（xn，yn）。 因此得出畫面的平面坐標寬度 w=xn-x0，畫面的平面坐標高度h=yn-y0，平面坐標與畫面坐標的寬度比P0=w/W，高度比P1=h/H。假如其中一個廠站的經(jīng)緯度坐標為（lon，lat），轉(zhuǎn)化后的平面坐標為（x，y），設該廠站的畫面坐標為（X，Y），則得到以下方程：

所以得出最終的廠站畫面坐標為：

結(jié)合廠站的經(jīng)緯度信息，依次計算EMS實時數(shù)據(jù)庫中每個廠站的畫面坐標。將各個廠站圖元依次擺放在其計算的畫面坐標位置上。

對于基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖而言，調(diào)控人員并不十分關心線路的真實地理走向。因此，基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖獲取EMS實時數(shù)據(jù)庫中的線路信息，依次取得線路首、末端廠站的畫面坐標，在畫面上新增加一個線路圖元，并設置該線路圖元的首、末點坐標為首、末端廠站畫面坐標，以直線線路的樣式進行連接。如果個別線路需要顯示拐點，則由調(diào)度維護人員單獨修改該線路的樣式。

基于地理背景的潮流圖中，廠站更習慣以圓圖形來表示，因此在基于地理背景的潮流圖的CIM/G文件中添加的廠站元素的圖形描述示例如下。

而在基于地理背景的潮流圖中，線路元素的語言描述和1.1節(jié)中添加的線路語言描述大體一致。

2 電網(wǎng)潮流圖的增量同步

電網(wǎng)潮流圖的增量同步，主要是指隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，廠站和線路的不斷增加。本文將潮流畫面上的廠站圖元、線路圖元與EMS實時數(shù)據(jù)庫中的廠站數(shù)據(jù)與線路數(shù)據(jù)對比，得到電網(wǎng)中新增的廠站及線路，并自動將對應的廠站圖元與線路圖元在潮流圖畫面上生成，電網(wǎng)潮流的增量同步流程如圖7所示。

圖7 基于地理背景的電網(wǎng)潮流圖自動成圖流程Fig.7 Flowchart of automatic grid power flow chart generation based on geographic background

潮流圖畫面的CIM/G文件記錄著畫面中每個廠站以及每條線路的實時數(shù)據(jù)庫關鍵字。將畫面上的所有廠站數(shù)據(jù)關鍵字與EMS實時數(shù)據(jù)庫中的廠站表（SubStation）中存儲的廠站ID逐條對比，將畫面上所有的線路數(shù)據(jù)關鍵字與EMS實時數(shù)據(jù)庫中的交流線段表（ACLineSegment）中的關鍵字逐條對比。增量對比的規(guī)則如下。

a.廠站對比規(guī)則。

遍歷實時數(shù)據(jù)庫中的廠站表的每條數(shù)據(jù)。如果該條數(shù)據(jù)記錄的廠站數(shù)據(jù)關鍵字包含在潮流圖畫面上的廠站圖元中，則繼續(xù)對比下一條廠站數(shù)據(jù)；否則認定此條記錄對應的廠站為新增廠站。重復上述過程直至對比過廠站表中的每條廠站數(shù)據(jù)為止。

2.4 不同耕作方式對夏玉米農(nóng)田土壤呼吸速率的影響 從表1可以看出，夏玉米整個生育期內(nèi)，不同耕作方式下0～10 cm土層土壤呼吸速率均大于10～20 cm土層土壤呼吸速率，且不同耕作方式下10～20 cm土層無顯著差異(P>0.05)。

b.線路對比規(guī)則。

遍歷實時數(shù)據(jù)庫中的線路表的每條數(shù)據(jù)。如果該條數(shù)據(jù)記錄的線路數(shù)據(jù)關鍵字包含在潮流圖畫面上的線路圖元中，則繼續(xù)對比下一條線路數(shù)據(jù)；否則認定此條記錄對應的線路為新增線路。重復上述過程直至對比過線路表中的每條線路數(shù)據(jù)為止。

對于通過增量數(shù)據(jù)對比得到的廠站數(shù)據(jù)，首先將該廠站的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為潮流圖畫面上的二維平面坐標，然后將廠站圖元賦予該廠站數(shù)據(jù)關鍵字擺放到潮流圖畫面的坐標上。

對于增量數(shù)據(jù)對比得到的線路數(shù)據(jù)，首先獲得線路的兩端廠站數(shù)據(jù)關鍵字，從畫面上獲取該線路首、末兩端廠站在潮流圖畫面上的坐標，最后直接將線路的首、末點坐標設置為首、末端廠站在潮流圖上的畫面坐標，完成線路圖元的增量同步添加。

運維人員通過畫面編輯器保存添加過增量廠站及線路圖形的潮流圖的同時，人機系統(tǒng)自動在潮流圖的CIM/G文件中增加相應廠站及線路的圖形描述內(nèi)容。

新增的廠站及線路雖然可以按照地理坐標在潮流圖上實現(xiàn)自動擺放，但大多數(shù)情況下仍需要運維人員手工微調(diào)廠站的位置及擺放線路的走向。但是廠站、線路圖元的自動生成，實時數(shù)據(jù)關鍵字的自動關聯(lián)以及粗略位置的自動擺放這些功能已經(jīng)可以幫助運維人員節(jié)省大量的潮流圖維護時間，極大地提高了運維人員的工作效率。

3 電網(wǎng)潮流圖的人工調(diào)整記憶

畫面自動成圖后，為了保證潮流畫面的整潔美觀，運維人員需手動調(diào)整線路圖元走向和廠站圖元的位置，廠站及線路圖元的位置經(jīng)人工調(diào)整后以xml文件的形式存儲在本地，存儲的xml的基本格式如下。

其中，w 為畫面寬度（int）；h 為畫面高度（int）。

b.廠站表達方式：

其中，id為廠站數(shù)據(jù)關鍵字（long）；x為廠站中心的X 坐標（int）；y 為廠站中心的 Y 坐標（int）。

c.線路表達方式：

其中，id為線路數(shù)據(jù)關鍵字（long）；x為線路端點的X 坐標（int）；y 為線路端點 Y 坐標（int）。

在新的畫面重新生成潮流圖的過程中，首先通過自動成圖模塊生成電網(wǎng)潮流圖的初始畫面。由于新生成的潮流圖畫面尺寸可能發(fā)生較大變化，因此新生成的潮流圖畫面導入存儲的人工調(diào)整記憶文件后，需要判斷是否需要人工調(diào)整記憶的坐標自動適應當前的潮流圖畫面。如果不需要自動適應，則直接讀取人工調(diào)整記憶文件中記錄的廠站圖元和線路圖元坐標，將潮流圖畫面中的廠站和線路圖元依照記憶坐標更新位置。如果需要適應，則分別計算當前畫面的寬度W、高度H與人工調(diào)整記憶文件中記錄的寬度w和高度h的比例。

寬度比例分別為Sw=W/w，高度比例為Sh=H/h。人工調(diào)整記憶文件中記錄的廠站圖元或線路圖元坐標表達形式為（x，y），經(jīng)畫面適應后的坐標為（x0，y0），其中，x0=xSw，y0=ySh，將潮流圖畫面中的廠站和線路圖元依照原有記憶坐標計算后的畫面自適應坐標更新位置。

對于通過人工調(diào)整記憶過程中生成的新的潮流圖CIM/G文件而言，同本文第1節(jié)中介紹的廠站和線路的語言描述的添加的內(nèi)容是一致的，流程如圖8所示。

圖8 電網(wǎng)潮流圖的增量同步流程圖Fig.8 Flowchart of increment synchronization of grid power flow chart

4 基于三維GIS的電網(wǎng)潮流圖的自動轉(zhuǎn)換

基于三維GIS的電網(wǎng)潮流圖通過World Wind Java SDK 來實現(xiàn)[13-14]，NASA World Wind 是美國航空航天管理局推出的一種開放源代碼的地理軟件，它是一個三維的可視化虛擬地球儀，將NASA、USGS以及其他WMS服務商提供的圖像通過一個三維的地球模型展現(xiàn)。World Wind Java SDK是開源的，它提供的工具具有較強的可擴展性和再創(chuàng)造性，它自帶多種功能，并提供大量組件和接口，通過進行并不復雜的部署和開發(fā)就能開發(fā)所需的GIS平臺[15-16]。

當二維電網(wǎng)潮流圖切換為三維GIS潮流圖時，基于三維GIS的電網(wǎng)潮流圖直接獲取二維潮流圖上的廠站圖元對象及線路圖元對象集合。對象中包含廠站和線路的經(jīng)緯度坐標、實時數(shù)據(jù)庫關鍵字等信息。

World Wind支持標準的OBJ模型的導入。如圖9所示，當二維電網(wǎng)潮流圖切換為三維GIS潮流圖時，讀取廠站對象的經(jīng)緯度坐標及數(shù)據(jù)關鍵字，將廠站的三維模型導入到World Wind的地理空間中。讀取線路的端點及拐點經(jīng)緯度坐標及數(shù)據(jù)關鍵字，按照經(jīng)緯度坐標生成具有一定高度數(shù)值的三維直連線，在線路的拐點經(jīng)緯度坐標位置將桿塔的三維模型導入到World Wind的地理空間中。圖10為基于三維GIS的電網(wǎng)潮流圖最終效果圖。

圖9 坐標調(diào)整流程圖Fig.9 Flowchart of coordinates adjustment

圖10 基于三維GIS的電網(wǎng)潮流圖Fig.10 Grid power flow chart based on 3D GIS

5 結(jié)語

本文詳細論述了電網(wǎng)潮流圖自動生成與維護中的4個關鍵技術：電網(wǎng)潮流圖的自動成圖技術確定了電網(wǎng)所有廠站的自動布局和所有線路的自動布線，實現(xiàn)了潮流圖的自動繪制；電網(wǎng)潮流圖的增量同步技術實現(xiàn)了廠站和線路增加的情況下，潮流圖中的廠站線路圖元自動維護的過程；電網(wǎng)潮流圖的人工調(diào)整技術記憶實現(xiàn)了手動調(diào)整廠站和線路位置后，對于潮流圖樣式的記憶，方便潮流圖的多次生成?；谌SGIS的電網(wǎng)潮流圖的自動轉(zhuǎn)換技術，實現(xiàn)了由二維電網(wǎng)潮流圖到三維GIS潮流圖的自動轉(zhuǎn)換。本文所提出的關鍵技術已嵌入到蘇州電網(wǎng)D5000平臺人機系統(tǒng)中，取得了很好的應用效果。