多元数据分析的配网图模设备及拓扑准确性反推技术

王璨，马金辉，王松，高夏生，诸钟虎

(国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

配电网的正常运行离不开其中各种电力设备，电力设备的图元模型也就变得尤为重要[1]。提升配电网的管理水平，需要建立省地县一体化的配电网图形模型[2]，实现多级调度之间配电网信息的有效交互，为配电网的其他系统提供技术支持[3]。文献[4]公开了一种改进的自动生成算法，通过对配电网中各个线路之间加以约束，得出均匀接线配电网图元模型，但该方法实现复杂且精准度差。文献[5]提出了一种基于卷积神经网络误差建模方法，建立的配电网图元模型具有很高的精准度，但该方法对系统性能要求过高。因此本文研究出一套适用的方案。

1 系统总体结构设计

为进一步提升配网图模管理水平，更好地支撑配网调度运行、停电计划、抢修指挥和安全管控等工作，解决配网调度图模信息准确性尚存的盲区和死角，强化配网停电计划管理，需做到图模覆盖全面精准，实现“图实一致”[6]，强化配网调度运行安全基础。本文基于配网图模、PMS设备台账、营销配网设备台账、停电计划等信息构建配电网自动化系统，通过大数据分析技术，利用拓扑反推现有配网图模台账及多元数据合理性及准确性。同时随着配网运行信息的接入和丰富完善，不断提升反校核范围和智能化程度，实现图模准确性自动校核功能，支持图模核对工作。该系统框架如图1所示。

图1 配电网自动化系统框架

配电网调度技术支持系统指的是为配电网调度、运行及管理提供辅助决策分析等技术支撑的相关系统。配电网调度模型：调度技术支持系统中用于描述区域、电网组织机构、电力设备及其相互关系的元件[7]。电网设备参数涉及计算的一次设备实测电力参数数据、原始铭牌数据及控制模型数据。配电网设备模型连接点是用来标识电网设备(端)在电网拓扑中连接位置的整数编码[8]，具有相同连接点号的设备(端)认为是相连的，在变电站中，母线及出线开关到配网断开点联络开关间的线路及设备连接关系的单线图如图2所示。

2 关键技术

2.1 图模设备及拓扑关系

目前，随着技术的不断发展，配电网的图模设备管理以及描述主要是通过拓扑结构来实现，拓扑关系主要是为了描述电力设备模型的拓扑连接关系，其定义为物理连接节点号属性(I_node、J_node、K_node等)，根据其对外连接端子的数目，同样电力设备就包含该数目的物理连接节点号属性[8]。关于配电网设备图元模型拓扑图如图3所示。

由图3可知，配电网部分电力设备在同一条支线上，电力设备从大体功能上进行区分，可分为主设备和辅助设备。主设备主要作用是直接用于生产的电力主回路设备，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[9]。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、电压互感器和杆塔等。以下为各重要的电力设备具体作用。

图2 配电网单线示意图

图3 配电网设备图元模型拓扑图

1) 馈线和馈线段

馈线是一种设备容器，变电站出线开关下至联络开关或末端的一组设备集合，应为馈线段、电能用户、配电变压器、断路器、负荷开关、刀闸等各种设备模型的集合。馈线段一段导线(电缆)或一组电力特性相同的导线(电缆)组成一个单一的电力系统[10]，用来在电力系统的两点之间传输交流电流。开断设备之间电流未发生变化的线段(若开断设备之间有T接则为多段导线段)为一个导线段。

2) 断路器

断路器是一种机械切换设备，能在正常电路条件下接通、承载和切断电流，也可以在指定的异常电路条件下，在规定的时间内接通和承载电流以及切断电流。

3) 闸刀与接地闸刀

闸刀是一种手动或电动的机械切换装置，用于改变电路接线或从电源隔离某个电路或设备，当断开或闭合电路时要求它只断开或闭合可忽略的电流。接地闸刀是一种手动或电动的机械切换装置，用于馈线和设备的接地或断开。

4) 熔断器

熔断器是一个带有可熔的断路元件的过电流保护器件，相当于一种开关装置，每当电流过流入时，熔断器就会承受不住高温而使得元件熔断。

5) 故障指示器

故障指示器通常只是一个指示器(可以远程监视，也可非远程监视)，并不会触发保护事件。它的作用是协助调度员进行故障定位、隔离和恢复“最有可能”的那部分网络(协助确定最可能发生故障的电路区段)，属于辅助设备的一种，主设备通常为馈线段[11]。

电力图形元素用于绘制电力设备和拓扑的图形对象。为了更好地表现出电力设备图元模型之间在拓扑结构中的关系，本文采用可伸缩矢量图形(scalable vector grophics, SVG)技术进行动态展示电力图形。

SVG是一个标准开放的矢量图像格式，使用简单的文本命令，便可得出各种数据图像效果，使电力设备图元模型通过某个维度清晰地展现在用户面前。SVG图像主要还是基于XML的应用，其本身除了有

2.2.6 数据处理及提取工艺优化 按拟定的正交试验方案进行试验，实验结果见表3，方差分析结果见表4。

在上述代码中，本文采用JavaScript语言对SVG交互技术进行编码，JavaScript语言的优势在于能够直接在Web上进行解析而不需要特定的编译，利用JavaScript脚本技术可以解决SVG图像的交互问题。在定义SVG元素中对某个对象定义特定事件，当事件发生时触发脚本程序完成所需要的功能。图元符号样式如表1所示。

表1 图元符号样式

2.2 拓扑反推技术

关于拓扑反推技术的计算过程如下。

需要构建配电网图模设备多元数据初源空间，初源空间的每个数据特征互不相同，对全体特征以序列进行描述为：

N=(N1，N2，…,Nn)

(1)

式中：Nn为第n类的初源子空间；n取任意常数。每个初源子空间内含有各种配电网图模设备参数信息特征X空间序列，其能够表达某一特征状态的变化，使得X与Nn关系为：

(2)

式中：ai为X空间序列特征的子基。根据拓扑结构空间的基本定义可以得出，(X，N)为一个基本的拓扑空间。通过拓扑空间分析初源空间的参数信息，构建拓扑反推映射关系F：X→Y，f：N→M。通过一一对应使得初源空间转变为目标空间，得出基本目标空间为(Y，M)。

由于初源空间的每个数据特征互不相同，且每个初源子空间内含有各种配电网图模设备参数信息特征X空间序列，都能够表达某一特征状态的变化，通过上述映射关系，同理可得目标空间M满足式(3)、式(4)。

M=(M1，M2，…,Mn)

(3)

(4)

式中：bi为M空间序列特征的子基。在每个初源子空间内，除了参数信息特征还有耦合特征。耦合特征变化通过目标空间M构建解耦映射h：Ni→Mi。将初源子空间Ni映射到目标空间Mi的关系式为：

(5)

综上所述，可得到配电网图模设备参数信息特征Y空间的最终表达式为：

(6)

通过以上公式推导出拓扑反推关系并使初源空间转变为目标空间，如式(7)所示。

(7)

通过式(7)应用在配电网自动化系统中，以验证配电网图模设备的准确性。

3 试验与分析

为了验证本文所研究的关键技术的适用性和可靠性，进行以下试验。

图4 配电网图模单线图

本文通过安徽电网公司给予技术支持和配电网设备图形模型描述实际情况，构建出配电网设备图模单线图如图4所示。

由图4可知，整个配电网单线图是从母线和若干个直线延展出来的，其中有关电力设备图元模型按照IEC 61970-453《EMS-API—Part453:图形布局子集》GB/T 4728.2—2005《电力简图用图形符号》DL/T 890.402—2011《公共服务(IEC 61970—402:2003)》和Q/GDW 624—2011《电力系统图形描述规范》得出，具体如表2所示。

对于电力设备图像模型在计算机上的程序设计，本文采用 Java Script 语言对 SVG 交互技术进行编码，所用的计算机操作环境为 Windows10，64位，计算机的开发工具为 Visual Stu-dio2019，OpenCV3.0。计算机的硬件环境为 CPU：Inter(R)Core(TM)i7；主频为 2.59 GHz；内存 16 G。所用的软件 JavaScript 的版本为 ECMA Script6。字段和数据类型如表 3 所示。

表2 电力设备图元模型

为了更加彰显本文所采用的拓扑反推技术的优势，将以文献[4]中改进的自动生成算法作为参照，通过监测100～1 000个测点，统计相关规划数据(长度和角度)的精准度，并绘制成柱状图如图5所示。

表3 测点字段和数据类型

图5 两种方法监测数据精准度对比

从图5可以看出，在不同数量测点环境下，本文采用的拓扑反推技术误差更小，精准度更高，在1 000个测点环境下误差占比只有0.4%。

4 结束语

本文的系统通过SVG图形交互技术清晰地表现出配电网电力设备图像模型。采用拓扑反推技术，构建配电网图模设备多元数据初源空间，通过公式推导出拓扑反推关系，并使初源空间转变为目标空间，实现对配电网图模设备多元数据的准确分析，并通过对比试验验证了该方法的可靠性。但是仍旧发现了一些不足，比如母线连接点出现位置上的偏差，针对这方面在未来还会进一步进行研究。