Data-Driven Automated Schematic Generation for LV/MV Networks: Leveraging GraphAlgorithms and GIS Data

Abstract

Las redes de distribución de baja tensión están evolucionando rápidamente por la creciente penetración de recursos energéticos distribuidos, que transforma redes antes pasivas en sistemas activos y bidireccionales. Aunque los operadores mantienen modelos de la red detallados en sistemas de información geográfica (GIS), no transmiten de forma efectiva e intuitiva la conectividad y la topología. Los diagramas unifilares siguen siendo la herramienta más adecuada para esto, pero su elaboración manual no es escalable a redes de distribución. Este proyecto cubre esa brecha automatizando la generación de diagramas ortogonales y estándar directamente a partir de modelos de datos de GIS heterogéneos. Se propone un proceso modular que, dado un modelo de GIS de una sección de la red de distribución, crea un grafo equivalente y genera el diagrama en cuatro fases: (1) clasificación y simplificación del grafo, con parámetros de entrada configurables; (2) normalización para imponer un patrón estándar de nodos; (3) disposición por capas mediante una adaptación del marco de Sugiyama incluyendo una asignación fija de capas y minimización de cruces; y (4) trazado y exportación con simbología unifilar estándar en formato SVG. La implementación se ha realizado con datos de ScottishPower Energy Networks (SPEN) y es aplicable a otros conjuntos de datos con ajustes menores en la primera fase. Ocho casos reales, con redes de tamaño y grado de mallado crecientes, se utilizan para demostrar el método: se obtuvieron diagramas válidos sin cruces en seis redes; en dos, la asignación fija de capas generó subestructuras no planares por niveles, que impidieron eliminar todos los cruces. Los tiempos de ejecución oscilaron entre ~0,1–1,6 s para las redes de tamaño reducido y ~5–21 s para las redes más complejas. También se trazó con éxito una red de media tensión, mostrando la versatilidad del enfoque.

Low-voltage (LV) distribution networks are being reshaped by high penetrations of distributed energy resources, turning formerly passive feeders into active, bidirectional systems. Utilities already maintain rich network models in geographic information systems (GIS), yet raw geospatial representations do not conveniently convey connectivity and topology at a glance. For this purpose, single-line diagrams (SLDs) remain the most intelligible tool, but manual drafting does not scale well to utility-sized datasets. This thesis addresses that gap by automating the generation of standard, orthogonal SLDs directly from heterogeneous GIS data. The thesis develops a reproducible, modular, end-to-end pipeline that, given a GIS-based model of an LV distribution grid section, generates an SLD of the underlying network through four phases: (1) graph classification and simplification, producing a parameter-controlled simplified network graph that preserves key characteristics; (2) normalization to enforce a standard node pattern compatible with diagram rendering; (3) layered layout via a custom implementation of the Sugiyama framework for layer assignment and crossing minimization; and (4) plotting using standard single line diagram symbols and exporting in SVG format. The implementation is focused on ScottishPower Energy Networks (SPEN) data but can be generalized to other network datasets through minor adjustments to the first phase. Eight case studies with real LV network sections (increasing in size and meshedness) are used to demonstrate the method. The algorithm produced valid diagrams with no symbol overlap for six networks; and two invalid diagrams caused by non-level-planar substructures produced by fixed layer assignment. Runtime was ~0.1–1.6 s for smaller, radial sections and ~5–21 s for larger, more complex networks. One medium-voltage network outside the main LV scope was also laid out successfully, illustrating the versatility of the method.