一种基于人工智能算法的电系图自动成图方法

技术领域

本发明涉及电系图，尤其是涉及一种基于人工智能算法的电系图自动成图方法。

背景技术

电系图，是在电网调度运行管理中非常重要的一种专题图，它将电系中的设备通过规则化处理，形成关系连接正确、网架层次分明、图符表达规范、设备标注明晰、线条基本正交、整体协调美观的一种专题图。为各类调度工作管理、故障抢修管理等业务提供基础的图形支撑。

常规电系图由于图元数据量大、布局规范、设备密度不均匀等特征，再加上成图手段单一，导致电系成图耗时耗力，人工参与调整工作量较大。因此，亟待提供新的电系图成图方法，能够有效减少人力成本，提高成图效率，以适应新一代电网和能源互联网的发展需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减少人力成本、提高成图效率的基于人工智能算法的电系图自动成图方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于人工智能算法的电系图自动成图方法，包括以下步骤：

S1：从电力GIS图中获取电源站及其出线，形成自动成图的源数据，电力GIS图为电力设备模型完整、数据完整、拓扑完整、并具有地理信息的电力业务专用图。S2：通过最小电系岛化简算法，得到简化电系拓扑图；

S3：将电系拓扑图映射至成绘图区，利用平衡算法以及多种智能算法优化电系图布局；

S4：对电系图进行补充处理，完成电系图的自动成图。

进一步地，所述的步骤S1具体包括：

S11：从电力GIS图中获取电源站及其出线；

S12：从电源站的出口开断设备开始，根据出线分析线路设备，并根据规则化简合并；

所述的根据出线分析线路设备具体为：从出口断路器开始拓扑递归分析，直至一个最小电系岛的边缘设备(包括开断设备、线路末端或者下一个站房的进线点)；

所述的根据规则化简合并中，化简规则具体为：将中间不经过关键设备或分支的导线段、电缆段合并起来，实现N:1合并，尽量减少电系图中的电系线数量。最小电系岛是指由一组开断设备、站房的进出线、线路末端所包络的有拓扑连接关系的设备集合。如图所示：最后面有张图。

S13：循环迭代步骤S12，直至获取的设备数据和出线数据达到目标数量；

S14：对模型、权重、电系图布局参数和绘图区参数进行配置。

进一步地，所述的最小电系岛化简算法中，按地理方位化简布局，具体为：

首先锚定每个拓扑节点Node的地理坐标，并在电系拓扑图中根据节点Node自动匹配地理坐标，最后形成每个节点Node的初始33

更进一步地，所述的斥力-张力平衡算法通过对拓扑图中各节点之间的斥力和各邻接节点之间的拉力进行计算，并通过多次运动迭代，将拓扑图中各节点调整至位置相对平衡状态；

所述的斥力Fr的公式为：

其中，k为常数，可以反复试验调试，找到最优值，Q和q分别为拓扑图中两个节点的质量或者电荷，r为两个节点距离；

所述的张力Fa的公式为：

Fa＝m*L

其中，m为弹性系数，可以考虑介入节点权重，L为拓扑图边的长度。

更进一步优选地，所述的斥力-张力平衡算法采用四分梯度平衡位移进行运动迭代，控制越在中间的节点位移系数越小，所述的四分梯度平衡位移具体包括以下步骤：

根据节点的位置，由中心向外依次将其分成四个部分，每个部分内各节点的平衡位移系数不同，且中心向外的四个部分中，平衡位移系数呈梯度逐渐增大。

进一步地，所述的步骤S3中，所述的优化电系线布局包括站外开断设备位置重置、电系线正交化和电系线消凸处理。

更进一步地，所述的站外开断设备位置重置具体包括以下步骤：

11)判断站外开断设备两边的节点是否处于反架子状态，若是，则180°旋转开断设备；

12)当开断设备两头各连接一条电系线时，若开断设备开关为竖直方向，且电系线全部在其上方和下方，则调整开断设备开关为水平方向，若开断设备开关为水平，且电系线全部在其左方和右方，则调整开断设备开关为竖直方向；

13)将末端的开断设备沿电系线的方向摆放。

整体张力平衡布局后，由于站外开断设备会存在反架子的情况，导致连线不必要的交叉，通过站外开断设备重置，调整到合适的角度，可以减少电系线交叉。

更进一步地，所述的电系线正交化具体包括以下步骤：

21)在每次摆线前进行角度占位索引，并绕开已占用的角度，同象限直角优先，直角被占用后，启用45度角；

22)对站外电系线通过取直、折角和线条规则化实现电系线正交；

23)对电站出线进行正交化，具体为：首先判断连接电站电系线的出线方位以及电系线另一端点的坐标方位，然后在电系线两端各增设2～3个节点，最后通过连线形成直角折线，生成正交绕过电站的电系线；

24)对正交化处理后电系线的重复点和绕回线段进行后处理，去除重复点和点位绕回，并进行垂直截断处理。

步骤23)中，连接电站的电系线包括电站上方和电站下方2种，电系线另一端点的坐标方位包括上、下、左、右、左上、右上、左下、右下一共8种，因此每个电站出线共包括16种情况，通过步骤23)，可使得连接电站的电系线从电站的下方或上方绕过，不跟站房的图形形成交叉。

更进一步地，所述的电系线消凸处理用于对含有凸起的电系线进行压缩处理，所述的含有凸起的电系线的类型包括：

末端电系线；电系线+电系线并局部平行延伸；以及电系线+开断+电系线并局部平行延伸或环回；

所述的电系线消凸处理具体包括：

31)生成一个移动质点；

32)让移动质点沿电系线移动，学习具有凸起的电系线的走线，并对该接线模式进行识别；

33)识别完成后，消除电系线上的凸凹和直角绕回，并进行平滑连接，完成电系线消凸处理。

进一步地，所述的补充处理具体包括熔丝杆变组合、关键杆提取和自动标注。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过最小电系岛化简算法和斥力-张力平衡算法，将智能算法与传统的电系图成图相结合，在大纵深、大范围、多联络的数据规模上，实现电系图的快速自动布局，并完成自动标注，实现电系图的自动成图，有效减少人力成本，提高成图效率，为电系图成图建立智能驱动；

2)本发明通过站外开断设备重置、电系线正交化和电系线消凸处理以及后续补充处理，对电系线进行优化，使得成图美观，并具备标注和快速索引等功能，成图效果好。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明成图具体成图过程示意图；

图3为末端电系线类型含有凸起的电系线的消凸示意图，其中，图(3a)为消凸前电系线走向图，图(3b)为消凸后电系线走向图；

图4为电系线+电系线并局部平行延伸类型含有凸起的电系线的消凸示意图，其中，图(4a)为消凸前电系线走向图，图(4b)为消凸后电系线走向图；

图5为电系线+开断+电系线并局部平行延伸或环回类型含有凸起的电系线的消凸示意图，其中，图(5a)为消凸前电系线走向图，图(5b)为消凸后电系线走向图；

图6为本发明实施例中自动成图得到的电系图的局部图；

图7为最小电系岛示意图；

图8为电系线电站绕过示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1和图2所示，本发明提供一种基于人工智能算法的电系图自动成图方法，包括以下步骤：

S1：从电力GIS图中获取电源站及其出线，形成自动成图的源数据，具体包括：

S11：从电力GIS图中获取电源站及其出线；

S12：从电源站的出口开断设备开始，根据出线分析线路设备，并根据规则化简合并；

其中，根据出线分析线路设备具体为：从出口断路器开始拓扑递归分析，直至一个最小电系岛的边缘设备(包括开断设备、线路末端或者下一个站房的进线点)；

根据规则化简合并中，化简规则具体为：将中间不经过关键设备或分支的导线段、电缆段合并起来，实现N:1合并，尽量减少电系图中的电系线数量。最小电系岛是指由一组开断设备、站房的进出线、线路末端所包络的有拓扑连接关系的设备集合，如图7所示。

S13：循环迭代步骤S12，直至获取的设备数据和出线数据达到目标数量；

S14：对模型、权重、电系图布局参数和绘图区参数进行配置。

S2：通过最小电系岛化简算法，得到简化电系拓扑图；

(1)最小电系岛化简算法：

常规电系图中，在确保电系连接关系准确的前提下，尽量减少图元，并基本按横平竖直的方式摆放(有的还大致考虑一下地理方位)；但是这种方式在大范围、大纵深的自动成图中，会造成交错纵横、位置发散，在后续算法中难以尽快稳定。所以本步骤中，通过电源出线，依次迭代分析最小电系岛，化简后映射到电系图，并按地理方位化简布局，具体为：

首先锚定每个拓扑节点Node的地理坐标，并在电系拓扑图中根据节点Node自动匹配地理坐标，最后形成每个节点Node的初始位置，可以使后续的斥力-张力平衡算法在进行位置平衡时能够尽快完成，并且会尽可能减少交叉。

S3：将电系拓扑图映射至成绘图区，利用平衡算法以及多种智能算法优化电系图布局，包括站外开断设备重置、电系线正交化和电系线消凸处理，最终得到电系布局图；

(1)斥力-张力平衡算法：

斥力-张力算法在大纵深、全范围内的研究缺乏，本发明可以实现在地市供电公司规模的10kV全网电系图研究斥张算法的可行性。

本步骤中的斥力-张力平衡算法通过对拓扑图中各节点之间的斥力和各邻接节点之间的拉力进行计算，并通过多次运动迭代，将拓扑图中各节点调整至位置平衡状态，并且采用四分梯度平衡位移进行运动迭代，控制越在中间的图元位移系数越小，防止因张力算法而导致的向外膨胀。四分梯度平衡位移具体包括以下步骤：根据节点的位置，由中心向外依次将其分成四个部分，每个部分内各节点的平衡位移系数不同，且中心向外的四个部分中，平衡位移系数呈梯度逐渐增大。

所述的斥力Fr的公式为：

其中，k为常数，可以反复试验调试，找到最优值，Q和q分别为拓扑图中两个节点的质量或者电荷，r为两个节点距离；

所述的张力Fa的公式为：

Fa＝m*L

其中，m为弹性系数，可以考虑介入节点权重，L为拓扑图边的长度。

(2)站外开断设备重置：

整体张力平衡布局后，由于站外开断设备会存在“反架子”的情况，导致连线不必要的交叉，所以需要进一步处理，尽量调整到合适的角度，减少交叉，具体实现方式如下：

判断开断设备两边的节点是否反架子，如果是的话，把开断设备转180度，例如，FNODE(以下称为F端)-NODE(以下称为T端)模式，连接F的其它节点在右侧，连接T的其它节点在左侧，就形成反架子，将其调整过来；

电系线都在同一侧(水平的全左、全右；竖直的全上、全下)，叠加F、T端连接电系线末端坐标的上下左右关系，如果开断设备是反架子的，也需要调整过来；

开断设备两头各连接一条线的时候，若为开关竖直+全上或全下的形式，则调整为水平方向；若为开关水平+全左或全右的形式，调整为竖直方向；

最后需要将末端开断设备沿线的方向摆放，去除无谓的直角，为后面补充处理调整好角度。

(3)电系线正交化：

正交化是为了符合常规电系图的布线方式，比较美观，具体实现方式如下：

角度索引：避免在一个节点引线方向重复，因此在每次摆线会建立角度占位索引，同时下一个摆线需要绕开已占用的角度，同象限直角优先，直角被占用后，启用45度角。

电系线正交：站外电系线的正交化不是难点，正常取直、折角、线条规则化即可；主要是电站出线的正交化，要考虑进线、出线(电站上下)的另一端在电站的八个方位布局，每个进出线点共16种情况，考虑对电站的从上或从下的绕过处理，实现方式如下：

首先判断连接电站电系线的出线方位以及电系线另一端点的坐标方位，然后在电系线两端各增设2～3个节点，最后通过连线形成直角折线，生成正交绕过电站的电系线，其中，连接电站电系线的出线方位包括电站上方和电站下方2种，电系线另一端点的坐标方位包括上、下、左、右、左上、右上、左下、右下一共8种，因此每个电站出线共包括16种情况，具体通过判断电系线另一端点的坐标(x

例如：如果连接电站电系线的出线方位为电站下方，电系线另一端点的坐标方位为左上角，那么则在近电站这端增加两个节点，一个节点从下方拉出电站，另一个节点向左直角转向，拉到超出站框左侧，这样就完成从左下方绕过电站，并连接到左上方的端点。

通过电站出线的正交化，可使得连接电站的电系线从电站的下方或上方绕过，不跟站房的图形形成交叉，效果图如图8所示。

后处理：通过前面引入的正交化处理，会对部分复杂的电系线(比如两端连接电站的电系线)产生重复点、绕回线段，本步骤是完成去重复点、去除点位绕回(比如第三点在1、2点的线段上)以及垂直截断处理。

(4)电系线消凸处理

交叉布线及正交化处理，不可避免地要形成一些“凸起”，通过让移动质点学习“一根筋”的走线，并学习识别这种接线模式，模式识别完成后，尽可能完成这种消凸处理，压缩到一个和谐的位置，压缩过程中进行已有设备的重叠判断(为加快速度，不重复建立空间索引，这样会导致个别新调整的设备会有重叠，但这种情况的概率比较低，不影响整体效果)，使电系图更加美观。

通过电系线消凸处理，可以对含有凸起的电系线进行压缩处理去除凸起，如图3-图5所示，含有凸起的电系线的类型有：末端电系线；电系线+电系线并局部平行延伸；以及电系线+开断+电系线并局部平行延伸或环回。

S4：对电系图进行补充处理，包括熔丝杆变组合、关键杆提取和自动标注，完成电系图的自动成图。

(1)熔丝杆变组合

熔丝和柱上变压器、熔丝连接用户，这部分由于结构简单，化简后不占用布局空间，置于后处理的步骤，最小电系岛分析、追加成图方式跟前面的步骤是相同的。

(2)自动标注

元数据配置设备的标注属性、大小、颜色、排列方式等，在完成小设备组成图后，根据被标注设备的元数据配置信息、线设备长度、角度等自动计算标注位置和角度，比如电站出线的竖向标注、配变角度延伸方向标注等，一次性完成设备标注。

(3)关键杆提取

关键杆是指具有杆上设备、分支、线路末端、跨越电缆等具有标识作用的运行杆，对查图、识图有重要的参考作用。通过电系线的拓扑节点Node可以索引到运行杆，并提取到对应的坐标位置上。

本发明在自动成图过程中，还通过快速索引提高成图效率，考量一个供电公司规模的10kV配电电系图的数据规模，电系线10万+，电站数量6千+，这样的数据规模，计算量相当大，因此需要通过优化空间索引、节点数据索引、节点关系索引，使得自动成图的上述所有计算时间及本地成图时间压缩在一小时内，本实施例中，通过自动成图得到的电系图的局部如图6所示。

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，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。