配电网图元管理系统及关键技术研究

杨波，刘冻，过佳平

国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033

0 引言

为了有效整合配电网调度支持系统的各级模型，实现全省标准化统一配电网图形模型，并最终实现“源端维护，全网共享”的目标[1-3]。文献[4]提出了一种基于自动生成算法的配电网图元模型，实现了均匀接线，但是所提方法精准度不高且运算程序复杂，是实际中很难推广应用。与此相反，文献[5]提出了一种基于卷积神经网络的配电网图元模型，具有很高的精度，但是可靠性较差，严重依赖计算机性能。为此，本文提出了一套新型图元模型方案，具体实施方案如下。

1 系统总体结构设计

为加强配电网图元管理水平，更好地服务配网调度运行、停电计划、抢修指挥、安全管控等工作。本文基于物联网技术搭建了配电网图元管理系统，如图1所示。

图1中系统主要为强化配网停电计划管理，实现图元全面精准管理[6]。同时，不断提升反校核范围和智能化程度，实现图元准确性自动校核功能。

图1 配电网图元管理系统

图2所示为多个变电站联络关系的单线图。在配电网中，电力设备类型主要分为电力设备和非电力设备信息。电力设备主要由母线、开关站、柱上负荷开关、柱上断路器、熔断器、配电变压器、配电室、箱式变电站、故障指示器等组成。而非电力设备信息主要由线路总长度、配电变压器数量以及配电变压器容量等[7]。整个单线图不拘于固定形式，可以根据业务需求，其显示方式可以不断改变，配电网图元符号样式如表1所示。

图2 配电网单线示意图

表1 图元符号样式

在配电网中，架空线路使用的大多数导线由铝制成。这些导线通常为全铝导线、全铝合金导线和钢芯铝导线，架空线路的图元建模需要的尺寸参数有导线外径d、几何平均半径（GMR）和电阻r。在不影响显著精度的情况下，采用修正后的卡森方程可计算具有n个导体的架空线路图元原始阻抗矩阵，其表达式为：

式（1）中，Zii是第i根导线的自阻抗，单位为Ω/英里，而Zij是第i条导线和第j条导线之间的互阻抗，i≠j。此外，GMRi是第i根导线的几何平均半径，Dij是导线i和j之间的距离。当架空导线之间的间距已知时，计算原始阻抗矩阵[8]。

通常，这些单相变压器有一个中压绕组（用h表示）和两个低压绕组（用l和t表示），基于此连接，可以在相导线之间获得240V（分别为480V）或从任何相导线和接地中性导线获得120V（分别为240V）。关于单相变压器示意图如图3所示。

图3 单相变压器示意图

2 配电网图元及拓扑关系

2.1 配电网图元模型

配电网图元模型主要特征为图元标识，图元标识是区分、标识配电网模型中不同设备的唯一编码。模型标识由64位二进制数构成，在建立模型时由相应建模单位的系统自动生成，生成后不再发生改变。配电网模型标识应按照统一的规则生成，确保不同系统生成的设备标识是唯一的。生成规则如下：配电网图元标识根据模型的所属机构进行地区分段划分，从而可以通过模型标识来区分不同地区的设备模型，确保全网模型标识的唯一性，二进制表示结构如图4所示。

图4 模型标识结构

配电网模型标识由表号、区域号、区域内顺序号3个部分组成，设备模型连接点号用于标识配电网模型中设备（端）的连接关系。对于新建模但还未生成连接关系的设备，设备模型连接点号应为-1；对于已经生成连接关系的设备，设备（端）连接点号由64位二进制数构成，在生成连接关系时由相应建模单位的系统自动生成。设备模型连接点号应按照统一的规则生成，确保不同线路的设备模型连接点号不相同[9]。

配电网设备图元之间的连接点号被用于确定设备的连接关系，实现电网拓扑。设备模型的连接点号应在节点入库时由系统自动生成，为避免设备模型连接点号出现重复，连接点号的生成采用统一规则，如图5所示。

图5 设备模型连接点号生成规则

设备模型连接点号由区域、配调、变电站、馈线和节点号5个部分组成，设备模型连接点号是由以上二进制编码转换为十进制数再转换为字符串得到。配电网调度技术支持系统中的配电网模型参数应优先使用经过相关专业处室核定的运行参数和实测参数。设备图元按照设备状态划分为6种颜色，见表2。

表2 设备状态颜色

2.2 拓扑关系

关于配电网设备图元模型拓扑图如图6所示。

图6 配电网设备图元模型拓扑图

由图6可知，电力设备图元从大体功能上进行区分，可分为主设备和辅助设备。其中主设备主要作用是直接用于生产的电力主回路设备，主要包含断路器、熔断器、刀闸、接地刀闸、母线段、储能设备、馈线段、配电变压器、并联补偿器以及电阻器等[10]。辅助设备主要作用是用来辅助主设备正常运行，辅助设备通过连接点的关联连接到主设备上，包括故障指示器、电压互感器、杆塔等。

本研究采用SVG技术进行动态展示电力图形，通过JavaScript语言进行编码。JavaScript语言能够直接在Web上进行解析，且其脚本技术能解决SVG图像的交互问题。

2.3 配电网图元切换方法

在抢修指挥中，为了实现配电网图元管理系统高速运转，本研究提供的基于图层切换的图元状态切换方法，需要对图元进行重新定义，图7为本研究提供的图元结构示意图。

图7 图元数据框示意图

如图7所示，一个配电网图元可以包括图元基础信息，其中一个图元包括至少两个显示状态，每个显示状态均有对应的图元状态与图层之间的关系，图元的尺寸可以为图元的宽度、高度。图层信息包括图层名称和图元数据，图元数据包括图元基础元素的形状、位置、缩放比例、旋转角度。图元基础元素包括基础的图元元素，例如直线、圆形、椭圆、矩形等。图元的位置例如可以为图元基础元素的起始点信息。根据各图层的图元数据[11]，可以在绘图区域中将图元基础元素填充至绘图区域中。

图8为基于图层切换的图元状态切换方法的流程图。

图8 基于图层切换的图元状态切换方法的流程图

如图8所示，本研究提供的基于图层切换的图元状态切换方法包括：步骤S301，确定图元的当前显示状态，当前显示状态包括图元的待显示图层列表，待显示图层列表包括待显示的图层信息，图元包括至少两个图层；步骤S302，根据图元状态与图层的关系，遍历图元对应的每个图层；步骤S303，判断是否还有图层，若是则执行步骤S204，否则完成图元状态切换；步骤S304，判断当前图层是否存在于显示图层列表，若是则显示当前图层，否则隐藏当前图层；步骤S305，完成对当前图层的判断后，继续执行步骤S203，对下一个图层继续进行判断。

3 实验与分析

为了验证本文所研究的关键技术的适用性和可靠性，构建出配电网设备图元单线图（图9）。

图9 配电网图元

如图9所示，整个配电网是从母线和若干个直线延展出来的，主要按照《IEC61970-453EMS-API-Part453：图形布局子集》、《GB/T4728.2-2005电力简图用图形符号》、《DL/T890.402-2011公共服务(IEC61970-402:2003)》和《Q/GDW624-2011电力系统图形描述规范》得出，具体如表3所示。

表3 电力设备图元模型

为了验证所提出的配电网图元拓扑的实用性，打开该系统的绘图工具，将图元存放位置为工具安装包解压后symbol文件夹的路径，此文件夹的路径就是图元存放位置。打开在图形文件列表里根据配调、变电站、馈线依次展开，双击任一条馈线就可以对这条线进行编辑，图纸编辑中如果遇到一条支线上所有设备改到另外一条线上可能会用到跨图复制功能，如果用户已登录且有权限传图，保存成功后即可点击上传入库按钮将图纸入库。

在得到电力设备图元模型后，还需要进行精度监测。以接地刀闸为例，通过从配电网自动化系统中的所有接地刀闸设置若干个测点，采集相关规划数据（长度和角度）。监测数据统计表如表4所示。

通过监测100～1000个测点，统计相关规划数据（长度和角度）的误差百分比（表4），并绘制成柱状图（图11）。

表4 监测数据统计表

从图11可以看出，在不同数量测点环境下，本研究系统所绘制的图元标准尺寸误差更小，精准度更高。

图11 两种方法监测数据精准度对比

4 结语

本研究结合配电网调度技术支持系统构建了配电网自动化系统。基于拓扑反推技术，构建配电网设备图元数据初始空间，通过公式推导出拓扑反推关系并使初始空间转变为目标空间，实现对配电网图元设备多元数据的准确分析，并通过实验验证了该方法的可靠性。