南瑞集团研究者：无拓扑信息场景下的电网厂站接线图自动生成方法

摘要：南瑞集团公司（国网电力科学研究院）、国电南瑞科技股份有限公司的陈连杰、司鹏、高源、苏运光、彭晖在2024年第9期《电气技术》上撰文，在分析电网变电站主接线方式及特征的基础上，结合电网历史图形数据，研究实现无拓扑信息场景下的电网厂站接线图自动生成。利用设备双重命

南瑞集团公司（国网电力科学研究院）、国电南瑞科技股份有限公司的陈连杰、司鹏、高源、苏运光、彭晖在2024年第9期《电气技术》上撰文，在分析电网变电站主接线方式及特征的基础上，结合电网历史图形数据，研究实现无拓扑信息场景下的电网厂站接线图自动生成。利用设备双重命名规范构建拓扑关系；通过解析历史图形间隔的组成结构，自动构建厂站特征库，为绘制目标厂站间隔提供数据基础。基于特征向量及子图匹配算法进行特征模板匹配，进而研究基于图形模板和间隔模板的布局算法，完成基于历史数据驱动的图形自动生成，达到电网厂站接线图图模数一体化构建的目的，为自动化人员的日常运维工作提供支撑。经过实际项目应用，自动生成的图形满足要求。

智能变电站接线图可直观展示厂站内部电气接线及潮流概况，是电力系统中的重要工具。当前，我国电网规模巨大，新投或改扩建变电站需求持续存在，因此电网调度控制系统中的厂站接线图维护工作从未间断。由于人工维护的个性化因素，容易造成图模不准确、图形风格不一致等情况。保证电网接线图的准确性和一致性，有利于电网调度控制系统的一体化建设和在不同系统间进行信息共享。

理论研究方面，当前电力系统图形自动生成的相关研究大多基于结构化拓扑数据或利用图像识别技术探索图形自动构建方法。文献提出利用Oracle Spatial网络分析功能解析公共信息模型（common information model, CIM），构建厂站接线图电气接线方式，通过分区域布局的方法实现厂站接线图的自动生成。文献通过解析变电站配置描述（substation configuration description, SCD）文件提取拓扑信息，根据典型布局规则实现图形绘制。

文献介绍了一种层级化样式的方法生成厂站接线图，主要涉及布局、容器和图形三种层级。文献从文件转换的角度，对Visio和Auto CAD文件进行解析并转为可缩放矢量图形（scalable vector graphics, SVG）文件，实现厂站图形文件生成。文献通过图形识别技术扫描厂站图纸，提取图元、线路，构建厂站一次设备拓扑关系。文献研究了电网区域潮流图自动生成方法。

其中，文献结合厂站地理坐标信息和拓扑模型信息自动生成省级调度潮流图。文献聚焦配电网领域，开展利用拓扑模型生成配电网单线图、联络图的算法研究。文献扩展IEC 61970—301标准，提出建立通用布局模型，实现厂站接线图自动生成。文献从工程实际应用的角度探讨了将地理图转化生成台区接线图的可行性。文献立足于继电保护应用的图形需求，讨论了基于改进遗传算法的图形拼接方法及按电压等级分级确定最优厂站的布局策略。文献提出完全根据存量图形文件并利用拓扑分析方法，实现图形特征构建，在此基础上实现厂站接线图的自动生成。

总体来看，单纯基于模型拓扑关系，利用典型布局方式实现厂站接线图自动生成是传统研究方向；人工智能数据驱动及图像识别技术是当前研究热点，但在厂站接线图自动生成领域仍难以百分之百实现图元及连接线识别，且提供图纸和使用图形大多属于不同业务部门，风格难以一致。

工程实践方面，当前厂站接线图运维工作仍然依赖人工方式，工作量大，并且存在误操作的可能。虽然现在很多图形编辑器都提供模具功能，通过多个图元组合定义为模具（例如间隔模具、母线模具等），在一定程度上可提高图形的维护效率，但是仍需要运维人员进行整体图形绘制并依次录入设备模型、拖动图模、量测关联，难以从根本上解决厂站接线图运维工作的效率及正确性问题。

目前，厂站接线图自动生成要求先有拓扑模型，且生成的图形风格单一，与人工绘制风格难以保持一致。本文从调控系统厂站接线图运维实际出发，在设备具备规范命名的前提下，结合历史厂站图形数据，从“弱拓扑”关系构建、接线方式识别、特征间隔匹配布局环节研究实现厂站接线图自动生成，从而再构建完整的拓扑关系。在没有完整拓扑信息的情况下，利用命名规则构建拓扑关系，同时充分利用存量的历史图形资源，分析历史图形模板和间隔特征，并进行特征匹配布局，基于历史图形数据自动生成的厂站一次接线图能够继承个性化绘图风格。

1 基本原理

1.1 拓扑关系构建

新站投运时没有完整的拓扑信息，在只有调度设备名称的情况下，一个可行的方案是基于设备命名进行“弱拓扑”关系构建，从而辅助后续图形生成。

1）基于双重命名规则

调控系统厂站内设备名称具备规范的典型命名规则。设备名称文本中既包含设备本身的标识信息（调度编号），又包含当前设备的位置信息。以某个线路间隔内的设备集合名称为例，设备命名示例见表1（完整的某220kV站典型命名参见附录表A.1）。

表1 设备命名示例

从规范的典型名称中一方面提取关键词，例如“开关”“正母”“副母”“接地开关”“母线侧”“线路侧”等，获知当前设备的位置信息；另一方面提取调度编号并分组。同一个间隔内的开关、刀开关、接地开关等开断类设备调度编号具有强包含关系，间隔设备命名示例如图1所示。

以“265”开关为例，通过调度编号可以直接搜索到相应的“2651”“2652”“2653”“265-30”“2653-50”等刀开关和接地开关，再根据位置信息（“线路侧”“母线侧”）确定分属开关两端，从而依次赋予各个设备的拓扑节点信息，完成“弱拓扑”关系构建。

图1 间隔设备命名示例

2）基于历史相似性映射

实际工程应用中，不同厂站内的同类设备调度编号编码长度基本一致，因此可以基于历史厂站模型数据，利用调度编号相似性构建拓扑关系。具体方法如下：

式（1）-（2）

（4）循环步骤（2）和步骤（3），依次遍历目标厂站中的所有设备节点，直到所有对象计算完毕。

1.2 接线方式识别

1）接线方式分类

厂站接线图是电气主接线方式的直观化表达，理论上典型电气接线方式主要根据母线进行分类。有母线的情况包括单母接线和双母接线，无母线的情况包括单元接线、桥形接线和角形接线等。

其中，单母接线较简单，可分为有分段和无分段，以及旁母等，进出线间隔直接连接到目标母线；双母接线可分为双母（分段）、3/2接线、4/3接线，以及旁母等，进出线间隔通过两个刀开关连接到双母。单元接线一般用于发电机与变压器直连；桥形接线（包括内桥和外桥）和角形接线由特定的几何连接形状组成。

此外，随着新能源及储能的发展，接线方式更加多样，还包括直流并联（单端直流连接、双端直流连接）、交流并联、交流串联等。

2）接线方式辨别

接线方式辨别对厂站接线图自动绘制具有重要意义。传统辨识方法通过拓扑搜索母线、断路器关系进行判定。在图形中以母线为对象进行宽度搜索，通过分析算法输出拓扑路径中的图元可知拓扑结构的种类，见表2。

表2 拓扑结构种类

通过对进出线间隔的进一步分析可知母线的接线方式，其中母线个数是指进出线间隔拓扑关联的母线条数。母线接线方式见表3。

表3 母线接线方式

1.3 历史图形数据驱动的特征库构建

厂站接线图布局样式是图形整体布局风格的重要组成部分。为使自动生成的厂站接线图间隔布局风格与历史图形一致，需要分析历史图形数据，构建间隔特征库和图形模板特征库，以供后续图形生成时引用参考。

通过分析历史图形文件，自动完成图形模板特征和间隔模板特征提取，实现特征库构建，以特征编码串存储。图形模板以主变为中心，保留各个电压等级的母线及主变间隔、母联母分间隔，描述了当前厂站接线图的整体骨架，如图2所示；间隔模板包括负荷间隔、附属间隔等，根据接线方式的不同，间隔模板包括不同数量的引脚，用于连接相应的母线。

间隔特征库的构建过程如下：

图2 图形模板

1）解析图形G文件，根据图元标签识别主变对象，根据连接属性（link）识别主变连接的连接线对象。

2）根据图元标签识别母线对象，根据连接属性（link）识别母线连接的连接线对象。

3）遍历所有母线，以母线为中心，根据图形拓扑连接关系进行拓扑搜索，遇到其他母线或主变停止，从而获得拓扑集合，根据集合内的图元是否包含线路、端子和断路器编号，判断各个间隔性质（进出线间隔、母联间隔、母分间隔、主变间隔、附属间隔等）。

式（3）

2 图形生成

2.1 图形绘制流程

电网厂站接线图自动绘制的本质是图形自动布局布线，流程如图3所示。

图3 图形绘制流程

在完成前期历史图形数据分析，形成厂站图形模板及间隔特征库后，开始基于目标厂站模型信息驱动厂站图自动绘制。首先解析模型拓扑关系，进行图形建模，获得由一系列点和边组成的图；其次基于图结构进行拓扑分析，利用构建的母线接线方式识别目标厂站接线方式；在此基础上查询特征库，进行图形模板和各个间隔的特征匹配查询；最后基于图形模板进行间隔动态布局，完成图形自动绘制。此外，在图形初步绘制完成后，利用图形编辑器中智能图形校核工具进行检查，包括拓扑连通性、图模一致性等；在此基础上用户可以二次编辑，增加其他标识信息或局部调整图元位置，完成图形的最终绘制。

2.2 图形特征匹配

图形特征匹配包括图形模板和间隔模板匹配，用于从自动构建的特征库中选择相似度最高的图形模板和间隔模板，包括如下两种方式。

1）基于向量匹配方式

图形模板和间隔模板的向量匹配方法可以利用图形模板和间隔特征编码进行相似度匹配。

图形模板特征编码可以解析为以下向量标识：电压等级、主变数量、主变间隔数量、高压侧接线方式、高压侧母线数量、高压侧母联母分间隔、中压侧接线方式、中压侧母线数量、中压侧母联母分间隔、低压侧接线方式、低压侧母线数量、低压侧母联母分间隔。因此，图形模板匹配可以用余弦相似度表示，即：

式（4）-（5）

2）子图匹配方式

子图匹配从图论角度出发，将图形模板映射为一个图，如图4所示，其中节点代表主变（T1，T2）或母线（B1～B8），节点具有属性（设备类型、名称等），节点与节点之间的边代表主变间隔、母联母分间隔，边具有属性（间隔上的设备类型及数量）。从而构建出图形模板拓扑图G1，同理也可以根据目标厂站拓扑模型构建出拓扑图G2。

图4 图形模板拓扑结构示意图

子图匹配的目标是基于厂站模型结构图（G2）在图形模板库的模板拓扑图（G1）中进行子图匹配。子图匹配基于深度搜索加回溯（backtracking search）的方式，其基本思想为：首先根据节点类型定义一个节点被匹配的顺序，例如按照主变和母线两类节点排序；然后每次试图按节点匹配顺序进行相邻节点匹配，匹配过程中考虑边属性（包括开关、刀开关数量），若当前无法匹配则进行回溯，直到完成目标子图整体匹配。

2.3 间隔布局及图形绘制

在基于目标厂站拓扑结构实现图形模板及各个间隔的特征匹配后，以选择的图形模板为底图，分析母线逻辑空间位置，再进行间隔布局。

从间隔特征库中匹配到的间隔模板本质上是一个图形文件片段。首先需要将间隔片段文本对象化，针对间隔内的每个图元，结合图元原始尺寸和当前图元旋转、缩放及平移操作，计算图元最终的几何尺寸及位置，从而根据一组图元尺寸和位置的闭包矩形获得间隔尺寸及位置。间隔片段对象化如图5所示。

图5 间隔片段对象化

在获得间隔闭包属性后，抽象的间隔对象即具备了宽度、高度和位置属性。在间隔布局过程中可以通过矩形与矩形或线路是否相交进行间隔重叠检测。过程如下：

1）根据母线组关联的间隔列表依次放置间隔对象时，需要将模板库中的间隔对象平移，即修改间隔内所有图元、连线的位置信息。

2）原始的间隔高度由模板库中的间隔特征闭包区间高度决定。为了间隔高度对齐，需要间隔拉伸操作，将间隔内的图元、连接线位置同步向上或向下偏移。

最后，根据绘制的图元及匹配关系动态更新图形模板、间隔模板中图元绑定的模型ID及刷新图元文本和量测信息，实现图形整体绘制。

3 案例分析

当前新能源及储能的迅猛发展使电网结构更加复杂，导致拓扑关系、接线方式等更加多样，因此构建全部拓扑结构形成特征库的难度较大。本文方法作为调度主站自动化图形编辑器辅助工具，以传统典型接线为研究对象。典型变电站接线图一般包括1～3个主变、3个电压等级、多组母线（包括3/2接线、单母、双母、母联、母分等），每组母线包括多组间隔和相关附属设施（电压互感器、接地变、电容器等）。

在国网某省调项目实践中，选择645个图形文件、226个500kV厂站模型集合作为历史样本数据，经过分析构建出184个不同间隔组成间隔库，间隔特征库见表4。

表4 间隔特征库

在此场景下利用模型抽取工具（附录图A.1）构建一500kV厂站拓扑模型结构，包括500kV侧3/2接线、220kV侧双母+旁母、110kV侧单母接线。

在拓扑关系构建试验方面，基于双重命名规则的拓扑构建方法正确性较高，但在具体应用过程中，不是所有场景都具备严格的双重命名规范条件；基于历史厂站模型拓扑相似性映射的方法针对具有调度编号的设备效果较好，针对少量无编号只有名称的设备需要人工辅助检查。自动生成的厂站接线图如附录图A.2所示，附录图A.3为对应的数据。

在历史图形数据驱动生成厂站接线图方面，选择一500kV双电压等级结构图，基于特征库自动生成厂站接线图，与人工绘制图形相比，风格相似度较高。厂站接线图对照如图6所示。

图6 厂站接线图对照

数据驱动式厂站接线图自动生成方法与当前其他厂站接线图自动生成方法的对比见表5。

自动化日常工作中，人工绘图通过复制一张结构相近的图形进行裁剪、修改生成目标图形，但同时需要借助调度主站平台的数据库接口工具，进行设备模型参数的维护，并一一拖动到图形上完成图模关联。常规情况下，人工维护一张厂站接线图需要半天到一天的时间，而利用数据驱动自动成图方法基本可在几十分钟内完成一个厂站接线图的自动绘制，且风格接近历史图形，提高了图形绘制的效率和标准化程度。