GIS下的配電網(wǎng)網(wǎng)絡模型和拓撲
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摘要：配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，具有點多、線長、面廣等特點。對配電網(wǎng)進行分析時，可將實際的電氣元件等效為相應的數(shù)學模型，從而將一個實際問題轉化成一個數(shù)學問題?，F(xiàn)首先介紹了配電網(wǎng)拓撲分析的概念，分析了配電網(wǎng)拓撲的特點和方法，提出了一種可用于實際的gis配電網(wǎng)絡模型，然后在GIS平臺上設計和實現(xiàn)了電源點分析功能，利用GIS的空間分析與統(tǒng)計方法，在該平臺上實現(xiàn)了設備及其屬性均能在地理圖上展示和查詢的功能，為將GIS引入配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)并及時準確地判斷出故障設備及其地理位置奠定了理論基礎。
關鍵詞：配電網(wǎng)；GIS平臺；拓撲分析；地理圖
引言
GIS平臺首先要將實際電網(wǎng)中的設備轉化成相應的數(shù)學模型，然后根據(jù)網(wǎng)絡拓撲分析繪制出配電網(wǎng)絡圖，最后通過GIS系統(tǒng)強大的分析功能在地圖上展示出設備及其屬性。1配電網(wǎng)拓撲分析的概念在地理空間中，網(wǎng)絡是通過無數(shù)“通道”互相連接的一系列地理空間位置。抽象來說，網(wǎng)絡系統(tǒng)由很多互相連接的線段組成。許多常見的實際地理事物都能組成網(wǎng)絡，比如公路網(wǎng)、通信網(wǎng)絡、電力網(wǎng)絡等。把這些實際的網(wǎng)絡抽象后進行表達，那就是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型。對抽象后的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型進行分析的行為稱為網(wǎng)絡拓撲分析。網(wǎng)絡拓撲分析是在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集的基礎上開展的，其他種類的數(shù)據(jù)集都不能開展網(wǎng)絡拓撲分析。分析的方法包括網(wǎng)絡路徑查詢、最短路徑分析、網(wǎng)絡節(jié)點查詢、最佳路徑分析等。當前GIS系統(tǒng)平臺擁有強大的拓撲分析功能，比如：搜索相鄰的所有節(jié)點功能、連接的所有邊功能、連接的所有節(jié)點功能、關鍵點功能、關鍵邊功能、路徑分析功能等。只要充分發(fā)揮上述強大功能，就能在GIS平臺上高效開展配電網(wǎng)拓撲分析。
2配電網(wǎng)拓撲分析的特點和方法
在實際設計配電網(wǎng)時，通常選擇閉環(huán)結構的網(wǎng)架設計，如圖1所示，設計思路是各條線路均可以通過聯(lián)絡開關進行分合操作，實現(xiàn)線路互相連接或斷開。在故障時可進行轉供電，提高線路的供電可靠性，縮小線路的停電范圍，減少停電用戶數(shù)和停電小時數(shù)。配電網(wǎng)實際運行時，雖然是閉環(huán)結構，但線路采用開環(huán)的運行方式，網(wǎng)架呈輻射狀。在該運行方式下，便于開展繼電保護定值整定，有利于確定故障位置。開展配電網(wǎng)拓撲分析時，主網(wǎng)的設備（如斷路器、刀閘、變壓器等）一般都是放在變電站內(nèi)，可視為安放在一個地點。與主網(wǎng)設備的安放不同，配電網(wǎng)的許多設備（如分段開關、變壓器、電纜分接箱、負荷開關等）并不是集中在一個地點的，而是分散在不同地方，通過架空導線或電纜來連接，應將這些設備看成不同的點，點和點之間是有長度的線段。配電網(wǎng)連接了廣大終端用戶，線路有很多支線且包含了大量設備，這些設備分散在各個地方。因此，配電網(wǎng)構成了龐大的數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)量遠超主網(wǎng)的數(shù)據(jù)規(guī)模。面對結構龐大且復雜的配電網(wǎng)，迫切需要高效的算法來快速跟蹤和識別網(wǎng)絡連通性以及節(jié)約存儲空間和運算時間。當前常用的算法結合了人工智能和數(shù)值計算的優(yōu)點，例如關聯(lián)表矩陣表示法、面向對象法、離散處理法、樹搜索法、結點消去法等。配電網(wǎng)GIS拓撲結構常分為物理、邏輯、運行拓撲三種。配電網(wǎng)拓撲分析實質就是在GIS平臺中，把開關、環(huán)網(wǎng)柜等關鍵設備抽象成節(jié)點，把連接設備間的線路或電纜抽象成線，這就繪制出了配電網(wǎng)的拓撲結構。在此基礎上，可以在配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中對空間屬性及設備的各種運行參數(shù)開展拓撲分析運用。
3基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡模型和網(wǎng)絡地圖
目前，GIS已廣泛應用于DMS（配電管理系統(tǒng)）。DMS在運用時所需的很多拓撲數(shù)據(jù)（靜態(tài)數(shù)據(jù)）取自GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)。區(qū)別于常用的地球地理信息系統(tǒng)的拓撲描述，電網(wǎng)的拓撲描述是不同的，需要采取一定的處理方式，實現(xiàn)GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)可在電力系統(tǒng)運用。也就是在GIS平臺中，通過充分利用面向對象技術，將每種設備抽象為特定原始對象，且通過在GIS接口中繪制的電源接線圖，利用軟件自動把電氣設備抽象成原始對象和形成相應的連接關系，然后把圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)采用開源空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL/PostGIS統(tǒng)一存儲，把二者融合并綜合管理，破解了長期以來電網(wǎng)圖形與屬性數(shù)據(jù)割裂的難題，最終可以在GIS中建立配網(wǎng)的網(wǎng)絡模型，并展開電網(wǎng)拓撲分析?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩種模型就組成了GIS數(shù)據(jù)模型。如圖2所示，兩種模型間以GISID為媒介進行數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。首先，將配電網(wǎng)模型進行抽象分類得到相應的拓撲結構，在GIS平臺將電氣設備元件的地理位置抽象為點、線、面數(shù)據(jù)，進而由點、線、面元素構成空間數(shù)據(jù)。其次，把電氣設備元件的屬性信息（如設備基本信息、基本運行狀態(tài)等）進行抽象化表達，然后保存為鏈表、樹或索引等結構的數(shù)據(jù)，進而構成了屬性數(shù)據(jù)并存放在關系數(shù)據(jù)庫平臺中。如此，由點、線、面元素組成的空間數(shù)據(jù)得到了矢量化的電網(wǎng)拓撲結構。其網(wǎng)絡元素模型如圖3所示。根據(jù)配電網(wǎng)中的構成元素定義建立配電拓撲圖。實質上，GIS空間數(shù)據(jù)通過GISID與關系數(shù)據(jù)庫平臺屬性數(shù)據(jù)關聯(lián)在一起，可以在各系統(tǒng)中互相查詢。最終在GIS平臺上，設備的所有屬性均能在地理圖中展示查詢，并具備相應的分析功能?？傊?，在GIS平臺中，引入建好的網(wǎng)絡模型，將模型中的拓撲關系和相關數(shù)據(jù)與地圖進行關聯(lián)，最后通過相關軟件，繪制配電網(wǎng)中的電力元件。圖4為南網(wǎng)GIS平臺中瀝林地區(qū)的配電網(wǎng)絡圖。
4配電GIS網(wǎng)絡拓撲分析
當前，配電GIS網(wǎng)絡拓撲分析主要是分析各線路中各設備之間的連通關系以及設備與線路的連通關系。把設備元件的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關聯(lián)起來，也就是把設備（開關、刀閘）的狀態(tài)信息與點、線元素的連接關系結合起來，最終形成配網(wǎng)的拓撲關系。配電GIS分析是利用從智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)（SG-OSS）、南網(wǎng)新安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、南網(wǎng)計量自動化系統(tǒng)以及SCADA系統(tǒng)等采集的設備參數(shù)和運行參數(shù)等信息在GIS平臺上開展定位。實際運行中，線路的聯(lián)絡開關是斷開的，各線路的分支負荷呈輻射狀，可以以電源側為起點按照其拓撲網(wǎng)絡結構順序依次進行搜索進而得到地理位置。實際運行中，線路中的設備只存在一個電源點，可通過GIS的拓撲分析功能不斷查詢設備與上級開關是否聯(lián)通，然后定位到是由哪個變電站側的開關供電的，最終獲得整個供電區(qū)間。
5結語
本文結合配電網(wǎng)的特點，主要闡述了配電網(wǎng)拓撲分析的特點和方法，并研究了基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡模型，同時介紹了如何在GIS平臺上開展定位，為將GIS引入到配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)并及時準確地判斷出故障設備及其地理位置奠定了理論基礎。
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作者：鄧迪 單位：廣東電網(wǎng)有限責任公司惠州供電局