GIS下的配電網網絡模型和拓撲

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摘要：配電網是電網的重要組成部分，具有點多、線長、面廣等特點。對配電網進行分析時，可將實際的電氣元件等效為相應的數學模型，從而將一個實際問題轉化成一個數學問題。現首先介紹了配電網拓撲分析的概念，分析了配電網拓撲的特點和方法，提出了一種可用于實際的gis配電網絡模型，然后在GIS平臺上設計和實現了電源點分析功能，利用GIS的空間分析與統計方法，在該平臺上實現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引入配網故障定位系統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；GIS平臺；拓撲分析；地理圖

引言

GIS平臺首先要將實際電網中的設備轉化成相應的數學模型，然后根據網絡拓撲分析繪制出配電網絡圖，最后通過GIS系統強大的分析功能在地圖上展示出設備及其屬性。1配電網拓撲分析的概念在地理空間中，網絡是通過無數“通道”互相連接的一系列地理空間位置。抽象來說，網絡系統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絡，比如公路網、通信網絡、電力網絡等。把這些實際的網絡抽象后進行表達，那就是網絡數據模型。對抽象后的網絡數據模型進行分析的行為稱為網絡拓撲分析。網絡拓撲分析是在網絡數據集的基礎上開展的，其他種類的數據集都不能開展網絡拓撲分析。分析的方法包括網絡路徑查詢、最短路徑分析、網絡節點查詢、最佳路徑分析等。當前GIS系統平臺擁有強大的拓撲分析功能，比如：搜索相鄰的所有節點功能、連接的所有邊功能、連接的所有節點功能、關鍵點功能、關鍵邊功能、路徑分析功能等。只要充分發揮上述強大功能，就能在GIS平臺上高效開展配電網拓撲分析。

2配電網拓撲分析的特點和方法

在實際設計配電網時，通常選擇閉環結構的網架設計，如圖1所示，設計思路是各條線路均可以通過聯絡開關進行分合操作，實現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，減少停電用戶數和停電小時數。配電網實際運行時，雖然是閉環結構，但線路采用開環的運行方式，網架呈輻射狀。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。開展配電網拓撲分析時，主網的設備（如斷路器、刀閘、變壓器等）一般都是放在變電站內，可視為安放在一個地點。與主網設備的安放不同，配電網的許多設備（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，配電網構成了龐大的數據庫，其數據量遠超主網的數據規模。面對結構龐大且復雜的配電網，迫切需要高效的算法來快速跟蹤和識別網絡連通性以及節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值計算的優點，例如關聯表矩陣表示法、面向對象法、離散處理法、樹搜索法、結點消去法等。配電網GIS拓撲結構常分為物理、邏輯、運行拓撲三種。配電網拓撲分析實質就是在GIS平臺中，把開關、環網柜等關鍵設備抽象成節點，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的拓撲結構。在此基礎上，可以在配電網管理系統中對空間屬性及設備的各種運行參數開展拓撲分析運用。

3基于GIS的配電網網絡模型和網絡地圖

目前，GIS已廣泛應用于DMS（配電管理系統）。DMS在運用時所需的很多拓撲數據（靜態數據）取自GIS系統中的空間數據。區別于常用的地球地理信息系統的拓撲描述，電網的拓撲描述是不同的，需要采取一定的處理方式，實現GIS系統中的空間數據可在電力系統運用。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，然后把圖形數據和屬性數據采用開源空間數據庫PostgreSQL/PostGIS統一存儲，把二者融合并綜合管理，破解了長期以來電網圖形與屬性數據割裂的難題，最終可以在GIS中建立配網的網絡模型，并展開電網拓撲分析。空間數據和屬性數據兩種模型就組成了GIS數據模型。如圖2所示，兩種模型間以GISID為媒介進行數據互通互聯。首先，將配電網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、面數據，進而由點、線、面元素構成空間數據。其次，把電氣設備元件的屬性信息（如設備基本信息、基本運行狀態等）進行抽象化表達，然后保存為鏈表、樹或索引等結構的數據，進而構成了屬性數據并存放在關系數據庫平臺中。如此，由點、線、面元素組成的空間數據得到了矢量化的電網拓撲結構。其網絡元素模型如圖3所示。根據配電網中的構成元素定義建立配電拓撲圖。實質上，GIS空間數據通過GISID與關系數據庫平臺屬性數據關聯在一起，可以在各系統中互相查詢。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。總之，在GIS平臺中，引入建好的網絡模型，將模型中的拓撲關系和相關數據與地圖進行關聯，最后通過相關軟件，繪制配電網中的電力元件。圖4為南網GIS平臺中瀝林地區的配電網絡圖。

4配電GIS網絡拓撲分析

當前，配電GIS網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據和屬性數據關聯起來，也就是把設備（開關、刀閘）的狀態信息與點、線元素的連接關系結合起來，最終形成配網的拓撲關系。配電GIS分析是利用從智能電網調度系統（SG-OSS）、南網新安全生產管理系統、南網計量自動化系統以及SCADA系統等采集的設備參數和運行參數等信息在GIS平臺上開展定位。實際運行中，線路的聯絡開關是斷開的，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間。

5結語

本文結合配電網的特點，主要闡述了配電網拓撲分析的特點和方法，并研究了基于GIS的配電網網絡模型，同時介紹了如何在GIS平臺上開展定位，為將GIS引入到配網故障定位系統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：廣東電網有限責任公司惠州供電局