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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)絡拓撲算法。GIS是實現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的新技術(shù),其應用十分廣泛。針對現(xiàn)有GIS在網(wǎng)絡分析應用程序中的局限性,對GIS拓撲功能和特點進行了分析,研究了如何基于GIS的拓撲數(shù)據(jù),構(gòu)建滿足電力網(wǎng)絡分析需要的拓撲數(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)圖形編輯平臺上,對網(wǎng)絡元件的屬性表和拓撲做了處理,簡單實用。該算法拓展了GIS拓撲分析在電力系統(tǒng)中的應用,使得基于GIS拓撲分析的高級應用程序得以實現(xiàn)。

0引言

網(wǎng)絡拓撲分析是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡分析應用軟件的基礎(chǔ),它的任務就是對網(wǎng)絡中開關(guān)狀態(tài)的變化進行處理,形成新的網(wǎng)絡結(jié)線,得到拓撲數(shù)據(jù),供電力系統(tǒng)應用程序使用。拓撲分析的效果直接影響著應用程序的使用效果。早期的網(wǎng)絡拓撲分析是利用堆棧技術(shù)進行搜索[1]。為了加快拓撲的速度,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現(xiàn)拓撲的改進方法:1)追蹤網(wǎng)絡拓撲變化[2]。其拓撲處理方法是保存前一次網(wǎng)絡拓撲分析的母線結(jié)構(gòu),通過對比前后開關(guān)狀態(tài)的變化,局部修改母線編號。這種方法雖比較費時,但拓撲分析效率有所提高。2)分電壓等級拓撲法。該拓撲分析方法只搜索斷開開關(guān)所在的廠站電壓等級,大大減小了搜索的空間,提高了網(wǎng)絡拓撲分析的效率[3]。3)面向?qū)ο?OO)的電力網(wǎng)絡拓撲。實現(xiàn)拓撲跟蹤OO模型的啟發(fā)式拓撲分析方法,利用OO技術(shù)可擴展拓撲算法的適用范圍[4,5]。4)基本分析單元的有色Petri法。將整個電網(wǎng)拓撲分析問題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,可提高拓撲分析的效率[6]。隨著電力系統(tǒng)自動化的深化,地理信息系統(tǒng)(以下簡稱為GIS)在電網(wǎng)中的應用越來越廣泛,如何在GIS基礎(chǔ)上構(gòu)建電力網(wǎng)絡拓撲,已成為在GIS基礎(chǔ)上構(gòu)建電力系統(tǒng)的高級應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)絡拓撲數(shù)據(jù),本文提出了一種實用的基于GIS的電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲分析算法。

1GIS中的網(wǎng)絡拓撲功能[7]

地理信息系統(tǒng)以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進行管理、操作、分析、模擬和顯示,提供了空間和動態(tài)的地理信息。對于容納海量數(shù)據(jù)的地理空間數(shù)據(jù)庫而言,拓撲分析是其核心技術(shù)。

1.1GIS中拓撲的基本功能

根據(jù)拓撲學原理,圖形元素可以大致分為點、線、面三種基本形式,空間實體的拓撲特征就體現(xiàn)為這三種基本元素的拓撲關(guān)系。所以,對空間的拓撲分析,就是對點、線、面三種基本元素相互之間的關(guān)系進行分析處理后提取的拓撲特征?；诮Y(jié)點-弧段-多邊形的拓撲分析,是建立在點集拓撲的理論基礎(chǔ)之上的。它描述了空間實體之間的連接性和鄰接性,此即為拓撲空間關(guān)系所要描述的內(nèi)容。在GIS中,基礎(chǔ)的拓撲表述方法已經(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拓撲功能的函數(shù),它根據(jù)定義的拓撲規(guī)則,自動進行圖形的拓撲分析,得到拓撲數(shù)據(jù)。

1.2拓撲空間數(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中的拓撲生成意味著給Spaghetti文件增加拓撲結(jié)構(gòu)。圖2為增加了拓撲結(jié)構(gòu)的拓撲模型示意圖。GIS拓撲空間數(shù)據(jù)定義為空間特征數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g特征數(shù)據(jù)記錄的是空間實體的位置(X,Y),拓撲關(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)分開的標志,其拓撲關(guān)系是通過拓撲模型自動創(chuàng)建的;屬性特征數(shù)據(jù),需要按照其級別來分類以便進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)點定義,是有方向的;點、線、面之間的拓撲關(guān)系用若干拓撲屬性表來描述。按照分類,GIS用一些表明實體類別的整數(shù)來代替實體原始屬性的級別值,這些整數(shù)就是GIS賦給實體的標識號(OID),這些OID號具有很好的完備性,與實體一一對應,是各個實體之間關(guān)聯(lián)的橋梁。查找時,直接在拓撲屬性表中查找OID即可,比Spaghetti模型在整個圖中查找效率高。

2GIS拓撲分析的應用局限

現(xiàn)有的GIS拓撲分析主要用于電力系統(tǒng)故障點查詢、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)絡分析的潮流計算、無功優(yōu)化、智能操作票專家系統(tǒng)等高級應用。網(wǎng)絡分析中所用到的拓撲描述方式與GIS對拓撲關(guān)系的描述方式并不完全相同。主要有以下幾點區(qū)別:1)在GIS系統(tǒng)中,其拓撲分析是基于空間連通性,分析的是將實體經(jīng)過抽象之后的點、線、面之間的空間關(guān)系。而電網(wǎng)分析應用程序所用的數(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中的拓撲描述并不區(qū)分節(jié)點類型,對桿塔與線路端點等一般節(jié)點在拓撲分析的時候并不加以區(qū)分,而桿塔節(jié)點在網(wǎng)絡分析中是不需要的。3)GIS中的母線是用線實體來表示,而在網(wǎng)絡分析中所需的拓撲數(shù)據(jù)卻是節(jié)點號。因此,GIS構(gòu)建的拓撲數(shù)據(jù)不能夠直接應用于網(wǎng)絡分析應用程序,應該通過一定的方法將以GIS方式描述的拓撲數(shù)據(jù)進行轉(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)絡分析用的元件參數(shù),包括節(jié)點號、支路數(shù)據(jù)、節(jié)點數(shù)據(jù)等等,并對母線、連接線等零阻抗元件做正確的拓撲處理。

3基于GIS的電力網(wǎng)絡拓撲分析

電力網(wǎng)絡拓撲一般分為兩個基本步驟[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)絡分析,分析整個系統(tǒng)的母線由支路連接成多少個子系統(tǒng),也稱為電氣島分析。本文在GIS平臺上,按照網(wǎng)絡分析要求,定義了各元件的屬性表結(jié)構(gòu),對母線、開關(guān)和節(jié)點編號做了有效的處理,并依照拓撲的基本步驟和GIS的連通性功能,形成了一種實用的基于GIS的電力網(wǎng)絡拓撲算法。

3.1拓撲實現(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),直接在上面進行拓撲分析必然會影響計算速度,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)絡分析所需數(shù)據(jù)相關(guān)的圖層,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)拓撲分析。利用GIS自身強大的功能,該平臺具有和外界接口的能力,與實際系統(tǒng)對接可以得到實時數(shù)據(jù);與其他作圖軟件如AutoCAD等對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提供的實體屬性表中,含有地理空間信息及OID號。為滿足電力網(wǎng)絡分析軟件對其提供數(shù)據(jù)的要求,重新定義了電網(wǎng)中各網(wǎng)絡元件的屬性表。在原有的屬性表基礎(chǔ)上加入了網(wǎng)絡分析所需要的數(shù)據(jù),如帶電狀態(tài)、型號等。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)絡參數(shù),供網(wǎng)絡分析軟件使用。其中,帶電狀態(tài)可以用來進行著色顯示;型號用來獲取具體的參數(shù),如在線路屬性表中,得到線路的型號和長度,結(jié)合標準線路參數(shù),就得到了線路的阻抗值。為了程序能自動給出元件的網(wǎng)絡參數(shù),定義了標準線路參數(shù)表和標準變壓器表,專門存放各種型號對應的參數(shù)。開關(guān)元件的關(guān)聯(lián)線路字段、負荷及電容器等元件的關(guān)聯(lián)節(jié)點字段都是用來存放元件拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)的,線路、變壓器等都是支路,拓撲存放在“支路-節(jié)點關(guān)聯(lián)表”之中,其形成在節(jié)點編號處理中給出。

3.3母線的處理母線是節(jié)點的集合,按照電力系統(tǒng)的習慣將母線定義為線狀零阻抗實體,其上節(jié)點號碼均相同,包括連接線等線狀零阻抗實體都按照這種方式定義。對于由網(wǎng)絡開關(guān)造成的母線模型影響,采用了一種非常簡便實用的方法[3]。開關(guān)斷開后,母線分裂,分裂出一個或者多個母線,則新增母線編號排在初始母線最大編號之后;開關(guān)操作未造成母線模型的變化,或者開關(guān)閉合后,刪除一個或多個母線,母線合并,采用初始母線編號。這種處理方法,實現(xiàn)簡單,計算量小,效率高,適合用于開關(guān)操作頻繁的情況。

3.4開關(guān)的處理拓撲的主要任務是處理網(wǎng)絡中開關(guān)狀態(tài)變化所引起的接線變化,因此,開關(guān)在拓撲中的處理方式至關(guān)重要。GIS系統(tǒng)中,開關(guān)是圖2中的中間點,通過GIS拓撲中點與線的關(guān)系,分別與所連接的線路相關(guān)聯(lián)。當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時,對母線模型影響的拓撲處理過程如圖3所示。由開關(guān)變化的狀態(tài)來確定對母線模型的影響后,再按照上文對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)絡結(jié)線。這個功能還可用于實現(xiàn)帶電模擬操作、查詢停電范圍等功能。

3.5節(jié)點編號按照GIS系統(tǒng)的連通性所得到的拓撲編號,即實體的標識號-OID號,具有很好的數(shù)據(jù)完備性,而且不需要人工輸入網(wǎng)絡原始編號信息。同時,連通性分析是對平臺上的整個網(wǎng)絡進行分析,和拓撲分析的第二個基本步驟有相同的作用,因此,獲得的OID號已經(jīng)具有子系統(tǒng)的信息。應用程序只需要將OID號從圖庫中讀出,按照自己的要求對OID號重新編號即可。本文對編號的處理只需要簡單地將OID號變成從一開始的連續(xù)編號,無須進行復雜的編號工作。編號的簡要程序流程如圖4所示。其中所有OID號由GIS原始連通性自動給出;用GIS的鄰接關(guān)系判斷函數(shù)將線路和節(jié)點關(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)點號更新得到編號后的關(guān)聯(lián)表。當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,需要進行拓撲處理的時候,直接利用此表,拓撲速度將大大提高。超級秘書網(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)絡拓撲初始分析包括初始廠站分析、初始母線分析;自動節(jié)點編號,形成節(jié)點-支路關(guān)聯(lián)表;進行初始連通性分析,得到了電氣島號。此處可以與實際的系統(tǒng)接口,也可以用于模擬操作。當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化的時候,按照對母線的處理辦法,來確定對母線模型的影響。首先對開關(guān)狀態(tài)進行判斷,決定是否影響母線模型,對受影響的母線進行處理,然后根據(jù)支路-節(jié)點關(guān)聯(lián)表,進行連通性分析,相當于電氣島分析。分析的結(jié)果按照帶電與否進行著色,顯示于GIS系統(tǒng)之中,使拓撲的結(jié)果一目了然。整個過程均在開發(fā)的電網(wǎng)圖形平臺上進行,拓撲過程中,充分利用了GIS的連通性分析功能,使得整個過程簡單易行。

4結(jié)論

本文在分析GIS拓撲功能和特點的前提下,針對其在網(wǎng)絡分析應用程序中的局限性,結(jié)合GIS的連通性,提出了一種實用的基于GIS的電力網(wǎng)絡拓撲算法。該算法拓展了GIS拓撲分析在電力系統(tǒng)中的應用,不僅可以實現(xiàn)其原有的拓撲分析功能,還可以構(gòu)建符合電力網(wǎng)絡分析應用軟件所需要的拓撲數(shù)據(jù),使得基于GIS拓撲分析的高級網(wǎng)絡分析程序得以實現(xiàn),目前已應用于潮流計算、線損分析管理及無功優(yōu)化、智能操作票專家系統(tǒng)等高級應用軟件。