一种配电网规划空间数据模型简化方法与流程

本发明涉及gis领域和电力领域，具体是一种配电网规划空间数据模型简化方法。

背景技术：

近年来，面对日益加剧的资源环境压力，推动电力工业低碳化成为实现节能减排与生态文明目标的必然选择。降低电力系统的能源消耗有两大方向：可再生能源的接入，电网节能降损。配电网是电网传输的重要途径，是把电力系统或电源与用户设施联接起来的重要环节。据统计，10kv配电网产生的电能损耗约占整体电网总损耗的一半，用户停电事故中有80％是由配电网故障引起的。

因此，只有进行科学合理的配电网规划，选择合适的配电网结构以及布局，才能够提高电网接纳和优化配置多种能源的能力、有效提高电力的供给质量，保证电力输送的安全可靠性，进一步提高庞大电网资产的利用效率和效益，为用户提供更加优质的服务。

规划资料数据是配电网规划的基础。目前配电网规划需要对海量数据进行考证和收集，以保障能做出合理有效的配电网规划。但是随着配电网日益庞大、结构日益复杂、数据更新频繁，规划资料数据的统计收集、对现状配电网分析、建模和计算变得越发困难。

目前配电规划应用平台主要有一体化电网规划设计平台。该平台所需的配电网现状数据目前依赖人工整理生成，工作量极大，不利于项目推广应用。比例尺缩小后网架线路设备繁多整体展示杂乱无章，甚至无法辨别配电网的主要线路和结构，严重影响规划设计人员的决策判断。而现有电网系统存储管理完整的电网数据，但配电网规划需要的数据只是其中的子集，若要传输存储、查询编辑和展示庞大详细的电网数据，将给一体化电网规划设计平台带来巨大挑战，十分不利于准确高效提取配电网现状数据。

因此，本发明提出一种配电网规划空间数据模型的简化方法，。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有配电网规划系统的缺点与不足，提出一种配电网规划的空间数据模型的简化方法，该方法包括配电网网架等值简化和图形简化两个部分，对现有配电网空间数据进行简化以满足配电网规划设计需求。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供一种配电网规划空间数据模型简化方法，包含以下顺序的步骤：

s1、基于neo4j图数据库整合配电网网架数据，构建配电网网架数据无向图；

s2、基于专家知识建立简化规则库，结合配电网网架数据无向图，建立设备元件等值简化模型，实现配电网网架等值简化；

s3、基于stroke的douglas-peucke图形简化算法，实现对配电网网架图形简化。

进一步地，本发明步骤s1中，所述的基于neo4j图数据库整合配电网网架数据：

现有的配电网数据存储在电网资产系统中，涉及数十种配电设施，各种配电设施之间存在复杂的运行关系和所属关系，以传统的关系型数据库对这些关系进行建模，需要维护大量的关系表，本专利从现有电网系统中获取详细配电网数据，基于neo4j图数据库，根据实际的电网结构构建配电网网架数据无向图，存储配电网信息，包括属性信息和拓扑信息。配电网网架数据无向图定义为：

g(v,p,r)＝{{v},{p},{r}}

其中，v表示配电网中的设备集合v＝{v1,v2,...,vn}，包括变压器、母线、开关等，pi表示设备i的属性集pi＝{pi1,pi2,...,pij}，包括电压等级、类型编号、长度等，r表示设备间的关系集r＝{r1,r2,...,rk}，主要有所属关系和运行关系；

进一步地，本发明步骤s2中，所述的基于专家知识建立配电网规划简化规则库，具体为：

经简化后的配电网在将冗余设备简化的同时保留关键设备元件及其属性以满足电气计算的需求，因此，根据实际配电网规划过程中的规则以及现有网架结构，结合配电网网架数据无向图，构建通用的站内和站外设备模型，从而拟定等值简化规则。

进一步地，本发明步骤s2中，所述的建立设备元件等值简化模型，具体为：

现有配电网系统虽然存储管理了完整的电网数据，但实际配电网规划需要的数据只是其中的子集，因此，根据步骤s1中确定的简化规则库以及电网设备连接规范，把现有的复杂设备抽象成统一的站内和站外模型，从而有效避免实际数据中存在的复杂问题，具体如下：

s21、根据简化规则以及站内设备连接关系构建站内简化模型；

s22、根据简化规则以及站外设备连接关系构建站外简化模型；

s23、以统一的站内、站外模型等值代替原有网架的复杂设备参与电气计算。

进一步地，步骤s3中，基于stroke的douglas-peucke图形简化算法，对配电网网架进行图形简化，具体如下：

s31、对配电网进行stroke划分；

s32、基于stroke的douglas-peucke图形简化算法进行配电网网架图形简化；

s33、计算基于stroke的douglas-peucke图形简化算法最佳简化阈值λ0，以优化s32中图形简化方法的参数，实现最优图形简化。

进一步地，本发明步骤s31中，对配电网进行stroke划分，方法为：

首先，配电网stroke定义如下：

其中x表示配电网中的线段集合(包括导线段和电缆段)，xi表示其中的第i条线段，st表示stroke集合，sti表示第i条stroke。

则stroke划分等价于将集合x分成m个集合st1，st2，...，stm，并且满足以下三个条件：

公式中，st表示stroke集合，sti表示第i条stroke，m表示划分的stroke的个数。

其次，根据以上stroke定义，对每一条具体的线路进行stroke划分：

先根据配电网中线路名称，将每一条线路作为一个stroke；如果stroke中存在t节点，则在t节点处继续划分为多条stroke，获得stroke集合st＝{st1,st2,...stm}；

进一步地，本发明步骤s32中，基于stroke的douglas-peucke图形简化算法，对配电网进行图形简化，具体如下：

s321、根据具体配电网网架数据和经验值确定douglas-peucke图形简化算法有意义的简化阈值的取值范围(λa，λb)，任取λa＜λ＜λb；

s322、根据步骤2中的简化规则库定义原始线路中的重要节点h＝{h1,h2,...,hn}；

s323、集合st中的每一个strokesti，设sti的起点为p(x1,y1)和终点为q(x2,y2)，sti中的其他节点的集合为m＝{m1,m2,...mn}，其中，mi＝(xi,yi)，计算mi到线段pq的距离di:

上式中，a、b、c分别为线段pq的一般方程式中的三个系数，di为mi到线段pq的距离；

s324、取d＝max{d1,d2,...,dn}，d所对应的节点为mk，若d＜λ，则执行s325，反之，若d＞λ，则将strokesti划分为两个子stroke，即分成以p为起点，mk为终点和以mk为起点，q为终点的两个子stroke，执行s323；

s325、对strokesti中的其他节点集合m＝{m1,m2,...mn}，mi＝(xi,yi)，若mi∈h，则将mi添加到集合z中，z＝{z1,z2,...,zn}，并执行s326，反之，则将集合m中所有的点都从strokesti中删除；

s326、计算zi到pq的距离dzi，取dz所对应的节点为zk，引入位移限差η，若dz＜η，则执行s327，反之，以p、zk、q为端点，再次划分stroke，执行s325；

s327、将集合z＝{z1,z2,...,zn}中的点zi以垂直投影的方式投影到直线pq上，并从strokesti中删除不属于集合z的点，计算zi投影后的坐标(xi,yi)：

则strokesti经简化后剩余的点集为{p,q,z1,z2,...,zn}；

s328、从st集合中移除当前stroke，循环执行s323，处理st集合中的每一个stroke，直至st集合为空；

进一步地，本发明步骤s33中，确定douglas-peucke图形简化算法最佳简化阈值λ0，方法为：

s331、根据具体配电网网架数据和经验确定douglas-peucke图形简化算法有意义的简化阈值的取值范围(λa，λb)；

s332、以λa为初始阈值，h＝(λa-λb)/300为增长步长，循环运行基于stroke的douglas-peucke图形简化算法；

s333、统计每个λi及其对应的经基于stroke的douglas-peucke图形简化算法简化后的stroke曲线所剩余节点的总数

s334、基于最小二乘法拟合函数nλi＝f(λi)；

s335、计算曲线f(λi)的曲率取令k值最大的阈值λi为最佳简化阈值，即λ0＝λi。

s336、将最佳简化阈值λ0带入s324中的λ，并执行简化算法，得到最优的简化图形。

经基于stroke的douglas-peucke图形简化算法简化后的stroke曲线所剩余节点的总数nλi随着简化阈值λi的增大而减小，并且最终趋于一个稳定值，其中λi代表了简化力度，nλi可以用来衡量简化的效果，则取最佳阈值的问题可归结为在λi-nλi中取的一个最佳平衡点，同时兼顾简化力度和简化效果，取曲线f(λi)曲率最大k所对应的阈值λ0，此处为曲线弯曲程度最大的点，其意义在于若λi＜λ0，则还可以继续进一步简化，若λi＞λ，则随着λi的增大，会严重降低简化后的图形质量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明基于配电网的设备繁多，关系复杂特征，结合电网等值简化和地图综合方法，将配电网简化分为等值简化和图形简化两个部分，其中等值简化通过构建统一设备连接模型以达到简化设备种类和连接关系，而图形简化应用基于stroke的douglas-peucke图形简化算法简化其空间连接关系并优化其可视化效果。

(2)本发明实现配电网空间数据的简明展示，同时满足配电网规划的网架电气计算要求。简化后的设备量相对原始数据极大减少，有利于图形化、数字化、互动式查询展示配电网现状数据，直观反映现状网架的不足之处和配电网规划方案的合理性，为配电网规划工作者提供辅助分析，提高配电网规划设计的工作效率。

附图说明

图1是本发明配电网规划空间数据模型简化方法其中一个实施例的流程示意图；

图2为图1中所述方法的基于stroke的douglas-peucke图形简化算法流程图；

图3为图1中所述方法的站内等值模型示意图；

图4为图1中所述方法的配电网图形简化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的配电网规划的空间数据模型简化方法，包括以下步骤：

s1、基于neo4j图数据库整合配电网网架数据，构建配电网网架数据无向图；

s2、基于专家知识建立简化规则库，结合配电网网架数据无向图，建立设备元件等值简化模型，实现配电网网架的等值简化；

s3、基于stroke的douglas-peucke图形简化算法，对配电网网架进行图形简化。

本发明方法的基本思想为：现有电网系统中存储了整个电力系统中完整的设备和数据，但是对于配电网规划来说，很多的设备和数据是非必需的，配电网规划需要的数据只是其中的子集，只在电站和线路的层次上进行设计，不关注电站内具体设备类型和线路上挂载的无关设备。若要传输存储、查询编辑和展示详细的电网数据，将给一体化电网规划设计平台带来巨大挑战，因此，本发明提出的配电网规划的空间数据模型简化方法，融合电网等值简化和地图综合方法，同时从等值简化和图形简化两方面入手，在等值简化方面，首先根据实际的配电网规划需求拟定简化规则，然后再结合电网设备连接规范，将复杂的设备抽象成统一站内、站外的模型，从而有效避免实际数据中存在的复杂问题，并以此模型代替原有的复杂设备参与后续的电气计算；在图形简化方面，本发明提出了基于stroke的douglas-peucke图形简化算法在提高线路可视化效果的同时最大限度的保留其原有的几何特征。

现有的研究中多偏向单纯电力领域内的等值简化或gis领域内的地图综合，将两者结合起来的研究甚少，本发明的关键创造点是创新的将gis领域与电力领域结合起来，基于配电网的图形简化和电气计算简化两种需求，将两种领域的方法进行改进和结合，对复杂的配电网数据进行化简，使得简化后的设备量相对原始数据极大减少，有利于展示配电网现状数据，反映现状网架的不足之处、能直观展示规划后网架的综合情况、反映配电网规划方案的合理性，为配电网规划工作者提供辅助分析，提高配电网规划设计的工作效率，具有较高的实用性。

在本发明的另一个具体实施例中：

本发明提出的一种配电网规划的空间数据模型简化方法，具体步骤如下：

步骤1、基于neo4j图数据库整合配电网网架数据，构建配电网网架数据无向图。

本实施例的基础是湖北省鄂州市高压配电网数据，电网数据来源于现有电网系统，为了方便后续简化操作，本实施例选用neo4j图数据库作为存储电网数据的数据库，并对数据进行整合，确保后续操作用到的数据具有正确拓扑连接关系、设备从属关系、以及电网设备及其基础台账数据的完整性，具体如下：

g(v,p,r)＝{{v},{p},{r}}

其中，v表示配电网中的设备集合v＝{v1,v2,...,vn}，pi表示设备i的属性集pi＝{pi1,pi2,...,pij}，主要包括了基础台账数据和其他属性数据，r表示设备间的关系集r＝{r1,r2,...,rk}，包括了拓扑连接关系以及设备从属关系；

步骤2、基于专家知识建立简化规则库以及电网设备连接规范，结合配电网网架数据无向图，建立设备元件等值简化模型，实现配电网网架的等值简化：根据实际配电网规划需求，建立简化规则库，然后再结合电网设备连接规范和配电网网架数据无向图，将复杂的设备抽象成统一站内、站外的模型。

在现有电网系统中，存储了整个配电网中的详细数据，但在配电网规划过程中需要的只是很小的一个子集，并且在规划过程中只在电站和线路的层次上进行设计，不关注电站内具体设备类型和线路上挂载的无关设备。因此有必要根据实际配电网规划需求，建立简化规则库，然后再结合电网设备连接规范，将复杂的设备抽象成统一站内、站外的模型。站内等值模型简化如图3所示，为避免实际数据中存在的复杂多变的连接问题，或者数据错误导致的数据质量问题，把复杂站内设备抽象成统一的站内模型，变电站内最主要的设备有变压器、母线、开关等通用设备和其他特殊设备，这些设备在变电站内是必然存在的，所以基于电力设备连接规范，建立同一站内设备简化模型，模型中包括简化后设备的最大集合以及各设备之间的连接关系，而后再将现实设备映射到该模型中即可。站外等值简化方法与站内等值方法类似，同样构建通用连接模型，包括关键的设备和与电气计算相关设备。该方法最大的优势在于能够避免现实因数据问题导致复杂的设备连接问题。

步骤3、基于stroke的douglas-peucke图形简化算法(如图2所示)，对配电网网架进行图形简化。所述步骤3具体如下：

步骤s31：配电网stroke划分

根据配电网stroke的定义：

其中x表示配电网中的线段(包括导线段和电缆段)集合，xi表示其中的第i条线段，以s表示stroke集合，si表示第i条stroke，满足以下条件：

公式中，st表示stroke集合，sti表示第i条stroke，m表示划分的stroke的个数。

根据以上stroke定义，对每一条具体的线路进行stroke划分：

先根据配电网中线路名称，将每一条线路作为一个stroke；如果stroke中存在t节点，则在t节点处继续划分为多条stroke，获得stroke集合st＝{st1,st2,...stm}；

步骤s32：基于stroke的douglas-peucke图形简化算法，实现配电网网架的图形简化

s321、根据经验值确定douglas-peucke图形简化算法有意义的简化阈值的取值范围(λa，λb)，任取λa＜λ＜λb；

s322、根据步骤2中的简化规则库定义原始线路中的重要节点h＝{h1,h2,...,hn}；

s323、集合st中的每一个strokesti，设sti的起点为p(x1,y1)和终点为q(x2,y2)，sti中的其他节点的集合为m＝{m1,m2,...mn}，其中，mi＝(xi,yi)，计算mi到线段pq的距离di:

上式中，a、b、c分别为线段pq的一般方程式中的三个系数，di为mi到线段pq的距离；

s324、取d＝max{d1,d2,...,dn}，d所对应的节点为mk，若d＜λ，则执行s325，反之，若d＞λ，则将strokesti划分为两个子stroke，即分成以p为起点，mk为终点和以mk为起点，q为终点的两个子stroke，执行s323；

s325、对strokesti中的其他节点集合m＝{m1,m2,...mn}，mi＝(xi,yi)，若mi∈h，则将mi添加到集合z中，z＝{z1,z2,...,zn}，并执行s326，反之，则将集合m中所有的点都从strokesti中删除；

s326、计算zi到pq的距离取dz所对应的节点为zk，引入位移限差η，若dz＜η，则执行s327，反之，以p、zk、q为端点，再次划分stroke，执行s325；

s327、将集合z＝{z1,z2,...,zn}中的点zi以垂直投影的方式投影到直线pq上，并从strokesti中删除不属于集合z的点，计算zi投影后的坐标(xi,yi)：

则strokesti经简化后剩余的点集为{p,q,z1,z2,...,zn}；

s328、从st集合中移除当前stroke，循环执行s323，处理st集合中的每一个stroke，直至st集合为空；

步骤s33：确定douglas-peucke图形简化算法最佳简化阈值λ0

s331、根据经验值确定douglas-peucke图形简化算法有意义的简化阈值的取值范围(0.0001，0.07)；

s332、以λa为初始阈值，h＝0.0002为增长步长，循环运行基于stroke的douglas-peucke图形简化算法；

s333、统计λi及其经基于stroke的douglas-peucke图形简化算法简化后的stroke曲线所剩余节点的总数

s334、以指数函数的形式、用最小二乘法拟合函数nλ＝f(λ)：

f(λ)＝278.8*e^-309.9λ+88.26*e^-4.127λ

s335、计算曲线f(λi)的曲率取令k值最大的阈值λi＝0.0205为最佳简化阈值，即λ0＝0.0250。

s336、将最佳简化阈值λ0代入步骤s32，执行优化程序，获得最优图形简化效果。

配电网图形简化示意如图4所示，步骤s2等值简化中，简化了配电网网架的设备数量，但是没有改变网架的图形结构，而步骤s3图形简化主要针对对网架图形存在影响的导线和电缆进行，简化后的线路和电缆只保留偏转角度较大的线路，而偏转较小线路和电缆则进行投影，在简化其图形结构的同时，最大程度上保留原有网架的几何形状。

本发明针对当前配电网数据量庞大，规划数据主要依靠人工整理生成，工作量极大且容易出错的问题，创新的将地图综合方法与电网等值简化相结合，提出一种配电网规划空间数据模型的简化方法，能极大减少网架规划中冗余设备并且提高电网网架可视化质量，简化后的设备量相对原始数据极大减少，可直接应用于一体化规划设计平台，有利于图形化、数字化、互动式查询展示配电网现状数据，反映现状网架的不足之处、直观展示规划后网架的优化程度、反映配电网规划方案的合理性，为配电网规划工作者提供辅助分析，提高配电网规划设计的工作效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。