劉添華，楊 茹，運海紅

(黑龍江工程學院 計算機科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于GIS的變電接線圖拓撲分析

劉添華，楊 茹，運海紅

(黑龍江工程學院 計算機科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

拓撲技術(shù)與GIS相結(jié)合會為設(shè)備管理及輔助決策提供先進的管理工具。變電系統(tǒng)由于設(shè)備數(shù)量眾多、屬性繁雜，對整體安全性要求極高，管理難度大。將變電系統(tǒng)設(shè)備管理與基于GIS的變電系統(tǒng)接線圖拓撲分析工具相結(jié)合，充分利用GIS的圖形化及存儲查詢功能和拓撲分析的類型判斷優(yōu)勢，同時，在拓撲分析中采用以節(jié)點和線路相交替的廣度搜索方法，使得對變電設(shè)備的搜索判斷效率較傳統(tǒng)技術(shù)手段大幅度提高，經(jīng)實際運行，效果良好。

GIS；拓撲分析；輔助決策；搜索算法

隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的不斷發(fā)展，它在變電管理系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越深入。變電系統(tǒng)主要特點是設(shè)備種類和數(shù)量眾多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種類型、各種型號的設(shè)備需要不同的圖例符號表示，因此，搜索設(shè)備類型并對設(shè)備連通性做出快速判斷困難很大，而拓撲關(guān)系是空間分析、輔助決策的有力工具。所以，如果將拓撲分析判斷優(yōu)勢與GIS的存儲查詢功能結(jié)合起來，對變電電網(wǎng)接線圖進行拓撲分析，將會顯著提高變電設(shè)備查詢效率和安全性。

關(guān)國翔[1]提出建立電力幾何網(wǎng)絡(luò)，使用Geodatabase建立數(shù)據(jù)模型，為拓撲分析奠定了基礎(chǔ)，趙強[2]分析了啟發(fā)式搜索方法在電網(wǎng)GIS拓撲分析中的應(yīng)用，該算法能快速、準確地定位電源點，但在高級分析計算方面仍有不足，需結(jié)合電網(wǎng)自身特點進行改進。

1 設(shè)備符號定制

變電設(shè)備種類繁多，如變壓器、電流互感器、發(fā)電機、避雷器等，同一類設(shè)備又有多種型號，設(shè)備狀態(tài)也比較復(fù)雜，如隔離開關(guān)有斷開、閉合兩種狀態(tài)，需要不同的符號來表示，同時，變電設(shè)備也經(jīng)常更新，新的設(shè)備種類不斷出現(xiàn)?？紤]到以上情況，系統(tǒng)應(yīng)提供方便、靈活的符號定制功能，由用戶根據(jù)實際需要，生成自己的符號庫。設(shè)備符號定制是自動生成變電系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)和前提，也為后面的拓撲分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

符號定制功能應(yīng)提供多種畫圖工具：直線、弧線、圓、橢圓、矩形、多邊形等，可輕松繪制和編輯各類設(shè)備符號，編輯功能除基本的復(fù)制、剪切、粘貼、刪除、移動等，還應(yīng)包含高級編輯功能，如縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像、線路延長、線路打斷等。這些功能可通過MapObject平臺的畫圖基本工具完成二次開發(fā)。

在制作圖例符號的過程中，使用最頻繁的是SNAP技術(shù)，即捕捉。捕捉是指在計算機屏幕進行圖形編輯時，如何根據(jù)光標的位置找到需要編輯的圖形要素。捕捉方式具體分為兩種：節(jié)點捕捉和邊線捕捉，依托捕捉技術(shù)可實現(xiàn)全部電力設(shè)備符號的定制，繼而實現(xiàn)整個變電所接線圖的錄入。

以地理背景圖為底圖(地理背景圖由測繪部門提供，包括山川河流、公路街道、建筑物等)，用戶可錄入變電所、線路，并重點錄入變電所內(nèi)部的母線、連接線和各種設(shè)備，生成變電所內(nèi)接線圖，如圖1所示。待接線圖輸入完成后，就可以對整個變電所進行拓撲分析。

圖1 變電所接線圖

2 拓撲分析

2.1 拓撲基本概念

根據(jù)拓撲學原理，圖形元素可大致分為點、線、面三種基本形式，在接線圖錄入過程中，將設(shè)備抽象成點元素，將線路抽象成線元素，將整個接線圖抽象成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)就是由以上要素通過一定的連接關(guān)系建立起來的，即生成所謂拓撲圖。就本文關(guān)注的變電接線圖拓撲分析而言，就是依據(jù)拓撲圖中各元素屬性，利用一定算法快速準確判斷各類帶電設(shè)備的安全性及連通性，為系統(tǒng)管理與維護提供支持。

2.2 拓撲分析算法

以簡單的短路和帶電分析為例，用戶需首先指定帶電電源(如發(fā)電機)，再修改隔離開關(guān)和斷路器的狀態(tài)(斷開或閉合)，然后進行分析。分析包括兩步：母線短路分析和帶電狀態(tài)分析。母線短路分析是指兩個以上電源同時給同一母線供電，則該母線短路，系統(tǒng)將給出提示信息，并終止分析功能；帶電狀態(tài)分析是指所有母線未發(fā)生短路，則根據(jù)圖形的連通性，進行帶電分析。

而面對海量的變電設(shè)備及線路情況，必須借助一套算法才能保證對系統(tǒng)的拓撲分析高效、準確。傳統(tǒng)算法大多使用深度優(yōu)先拓撲算法，雖然準確，但運行效率不高。本文考慮到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜及設(shè)備種類和數(shù)量眾多的特點，提出一種廣度優(yōu)先拓撲算法，在保證分析準確的前提下提高分析效率，改進變電系統(tǒng)接線圖拓撲分析遇到的問題。

廣度優(yōu)先拓撲算法借鑒了深度優(yōu)先算法的特點，是一種更適合變電網(wǎng)高級應(yīng)用軟件的算法。因為深度優(yōu)先算法中電網(wǎng)短路電流計算可以采用前推回代法，而該法的計算單元為支路單元，也就是說在計算短路電流時，都是一條支路一條支路地計算，然后回到起點重新開始，支路與支路之間“形同陌路”，所以運行效率不高。根據(jù)這個特點，本文的改進算法思路是從變電站出發(fā)先深度搜索支路單元，在支路單元內(nèi)再廣度搜索節(jié)點和線路，橫縱聯(lián)合，使拓撲分析結(jié)果更方便、更高效、更適合高級應(yīng)用軟件使用。

為進一步提高拓撲分析速度，本文提出將拓撲工作分成兩次來做：一次拓撲只處理數(shù)據(jù)排序和母線的工作，它與開關(guān)狀態(tài)無關(guān)，可以事先算好，而不用每次拓撲時都進行這個工作；二次拓撲僅當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變時進行，將兩者結(jié)合使系統(tǒng)分析速度大大提高。

1) 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，包括連接線也按這種方式定義。至于開關(guān)對母線造成的影響，采用了一種非常簡便的方法：開關(guān)斷開后，母線分裂，分裂出一條或多條母線，則新增母線編號排在初始母線最大編號之后；開關(guān)閉合后，刪除一條或多條母線，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，特別適合開關(guān)操作頻繁的情況。

2) 開關(guān)的處理。拓撲的主要任務(wù)是處理開關(guān)狀態(tài)變化所引起的接線變化。GIS系統(tǒng)中，開關(guān)是拓撲圖的中間點，分別與所連接的線路(線路有母線和連接線兩種類型)相關(guān)聯(lián)。當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，對母線模型有兩種影響：合并母線和分裂母線。然后，根據(jù)開關(guān)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)接線。這個功能還可用于實現(xiàn)帶電模擬操作、查詢停電范圍等高級應(yīng)用。

拓撲算法步驟如圖2所示。

圖2 拓撲算法

2.3 拓撲算法的實現(xiàn)

系統(tǒng)將根據(jù)圖形的連通性，對某一變電所進行帶電分析。通過自定義一個函數(shù)AnalyzeDdzt()來實現(xiàn)，該函數(shù)有一個參數(shù)recs，該參數(shù)類型為 MapObjects2.Recordset，代表了起始線路的集合。

準備工作：

Dim Lntemp As New MapObjects2.Line ′當前線路

Dim ptstart As New MapObjects2.point ′當前線路的起點

Dim ptend As New MapObjects2.point ′當前線路的終點

Dim RsTemp As New MapObjects2.Recordset ′臨時記錄集

Dim Featid As Long ′當前線路的Featureid

recs.MoveFirst

其中repts代表當前線路對應(yīng)的點集，先將該線路的狀態(tài)改為帶電，并定位當前線路的端點，首節(jié)點ptstart和末節(jié)點ptend。

Set ptstart = repts.Item(0)

Set ptend = repts.Item(repts.Count-1)

然后判斷線的端點是否與設(shè)備相連，將相連設(shè)備狀態(tài)改為帶電，發(fā)電機和斷開的開關(guān)除外。

最后，當前線路若包含支路，對支路進行進一步分析。

對分析結(jié)果進行刷新顯示，帶電設(shè)備及線路以紅色顯示，不帶電設(shè)備及不帶電線路以綠色顯示。

本文以某地區(qū)電網(wǎng)作為實驗對象，該變電網(wǎng)的

規(guī)模為：38個變電所，127條母線，500多個開關(guān)，對本文提出的按廣度優(yōu)先的拓撲算法與傳統(tǒng)的拓撲算法作比較，進行拓撲分析后，結(jié)果見表1。

表1 變電網(wǎng)拓撲結(jié)果

通過上例看出，本文提出的基于GIS的拓撲分析方法在變電系統(tǒng)帶電狀態(tài)分析中比傳統(tǒng)算法搜索點數(shù)減少了49.7%，搜索效率提高了57.9%，這對于擁有大量設(shè)備的變電系統(tǒng)運行狀態(tài)分析和安全性判定具有十分重要的實用意義。

3 結(jié)束語

本文采用的方法已在變電管理系統(tǒng)中得到實際運用，運行穩(wěn)定，功能實用，效果良好，縮短了拓撲分析時間，提高了變電管理的工作效率，并為更高級的應(yīng)用軟件如負荷分析等提供了基礎(chǔ)。

[1]關(guān)國翔，蔣廷耀，王訓(xùn)宇.基于ArcGIS Geodatabase實現(xiàn)配電網(wǎng)拓撲分析[J].計算機工程應(yīng)用技術(shù),2008,3(9):2081-2083.

[2]趙強,楊柳.基于啟發(fā)式搜索的配電網(wǎng)GIS拓撲分析[J]計算機應(yīng)用與軟件,2008,9:181-182.

[3]ZHU Y L,SIDHU T S,YANG M Y,et al.An AI-based automatic network topology processor[J].Electric Power Systems Research,2002,61(1):57-65.

[4]鄧雷.基于GIS的電力線路管理和線路搶修路徑優(yōu)化問題的研究[D].北京:華北電力大學,2011.

[5]李春立.變電GIS中配網(wǎng)拓撲特征提取及網(wǎng)絡(luò)拓撲分析的研究[D].武漢:華中科技大學,2006:22-25.

[6]朱雷,王堅,凌衛(wèi)青.基于GIS技術(shù)的可視化建模[J].中國公共安全,2014(1): 49-53.

[7]張林鋒.基于地理信息系統(tǒng)的智能城市電網(wǎng)規(guī)劃[D].北京:華北電力大學,2007.

[8]陳星鶯,孫恕堅,錢鋒.一種基于追蹤技術(shù)的快速電力網(wǎng)拓撲分析方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(5):22-24,34.

[9]王宇,王東.地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化中的應(yīng)用[J].黑龍江電力,2007,29(5):354-356.

[10]胡明光,張亮.GIS網(wǎng)絡(luò)分析功能的實現(xiàn)[J].科教文匯,2007,9:216.

Substation wiring diagram topology analysis based on GIS

LIU Tian-hua,YANG Ru,YUN Hai-hong

(College of Computer Science and Technology,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

Combining topological analysis and GIS,it presents the advanced management tool for equipment manage and assistant decision.The tool in the power equipment management is combined with node and line connectivity judgment with the type of topological analysis judgment in GIS software,In the process of topology analysis,a method of node and line search in alternate is adapted.The combination makes the dynamic management of electric equipment more security and efficiency.

Geography Information System; topology analysis; assistant decision; search algorithm

2014-03-09

黑龍江省教育廳資助項目(11533052)

劉添華(1976-)，女，講師，博士研究生，研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)，GIS.

TP311

A

1671-4679(2014)03-0051-03

郝麗英]