地理信息系統(tǒng)拓?fù)浞治稣撐?/h1>
提出了一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴āIS是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的新技術(shù),其應(yīng)用十分廣泛。針對(duì)現(xiàn)有GIS在網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序中的局限性,對(duì)GIS拓?fù)涔δ芎吞攸c(diǎn)進(jìn)行了分析,研究了如何基于GIS的拓?fù)鋽?shù)據(jù),構(gòu)建滿足電力網(wǎng)絡(luò)分析需要的拓?fù)鋽?shù)據(jù)。
摘要: 提出了一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴āIS是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的新技術(shù),其應(yīng)用十分廣泛。針對(duì)現(xiàn)有GIS在網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序中的局限性,對(duì)GIS拓?fù)涔δ芎吞攸c(diǎn)進(jìn)行了分析,研究了如何基于GIS的拓?fù)鋽?shù)據(jù),構(gòu)建滿足電力網(wǎng)絡(luò)分析需要的拓?fù)鋽?shù)據(jù)。該算法利用GIS連通性功能,在開發(fā)的基于GIS的電網(wǎng)圖形編輯平臺(tái)上,對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件的屬性表和拓?fù)渥隽颂幚?簡單實(shí)用。該算法拓展了GIS拓?fù)浞治鲈陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用,使得基于GIS拓?fù)浞治龅母呒?jí)應(yīng)用程序得以實(shí)現(xiàn)。
0引言
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪请娏ο到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用軟件的基礎(chǔ),它的任務(wù)就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)狀態(tài)的變化進(jìn)行處理,形成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)線,得到拓?fù)鋽?shù)據(jù),供電力系統(tǒng)應(yīng)用程序使用。拓?fù)浞治龅男Ч苯佑绊懼鴳?yīng)用程序的使用效果。早期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪抢枚褩＜夹g(shù)進(jìn)行搜索[1]。為了加快拓?fù)涞乃俣?出現(xiàn)了以下幾種利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加上特定的算法來實(shí)現(xiàn)拓?fù)涞母倪M(jìn)方法:
1)追蹤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓痆2]。其拓?fù)涮幚矸椒ㄊ潜４媲耙淮尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅哪妇€結(jié)構(gòu),通過對(duì)比前后開關(guān)狀態(tài)的變化,局部修改母線編號(hào)。這種方法雖比較費(fèi)時(shí),但拓?fù)浞治鲂视兴岣摺?/p>
2)分電壓等級(jí)拓?fù)浞āＴ撏負(fù)浞治龇椒ㄖ凰阉鲾嚅_開關(guān)所在的廠站電壓等級(jí),大大減小了搜索的空間,提高了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅男蔥3]。
3)面向?qū)ο?OO)的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shí)現(xiàn)拓?fù)涓橭O模型的啟發(fā)式拓?fù)浞治龇椒?利用OO技術(shù)可擴(kuò)展拓?fù)渌惴ǖ倪m用范圍[4,5]。
4)基本分析單元的有色Petri法。將整個(gè)電網(wǎng)拓?fù)浞治鰡栴}分解為若干基本分析單元,采用基本分析單元的有色Petri網(wǎng)模型,只重新計(jì)算受開關(guān)狀態(tài)變化影響的分析單元,減小了搜索的空間,可提高拓?fù)浞治龅男蔥6]。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化的深化,地理信息系統(tǒng)(以下簡稱為GIS)在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛,如何在GIS基礎(chǔ)上構(gòu)建電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?已成為在GIS基礎(chǔ)上構(gòu)建電力系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用軟件需解決的首要問題。為了充分利用GIS的信息資源,有效地利用GIS系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù),本文提出了一種實(shí)用的基于GIS的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鏊惴ā?/p>
1GIS中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ躘7]
地理信息系統(tǒng)以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、操作、分析、模擬和顯示,提供了空間和動(dòng)態(tài)的地理信息。對(duì)于容納海量數(shù)據(jù)的地理空間數(shù)據(jù)庫而言,拓?fù)浞治鍪瞧浜诵募夹g(shù)。
1.1GIS中拓?fù)涞幕竟δ?/p>
根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理,圖形元素可以大致分為點(diǎn)、線、面三種基本形式,空間實(shí)體的拓?fù)涮卣骶腕w現(xiàn)為這三種基本元素的拓?fù)潢P(guān)系。所以,對(duì)空間的拓?fù)浞治?就是對(duì)點(diǎn)、線、面三種基本元素相互之間的關(guān)系進(jìn)行分析處理后提取的拓?fù)涮卣鳌；诮Y(jié)點(diǎn)-弧段-多邊形的拓?fù)浞治?是建立在點(diǎn)集拓?fù)涞睦碚摶A(chǔ)之上的。它描述了空間實(shí)體之間的連接性和鄰接性,此即為拓?fù)淇臻g關(guān)系所要描述的內(nèi)容。在GIS中,基礎(chǔ)的拓?fù)浔硎龇椒ㄒ呀?jīng)集成為通用函數(shù),供開發(fā)使用。其中連通性分析功能便是一種帶有自動(dòng)拓?fù)涔δ艿暮瘮?shù),它根據(jù)定義的拓?fù)湟?guī)則,自動(dòng)進(jìn)行圖形的拓?fù)浞治?得到拓?fù)鋽?shù)據(jù)。
1.2拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型的基本類型起源于“Spaghetti模型”,如圖1所示。GIS中的拓?fù)渖梢馕吨oSpaghetti文件增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為增加了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)淠Ｐ褪疽鈭D。GIS拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)定義為空間特征數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。空間特征數(shù)據(jù)記錄的是空間實(shí)體的位置(X,Y),拓?fù)潢P(guān)系和幾何特征,是將GIS和其他各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)區(qū)分開的標(biāo)志,其拓?fù)潢P(guān)系是通過拓?fù)淠Ｐ妥詣?dòng)創(chuàng)建的;屬性特征數(shù)據(jù),需要按照其級(jí)別來分類以便進(jìn)行屬性的概括和顯示,通常用關(guān)系表的形式組織。圖2中線(或弧)由結(jié)點(diǎn)定義,是有方向的;點(diǎn)、線、面之間的拓?fù)潢P(guān)系用若干拓?fù)鋵傩员韥砻枋觥０凑辗诸?GIS用一些表明實(shí)體類別的整數(shù)來代替實(shí)體原始屬性的級(jí)別值,這些整數(shù)就是GIS賦給實(shí)體的標(biāo)識(shí)號(hào)(OID),這些OID號(hào)具有很好的完備性,與實(shí)體一一對(duì)應(yīng),是各個(gè)實(shí)體之間關(guān)聯(lián)的橋梁。查找時(shí),直接在拓?fù)鋵傩员碇胁檎襉ID即可,比Spaghetti模型在整個(gè)圖中查找效率高。
2GIS拓?fù)浞治龅膽?yīng)用局限
現(xiàn)有的GIS拓?fù)浞治鲋饕糜陔娏ο到y(tǒng)故障點(diǎn)查詢、停電范圍的查找、著色顯示等簡單分析功能,而不適用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析的潮流計(jì)算、無功優(yōu)化、智能操作票專家系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)分析中所用到的拓?fù)涿枋龇绞脚cGIS對(duì)拓?fù)潢P(guān)系的描述方式并不完全相同。主要有以下幾點(diǎn)區(qū)別:1)在GIS系統(tǒng)中,其拓?fù)浞治鍪腔诳臻g連通性,分析的是將實(shí)體經(jīng)過抽象之后的點(diǎn)、線、面之間的空間關(guān)系。而電網(wǎng)分析應(yīng)用程序所用的數(shù)據(jù)是以描述電網(wǎng)模型為主,即主要描述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系。2)GIS中的拓?fù)涿枋霾⒉粎^(qū)分節(jié)點(diǎn)類型,對(duì)桿塔與線路端點(diǎn)等一般節(jié)點(diǎn)在拓?fù)浞治龅臅r(shí)候并不加以區(qū)分,而桿塔節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)分析中是不需要的。3)GIS中的母線是用線實(shí)體來表示,而在網(wǎng)絡(luò)分析中所需的拓?fù)鋽?shù)據(jù)卻是節(jié)點(diǎn)號(hào)。因此,GIS構(gòu)建的拓?fù)鋽?shù)據(jù)不能夠直接應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序,應(yīng)該通過一定的方法將以GIS方式描述的拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除了能夠提供地理空間分布信息數(shù)據(jù)外,還可以給出網(wǎng)絡(luò)分析用的元件參數(shù),包括節(jié)點(diǎn)號(hào)、支路數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等等,并對(duì)母線、連接線等零阻抗元件做正確的拓?fù)涮幚怼?/p>
3基于GIS的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/strong>
電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话惴譃閮蓚€(gè)基本步驟[1～3]:第一步是廠站的結(jié)線分析,也稱母線分析;第二步是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析,分析整個(gè)系統(tǒng)的母線由支路連接成多少個(gè)子系統(tǒng),也稱為電氣島分析。本文在GIS平臺(tái)上,按照網(wǎng)絡(luò)分析要求,定義了各元件的屬性表結(jié)構(gòu),對(duì)母線、開關(guān)和節(jié)點(diǎn)編號(hào)做了有效的處理,并依照拓?fù)涞幕静襟E和GIS的連通性功能,形成了一種實(shí)用的基于GIS的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ā?/p>
3.1拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的環(huán)境由于GIS系統(tǒng)具有龐大的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),直接在上面進(jìn)行拓?fù)浞治霰厝粫?huì)影響計(jì)算速度,而且,數(shù)據(jù)庫中有很多數(shù)據(jù)是電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析軟件不需要的,如前面提到的桿塔等。因此,本文在GIS上只加載與網(wǎng)絡(luò)分析所需數(shù)據(jù)相關(guān)的圖層,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞治觥＠肎IS自身強(qiáng)大的功能,該平臺(tái)具有和外界接口的能力,與實(shí)際系統(tǒng)對(duì)接可以得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);與其他作圖軟件如AutoCAD等對(duì)接可以直接得到電網(wǎng)圖形及數(shù)據(jù);與其他數(shù)據(jù)庫對(duì)接可以直接通過數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)將獲取所需的數(shù)據(jù)。
3.2元件屬性表結(jié)構(gòu)GIS提供的實(shí)體屬性表中,含有地理空間信息及OID號(hào)。為滿足電力網(wǎng)絡(luò)分析軟件對(duì)其提供數(shù)據(jù)的要求,重新定義了電網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)元件的屬性表。在原有的屬性表基礎(chǔ)上加入了網(wǎng)絡(luò)分析所需要的數(shù)據(jù),如帶電狀態(tài)、型號(hào)等。各屬性表結(jié)構(gòu)如表1所示。由給出的結(jié)構(gòu)定義可以得到各元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),供網(wǎng)絡(luò)分析軟件使用。其中,帶電狀態(tài)可以用來進(jìn)行著色顯示;型號(hào)用來獲取具體的參數(shù),如在線路屬性表中,得到線路的型號(hào)和長度,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)線路參數(shù),就得到了線路的阻抗值。為了程序能自動(dòng)給出元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),定義了標(biāo)準(zhǔn)線路參數(shù)表和標(biāo)準(zhǔn)變壓器表,專門存放各種型號(hào)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。開關(guān)元件的關(guān)聯(lián)線路字段、負(fù)荷及電容器等元件的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)字段都是用來存放元件拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)的,線路、變壓器等都是支路,拓?fù)浯娣旁?ldquo;支路-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表”之中,其形成在節(jié)點(diǎn)編號(hào)處理中給出。
3.3母線的處理母線是節(jié)點(diǎn)的集合,按照電力系統(tǒng)的習(xí)慣將母線定義為線狀零阻抗實(shí)體,其上節(jié)點(diǎn)號(hào)碼均相同,包括連接線等線狀零阻抗實(shí)體都按照這種方式定義。對(duì)于由網(wǎng)絡(luò)開關(guān)造成的母線模型影響,采用了一種非常簡便實(shí)用的方法[3]。開關(guān)斷開后,母線分裂,分裂出一個(gè)或者多個(gè)母線,則新增母線編號(hào)排在初始母線最大編號(hào)之后;開關(guān)操作未造成母線模型的變化,或者開關(guān)閉合后,刪除一個(gè)或多個(gè)母線,母線合并,采用初始母線編號(hào)。這種處理方法,實(shí)現(xiàn)簡單,計(jì)算量小,效率高,適合用于開關(guān)操作頻繁的情況。
3.4開關(guān)的處理拓?fù)涞闹饕蝿?wù)是處理網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)狀態(tài)變化所引起的接線變化,因此,開關(guān)在拓?fù)渲械奶幚矸绞街陵P(guān)重要。GIS系統(tǒng)中,開關(guān)是圖2中的中間點(diǎn),通過GIS拓?fù)渲悬c(diǎn)與線的關(guān)系,分別與所連接的線路相關(guān)聯(lián)。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),對(duì)母線模型影響的拓?fù)涮幚磉^程如圖3所示。由開關(guān)變化的狀態(tài)來確定對(duì)母線模型的影響后,再按照上文對(duì)母線的處理方法更新受影響母線模型;然后,由與線路的關(guān)聯(lián)情況,通過GIS連通性分析可以迅速形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)線。這個(gè)功能還可用于實(shí)現(xiàn)帶電模擬操作、查詢停電范圍等功能。
3.5節(jié)點(diǎn)編號(hào)按照GIS系統(tǒng)的連通性所得到的拓?fù)渚幪?hào),即實(shí)體的標(biāo)識(shí)號(hào)-OID號(hào),具有很好的數(shù)據(jù)完備性,而且不需要人工輸入網(wǎng)絡(luò)原始編號(hào)信息。同時(shí),連通性分析是對(duì)平臺(tái)上的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,和拓?fù)浞治龅牡诙€(gè)基本步驟有相同的作用,因此,獲得的OID號(hào)已經(jīng)具有子系統(tǒng)的信息。應(yīng)用程序只需要將OID號(hào)從圖庫中讀出,按照自己的要求對(duì)OID號(hào)重新編號(hào)即可。本文對(duì)編號(hào)的處理只需要簡單地將OID號(hào)變成從一開始的連續(xù)編號(hào),無須進(jìn)行復(fù)雜的編號(hào)工作。編號(hào)的簡要程序流程如圖4所示。其中所有OID號(hào)由GIS原始連通性自動(dòng)給出;用GIS的鄰接關(guān)系判斷函數(shù)將線路和節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián),形成的關(guān)聯(lián)表為初始關(guān)聯(lián)表;用SQL語句將關(guān)聯(lián)表中節(jié)點(diǎn)號(hào)更新得到編號(hào)后的關(guān)聯(lián)表。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,需要進(jìn)行拓?fù)涮幚淼臅r(shí)候,直接利用此表,拓?fù)渌俣葘⒋蟠筇岣摺３?jí)秘書網(wǎng)
3.6算法的整體流程算法的整體流程簡圖如圖5所示。其中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏挤治霭ǔ跏紡S站分析、初始母線分析;自動(dòng)節(jié)點(diǎn)編號(hào),形成節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)表;進(jìn)行初始連通性分析,得到了電氣島號(hào)。此處可以與實(shí)際的系統(tǒng)接口,也可以用于模擬操作。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候,按照對(duì)母線的處理辦法,來確定對(duì)母線模型的影響。首先對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷,決定是否影響母線模型,對(duì)受影響的母線進(jìn)行處理,然后根據(jù)支路-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表,進(jìn)行連通性分析,相當(dāng)于電氣島分析。分析的結(jié)果按照帶電與否進(jìn)行著色,顯示于GIS系統(tǒng)之中,使拓?fù)涞慕Y(jié)果一目了然。整個(gè)過程均在開發(fā)的電網(wǎng)圖形平臺(tái)上進(jìn)行,拓?fù)溥^程中,充分利用了GIS的連通性分析功能,使得整個(gè)過程簡單易行。
4結(jié)論
本文在分析GIS拓?fù)涔δ芎吞攸c(diǎn)的前提下,針對(duì)其在網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序中的局限性,結(jié)合GIS的連通性,提出了一種實(shí)用的基于GIS的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴āＴ撍惴ㄍ卣沽薌IS拓?fù)浞治鲈陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用,不僅可以實(shí)現(xiàn)其原有的拓?fù)浞治龉δ?還可以構(gòu)建符合電力網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用軟件所需要的拓?fù)鋽?shù)據(jù),使得基于GIS拓?fù)浞治龅母呒?jí)網(wǎng)絡(luò)分析程序得以實(shí)現(xiàn),目前已應(yīng)用于潮流計(jì)算、線損分析管理及無功優(yōu)化、智能操作票專家系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用軟件。
責(zé)任編輯：電力交易小郭
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摘要: 提出了一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴āIS是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的新技術(shù),其應(yīng)用十分廣泛。針對(duì)現(xiàn)有GIS在網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序中的局限性,對(duì)GIS拓?fù)涔δ芎吞攸c(diǎn)進(jìn)行了分析,研究了如何基于GIS的拓?fù)鋽?shù)據(jù),構(gòu)建滿足電力網(wǎng)絡(luò)分析需要的拓?fù)鋽?shù)據(jù)。該算法利用GIS連通性功能,在開發(fā)的基于GIS的電網(wǎng)圖形編輯平臺(tái)上,對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件的屬性表和拓?fù)渥隽颂幚?簡單實(shí)用。該算法拓展了GIS拓?fù)浞治鲈陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用,使得基于GIS拓?fù)浞治龅母呒?jí)應(yīng)用程序得以實(shí)現(xiàn)。
0引言
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪请娏ο到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用軟件的基礎(chǔ),它的任務(wù)就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)狀態(tài)的變化進(jìn)行處理,形成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)線,得到拓?fù)鋽?shù)據(jù),供電力系統(tǒng)應(yīng)用程序使用。拓?fù)浞治龅男Ч苯佑绊懼鴳?yīng)用程序的使用效果。早期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪抢枚褩＜夹g(shù)進(jìn)行搜索[1]。為了加快拓?fù)涞乃俣?出現(xiàn)了以下幾種利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加上特定的算法來實(shí)現(xiàn)拓?fù)涞母倪M(jìn)方法:
1)追蹤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓痆2]。其拓?fù)涮幚矸椒ㄊ潜４媲耙淮尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅哪妇€結(jié)構(gòu),通過對(duì)比前后開關(guān)狀態(tài)的變化,局部修改母線編號(hào)。這種方法雖比較費(fèi)時(shí),但拓?fù)浞治鲂视兴岣摺?/p>
2)分電壓等級(jí)拓?fù)浞āＴ撏負(fù)浞治龇椒ㄖ凰阉鲾嚅_開關(guān)所在的廠站電壓等級(jí),大大減小了搜索的空間,提高了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅男蔥3]。
3)面向?qū)ο?OO)的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shí)現(xiàn)拓?fù)涓橭O模型的啟發(fā)式拓?fù)浞治龇椒?利用OO技術(shù)可擴(kuò)展拓?fù)渌惴ǖ倪m用范圍[4,5]。
4)基本分析單元的有色Petri法。將整個(gè)電網(wǎng)拓?fù)浞治鰡栴}分解為若干基本分析單元,采用基本分析單元的有色Petri網(wǎng)模型,只重新計(jì)算受開關(guān)狀態(tài)變化影響的分析單元,減小了搜索的空間,可提高拓?fù)浞治龅男蔥6]。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化的深化,地理信息系統(tǒng)(以下簡稱為GIS)在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛,如何在GIS基礎(chǔ)上構(gòu)建電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?已成為在GIS基礎(chǔ)上構(gòu)建電力系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用軟件需解決的首要問題。為了充分利用GIS的信息資源,有效地利用GIS系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù),本文提出了一種實(shí)用的基于GIS的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鏊惴ā?/p>
1GIS中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ躘7]
地理信息系統(tǒng)以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、操作、分析、模擬和顯示,提供了空間和動(dòng)態(tài)的地理信息。對(duì)于容納海量數(shù)據(jù)的地理空間數(shù)據(jù)庫而言,拓?fù)浞治鍪瞧浜诵募夹g(shù)。
1.1GIS中拓?fù)涞幕竟δ?/p>
根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理,圖形元素可以大致分為點(diǎn)、線、面三種基本形式,空間實(shí)體的拓?fù)涮卣骶腕w現(xiàn)為這三種基本元素的拓?fù)潢P(guān)系。所以,對(duì)空間的拓?fù)浞治?就是對(duì)點(diǎn)、線、面三種基本元素相互之間的關(guān)系進(jìn)行分析處理后提取的拓?fù)涮卣鳌；诮Y(jié)點(diǎn)-弧段-多邊形的拓?fù)浞治?是建立在點(diǎn)集拓?fù)涞睦碚摶A(chǔ)之上的。它描述了空間實(shí)體之間的連接性和鄰接性,此即為拓?fù)淇臻g關(guān)系所要描述的內(nèi)容。在GIS中,基礎(chǔ)的拓?fù)浔硎龇椒ㄒ呀?jīng)集成為通用函數(shù),供開發(fā)使用。其中連通性分析功能便是一種帶有自動(dòng)拓?fù)涔δ艿暮瘮?shù),它根據(jù)定義的拓?fù)湟?guī)則,自動(dòng)進(jìn)行圖形的拓?fù)浞治?得到拓?fù)鋽?shù)據(jù)。
1.2拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型的基本類型起源于“Spaghetti模型”,如圖1所示。GIS中的拓?fù)渖梢馕吨oSpaghetti文件增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為增加了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)淠Ｐ褪疽鈭D。GIS拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)定義為空間特征數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。空間特征數(shù)據(jù)記錄的是空間實(shí)體的位置(X,Y),拓?fù)潢P(guān)系和幾何特征,是將GIS和其他各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)區(qū)分開的標(biāo)志,其拓?fù)潢P(guān)系是通過拓?fù)淠Ｐ妥詣?dòng)創(chuàng)建的;屬性特征數(shù)據(jù),需要按照其級(jí)別來分類以便進(jìn)行屬性的概括和顯示,通常用關(guān)系表的形式組織。圖2中線(或弧)由結(jié)點(diǎn)定義,是有方向的;點(diǎn)、線、面之間的拓?fù)潢P(guān)系用若干拓?fù)鋵傩员韥砻枋觥０凑辗诸?GIS用一些表明實(shí)體類別的整數(shù)來代替實(shí)體原始屬性的級(jí)別值,這些整數(shù)就是GIS賦給實(shí)體的標(biāo)識(shí)號(hào)(OID),這些OID號(hào)具有很好的完備性,與實(shí)體一一對(duì)應(yīng),是各個(gè)實(shí)體之間關(guān)聯(lián)的橋梁。查找時(shí),直接在拓?fù)鋵傩员碇胁檎襉ID即可,比Spaghetti模型在整個(gè)圖中查找效率高。
2GIS拓?fù)浞治龅膽?yīng)用局限
現(xiàn)有的GIS拓?fù)浞治鲋饕糜陔娏ο到y(tǒng)故障點(diǎn)查詢、停電范圍的查找、著色顯示等簡單分析功能,而不適用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析的潮流計(jì)算、無功優(yōu)化、智能操作票專家系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)分析中所用到的拓?fù)涿枋龇绞脚cGIS對(duì)拓?fù)潢P(guān)系的描述方式并不完全相同。主要有以下幾點(diǎn)區(qū)別:1)在GIS系統(tǒng)中,其拓?fù)浞治鍪腔诳臻g連通性,分析的是將實(shí)體經(jīng)過抽象之后的點(diǎn)、線、面之間的空間關(guān)系。而電網(wǎng)分析應(yīng)用程序所用的數(shù)據(jù)是以描述電網(wǎng)模型為主,即主要描述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系。2)GIS中的拓?fù)涿枋霾⒉粎^(qū)分節(jié)點(diǎn)類型,對(duì)桿塔與線路端點(diǎn)等一般節(jié)點(diǎn)在拓?fù)浞治龅臅r(shí)候并不加以區(qū)分,而桿塔節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)分析中是不需要的。3)GIS中的母線是用線實(shí)體來表示,而在網(wǎng)絡(luò)分析中所需的拓?fù)鋽?shù)據(jù)卻是節(jié)點(diǎn)號(hào)。因此,GIS構(gòu)建的拓?fù)鋽?shù)據(jù)不能夠直接應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序,應(yīng)該通過一定的方法將以GIS方式描述的拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除了能夠提供地理空間分布信息數(shù)據(jù)外,還可以給出網(wǎng)絡(luò)分析用的元件參數(shù),包括節(jié)點(diǎn)號(hào)、支路數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等等,并對(duì)母線、連接線等零阻抗元件做正確的拓?fù)涮幚怼?/p>
3基于GIS的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/strong>
電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话惴譃閮蓚€(gè)基本步驟[1～3]:第一步是廠站的結(jié)線分析,也稱母線分析;第二步是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析,分析整個(gè)系統(tǒng)的母線由支路連接成多少個(gè)子系統(tǒng),也稱為電氣島分析。本文在GIS平臺(tái)上,按照網(wǎng)絡(luò)分析要求,定義了各元件的屬性表結(jié)構(gòu),對(duì)母線、開關(guān)和節(jié)點(diǎn)編號(hào)做了有效的處理,并依照拓?fù)涞幕静襟E和GIS的連通性功能,形成了一種實(shí)用的基于GIS的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ā?/p>
3.1拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的環(huán)境由于GIS系統(tǒng)具有龐大的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),直接在上面進(jìn)行拓?fù)浞治霰厝粫?huì)影響計(jì)算速度,而且,數(shù)據(jù)庫中有很多數(shù)據(jù)是電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析軟件不需要的,如前面提到的桿塔等。因此,本文在GIS上只加載與網(wǎng)絡(luò)分析所需數(shù)據(jù)相關(guān)的圖層,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞治觥＠肎IS自身強(qiáng)大的功能,該平臺(tái)具有和外界接口的能力,與實(shí)際系統(tǒng)對(duì)接可以得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);與其他作圖軟件如AutoCAD等對(duì)接可以直接得到電網(wǎng)圖形及數(shù)據(jù);與其他數(shù)據(jù)庫對(duì)接可以直接通過數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)將獲取所需的數(shù)據(jù)。
3.2元件屬性表結(jié)構(gòu)GIS提供的實(shí)體屬性表中,含有地理空間信息及OID號(hào)。為滿足電力網(wǎng)絡(luò)分析軟件對(duì)其提供數(shù)據(jù)的要求,重新定義了電網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)元件的屬性表。在原有的屬性表基礎(chǔ)上加入了網(wǎng)絡(luò)分析所需要的數(shù)據(jù),如帶電狀態(tài)、型號(hào)等。各屬性表結(jié)構(gòu)如表1所示。由給出的結(jié)構(gòu)定義可以得到各元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),供網(wǎng)絡(luò)分析軟件使用。其中,帶電狀態(tài)可以用來進(jìn)行著色顯示;型號(hào)用來獲取具體的參數(shù),如在線路屬性表中,得到線路的型號(hào)和長度,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)線路參數(shù),就得到了線路的阻抗值。為了程序能自動(dòng)給出元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),定義了標(biāo)準(zhǔn)線路參數(shù)表和標(biāo)準(zhǔn)變壓器表,專門存放各種型號(hào)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。開關(guān)元件的關(guān)聯(lián)線路字段、負(fù)荷及電容器等元件的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)字段都是用來存放元件拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)的,線路、變壓器等都是支路,拓?fù)浯娣旁?ldquo;支路-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表”之中,其形成在節(jié)點(diǎn)編號(hào)處理中給出。
3.3母線的處理母線是節(jié)點(diǎn)的集合,按照電力系統(tǒng)的習(xí)慣將母線定義為線狀零阻抗實(shí)體,其上節(jié)點(diǎn)號(hào)碼均相同,包括連接線等線狀零阻抗實(shí)體都按照這種方式定義。對(duì)于由網(wǎng)絡(luò)開關(guān)造成的母線模型影響,采用了一種非常簡便實(shí)用的方法[3]。開關(guān)斷開后,母線分裂,分裂出一個(gè)或者多個(gè)母線,則新增母線編號(hào)排在初始母線最大編號(hào)之后;開關(guān)操作未造成母線模型的變化,或者開關(guān)閉合后,刪除一個(gè)或多個(gè)母線,母線合并,采用初始母線編號(hào)。這種處理方法,實(shí)現(xiàn)簡單,計(jì)算量小,效率高,適合用于開關(guān)操作頻繁的情況。
3.4開關(guān)的處理拓?fù)涞闹饕蝿?wù)是處理網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)狀態(tài)變化所引起的接線變化,因此,開關(guān)在拓?fù)渲械奶幚矸绞街陵P(guān)重要。GIS系統(tǒng)中,開關(guān)是圖2中的中間點(diǎn),通過GIS拓?fù)渲悬c(diǎn)與線的關(guān)系,分別與所連接的線路相關(guān)聯(lián)。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),對(duì)母線模型影響的拓?fù)涮幚磉^程如圖3所示。由開關(guān)變化的狀態(tài)來確定對(duì)母線模型的影響后,再按照上文對(duì)母線的處理方法更新受影響母線模型;然后,由與線路的關(guān)聯(lián)情況,通過GIS連通性分析可以迅速形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)線。這個(gè)功能還可用于實(shí)現(xiàn)帶電模擬操作、查詢停電范圍等功能。
3.5節(jié)點(diǎn)編號(hào)按照GIS系統(tǒng)的連通性所得到的拓?fù)渚幪?hào),即實(shí)體的標(biāo)識(shí)號(hào)-OID號(hào),具有很好的數(shù)據(jù)完備性,而且不需要人工輸入網(wǎng)絡(luò)原始編號(hào)信息。同時(shí),連通性分析是對(duì)平臺(tái)上的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,和拓?fù)浞治龅牡诙€(gè)基本步驟有相同的作用,因此,獲得的OID號(hào)已經(jīng)具有子系統(tǒng)的信息。應(yīng)用程序只需要將OID號(hào)從圖庫中讀出,按照自己的要求對(duì)OID號(hào)重新編號(hào)即可。本文對(duì)編號(hào)的處理只需要簡單地將OID號(hào)變成從一開始的連續(xù)編號(hào),無須進(jìn)行復(fù)雜的編號(hào)工作。編號(hào)的簡要程序流程如圖4所示。其中所有OID號(hào)由GIS原始連通性自動(dòng)給出;用GIS的鄰接關(guān)系判斷函數(shù)將線路和節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián),形成的關(guān)聯(lián)表為初始關(guān)聯(lián)表;用SQL語句將關(guān)聯(lián)表中節(jié)點(diǎn)號(hào)更新得到編號(hào)后的關(guān)聯(lián)表。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,需要進(jìn)行拓?fù)涮幚淼臅r(shí)候,直接利用此表,拓?fù)渌俣葘⒋蟠筇岣摺３?jí)秘書網(wǎng)
3.6算法的整體流程算法的整體流程簡圖如圖5所示。其中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏挤治霭ǔ跏紡S站分析、初始母線分析;自動(dòng)節(jié)點(diǎn)編號(hào),形成節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)表;進(jìn)行初始連通性分析,得到了電氣島號(hào)。此處可以與實(shí)際的系統(tǒng)接口,也可以用于模擬操作。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候,按照對(duì)母線的處理辦法,來確定對(duì)母線模型的影響。首先對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷,決定是否影響母線模型,對(duì)受影響的母線進(jìn)行處理,然后根據(jù)支路-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表,進(jìn)行連通性分析,相當(dāng)于電氣島分析。分析的結(jié)果按照帶電與否進(jìn)行著色,顯示于GIS系統(tǒng)之中,使拓?fù)涞慕Y(jié)果一目了然。整個(gè)過程均在開發(fā)的電網(wǎng)圖形平臺(tái)上進(jìn)行,拓?fù)溥^程中,充分利用了GIS的連通性分析功能,使得整個(gè)過程簡單易行。
4結(jié)論
本文在分析GIS拓?fù)涔δ芎吞攸c(diǎn)的前提下,針對(duì)其在網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用程序中的局限性,結(jié)合GIS的連通性,提出了一種實(shí)用的基于GIS的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴āＴ撍惴ㄍ卣沽薌IS拓?fù)浞治鲈陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用,不僅可以實(shí)現(xiàn)其原有的拓?fù)浞治龉δ?還可以構(gòu)建符合電力網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用軟件所需要的拓?fù)鋽?shù)據(jù),使得基于GIS拓?fù)浞治龅母呒?jí)網(wǎng)絡(luò)分析程序得以實(shí)現(xiàn),目前已應(yīng)用于潮流計(jì)算、線損分析管理及無功優(yōu)化、智能操作票專家系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用軟件。
責(zé)任編輯：電力交易小郭
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