一种基于改进引力斥力模型的配电网单线图自动绘制方法与流程

本发明属于电力系统调度自动化技术领域,特别涉及一种基于改进引力斥力模型的无重叠交叉的配电网单线图自动绘制方法。

背景技术：

单线图是电力系统使用的基本图形资料，记录了电网中各种设备的逻辑连接以及附加信息，普遍应用于电网系统规划、控制、运行、管理等日常工作中。传统人工绘制单线图中包含了设备、连接线、文字说明等信息。例如，图1为某地区单线图的局部图像，图中虚线和实线代表电网中的线路，与线路相连的特殊图形代表电网中的设备，连接线和设备周围都标注有设备的名称和数据信息，整幅图都是通过人工绘制。随着电网规模的不断扩大、复杂度的不断提高，传统的人工绘制方式工作量大、更新不及时的问题越来越突出，因此出现了通过计算机程序自动生成单线图的新方法，典型的如引力斥力模型。

引力斥力模型就是把单线图中的每一个节点(即电网中的设备)看成一个物理质点，每一条边看成一条橡皮筋；任意两个点之间存在斥力作用，当相邻两点之间的距离超过橡皮筋的长度，就会受到引力作用；图中节点会在引力与斥力的作用下不断运动，直到达到平衡。直接使用引力斥力算法生成的配电网单线图，由于没有考虑设备图形和画布的大小，会出现线路和设备重叠交叉、单线图，效果较差，很难保证最终生成图的紧凑美观，也很难保证图中线路和设备完全不交叉或重叠。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种基于改进引力斥力模型的配电网单线图自动生成方法。本发明为配电网中每条馈线生成一张单线图；该方法使用改进的引力斥力模型，并针对线路交叉方式进行去交叉重叠处理，可以保证生成的图形整体分布紧凑美观、消除了交叉和重叠。

本发明提出的一种基于改进引力斥力模型的配电网单线图自动生成方法，其特征在于，该方法首先从电网公共信息模型中读取属于一条馈线上的所有设备和连接关系；将所读取到的设备均抽象为节点，设备间的连接关系均抽象为线，完成基础网络结构图；然后，将设备节点替换为8节点矩形框，再应用改进引力斥力模型对该结构图进行布局调整；

通过正交化、去交叉点，收缩连接线生成最终布局图；最后，将最终布局图中包括节点的位置、设备类型、设备名称和设备电气属性的信息输出到单线图文件，并用设备图形替代8节点矩形框，完成配电网单线图的绘制。该方法具体步骤包括：

1)从电网公共信息模型CIM中读取属于一条馈线上的所有设备和连接关系；将所读取到的设备均抽象为节点，设备间的连接关系均抽象为线；若任意节点上连接的线超过4条，则将该节点分裂为两个或更多节点，保证每个节点上的连接线不超过4条；

2)生成初始布局；

从步骤1)所选取馈线的电源开始，沿水平或垂直方向依次排列相连的后续节点，如果有多个后续节点，则按照逆时针方向依次放置相连的后续节点；相邻节点之间每条连接线长度相等；节点排列完毕后，将所述节点依次替换为指定大小的8节点矩形框；最后利用改进引力斥力模型，计算节点位置，对图形布局进行调整,得到基础网络结构图G；

3)遍历步骤2)的基础网络结构图G中的各个节点，通过调整节点坐标和连接线方向，使节点上的连接线垂直或水平，且分布在上下左右四个不同方向上；统计图G中连线交叉点的数量；遍历所有交叉点，通过延长连接线和平移分支消除交叉点；反复执行该过程，直到消除图中所有交叉点；最后收缩图G中所有被延长的连接线，在不产生交叉点的前提下，取每条连接线最小长度，完成最终布局图；

4)遍历步骤3)得到的最终布局图中所有节点，将包括节点的位置、设备类型、设备名称和设备数据的信息输出到单线图文件；在单线图文件中，用设备图形替代最终布局图中的8节点矩形框；并将包含设备名称和设备数据的文本信息分布在设备图形周围，完成配电网单线图绘制。

本发明的特点及有益效果是：

1.本发明改进了引力斥力算法。通过引入8节点矩形框，使得引力斥力计算时能够统一考虑设备大小；引入画布边框的引力作用，使节点在画布上分布更均匀，得到较好的初始布局。

2.本发明通过延长连接线和平移分支消除交叉点的算法快速而有效，然后通过压缩连接线保证图像紧凑美观。

附图说明

图1是传统人工绘制单线图的示意图。

图2是本发明方法的流程框图。

图3是本发明中8节点矩形框示意图。

图4是本发明中步骤3)的消除交叉点的流程框图。

图5是本发明实施例中典型交叉方式示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于改进引力斥力模型的配电网单线图自动绘制方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种基于改进引力斥力模型的配电网单线图自动绘制方法，流程框图如图2所示，该方法首先从电网公共信息模型中读取属于一条馈线上的所有设备和连接关系；将所读取到的设备均抽象为节点，设备间的连接关系均抽象为线，完成基础网络结构图；然后，将设备节点替换为8节点矩形框，再应用改进引力斥力模型对该结构图进行布局调整；通过正交化、去交叉点，收缩连接线生成最终布局图；最后，将最终布局图中的包括节点的位置、设备类型、设备名称和设备电气属性的信息输出到单线图文件，并用设备图形替代8节点矩形框，完成配电网单线图的绘制。该方法具体步骤包括：

1)从电网公共信息模型(CIM)中读取属于一条馈线(馈线指配电网中从电源母线到负荷的配电线路)上的所有设备和连接关系；将所读取到的设备均抽象为节点，设备间的连接关系均抽象为线；

若任意节点N上连接的线超过4条，则将节点N分裂为两个或更多节点，保证每个节点上的连接线不超过4条。例如，假设节点D上共有n条连接线，分别为L₁至L_n，4＜n≤12，那么创建m个虚拟节点U₁至U_m，m＝(n-3)/2，m的计算结果取整数位。将虚拟节点U₁至U_m连接到节点D，并断开连接线L_5-m至L_n与节点D的连接；对于第k个虚拟节点U_k，1≤k≤m，将连接线L_4-m+3×k至L_6-m+3×k连接到U_k。

2)生成初始布局；

从步骤1)所选取馈线的电源开始，沿水平或垂直方向依次排列相连的后续节点，如果有多个后续节点，则按照逆时针方向依次放置相连的后续节点；相邻节点之间每条连接线长度均为L，L的取值为预先指定，24＜L＜48(像素)；节点排列完毕后，将所述节点依次替换为指定大小的8节点矩形框；8节点矩形框的形式如图3所示，节点对应的设备类型不同，矩形框的大小也不同，如代表开关的矩形框大小为24×12(像素)，代表电源的矩形框大小为24×24(像素)；最后利用引力斥力模型，计算节点位置，对图形布局进行调整,得到基础网络结构图G；

若两节点坐标分别为(x1,y1),(x2,y2)，则二者之间的斥力大小如式(1)所示：

$\frac{1}{|\mathrm{\Δ}{|}^2}---\left(1\right)$

其中，向量Δ＝(x1-x2,y1-y2)；

若相邻两节点坐标为分别(x1,y1),(x2,y2),则该两节点之间连接线上的引力大小如式(2)所示：

$\frac{L-\left|\mathrm{\Δ}\right|}{2}---\left(2\right)$

本发明改进了引力斥力模型，将画布矩形边框的四条边作为位置固定的连接线参与引力计算，同时将设备的8节点矩形框作为整体参与计算。画布大小为能够完全包含基础的网络结构图G、长宽比为1.618的最小矩形框大小，四条边对画布内的设备点有着一定的引力作用：距离越远，则引力越大；距离越近，则引力越小。这四条边的作用是使画布内的点分别更加均匀，最终构图更加美观清晰。

若画布边框的一条边的向量表示为(x1-x2,y1-y2)，(x1,y1),(x2,y2)分别为这条边两个端点的坐标，则该边对节点(x3,y3)的引力作用如式(3)所示：

${\∫}_0^1\frac{1}{|f\left(u\right){|}^2}du---\left(3\right)$

其中，向量

8节点矩形框对其他节点的斥力作用为矩形边框上8个点作用的合力。

3)遍历步骤2)的基础网络结构图G中的各个节点，通过调整节点坐标和连接线方向，使节点上的连接线垂直或水平，且分布在上下左右四个不同方向上；统计图G中连线交叉点的数量；遍历所有交叉点，通过延长连接线和平移分支消除交叉点；反复执行该过程，直到消除图中所有交叉点；最后缩减图G中所有被延长的连接线，在不产生交叉点的前提下，取连接线最小长度，完成最终布局图；具体步骤执行流程如图4所示：

3.1)平移步骤2)完成的整个基础网络结构图G，使图G完全置于坐标轴第一象限，同时对各节点坐标进行取整处理；

3.2)遍历图G中所有连接线所覆盖的坐标点，若同一坐标点被多条连接线覆盖，则表明在该点位置，存在连接线交叉；将图G中所有交叉点记为集合C，同时建立一个空的集合C2；

3.3)从集合C中取出一个交叉点P，通过延长某条或某几条连接线来消除该交叉点P。典型交叉方式如图5所示：线路L1，L2交叉于点P，L1，L2在图5中的唯一路径为(L3，L4，L5)，位于路径外的两个部分末端节点为P5，P4。有两种方法可以消除交叉点P，使L1，L2不再交叉。方法1：根据L1的方向，计算P点到P5点在该方向上的距离S1，找到唯一路径(L3，L4，L5)内与L1方向一致且不在同一水平线上的连接线L3，保持P2点位置不变，L3长度增加S1，则P点从P5点移出并消失。方法2：根据L2的方向，计算P点到P4点在该方向上的距离S2，找到唯一路径(L3，L4，L5)内与L2方向一致且不在同一垂直线上的连接线L4，保持P2位置不变，L4长度增加S2，则P点从P4点移出并消失。

3.4)交叉点P消除后重新计算图中是否有新的交叉点产生；若没有新交叉点，则消除成功，保留步骤3.3)对连接线的修改，并从集合C中删除交叉点P；若有新交叉点产生，则放弃步骤3.3)对连接线的修改，并将交叉点P从集合C中删除，放到集合C2。

3.5)重复执行步骤3.3)和步骤3.4)，直到集合C被清空；此时如果C2不为空，则表明C2中的交叉点无法通过一次平移消除，需要多次处理；对C2中的每个交叉点，重复执行步骤3.3)中所述交叉消除步骤，但不再执行3.4)中的验证步骤，且每次消除交叉点后要重新计算所有交叉点以更新集合C2。由于平移会使图像逐步稀疏，最终所有交叉点都会被消除，即C2变为空集合。

3.6)遍历所有被延长的连接线，逐步缩短每条连接线，在不产生交叉点的前提下，取每条连接线的最小长度，使图像更为紧凑，完成最终布局图。

4)遍历步骤3)得到的最终布局图中所有节点，将包括节点的位置、设备类型、设备名称和设备数据的信息输出到单线图文件；在单线图文件中，用设备图形替代最终布局图中的8节点矩形框，并将包含设备名称和设备数据的文本信息分布在设备图形周围，完成配电网单线图绘制。