摘要：广州地铁建设管理有限公司、广州市扬新技术研究有限责任公司的谢文君、刘猛、谢金莲、唐伯培在2024年第9期《电气技术》上撰文提出一种基于图元重叠面积计算关联性的拓扑着色和二次逻辑可视化方法，用于改进电力监控系统的可视化展示和故障诊断功能。该方法首先计算图元矩形框
广州地铁建设管理有限公司、广州市扬新技术研究有限责任公司的谢文君、刘猛、谢金莲、唐伯培在2024年第9期《电气技术》上撰文提出一种基于图元重叠面积计算关联性的拓扑着色和二次逻辑可视化方法，用于改进电力监控系统的可视化展示和故障诊断功能。该方法首先计算图元矩形框的面积和相交面积，然后确定图元之间的连接状态，并将关联图元的属性参数设置为其关联的图元ID，最后在组态画面上以不同颜色显示关联状态。将该方法应用于数据采集与监控（SCADA）系统中，能够准确、实时地实现画面中电流的更新，具备较好的可视化效果和高维护性。
电力监控系统在城市轨道交通中扮演着至关重要的角色，其通过实时监测、控制和保护，确保电力系统稳定、安全、可靠运行。实现电力系统的智能化和自动化是自动控制领域的发展目标，而电力监控系统是助力这一目标实现的关键手段。拓扑着色是一种在图形或图像中应用着色以增强可视化效果和可读性的方法，其在电力系统领域的广泛应用，有助于电力系统工程师更深入地理解和分析电力系统的运行状态，以便快速发现和解决问题，从而提高工作效率。近年来，数据采集与监控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系统的优良性能使其在电力监控任务中得到广泛应用。邓佑满等提出一种网络拓扑着色算法并应用于电力系统中，该应用基于节点出线度、节点支路关联矩阵和深度优先搜索算法实现对电力系统网络拓扑着色。李寅等提出一种SCADA系统的电力拓扑设计方案，该方案用于指示电力网络中的线路是否有电压。张百舸等采用图论中无向图的遍历实现网络拓扑分析，认为电网节点对应图的顶点，断路器和支路对应图的边。张西林等设计基于专家知识的集中控制站SCADA系统，实现了故障信号的自动识别和分析，并提供了快速可靠的故障分析报告和故障恢复策略。然而，上述网络拓扑着色方法仍存在一些局限性。例如：电气网络拓扑着色方法通常涉及复杂的数学模型和算法，需要高度专业的数学知识和技能，造成其应用复杂度高；针对大规模电气系统的拓扑着色计算需要大量的计算资源和时间，这不适合实时监控要求严格的电力系统；对于包含多种不同电气元素和复杂控制策略的系统，拓扑着色方法难以捕捉系统的复杂性。这些局限性增加了拓扑着色方法实施的复杂性和难度，而且难以实现对拓扑结构变化的自适应，不能充分反映元件之间的关联性，导致着色结果不够准确。考虑到电力监控系统对准确性和实时性的要求不断提高，上述局限性日益突出。因此，本文提出一种基于图元重叠面积的拓扑着色方法，通过计算图元之间的重叠面积来准确评估元件之间的关联性，并据此进行着色。该方法不仅能够准确评估电力系统中各个元件之间的关联性，避免传统方法的潜在误差，还能提供直观画面，实现可视化，使用户可以更清晰地了解电力系统中各元件之间的关系。1 图元分类与属性设置根据图元的功能和属性，将图元分为基本属性图元、元件属性图元和开关属性图元三类。基本属性图元用于表示电力监控系统中的基本元素，包括唯一标识符（ID）、几何中心或起始点的坐标位置（坐标）、水平宽度（宽度）、垂直高度（高度）和其他参数（如颜色、字体、线条粗细等）。为了方便用户使用，本文研发设计了11种基本属性图元，如图1所示。元件属性图元用于表示电力监控系统中的各种元件，包括唯一标识符（ID）、几何中心或起始点的坐标位置（坐标）、水平宽度（宽度）、垂直高度（高度）、电源点判断（是否为电源点）、关联图元（记录与该图元有连接关系的图元ID）、电气状态（电状态）和带电颜色（当元件带电时，表示该元件的颜色）。
图1 基本属性图元开关属性图元用于表示电力监控系统中的开关设备，包括唯一标识符（ID）、几何中心或起始点的坐标位置（坐标）、水平宽度（宽度）、垂直高度（高度）、电源点判断（是否为电源点）、关联图元（记录与该图元有连接关系的图元ID）、开关的当前状态（当前值）和分合位或无效状态的颜色（颜色）。基本控件和开关控件如图2所示。
图2 基本控件和开关控件为了在研发设计中区分不同图元对象的得电和失电状态，本文基于人眼感知与电压等级的对应关系，采用国标电压等级颜色编码系统，对图元对象的颜色属性进行设置。例如，红色代表高压电，黄色代表中压电，蓝色代表低压电。此外，国标电压等级颜色还包括一些特殊颜色，如绿色表示地线，白色表示中性线等。本文电气元件对象的网络拓扑着色设计依据电压等级颜色图进行，具体颜色划分见表1。需要强调的是，虽然研发时依据电压等级颜色编码系统进行设计，但是用户在使用过程中可以根据个人偏好自定义图元对象的得电和失电颜色。2 拓扑着色方法设计本文所定义的电力系统网络拓扑着色方法需要确定以下内容：首先，根据电气一次网络元件之间的连接关系，以及电气开关和刀开关的开合闸状态，明确每个网络元件的电气状态，即确定它们是否带电；其次，需要确定带电支路的连接状态，包括它们是否构成环路和桥路。为了在单线图上清晰地传达电气信息，本文采用不同的视觉表示方法，包括利用亮度的变化来表示带电状态的差异、使用不同颜色来表示连接状态的不同，从而确保信息在图上的呈现具备逻辑性，并保持电气一次图的流畅衔接。
表1 电压等级颜色划分2.1 拓扑着色流程基于图元重叠面积计算关联性的拓扑着色方法的主要流程如下：1）选择扫描起点。选择电源点和接地开关作为扫描的起点。在扫描过程中，先处理电源点，再处理接地开关。2）初始化状态。在扫描开始之前，为每个图元设置一个状态变量，这个状态变量用于记录该图元的带电状态。初始时，所有图元的状态都设置为不带电状态。3）扫描电源点。对于每个电源点，程序会依次判断与其相连的所有图元。如果这些图元中包括开关，就根据开关的状态进行判断。如果开关处于分闸状态，程序就会停止对该电源点后续图元的判断；如果开关处于合闸状态，程序就会继续判断与该电源点相连的其他图元，并将这些图元的关联图元的状态变量设置为带电状态。4）扫描接地开关。对于每个接地开关，程序会依次判断与其相连的所有图元。同样地，如果这些图元中包括开关，就根据开关的状态进行判断。如果开关处于分闸状态，程序就会停止对该接地开关后续图元的判断；如果开关处于合闸状态，程序就会继续判断与该接地开关相连的其他图元，并将这些图元的关联图元的状态变量设置为接地状态。5）更新图元状态。最后，程序会将每个图元的最终状态写入其属性中，目的是防止在显示过程中出现闪烁的情况。2.2 图元的对象化图元对象化是将图形元素转化为具有特定属性和行为的对象，使每个图元对象能够在图形中独立操作和处理。这一转化过程有助于提高图形操作的灵活性和效率，并增强图形的可维护性和可扩展性。具体来说，图元对象化的实现步骤可以概括为三个关键阶段。第一个阶段，定义图元对象。本文首先定义图元的基本属性，如形状、大小、颜色、位置等，同时定义图元的行为和事件响应，例如鼠标点击、鼠标移动等事件的处理函数。第二个阶段，创建图元实例。根据应用需求，创建多个图元实例。每个实例继承图元对象的属性和行为，但可以根据需要进行个性化设置和操作。第三个阶段，图形绘制和事件处理。在这一阶段，利用图形库应用程序编程接口（application programming interface, API）根据图元对象的属性和行为在图形界面上绘制图元实例。同时，编写事件处理函数，以响应图元实例的行为和事件，实现用户与图元对象的交互操作。整体流程包括定义图元对象，创建实例，以及在图形界面上绘制图元和处理事件。这三个阶段协同工作，使图元对象化成为管理和操作图形元素的一种方式。2.3 图元重叠面积的关联性判断通过图元之间的几何关系和相交检测算法来判断图元之间的关联性，并在绘制画面组态时自动完成判断写入图元的属性。具体实现方法如下：1）定义图元和矩形框。首先，为每个图元定义一个矩形框，该矩形框由左、右、上、下四个边界构成，每个边界都由坐标表示。这些坐标可以由图元的位置、大小和旋转角度等信息决定。2）计算矩形框的面积和相交面积。对于每个图元，可以计算其矩形框的面积，以及与其他图元矩形框相交的面积。相交面积可以是两个矩形框重叠部分的面积，也可以是两个矩形框交叉部分的面积，如图3所示。3）判断图元的连接状态。根据相交面积和矩形框面积的比较结果，可以判断图元之间的连接状态。以图3为例，两个矩形框呈交叉状态，阴影面积为两个矩形框完全相交后的面积，把阴影面积作为参考标准，设为S1，同时把两矩形框实际相交的阴影面积设为S2。当0＜S2＜S1时，两图元即为连接状态，如图4所示；若S2=0，两图元即为不连接、不交叉状态。
图3 矩形框交叉
图4 矩形框连接4）自动保存画面文件。在绘制画面组态时，可以采用绘图命令或绘图库来绘制图元和矩形框。在完成每个图元的绘制后，可以将其属性参数中的关联图元设置为与之关联的图元ID。最后，将绘制好的画面文件自动保存，以便后续操作使用。该方法具有两方面的优势：一方面，该方法基于图元之间的几何关系和相交检测算法自动判断图元之间的连接状态，并自动保存绘制后的画面文件，简单易行；另一方面，不需要在画面显示过程中实时读取所有图元状态值进行判断，减轻了系统负担，通过比较相交面积和矩形框面积，可以准确判断图元之间的连接状态，避免了传统方法中繁琐的手动操作，提高了判断准确性和效率。3 实例演示为了验证所提方法的有效性，通过实际案例来验证该拓扑着色方法在实践中的应用效果。3.1 电力系统中单线图的应用在SCADA系统人机界面中设计并实现了广州地铁14号线的电气单线图，着色示例如图5所示。
图5 着色示例在图5中，当101A断路器合闸和1011A隔离开关闭合时，会被置为红色，并且会导致与之相连的整条母线被置为黄色。断路器107闭合，允许该断路器电流通过，并且1071隔离开关闭合，图5中的RT2变压器会显示绿色。当2021隔离开关及202断路器闭合时，DC 1 500V的母线显示为绿色。3.2 电力系统中逻辑图的应用逻辑图的可视化致力于解析电力控制系统内部的逻辑结构和简化系统配置，并以清晰直观的界面展示电气设备的运行状态和动作逻辑。当电气设备出现故障时，用户可以快速定位故障点并实时监控线路运行状态，减少运行错误和故障，提高了系统的可维护性，简化了编程步骤和开发难度。另外，用户可以自定义动作保护逻辑和界面，提高了系统的灵活性。逻辑图的可视化如图6所示。图6中包含：输入状态量，如相过电流启动、零序过电流启动和对侧零序过电流启动等；逻辑对象，如与、或、非、异或及同或等逻辑运算符的图形化元素；输出状态，保护动作。当多个输入状态量有信号时，输入状态量图元会先被着色。当状态量满足逻辑图元的输入时，将逻辑图元着色传递给下一个图元。依次连通一个信号通路，使保护动作有信号。
图6 逻辑图的可视化3.3 拓扑着色的其他应用场景电力系统图元对象拓扑着色方法除上述应用外，还能在电力系统监控、调度、故障分析和维护等领域应用。1）在电力调度中，通过拓扑着色可以直观地展示不同电压等级的电力线路和设备状态，调度员可以快速识别高压、中压、低压线路，并及时进行负荷调整和故障处理。2）电力系统的实时监控系统需要对大量设备进行状态监控。图7展示了设备状态监测，通过拓扑着色，用户可以快速识别设备的通电、断电及故障状态。
图7 设备状态监测4 结论本文提出并实现了一种新的拓扑着色方法，该方法通过计算图元之间的重叠面积来评估图元的关联性，从而进行着色。该方法具有以下优势：1）准确性与判断能力高。该方法能够精确识别和判断电力系统中各个元件之间的关联性和依赖关系。2）良好的可视化效果。该方法的可视化效果良好，使研究人员和技术人员能够更清楚地理解电力系统中各元件的相互关系和作用，有助于直观分析和决策。3）高可维护性。该方法设计灵活，易于扩展和维护，能够根据不同监控系统的需求进行定制和适应，提高了系统的可维护性和适用性。综合来看，上述优势使该方法为提高系统的可靠性和效率提供了强大的工具和资源，未来有望得到更广泛的应用。本工作成果发表在2024年第9期《电气技术》，论文标题为“ 城市轨道交通数据采集与监控系统拓扑着色与二次逻辑可视化方法研究 ”，作者为谢文君、刘猛、谢金莲、唐伯培。
来源：电气新科技
免责声明：本站系转载，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题，请在30日内与本站联系，我们将在第一时间删除内容!
