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摘要：变电站远动通信配置工具越来越多采用图形化方式对变电站站内多级远动通信的网络拓扑结构进行整体规划。为了解决人工绘制配置图效率低的问题，本文通过分析变电站远动通信网络配置图的特点和显示要求，提出了一种分区递归的网络配置图自动绘制算法，实现了从RTU相关设备模型自动绘图，可用于变电站内从远动通信、规约转换装置直到IED接入的多级网络配置图规划和工程配置软件中。
关键字：变电站;远动通信;配置;网络拓扑;自动绘图;分区递归
引言
远动通信装置(RTU)作为变电站自动化系统重要一环，随着数据接入规模增大，远动通信装置的配置从全站主备双机方式，发展到主备双机加多级联的配置，构成了一个远动通信网络结构。因此，相应的变电站远动通信配置工具（CTRS）也从传统的单RTU配置工具方式[1]，向支持全站多RTU网络拓扑整体配置方向转变。
当前CTRS针对全站多RTU的配置方式有两种：（1）采用树形列表来规划全站装置网络结构[2]，配置效率较高，但不够直观；（2）采用图形绘制方式规划全站二次设备结构[3]，图形化操作直观方便，但绘图效率较低。本文综合两者优点，研究并实现了从RTU相关设备模型自动绘图功能，在树形列表管理配置的同时，实时更新显示远动通信网络结构图，既保证配置效率，又直观方便，降低工程配置的难度。
1.特点分析
变电站RTU网络配置结构是指由远方调度中心、RTU（远动机、规约转换器、智能网关等）、IED以及各通信子网之间，通过相互的通信关系建立起来的一个网络，以此完成RTU上送调度中心、RTU的级联、RTU接入IED以及平行数据交互等功能。基于远动网络配置图，维护人员可以能够直观掌握和修改RTU通信参数配置、联锁配置和硬件配置，为工程实施和后期维护提供极大方便。
一个典型RTU站网络配置如图所示，绘制要求如下：①存在一个或多个主RTU。②有一个主通信子网或无通信子网，且主RTU必须在主网络上方。③RTU经过通信子网接入IED或级联下级RTU，RTU下可挂接多个通信子网。⑦整体为分层组织的布局。
图1 典型RTU站网络拓扑
2 分区布局原理
远动网络配置图主要绘制单元为远方调度中心、RTU、通信规约子网、IED等，为了便于分析，将这些单元都抽象化为节点，节点间关系如图2所示，可以看出总体上呈树形结构。
树形结构数据由于其结构清晰规范，研究人员已经提出过多种自动布局算法，有采用。文献[4]针对单根节点的树形结构数据通过正推，回推和重叠检查三个步骤，实现了对节点的树形坐标定位，生成了分层的树状布局；文献[5]采用常规递推正推算法和c#的TreeView控件构建三层树形结构图。文献[6]介绍了一种利用前序和后序遍历法绘制组织机构图的一种实用算法。文献[7]提出了一种采用了中心层次式的布局方法为实现一种放射形态拓扑图。文献[8]将面向对象的力导向布局算法用于层次结构数据的可视化展示，从而形成星形的拓扑网络图。虽然这些技术由于最终布局要求与本文有差异，但是它们实现树形数据自动布局的过程具有很好的借鉴作用。
分析以上文献可知，标准树形结构能够实现自动布局，并达到分层效果。然而，变电站RTU网络拓扑结构一般要求主远动机节点①、②必须作为第一层次节点，如此一来网络为非标准树形结构。因此本文提出的方法是将网络分为两个区域，沿主网络划分，在主网络之上为一个区域A，主网络及其下挂接的所有层次为区域B。经过划分，区域A和区域B都是标准树形结构，其中区域A是以①、②为根节点的多根节点的树形结构，区域B是以③为根节点的单根节点树形结构。自动布局时，首先将区域A和区域B可以采用树形层次结构自动布局算法实现自动布局，最后合并成为完整的层次型布局。
图2 节点抽象图
3.算法设计
3.1.树形结构布局算法
本文采用分区方法将复杂的网络拓扑结构简化为多个单纯树形结构进行自动布局，因此首先实现对于单纯树形层次结构的布局算法。树形结构的特点是树根结点没有前驱结，其余每个结点有且只有一个前驱结点。叶子结点没有后续结点，其余每个结点的后续节点数可以是一个也可以是多个。
本文采用一种基于递归的网格布局算法，将画布划分为宽gx、高gy的单元格。设定节点以单元格为基础进行布局，每个节点横向占若干列，纵向统一只占一行，且同级节点占同一行。布局算法的目的是得到每个节点的起始列号、起始行号、所占列数、以及所占行数，从而将节点分布在单元格中。算法过程如下：
首先采用深度优先搜索算法计算各节点的深度level，根据最大行号和画布高度计算网格高，再根据网格的长宽比计算出网格宽。
采用递归回推法。根节点可能为多个，依次从根节点出发，递归遍历每条支路，从最深节点计算节点的所占宽度和起始列号、，每个叶节点的占位为一个网格，子节点横向占位之和为父节点的横向占位，这样一层一层回推得到各层的占位列数。迭代开始时，起始列号为，每层迭代都将起始列号传入下一层迭代，各个层次节点的左侧坐标加上本节点的占位，作为同层下一个节点的起始列号。如图所示，从第一条最深支路①②③⑤开始逆推，支路起始列为。先计算最深第N层节点，第一个节点⑤列号为,宽度为1，同层第二个节点⑥的列号为同层前一个节点即⑤的列号加上宽度,即，宽度为1；回推到该支路的上一层即N-1层，第一个节点③的列号为，宽度为子节点宽度之和，即节点⑤、⑥的宽度之和，。同层第二个节点④列号为同层第一个节点③的列号加上宽度即；节点④的宽度为子节点⑦、⑧宽度之和，。依次逆向递推，可以算出所有节点的列号和占位宽度。在纵向上，由于同一层次节点排为一行，因此所有节点的起始行号等于其深度，所占行数均为1。
图3 递归布局算法示意
最后在计算最上层节点的占位时，如果最上层为主RTU时，判断主RTU是否连接到主网络，如果是，则占位向左扩展一个网格，以便留下从主RTU到主网络的垂直连接通道，反之则与普通节点一样。
3.2分区布局
分区布局算法过程如下：
分区划分。以主网络为分界线，在主网络之上为一个区域A，主网络及其下挂接的所有层次为区域B，形成两个树形节点集合。在总体布局为区域A在上，区域B在下。
计算分区的布局。采用树形结构布局算法，分别计算出区域A和区域B的各节点布局信息。
区域B布局调整。由于区域B排在区域A的下方，因此区域B计算的各节点需要整体向下移动，移动的格数为区域A的所占行数，也就是区域A的最大深度。假设区域A的最大深度为n，那么区域A所占总行数为n，那么所有区域B的节点纵向起始坐标需要加上n。
3.3走线
确定了各节点的网格坐标后，可以计算所有连接关系的走线网格坐标。根据要求，连接关系绘制为横平竖直的连接线，其坐标为点序列坐标。通过遍历连接关系Clink，依据两端节点类型和节点网格坐标，就可以计算出连接关系的点序列坐标。连接关系两端节点一端是装置，另一端是通信子网，通过分析，两端节点类型有两种情况:①装置为起点，通信子网为终点；②通信子网为起点，装置为终点。针对这两种情况连接线点序列坐标计算方式不同，当为情形①时，由于装置并不总是位于通信子网的正上方，连接线从装置下端中心经过2次转折连接到通信子网的中心，如下图左侧所示，因此连接线的点序列为A~D点；当为情形②时，由于通信子网为一根总线绘制，且其横向范围包含了装置的覆盖范围，因此可以直接从通信子网到装置的一根纵向直线，如图右侧所示，连接线的点序列为A点和B点。
图4 走线示意
3.4绘图
通过自动布局过程得到拓扑网络中各节点的网格坐标以及连接线的点序列网格坐标，还无法直接用于绘图，必须经过绘图过程才能显示在画布上。此过程主要有三个步骤：
（1）计算节点的绘制坐标。将节点网格坐标与网格大小gx、gy进行计算，得到节点在画布上的绘制坐标，针对不同节点类型的显示差异，计算方式有所不同。
对于装置类节点,只绘制占位的中间位置的一个网格大小，因此绘制坐标和大小计算如下：
对于通信子网类节点，将绘制为一个水平网络线，宽度为节点的占位宽度，高度为线宽（设为常数），因此其绘制坐标和大小计算如下：
（2）计算连接线绘制坐标。连接线走线网格坐标只需要乘以网格大小即可转换为绘制坐标。
（3）绘图。遍历所有CNode，根据绘图坐标进行绘制；遍历所有Clink，根据其绘制其连接线的点序列；绘制装置类节点时，可根据装置类型不同在绘制区域内绘制不同图标，以示区别，并可以在图标下方或上方绘制装置名称。当拓扑结构发生变化时均出发自动成图过程并进行绘制，展示变化后的网络配置图。
4.实现效果
软件实现效果如下图所示。通过左侧管理树提供远动通信设备配置管理，或直接在配置图中设备的右键编辑菜单，来增加、删除或修改远动通信设备。当设备增删时，配置图自动更新，比传统的列表或树形控件方式更加直观，远动装置之间的级联关系、IED的接入以及各子网组网结构均一目了然。
图5 实现效果图
5.小结
本文通过对变电站RTU网络拓扑结构的特点分析，提出通过划分区域的方法将非树形结构的网络拓扑结构简化为两个树形结构，从而采用树形结构递归布局算法实现自动布局。自动布局是一个无最优解的问题，本文自动布局算法得到的拓扑结构图还存在结构不够紧凑局部留白较多的问题，还可以通过将叶节点的占位与同层非叶节点占位进行合并，来进一步优化，使得布局更加紧凑。
参考文献
[1]漆展. 浅谈国电南自PSX600系列远动管理机组态配置方法，城市建设理论研究，2013(36)。
[2]黄凌翔， 段斌， 朱志远。基于SCL的变电站配置工具的设计与开发，第二届《数字化变电站及IEC61850标准及应用》论文选。
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[4]王娟，可视化树形布局算法探讨，产业与科技论,2011年第10卷第8期
[5]魏斌 马继辉 牛虎，基于递归算法的树型结构图的设计与实现，计算机应用与软件，2011年1月，第28卷第1期
[6]肖伟，赵嵩正，刘天时，自动绘制树型组织机构图的一种实用算法，航空计算技术，2002年9月第32 卷第3 期。
[7]陈哲罗军勇王清贤，网络拓扑自动布局技术的研究与实现，《微型计算机信息》（管控一体化）２００６年第２２卷第３－３期
[8]李志刚，陈谊，张鑫跃，陈红倩，一种基于力导向布局的层次结构可视化方法，计算机仿真，2014年3月，第3l卷第3期。
作者简介
胡剑锋（1975），男，江苏南京人。高级工程师，从事变电站综合自动化系统研发工作。
王邦惠（1965），男，山东烟台人。高级工程师，从事电力系统继电保护及自动化。
论文作者:胡剑锋, 王邦惠, 周奕帆, 王炎初
论文发表刊物:《电力设备》2016年第3期
论文发表时间:2016/5/30
标签：节点论文; 布局论文; 子网论文; 结构论文; 坐标论文; 算法论文; 区域论文; 《电力设备》2016年第3期论文;