J9九游会登录入口首页J9九游会登录入口首页本发明属于电力行业领域，具体涉及一种基于自动绘图技术的电力图形绘制方法。

　　随着智能电网的建设的开展以及传统电网的升级改造，配电网的拓扑结构发生了较大的变化，配电网的容量及其包含电力设备的规模也将进一步扩大。由于配电网具有网络拓扑关系复杂，设备及设施种类众多、数量庞大的显著特征，智能电网中业务管理、实时监控、智能决策支持等功能的实现，均需要图形技术的支撑。图形技术作为实现电网智能化的一项重要技术，在电力系统的发电、输电、配电等领域已获得了广泛的应用。

　　传统电力图形绘制方法通常为手工绘制，而面对日益复杂、规模庞大的配电网，人工绘图的方法显然已经无法适应智能电网发展的需要，存在着工作量大、工作繁琐、容易出错、不易修改等问题。基于此，本课题结合自身相关研究工作基础，开展基于现有电网设备与拓扑信息的自动绘图技术研究，对电网设备对象绘图建模方法进行研究，并分析电网拓扑，进而研究电网自动绘图技术方法，从而实现对配电网绘图和建模成本的降低，提高工作效率，从而有效支撑我国电力系统向坚强智能电网转变的建设目标。

　　鉴于目前存在的需求，本发明提供一种基于自动绘图技术的电力图形绘制方法，其特征在于，包括：

　　s101：电网静态拓扑数据收集，基于数据库中的拓扑基础信息进行首次网络拓扑分析，获取基础拓扑数据信息，进行一次全网的拓扑分析，得出全网结构的数据并保存以备后用；

　　s102：电力系统网络拓扑的动态跟踪，动态跟踪主要存在以下两种情况的分析，即断路器发生“合”和“分”两种状态下的动态跟踪；

　　s103：通过总结上述步骤的数据，得到同时包含静态拓扑生成与动态拓扑跟踪的网络拓扑；

　　s2：配电网单线：自动布局，确定图元的坐标和线路的走向，保证单线图布局紧凑美观并且没有图元交叉重叠的现象；

　　s202：自动布线，在自动布局的基础上，根据图元的坐标及尺寸计算图元的出线端口，并完成图元之间自动连线：基于模拟退火算法的自动单线图生成策略，根据线性加权评价方法的思想，结合线路长度、交叉线、布局空间比和高空间利用率，提出配电网多目标优化模型的单线：变电站的布局优化，过程为随机改变变电站列表的顺序，使其对应的变电站邻接矩阵发生变化，从而改变布局结果，对于较为复杂的配电网系统图，通过多次的布局优化进一步求得最优解，并视情况辅以人工方式满足需求；

　　s301：厂站主接线自动生成，根据现有厂站接线形式相当规范的原则，采用将有关厂站接线类型及其图形设计的知识和经验整理定义为规则，建立一个可由用户扩充的规则数据库，解决图形绘制问题；

　　s302：利用cim和gis系统自动导入数据或者手动输入数据的方式，建立拓扑结构图，手动输入数据需要把图形元件及拓扑信息切分出来，组成反映电气设备参数的信息库、元件及元件连接信息的电网资源数据库，以及存放拓扑结构数据的网络拓扑结构数据库，在构成系统的网络拓扑时，分别编制相应子系统的网络拓扑结构表；

　　s303：将图形编辑空间分为五个模块，高压线路模块、主变压器模块、中压线路模块、低压线路模块以及附加模块，且在每一个模块虚线附近留走线空间，利用直线走线法、双折线法、四折线法为各个模块绘制合理、清晰、整洁的线：通过力导向图(force-directedgraph)算法，在二维或三维空间里配置节点，节点之间用线连接，并经过累加迭代多次，生成效果理想的图形。

　　本方案提出了一种基于自动绘图技术的电力图形绘制方法，主要包括电力网静态拓扑生成、动态拓扑跟踪以及网络拓扑的分析；自当布局算法、自动布线算法以及变电站的布局优化算法的运用，从自动绘图技术的基础、网络拓扑、自动绘图技术的算法多方面完善，实现了对配电网内各种线路设备、厂站设备、厂站内设备、管道设备以及线路附属设备等进行分类、属性的建模，实现对自动绘图技术方法的优化，实现对配电网绘图和建模成本的降低，提高了工作效率，避免了传统人工绘图面临的问题，实现了对电力系统向智能电网转变的有效支撑。

　　为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合附图进一步阐述本发明。

　　cim由包组成，包是相关模型元件人为分组，它主要包括核心包(core)、拓扑包(topology)、电线包(wires)、停运包(outage)、保护包(protection)、量测包(meas)、负荷模型包(loadmode1)、发电包(generation)和域包。cim中每一个包都是一组类的集合。各个类通过聚合、继承和简单关联而联系在一起。聚合是一种整体和局部特殊的关联；继承关系不仅包括继承类的属性，而且包括继承类的关联关系；简单关联表示类和类之间的相互作用。

　　在cim的9个包中，目前研究阶段与拓扑模型的建立相关的主要是核心包、拓扑包和量测包中的部分内容。核心包主要描述设备的层次关系。它与拓扑包的关系在于一组拓扑包中的导电设备(conductingequipment)构成一个核心包中的间隔类(bay)，同时不同的导电设备属于不同的电压等级类。拓扑包定义了电网拓扑关系的类。对电网原始拓扑连接关系的描述主要涉及以下5个类，分别是导电设备、端子(termina1)、连接节点(connectivitynode)、拓手节点和拓扑岛(topologicalisland)。端子是指连于一段导电设备的电气连接点。连接节点是指在这些点上导电设备的端子通过零阻抗连接在一起，一个节点上的量测适用于它包含的所有端子。拓扑节点是指在当前网络状态下通过闭合开关(刀闸)连接在一起的一组连接节点。拓扑岛指一个电气上连接的网络子集。导电设备终端的测点值是量测包中的测点类的派生类。通过判断测点值是否相同可以知道这些导电设备的终端是否连接在同一个连接节点上。

　　②.gis(geographyinformationsystem，地理信息系统)，是利用现代计算机图形和技术的系统。电力网络拓扑连接的复杂性以及管理方式决定了一般gis平台很难满足用户需要。传统的gis平台是从国土资源领域发展起来的，更专注于地理上的宏观分析，而电力网络要求可以管理每个具体的设备及其电气拓扑连接状态。ge公司的smallworld平台从电力企业发展起来，是专门于管线管理的gis平台，提供了一套针对配电网络的完整的解决方案，包括配电网gis的设计，设备数据建模，实用工具开发等各种技术。

　　如附图1-7所示，一种基于自动绘图技术的电力图形绘制方法，其特征在于，包括：

　　s101：电网静态拓扑数据收集，基于数据库中的拓扑基础信息进行首次网络拓扑分析，获取基础拓扑数据信息，进行一次全网的拓扑分析，得出全网结构的数据并保存以备后用；

　　(一)获取开关数据形成节点开关关联表，在节点开关关联表中，每个开关存两条记录，并把其中一条记录首末节点对换；

　　(二)获取线路、变压器、串联电容器、串联电抗器等数据形成节点支路关联表，在节点支路关联表中，每个支路存两条记录，并把其中一条记录首末节点对换；(三)把节点开关关联表、节点支路关联表按首节点排序，并在节点信息表中记录每个节点对应的开关数据、支路数据的起始号；

　　(四)读取开关状态、支路状态信息，根据节点开关关联表，考虑开关状态，由节点组合而形成母线，并把每个母线包含的节点号放到母线节点关联表，同时把每个母线在母线节点关联表中的起始位置记录在母线信息表中；

　　(五)判断母线是否有效，去掉无效母线，连接两条支路、或一条支路和一个并联设备、或一个电源和一个其它并联设备的母线称为有效母线；

　　(六)根据母线节点关联表和节点支路关联表，考虑支路的投退状态，形成电气岛，并把每个岛包含的母线号放到岛母线关联表，判断岛的死活，同时存在电源和负荷的系统称为活岛，外网进线既可以作为电源，也可以作为负荷；

　　完成以上步骤以后得到配网的基本拓扑信息，并且保存到数据库中，作为以后动态拓扑分析的基础，由于在静态拓扑的过程中，需要获取节点开关关联表的数据和节点支路的关联表的数据，并且要进行一次全网分析的过程，所以该过程所占用的时间会比较长，但是这个电网管理系统只需要在首次运行或者发生大范围的开关变位以后才需要全网分析，所以综合动态拓扑过程所花费的时间，此算法是十分高效的。

　　s102：电力系统网络拓扑的动态跟踪，动态跟踪主要存在以下两种情况的分析，即断路器发生“合”和“分”两种状态下的动态跟踪；

　　(一)读取到从scada系统获取的开关或刀闸变位信息，从开关或刀闸的信息表中找到开关对应的连接节点；

　　(三)判断母线是否有效，去掉无效母线，连接两条支路、或一条支路和一个并联设备、或一个电源和一个其它并联设备的母线称为有效母线；

　　(四)根据母线节点关联表和节点支路关联表，考虑支路的投退状态，形成电气岛，并把每个岛包含的母线号放到岛母线关联表；

　　(五)判断岛的死活，同时存在电源和负荷的系统称为活岛，外网进线既可以作为电源，也可以作为负荷；

　　一般运行中，网络只有少数开关状态或少数设备处于开断状态，其动作对整个配电网只会产生局部的影响；因此，不需要进行全局的搜索，而是根据断路器发生动作前的网络结构，搜索相开关结点所在的位置，这样可以缩小搜索范围，从而提高效率，动态跟踪主要存在以下两种情况的分析，即断路器发生“合”和“分”两种状态下的动态跟踪；

　　其中，对电力系统中的断路器进行合闸操作，可根据其节点情况可分为以下几种情况进行分析：

　　(1)断路器两端节点属于同一个等值节点，合闸操作不会引起电网结构的变化，不需要进行拓扑跟踪；

　　(2)断路器两端节点属于不同的等值节点，但两个等值节点属于同一个电气岛，合闸操作将导致等值节点的合并；

　　(3)断路器两端节点属于不同的等值节点，且等值节点也不属于同一个电气岛，合闸操作将不仅引起等值节点的合并，还将引起电气岛的合并；

　　其中，对电力系统中的断路器进行合闸操作，将导致网络结构发生以下几种变化：

　　电力系统中断路器合闸操作拓扑跟踪，电网中发生断路器合闸操作后，分别判断断路器两端的等值节点号和等值节点所属的电气岛号是否相同，根据其结果分别进行等值节点与电气岛的合并；

　　电力系统中断路器很杂操作拓扑跟踪，电网中发生断路器合闸操作后，分别采用广度优先搜索方法(breadth—firstsearch)在断路器两端节点所属的等值节点内和在断路器所属的电气岛内进行搜索，根据结果进行操作；

　　s103：通过总结上述步骤的数据，得到同时包含静态拓扑生成与动态拓扑跟踪的网络拓扑；

　　s2：配电网单线：自动布局，确定图元的坐标和线路的走向，保证单线图布局紧凑美观并且没有图元交叉重叠的现象；

　　首先进行线路分级，对配电网树形节点采用广度优先搜索算法进行遍历，从变电站电源节点出发，找出一条最长的支路并标记该支路节点的级数为0；然后依次访问0级支路上的节点，若该节点上有t接的分支，则遍历该分支找出分支上的最长线级支路；继续递归地进行线路分级，直到所有节点的级数都已标记，线路分级的步骤为：

　　(2)找到一条最长路径path，标记该路径节点的级数nodelevel＝0；

　　(7)去除q2的对头节点vn，将vn未标记级数的子节点加入到q2，返回第6步；

　　(9)由vj回溯到vi得到最长路径path，将改路径上的出vi外的节点数标记为vilevel＝1；

　　s202：自动布线，在自动布局的基础上，根据图元的坐标及尺寸计算图元的出线端口，并完成图元之间自动连线；

　　本方案自动布线优先采用a＊算法，这是一种启发式的搜索算法具有非常高的灵活性，能够适应各种不同的路况，在游戏路径规划、无人机轨迹导航等众多领域得到了广泛的应用；a＊算法的基本原理是设n个路径评估函数：f(n)＝g(n)+h(n)，其中g(n)代表当前节点到起始节点的实际代价，h(n)代表当前节点到终点的估计代价，h(n)设置为0时，搜索过程只受g(n)影响，此时a＊算法就等同于dijstra算法，九游会官网 J9平台能够保证找到一条最优的路径，但搜索的空间较大；g(n)设置为0时，搜索过程只受到h(n)影响，此时a＊算法就等同于bfs最佳优先算法，能够较快地找到起点到终点的一条通路，但不能保证这条路径是最优的；h(n)作为启发函数，对路径搜索过程具有决定性的作用；h(n)的取值越小，a＊算法搜索的范围越大，寻径的速度就会下降；虽然增加h(n)可以提高路径搜索效率，但当h(n)的启发值大于当前节点到终点的实际代价时，却不能保证找到最优路径；因此，合理地设置h(n)启发函数，令当前节点到终点的启发代价h(n)尽量逼近于实际代价，可以使a＊算法更加完美地运行，在网格化的路况环境下，假设路径起点为s，终点为t，a＊算法的具体步骤如下：

　　(1)第一步，创建open和closed两个空列表，open表用于保存待访问的节点，closed表用于保存己经访问的节点，将起始节点s加入到open表中；

　　(3)第三步，若open列表非空，则从表中选出代价函数f(n)最小的节点i；

　　(5)第五步，判断i节点是否为终点t，若是则表明成功找到最优路径，退出运行；若i节点不是终点t，则转至第(6)步；

　　为了采用a＊算法对单线图进行自动布线本文对整个布局空间进行了网格化处理，这样可以保证图元的每个出线端口都在离散的网点上；单线图自动布局之后，通过图元的坐标和尺寸可以计算出图元出线端口所在的网点坐标；根据连线的首末端口坐标，利用a＊算法便能得到最优的连线、若节点j在closed表中，则跳过该节点；

　　2、若节点j不在closed表，也不在open表中，则将j节点加入到open表里，并为j节点添加一个指向其父节点i的指针，以便回溯得到整个最优路径；

　　3、若节点j不在closed表，但在open表中，则将计算得到的f(j)新值与open表中节点j的f(j)旧值进行比较；若f(j)新值小于旧值，则表明新路径优于旧路径，将open表中j节点的f(j)旧值替换为f(j)新值，并更改j的父指针，把它指向i节点；

　　s203：基于模拟退火算法的自动单线图生成策略，根据线性加权评价方法的思想，结合线路长度、交叉线、布局空间比和高空间利用率，提出配电网多目标优化模型的单线：变电站的布局优化，过程为随机改变变电站列表的顺序，使其对应的变电站邻接矩阵发生变化，从而改变布局结果，对于较为复杂的配电网系统图，通过多次的布局优化进一步求得最优解，并视情况辅以人工方式满足需求；

　　s301：厂站主接线自动生成，根据现有厂站接线形式相当规范的原则，采用将有关厂站接线类型及其图形设计的知识和经验整理定义为规则，建立一个可由用户扩充的规则数据库，解决图形绘制问题；

　　根据厂站接线形式是相当规范这个原则，可以采用将有关厂站接线类型及其图形设计的知识和经验整理定义成规则，建立一个可由用户扩充的规则数据库，使图形的绘制问题得以解决。

　　1)将最高电压等级的母线布置在屏幕的左上部，再分析其他电压等级母线所拥有的支路数，利用规则来确定这些母线在屏幕上的位置。其原则是力求屏幕上下两部分各支路间距趋于均匀。

　　3)搜索电网资源数据库来确定各组母线所包含的支路位置，支路间距可根据屏幕上部或下部的总支路数而计算出来。

　　4)基于最大化的电网框架模型和电网拓扑数据库来确定元件之间的连接关系。1)元件管理功能。实现元件的创建、元件的删除，以及元件之间的连接关系等。

　　2)图元定义功能。开发图元编辑器，使用户可以便捷迅速地定制出所需样式的设备图元。

　　3)图形编辑功能。设置元件的属性(参数、外形的改变、旋转、可见性等)、元件的拷贝、粘贴、搜索、命名，元件对齐等。

　　4)图形显示与应用功能。主要包括图形元件的显示，元件颜色的变化，元件的闪烁，文本数据的显示，图形的缩放、图形的打印，整图或区域内图形的拷贝、粘贴、删除，图形背景设置等。

　　5)图形系统接口。图形系统的接口是系统与外界联系的手段。接口有四大类：图形系统外部应用接口、标准消息接口、图形数据库接口、九游会官网 J9平台层显示窗口的驱动与窗口消息处理接口。当平台与数据库进行连接时，采用微软标准的ado数据库接口访问数据库；当平台与其他应用程序进行连接时，只要更改设置文件中的数据源字段即可。

　　s302：利用cim和gis系统自动导入数据或者手动输入数据的方式，建立拓扑结构图，手动输入数据需要把图形元件及拓扑信息切分出来，组成反映电气设备参数的信息库、元件及元件连接信息的电网资源数据库，以及存放拓扑结构数据的网络拓扑结构数据库，在构成系统的网络拓扑时，分别编制相应子系统的网络拓扑结构表；

　　为实现计算机自动绘图，主要的工作是正确地制定自动绘制的规则库和通用电网框架模型，在分析、设计和实现时，应使规则的描述与所面对的实际绘图思想一致；其基本思想是，首先将图形界面做粗线条划分，然后用摆放节点中主要母线的方式，确定各个节点的大致方位与空间，同时在节点间留有足够的间隔，以宜于长距离支路的绘制，再绘母线间元件，最后完成图元之间及元件与母线间的简单支路(短距离，无转折点)和复杂支路(远距离，有转折点)的绘制，通常将规则分为以下几类；

　　(1)设备间隔类型的定义：每条规则对应着一种接线方式下的设备间隔类型，包括了该间隔所含的各种元件及相互连接关系；

　　(2)布线规则的定义：每条规则对应着布线时分析计算的一个步骤，包括了分析的对象，分析的方法，如根据母线的出线数目计算母线的长度；

　　在进行推理时，先通过启动一个规则库编译模块，读入规则库文本文件，生成规则的双链表数据结构和节点推导的规则表和目标节点表的链表结构；以数据库中电网拓扑结构作为前提采用自上而下的方法建立推理网络；设计对规则在自动绘图时进行最有效的解释与选择的控制模块；控制模块采用正向链推理，规定了如何选择一条可用的规则对信息与图元数据库进行操作，即决定着问题求解过程的推理路线；在自动绘图的问题上，控制策略来源于对接线图结构特点的分析，当对这些控制策略优化组合之后，就可以极大程度地减少问题搜索空间，提高布线：将图形编辑空间分为五个模块，高压线路模块、主变压器模块、中压线路模块、低压线路模块以及附加模块，且在每一个模块虚线附近留走线空间，利用直线走线法、双折线法、四折线法为各个模块绘制合理、清晰、整洁的线：通过力导向图(force-directedgraph)算法，在二维或三维空间里配置节点，节点之间用线连接，并经过累加迭代多次，生成效果理想的图形；

　　力导向图(force-directedgraph)，是绘图的一种算法；在二维或三维空间里配置节点，节点之间用线连接，称为连线，各连线的长度几乎相等，且尽可能不相交；节点和连线都被施加了力的作用，力是根据节点和连线的相对位置计算的；根据力的作用，来计算节点和连线的运动轨迹，并不断降低它们的能量，最终达到一种能量很低的安定状态；它的原理其实非常易懂，我们可以把整张网络想象成一个虚拟的物理系统；系统中的每个节点都可以看成是一个带有一定能量的放电粒子，粒子与粒子之间存在某种库仑斥力，使它们两两相互排斥；同时，有些粒子间被一些“边”所牵连，这些边产生类似弹簧的胡克引力，又紧紧牵制着“边”两端的粒子；在粒子间斥力和引力的不断作用下，粒子们从随机无序的初态不断发生位移，逐渐趋于平衡有序的终态；同时整个物理系统的能量也在不断消耗，经过数次迭代后，粒子之间几乎不再发生相对位移，整个系统达到一种稳定平衡的状态，即能量趋于零；此刻，最终的这幅理想的社交网络图也基本绘制完成；

　　步骤2：计算每次迭代局部区域内两两节点间的斥力所产生的单位位移(一般为正值)；

　　步骤3：计算每次迭代每条边的引力对两端节点所产生的单位位移(一般为负值)；

　　步骤2、3中的斥力和引力系数直接影响到最终态的理想效果，它与节点间的距离、节点在系统所在区域的平均单位区域均有关，需要开发人员在实践中不断调整；

　　该算法的平均时间复杂度是由两部分组成——每次迭代计算每两点间的斥力变化o(n2)和每条边给端点带来的引力变化o(e)，共进行k次迭代计算，即o(k*(n2+e))；其中n为节点个数，e为边数；随着迭代次数的增加，力导向算法在3d网络图中节点相互排斥吸引的扩散过程。

　　本发明针对智能电网建设以及传统电网升级改造后，所带来的配电网容量增加、设备及设施种类增加、数量增加、电网网络拓扑结构复杂等问题，从自动绘图技术的基础、网络拓扑的研究分析、自动绘图技术的算法研究等多方面进行研究，实现了对配电网内各种线路设备、厂站设备、厂站内设备、管道设备以及线路附属设备等进行分类、属性的建模；电力网静态拓扑生成、动态拓扑跟踪以及网络拓扑的分析；自动布局算法、自动布线算法以及变电站的布局优化算法，实现了对自动绘图技术方法的研究，从而实现对配电网绘图和建模成本的降低，提供了工作效率，避免了传统人工绘图所面临的问题，实现了对我们电力系统向智能电网转变的有效支撑。

　　以上所述仅为本发明的一种实施例，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，此实施例并不用于限制本发明，凡在本发明的方法构思、实质精神之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

　　技术研发人员：黄文思;胡航海;陈婧;周雪;谷峪;叶强镔;李晖;刘兆燕;齐小伟

　　技术所有人：国网信通亿力科技有限责任公司;国网信息通信产业集团有限公司;国网江苏省电力有限公司;国家电网有限公司

　　1.计算机视觉 2.无线.计算机仿线.网络安全；物联网安全 、大数据安全 2.安全态势感知、舆情分析和控制 3.区块链及应用