一种基于变电站规范描述的一次系统接线自动成图方法与流程

本发明涉及电力系统智能变电站自动化系统领域，具体地说是一种基于变电站规范描述的一次系统接线自动成图方法。

背景技术：

iec61850标准是智能变电站采用的唯一标准，iec61850是一个建立在以面向对象建模基础的标准，应用面向对象的建模技术，变电站配置语言(substationconfigurationlanguage，scl)的制定，scl语言对系统及设备进行统一配置建模，可以方便地描述变电站内设备的基本功能和可访问的信息模型，以及整个系统的组织结构和功能分布。

ssd(systemspecificationdescription)作为全站唯一的一次系统规范描述文件，重点用以描述智能变电站模型，其模型特征是基于变电站功能结构的对象分层，尽管每个对象都是自包含的，但其引用命名由其在层次结构中的位置派生。变电站对象模型结构示意图如图1所示，该结构配置包含变电站的一次设备配置描述、一次设备拓扑连接关系，并由此形成变电站拓扑结构描述。然而系统规范描述文件仅从模型层面描述一次系统拓扑关系，并不包含图形结构。模型文件是iec61850标准定义的唯一交互配置信息，计算机在获取变电站规范描述文件后无法将包含拓扑结构信息的模型文件转换成固定型式的图形进行显示。

现行的工程方案是通过对系统规范描述文件解析在数据库中生成对应的模型，由工程人员手动绘制一次接线图并进行图模关联配置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有工程人员手动画图的缺陷，提供一种基于变电站系统规范描述模型自动生成一次系统接线图的方法，以解决目前智能变电站自动化系统中无法获取一次系统接线图、必须依赖人工画图的问题；自动成图后还可以实现图形与模型的自动关联配置，减少因人工配置出现错误的可能性，提高变电站自动化系统配置效率。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于变电站规范描述的一次系统接线自动成图方法，其基于变电站系统规范描述文件，自动识别变电站各间隔的类型和接线方式，依据所识别得出的一次系统拓扑结构及相关元素类型，结合包含电压等级尺度、间隔尺度、一次设备尺度和连接线尺度的多尺度迭代布局算法自动生成一次系统接线图。

进一步地，上述方法包括如下具体步骤：

1)一次系统拓扑结构解析

通过解析ssd中间隔内部关键一次设备及其在一次接线中的拓扑结构，识别该间隔类型；

不同接线方式对应于不同布局设置，所有接线方式均由以下四类接线组合而成即单母接线、分段接线、双母接线和二分之三接线，其识别方法如下：

a.遍历当前电压等级下母线数量buscount；

b.若buscount为1，则为单母接线；若为2，则继续向下判断，单母分段视为两不同的母线间隔；

c.遍历当前电压等级下母联及分段间隔数量，母联即表示该局部接线为双母接线，分段则表示该局部接线为分段接线；

d.检测与以上母线间隔均无电气关联且包含一个断路器一次设备的间隔，作为断路器间隔候选项，若其两侧各包含一断路器一次设备的间隔与其有电气关联，且各自与其中某母线间隔具有电气关联，则将该三关联间隔同时视为断路器间隔，即二分之三接线，与断路器间隔直接关联的出线间隔视为二分之三接线方式；

2)基于多尺度布局的元素分类

系统规范描述文件中不同类元素作用于一次系统接线图的不同尺度，按照电压等级尺度层、间隔尺度层、一次设备尺度层、连接线尺度层的迭代顺序进行一次系统接线图的自动生成；

3)尺度自大至小的布局规划

4)尺度自小至大的尺寸计算

以画布最大填充面积为目的，进行尺寸缩放；通过结合解析系统规范描述文件中对应元素描述及该元素的布局情况，从图元库中设备图元初始化尺寸出发，层层向外扩充，最终得出初始化绘图区域宽高，通过与实际画布宽高之比获得尺寸缩放因子，并依据缩放因子分别在水平、垂直方向对原图元进行缩放计算。

进一步地，电压等级尺度元素类作为画布最大尺度级，对一次系统接线整体布局分布进行定位，该尺度包含两类不同元素，即电压等级元素和变压器元素。

更进一步地，所述的电压等级元素反映该变电站电压等级分布情况，其子元素voltage值即为该电压等级值，不同电压等级值视为不同对象，实际上同基准电压等级对象有且仅有一个对应的电压场元素。

所述的变压器元素描述对应的一次变压器对象，解析系统规范描述文件，不同变压器元素在该层级被视为同一对象；图形布局中，变压器元素视为电压等级层类在电压等级尺寸下进行布局。

进一步地，间隔尺度元素类作为次尺度级，其依据电压等级层所定义的布局定位对画布进行填充。

更进一步地，间隔尺度下元素分为以下五类：变压器本体间隔、分段间隔、断路器间隔组、普通间隔、母线，所述的普通间隔包括线路间隔、电容电抗间隔、各侧变压器间隔、母联间隔、不包含母线设备的母线间隔。

进一步地，一次设备尺度元素类位于间隔尺度下，其对一次接线图中间隔区域进行填充；除母线设备外，其他一次设备层类元素均在其所属的间隔类进行填充布局。

进一步地，连接线尺度元素类有且仅有一种元素，即电气连接点元素，其实质表示元素两端具有相同电势，以直线的维度对其两端端点进行填充。

进一步地，一次设备尺度的布局规划均相对于该设备类元素所属的间隔尺度区域；图形布局中，设备被抽象为两端或单端带端子terminal的矩形区域，端子数量通过系统规范描述解析获知，换而言之，设备尺度布局被抽象为设备端子对或设备单端子的布局；

一次设备尺度布局中轴为间隔矩形区域中轴线，其方向与间隔区域矢量方向一致。

本发明具有以下有益效果：解决了目前智能变电站自动化系统中无法获取一次系统接线图、必须依赖人工画图的问题；自动成图后还实现了图形与模型的自动关联配置，减少了因人工配置出现错误的可能性，提高了变电站自动化系统配置效率。

附图说明

图1为现有变电站分层模型的结构示意图；

图2为典型500kv、220kv、110kv一次系统接线布局规划图(图2a为500kv，图2b为220kv，图2c为110kv)；

图3为本发明设备端子布局示意图；

图4为本发明变压器间隔连接线布局图；

图5为典型支路间隔接线图；

图6为本发明500kv间隔尺度元素填充示意图。

具体实施方式

本发明为一种基于变电站规范描述的一次系统接线自动成图方法，其步骤如下：

1.一次系统拓扑结构解析

通过解析ssd中间隔内部关键一次设备及其在一次接线中的拓扑结构，判别间隔类型。按功能逻辑划分为：母线间隔、线路间隔、各侧变压器间隔、主变本体间隔、电容电抗间隔、母联及分段间隔、断路器间隔等。

不同接线方式对应于不同布局设置，所有接线方式均由以下四类接线组合而成，即单母接线、分段接线、双母接线、二分之三接线，其识别方法如下：

a.遍历当前电压等级下母线数量buscount；

b.若buscount为1，则为单母接线；若为2，则继续向下判断(单母分段视为两不同的母线间隔)；

c.遍历当前电压等级下母联及分段间隔数量，母联即表示该局部接线为双母接线，分段则表示该局部局部为分段接线；

d.检测与以上母线间隔均无电气关联且包含一个断路器一次设备的间隔，作为断路器间隔候选项，若其两侧各包含一断路器一次设备的间隔与其有电气关联，且各自与其中某母线间隔具有电气关联，则将该三关联间隔同时视为断路器间隔，即二分之三接线，与断路器间隔直接关联的出线间隔视为二分之三接线方式。

2.基于多尺度布局的元素分类

系统规范描述文件中不同类元素作用于一次系统接线图的不同尺度。本发明按照电压等级尺度层、间隔尺度层、设备尺度层、连接线尺度层的迭代顺序进行一次系统接线图的自动生成，系统规范描述文件中各层级元素分类如下所示：

a.电压等级尺度分类

电压等级尺度元素类作为画布最大尺度级，作用在于对一次系统接线整体布局分布进行定位。该尺度下包含两类不同元素，即电压等级元素voltagelevel及变压器元素powertransformer。

其中voltagelevel即反映了该变电站电压等级分布情况，其子元素voltage值即为该电压等级值，不同电压等级值视为不同对象，实际上同基准电压等级对象有且仅有一个对应的电压场元素。

变压器元素powertransformer该元素描述对应的一次变压器对象，解析系统规范描述文件，不同变压器元素在该层级被视为同一对象。图形布局中，变压器元素视为电压等级层类在电压等级尺寸下进行布局。

b.间隔尺度分类

间隔尺度元素类作为次尺度级，其作用在于依据电压等级层所定义的布局定位对画布进行填充。该尺度下元素分为以下五类：变压器本体间隔、分段间隔、断路器间隔组、普通间隔(包括线路间隔、电容电抗间隔、各侧变压器间隔、母联间隔、母线间隔(不包含母线设备)等)、母线。

其中，变压器本体间隔仅包含变压器设备及作用于该设备的非电量保护逻辑节点对象。解析系统规范描述文件，不同变压器本体间隔在该尺度级视为不同对象。

在该尺度布局中，断路器间隔以断路器间隔组的方式进行填充。解析系统规范描述文件，不同断路器间隔组视为不同对象；不同分段间隔、普通间隔均分别视为不同对象。

母线在一次系统接线图中，扮演着电压区域范围定位的角色，其尺度与间隔模型同级，因此将其作为一类特殊的间隔尺度级元素。同样，系统规范描述文件中，不同的母线在该尺度视为不同对象。

c.设备尺度分类

设备尺度元素类位于间隔尺度下，其作用在于对一次接线图中间隔区域进行填充。除母线设备外，其他一次设备层类元素均在其所属的间隔类进行填充布局。

d.连接线尺度分类

连接线尺度元素类有且仅有一种元素，即电气连接点元素connectivitynode，其实质表示元素两端具有相同电势，其作用在于以直线的维度对其两端端点进行填充。

3.尺度自大至小的布局规划

绘图布局按照尺度自大至小的迭代顺序进行规划，本发明布局规划过程如下：

a.电压等级尺度的布局规划

依据当前工程规范，典型500kv、200kv、110kv一次系统主接线图布局规划如图2所示。

为更简明表示上图布局规划，本发明以hor表示水平布局，以ver表示垂直布局；以high表示高压侧区域，以mid表示中压测区域，以low表示低压侧区域，以tran表示变压器区域；以“，”作为表达式各区域分隔符。

则500kv、220kv、110kv一次系统接线布局规划表达式分别为：

500layout＝ver{hor{high,low},tran,mid}；

220layout＝ver{hor{high,low},tran,mid}；

110layout＝ver{high,tran,low}；

(其他电压等级布局规划表达方法与之相同)。

b.间隔尺度的布局规划

母线布局遵循以下规则：

1)母线矢量方向水平向右。

2)位于变压器区域上方电压侧区域，母线优先左下置顶；位于变压器区域下方电压侧区域，母线优先左上置顶。

3)二分之三接线方式下，优先绘制ii母，i母与ii母长度相同且靠上垂直对齐，两者间距等于断路器组高度。

4)双母接线方式下，优先绘制i母，ii母与i母长度相同且靠下垂直对齐，两者间距默认为mh(mh<fh)。

5)分段接线方式下，优先绘制左侧分段i，分段ii与分段i靠右水平对齐且默认间距略小于分段间隔宽fd。

6)布局优先级从上至下，从左至右。如双母双分段，则排布顺序为左上i母，左下ii母靠下垂直对齐，右上iii母参照i母靠右水平对齐，右下iv母参照iii母靠下垂直对齐。

间隔区域布局遵循以下规则：

1)间隔区域与其直接电气关联的母线垂直布局，变压器本体间隔在变压器区域自左向右水平对齐。

2)除变压器本体间隔及分段间隔外，间隔矩形矢量方向为垂直于母线指向该母线所处位置的反方向。换而言之，若母线置顶，则间隔区域垂直向下；母线置底，则间隔区域垂直向上。

3)除分段间隔外，各间隔区域依照系统规范描述所解析的间隔对象顺序沿其具有直接电气关联的母线方向水平依次排列。

4)分段间隔矩形矢量方向平行于母线方向且布置于两段母线之间。

设备尺度的布局规划均相对于该设备类元素所属的间隔尺度区域。图形布局中，设备可被抽象为两端或单端带端子terminal的矩形区域(端子数量通过系统规范描述解析获知)，换而言之，设备尺度布局可被抽象为设备端子对或设备单端子的布局。本发明中，若非同设备两端子具有相同的connectivitynode属性值，则认为这两端子直连。

一次设备尺度布局中轴为间隔矩形区域中轴线，其方向与间隔区域矢量方向一致，设备端子布局示意图如图3所示。

设备布局遵循以下规则：

1)同设备端子对平行于中轴方向成对出现，且双端子设备优先布局。

2)若直连对端端子数为1，则沿中轴方向垂直布局；若同时具有多个直连端端子，则以中轴为镜，左右对称布局。

3)端子沿中轴方向递归增长(依据规则2)，即自母线直连端子a出发，若该端子所属设备存在另一端端子b则依据规则1)进行增长，否则停止增长；若存在与端子b直连端子c，则端子c继续增长，直至单端子情况或直连对端在本间隔之外停止。

c.连接线尺度的布局规划说明

连接线元素布局遵循以下规则：

1)在每条连接线元素布局中，母线被抽象为与端子增长方向沿线与该母线垂足位置的一个端点，则连接线元素即为直连端子间的矢量线，其方向为电流方向，即变压器间隔由间隔外变压器端子指向与之直连的端子方向，间隔内为端子增长负方向；其他出现间隔由母线端子指向与之直连的端子方向，间隔内为端子增长方向。

2)在一次系统接线成图中，矢量连接线被分解为首尾相接的水平、垂直矢量线段，分解方式按照最小曼哈顿距离(即所有水平及垂直距离之和最小)。

3)同矢量连接线仅保留其中之一。

依据以上规则，变压器至变压器电压等级侧间隔区域连接线布局如图4所示：

4.尺度自小至大的尺寸计算

一次系统接线图默认为矢量图，即意味着并没有固定的尺寸大小，本发明以画布最大填充面积为目的，进行尺寸缩放。通过结合解析系统规范描述中对应元素描述及该元素的布局情况，从图元库中设备图元初始化尺寸出发，层层向外扩充，最终得出初始化绘图区域宽高，通过与实际画布宽高之比获得尺寸缩放因子，并依据缩放因子分别在水平、垂直方向对原图元进行缩放计算。

由于500kv变电站系统接线图基本能够包含各类典型拓扑关系(其他成图方法均与之相同)，因此以500kv一次系统接线成图为例，对本发明自动成图方法进行说明。

a)设备尺寸

实际绘图中设备被抽象为图元库中该设备图元外接矩形。默认两相邻一次设备间垂直间距equip_hd，水平间距equip_vd；典型间隔内一次设备如刀闸、断路器、ct、出线设备图元初始化外界矩形分别为(按宽×高)：ds_d*ds_h、cbr_d*cbr*h、ct_d*ct_h、ifl_d*ifl_h。

b)间隔区域尺寸

实际绘图中，间隔同样被抽象为矩形区域，该区域范围通过解析系统规范描述，依据该间隔所包含的所有一次设备，结合上述一次设备布局方案对该间隔区域进行填充计算。

其中间隔内区域初始化留白(无图元区域)分别为左右宽均为bay_blank_d，上下高均为bay_blank_h；预设双母接线两母线垂直间距mh。

通过该站系统规范描述文件，获得该站中压侧一支路间隔如图5所示：

该间隔内设备布局关系为ver{hor(刀闸1，刀闸2)，ct，断路器，刀闸，出线设备}。则该支路间隔区域初始化宽为ld＝bay_blank_d+ds_d+2*equip_vd+bay_blank_d；其初始化高lh＝mh+ds_h+ct_h+cbr*h+ds_h+ifl_h+4*equip_hd+bay_blank_h。

c)电压区域尺寸

解析系统规范描述文件获取各间隔尺寸(为便于说明，以下初始化值均为范式表达)。

初始化断路器间隔bd*bh，则初始化断路器间隔组矩形区域(3*bd)*bh；初始化分段间隔矩形区域fd*fh；初始化变压器本体间隔矩形区域td*th；初始化普通间隔矩形区域初始值均为ld*lh。

初始化电压区域留白(无图元区域)分别为左宽dl，右宽dr，上高ht，下高hb。

解析系统规范描述文件获取各类间隔信息

通过解析系统规范描述文件，获知该变电站高压侧为二分之三接线，该电压侧包含5个断路器间隔组；中压侧为双母双分段接线，分段i侧包含5个普通间隔，分段ii侧包含4个普通间隔；低压侧为单母分段接线，分段i侧包含3个普通间隔，分段ii侧包含1个普通间隔；包含两个电压器本体间隔。间隔尺度填充示意图如图6所示：

1)计算母线尺寸

依据上述内容可知该一次系统接线图中高压侧双母线水平长度即为5*bd，两母线间高1*(3*bh)。

中压侧i侧双母线水平长度5*ld，两母线间宽1*mh；ii侧双母线水平长度4*ld，双母线间宽1*mh。

低压侧i侧单母线水平长度3*ld；ii侧单母线水平长度1*ld。

2)计算各区域尺寸

依据上述内容可知该一次系统接线图中高压侧区域宽度hd＝5*bd+dr，高hh＝ht+1*(3*bh)。

中压侧区域宽度md＝dl+5*ld+fd+4ld+dr，高dh＝1*lh+hb。

低压侧区域宽度ld＝3*ld+fd+1*ld+dr，高lh＝ht+1*lh。

变压器区域宽度td＝dl+2*td+dr，高th＝ht+1*th+hb。

3)计算缩放因子

依据布局方式及各区域尺寸可知该一次系统接线图中绘图区域高为高压侧高度(高压侧区域高大于低压侧区域高)、变压器区域高度及中压侧区域高度只和，即h＝hh+th+dh；则高压侧区域(低压侧区域)、变压器侧区域、中压侧区域垂直方向权重比即为hh:th:dh。

该一次系统接线图中绘图区域宽度为高压侧宽度与低压侧宽度之和、变压器区域宽度、中压侧宽度中最大值，即d＝max{(hd+ld)，td，md}；则高压侧与低压侧水平方向权重比为hd:ld(变压器区域、中压侧区域水平方向上权重均为1)。

实际画布宽高分别为cd，ch。则水平缩放因子hsigma＝cd/d，垂直缩放因子vsigma＝ch/h。实际绘制各图元外接矩形宽即为图元模板宽×hsigma、高即为图元模板高×vsigma。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。