基于GIS和SVG的低压单线图自动布局算法
吴丽贤;林钰杰
【摘 要】Low-voltage single-line diagrams are important figures in low-voltage distribution network management. In order to convert geographic maps in GIS into SVG-based low-voltage single-line diagrams, the main characteristics of low-voltage distribution network are analyzed, and an automatic layout algorithm integrating horizontal and vertical alignment and geographic distribution is proposed. The low-voltage equipments are traversed and arranged via breadth-first and depth-first search, and their annotations are automatically added to diagrams based on 8-neighborhood greedy algorithm. In addition, an orthogonal process is applied to the initial lines through maze algorithm with double constraints so as to improve overlapping lines. The example shows that the proposed algorithm can quickly generate practical low-voltage single-line diagrams, which are clear, legible and rich in information. At present, the algorithm has been applied to some application systems of the Power Supply Bureau, such as automatic generation system of distribution and dispatch single-line diagram
s.%低压单线图是低压配网管理中的重要图形. 为实现从GIS地理图到基于SVG的低压单线图的自动转换,分析了低压配网的主要特点,并在此基础上提出了集成横平竖直和沿地理走向这两种方式的布局算法. 布局过程运用了广度优先和深度优先搜索法来排布低压设备,采用了基于8邻域的贪心算法为设备添加标注,并通过带双约束的迷宫算法对低压线路的初始出线进行正交化处理. 实例表明,所提出的算法能够快速生成信息丰富、清晰易读、实际可用的低压单线图. 目前该算法已应用于某供电局的配调电气连接图自动生成系统等应用系统中.svg实例
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2015(023)020
【总页数】4页(P148-151)
【关键词】GIS;SVG;低压配网;低压单线图;自动布局;迷宫算法
【作 者】吴丽贤;林钰杰
【作者单位】广东电网有限责任公司 佛山供电局, 广东 佛山 528000;广东电网有限责任公司 佛山供电局, 广东 佛山 528000
【正文语种】中 文
【中图分类】TN99
从“以设备为中心”到“以客户为中心”，电力企业的经营管理模式正日渐转变。低压配网作为输配电网与客户之间的连接纽带，是电网精细化管理的重点，是提高服务质量的关键所在。低压单线图作为优化低压配网管理的一个重要工具，其可以为故障查提供参考，为现场巡视提供指导，为线损监控提供载体，等等。实现低压单线图的自动绘制，既能大大减少单线图的维护工作，又能显著提高低压配网管理的工作效率，但目前国内外在这方面的研究仍然较少。
单线图的自动绘制一般以GIS地理图作为数据源，由特定的布局算法来实现。为使单线图的布局清晰、美观、合理，大部分的研究文献均采用了横平竖直的布局方式。文献［1］首先将馈线划分为多级分支，然后按分支的奇偶级数进行水平和垂直布置，同一上级分支的所有直接下级分支实行上下（或左右）交错放置。文献［2］采用了力学模型来布局单线图，文献［3-4］通过网格来固定输电网和中压配网单线图中的节点位置。虽然这些方法均能实现整齐美观的单线图布局，但算法复杂度较高，并不适合数量和分支规模均比输电网和中压配
网更为庞大的低压配网。文献［5］研究了低压单线图的自动成图问题，并提出了分层绘制和居中对齐调整算法，但该方法忽略了低压配网中的其他重要信息，如开关、房/箱（配电房、配电箱、台变和分接箱的统称）内的设备连接情况等，并且该方法的居中对齐调整操作会随着分接箱和表箱的数量增大而增多，这样既降低了算法的效率，也不利于单线图的更新。
文中首先对低压配网的特点进行了分析，并在此基础上提出了融合横平竖直和沿地理走向这两种布局方式的低压单线图自动布局算法，算法生成的图形布局采用SVG［6］（Scalable Vector Graphics）来构建。SVG是一种基于XML的图形标记语言，是通用的图形显示格式，也是目前电力系统中的主流图形显示标准。另外，本文还实现了自动添加标注和初始出线的正交化处理，以满足实际应用的要求。文中最后通过实例详细描述了算法的生成结果，并简要介绍了文中方法在企业中的应用情况。
纵观整个电网结构，其从高压输电网到低压配网构成了一个层次脉络非常清晰的结构体系，但各等级电网的特点各不相同。在配网中，10 kV及以上为中压，10 kV以下为低压。与中压配网对比，结合实际运行经验，低压配网的特点可归纳为以下4个方面：
1）核心结构。中压配网的结构为“站—线—变”，低压配网的结构为“变—低压线路—户”，低压配网是中压配网的细化分支；
2）拓扑图形。低压配网一般不存在环网，拓扑图形为“以配电房/配电箱/台变为根节点，分接箱为内节点，低压线路为连接线，用电接入点（包括电表和表箱）为叶子节点”的树形结构；
3）数量规模。低压配网数量约为中压配网数量的10倍，并且每个低压配网往往会连接了成百上千的用电接入点，叶子节点的数量规模较大；
4）应用场景。中压单线图主要显示在监控终端上，用于调度人员的远程监控；低压单线图主要显示在移动终端上，用于运检人员的现场作业。
由上一节的特点概述可知，低压单线图布局的关键内容包括房/箱内的设备排布和房/箱外的线路走线2个方面。鉴于房/箱和线路的特点各异，两者需采用不同的布局方式。
2.1　房/箱布局
房/箱布局的主要任务是清晰展现内部的连接设备及其拓扑关系。参考中压单线图中常规的变电站布局算法［3］，房/箱布局以母线为“主轴”，采用“左进右出，垂直对齐”的横平竖直形式。
对于配电房和配电箱，如果存在多个配电变压器，则在1幅单线图中只显示1个配变的出线。在布局时，执行以下2个步骤：
1）从高压侧进线开关开始，布置配变所属的母线及该母线挂载的所有设备。其中，母线垂直放置，左侧为进线设备，右侧为出线设备，并且两侧设备均沿水平放置；
2）从低压侧进线开关开始，采用广度优先搜索法遍历连接的母线及其挂载的所有设备。为避免出线交叉，级联母线放置在前一母线的下方。
所有设备的布置保持横平竖直，房/箱矩形随设备的布置相应地缩放大小。对于台变，第1步只需布置高压侧进线开关和配变，第2步相同；对于分接箱，只需执行第2步。
配电房的布局示例可参考图1，其中显示的设备图形是本文参照IEC 61970标准的图形方案［7］所建立的图符资源包的一部分。除了图形，还需要为设备添加标注，单线图才具备可
用性。设备标注相当于点标注，但点标注问题已被证明为NP难的［8］，基于效率和实用性考虑，这里采用简化的8邻域标注法。对于某个设备图形，以其外接矩形为1个单位栅格，该栅格的水平、垂直和对角方向的栅格为其8邻域，标注会被添加到其中一个邻域中。考虑到房/箱内的设备较少，拓扑和走线也较简单，可将设备的图形和标注作为一个整体进行布局，以减少布局后的自动调整操作。
2.2　线路布局
线路布局的关键是线路走线。由于作为数据源的GIS地理图已提供了线路走线的初始解，对于分支数目众多的低压线路，采用沿地理走向的布局显然比从“零”开始的横平竖直布局更能提高算法的效率，并确保SVG单线图在移动终端显示的实时性。尽管在GIS中可能会因实际环境出现线路交叉，但这种情况一般较少，并且单线图可通过颜来区分不同低压出线。GIS和SVG的坐标系统并不相同，两者分别使用经纬度坐标和屏幕坐标，需进行坐标变换，方法如下：
1）对于GIS中的任一配电房/配电箱/台变，在其所有低压出线的端点中出最小经度值Mx和最大纬度值My，并将这一对经纬度值（Mx，My）对应SVG中的坐标原点；
2）对于低压出线上的任意一点P，其在GIS中的经纬度为（Gx，Gy），在SVG中的坐标值为（Sx，Sy），它们的变换关系可通过下式来确定：
其中，w为缩放系数。在布局时，按照低压线路的出线顺序，采用深度优先搜索法遍历每一线路上的端点和用电接入点，将其变换坐标后排布在单线图中。由于线路并非横平竖直布局，线路标注需在布局完成后添加。在添加时，对于非线路设备，采用基于8邻域的贪心算法，遍历线路上的设备并为其选择重叠交叉最少的邻域，存在多个时参考同一线路上的前一个设备的标注位置，或者随机选择；对于线路，取其首线段的端点或中点作为标注点，然后转化为点标注问题，标注邻域参照用电接入点来确定。线路的布局示例可参考图2。
2.3　正交化处理
由于房/箱固定向右侧出线，而低压线路与房/箱的原生连接位置不一定在房/箱的右侧，这样往往会在房/箱外围出现线路排布重叠、混乱的情况，尤其当出线数目较多时，密集交错的线路会大大降低图纸的可读性，使用户难以区分各条出线。为优化布线，本文在房/箱外部设置了一个“缓冲区”，以对该区域中的线路进行正交化处理。处理过程使用带线路和线道约束的迷宫算法来重新排布房/箱外线路的初始走线，通过网格线道将其调整为横平竖直的布局形式。
基于网格的迷宫算法对存储和时间的消耗较大，但加入一定的约束规则可大大降低算法的复杂度。线路约束是指区内线路的形状按照区外线路的位置来固定，以避免路径探索和回溯。按照最短路径原则（即区内线路采用最少拐点的折线），将缓冲区边界划分为9段（参考图3），每段边界对应特定形状的区内线路（参考表1），其中，线路的形状以“方向［—方向］”的形式来表示。
线道约束是指线道数等于区内线路的线段数。由于区内线路形状固定，线路沿线道排布时不会绕障，但这样往往会出现2种交错情况：垂直相交和拐点重叠。为避免混淆连接关系，约定每条线道只能被一条线路所独占，这样可将线路交错情况限定为垂直相交，从而每条线道至多在其一个端点上连接房/箱的出线端点或区外线路。据此，对于边界段R，区内线路的形状不采用直线形式。如果不存在空载的线道，那么线道数便等于区内线路的线段数。
对于水平线道，如图4（a）所示，将缓冲区划分为5个子区域，结合表1定义的区内线路形状，定义各子区域的水平线道数的计算公式如下：
其中，Num［Sw_L］表示房/箱的出线数，Num［Rm］表示连接在Rm边上的低压线路数，
如此类推。式（3）表示房/箱出线和Rm边上线路各自对应一条水平线道，式（4）和（5）表示所有进入到At和Ab子区域的区内线路均独占一条水平线道。
对于垂直线道，按图4（b）所示将缓冲区划分为4个子区域，类似地，定义各子区域的垂直线道数的计算公式如下：

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