摘要: 提出了一種基于地理信息系統(GIS)的電力網絡拓撲算法。GIS是實現電力系統數字化和信息化的新技術,其應用十分廣泛。針對現有GIS在網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的拓撲數據,構建滿足電力網絡分析需要的拓撲數據。該算法利用GIS連通性功能,在開發的基于GIS的電網圖形編輯平臺上,對網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中的應用,使得基于GIS拓撲分析的高級應用程序得以實現。

0引言

網絡拓撲分析是電力系統網絡分析應用軟件的基礎,它的任務就是對網絡中開關狀態的變化進行處理,形成新的網絡結線,得到拓撲數據,供電力系統應用程序使用。拓撲分析的效果直接影響著應用程序的使用效果。早期的網絡拓撲分析是利用堆棧技術進行搜索[1]。為了加快拓撲的速度,出現了以下幾種利用數據結構加上特定的算法來實現拓撲的改進方法:

1)追蹤網絡拓撲變化[2]。其拓撲處理方法是保存前一次網絡拓撲分析的母線結構,通過對比前后開關狀態的變化,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所在的廠站電壓等級,大大減小了搜索的空間,提高了網絡拓撲分析的效率[3]。

3)面向對象(OO)的電力網絡拓撲。實現拓撲跟蹤OO模型的啟發式拓撲分析方法,利用OO技術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網模型,只重新計算受開關狀態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]。隨著電力系統自動化的深化,地理信息系統(以下簡稱為GIS)在電網中的應用越來越廣泛,如何在GIS基礎上構建電力網絡拓撲,已成為在GIS基礎上構建電力系統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系統提供的網絡拓撲數據,本文提出了一種實用的基于GIS的電網網絡拓撲分析算法。

1GIS中的網絡拓撲功能[7]

地理信息系統以地理空間數據庫為基礎,對空間相關數據進行管理、操作、分析、模擬和顯示,提供了空間和動態的地理信息。對于容納海量數據的地理空間數據庫而言,拓撲分析是其核心技術。

1.1GIS中拓撲的基本功能

根據拓撲學原理,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為這三種基本元素的拓撲關系。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系進行分析處理后提取的拓撲特征。基于結點-弧段-多邊形的拓撲分析,是建立在點集拓撲的理論基礎之上的。它描述了空間實體之間的連接性和鄰接性,此即為拓撲空間關系所要描述的內容。在GIS中,基礎的拓撲表述方法已經集成為通用函數,供開發使用。其中連通性分析功能便是一種帶有自動拓撲功能的函數,它根據定義的拓撲規則,自動進行圖形的拓撲分析,得到拓撲數據。

1.2拓撲空間數據模型空間數據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文件增加拓撲結構。圖2為增加了拓撲結構的拓撲模型示意圖。GIS拓撲空間數據定義為空間特征數據和屬性數據。空間特征數據記錄的是空間實體的位置(X,Y),拓撲關系和幾何特征,是將GIS和其他各種數據庫管理系統區分開的標志,其拓撲關系是通過拓撲模型自動創建的;屬性特征數據,需要按照其級別來分類以便進行屬性的概括和顯示,通常用關系表的形式組織。圖2中線(或弧)由結點定義,是有方向的;點、線、面之間的拓撲關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來代替實體原始屬性的級別值,這些整數就是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,是各個實體之間關聯的橋梁。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

現有的GIS拓撲分析主要用于電力系統故障點查詢、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網絡分析的潮流計算、無功優化、智能操作票專家系統等高級應用。網絡分析中所用到的拓撲描述方式與GIS對拓撲關系的描述方式并不完全相同。主要有以下幾點區別:1)在GIS系統中,其拓撲分析是基于空間連通性,分析的是將實體經過抽象之后的點、線、面之間的空間關系。而電網分析應用程序所用的數據是以描述電網模型為主,即主要描述電網結構和邏輯關系。2)GIS中的拓撲描述并不區分節點類型,對桿塔與線路端點等一般節點在拓撲分析的時候并不加以區分,而桿塔節點在網絡分析中是不需要的。3)GIS中的母線是用線實體來表示,而在網絡分析中所需的拓撲數據卻是節點號。因此,GIS構建的拓撲數據不能夠直接應用于網絡分析應用程序,應該通過一定的方法將以GIS方式描述的拓撲數據進行轉換。除了能夠提供地理空間分布信息數據外,還可以給出網絡分析用的元件參數,包括節點號、支路數據、節點數據等等,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的電力網絡拓撲分析

電力網絡拓撲一般分為兩個基本步驟[1～3]:第一步是廠站的結線分析,也稱母線分析;第二步是系統網絡分析,分析整個系統的母線由支路連接成多少個子系統,也稱為電氣島分析。本文在GIS平臺上,按照網絡分析要求,定義了各元件的屬性表結構,對母線、開關和節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的電力網絡拓撲算法。

3.1拓撲實現的環境由于GIS系統具有龐大的空間數據庫系統,直接在上面進行拓撲分析必然會影響計算速度,而且,數據庫中有很多數據是電網網絡分析軟件不需要的,如前面提到的桿塔等。因此,本文在GIS上只加載與網絡分析所需數據相關的圖層,在此基礎上實現拓撲分析。利用GIS自身強大的功能,該平臺具有和外界接口的能力,與實際系統對接可以得到實時數據;與其他作圖軟件如AutoCAD等對接可以直接得到電網圖形及數據;與其他數據庫對接可以直接通過數據庫引擎技術將獲取所需的數據。

3.2元件屬性表結構GIS提供的實體屬性表中,含有地理空間信息及OID號。為滿足電力網絡分析軟件對其提供數據的要求,重新定義了電網中各網絡元件的屬性表。在原有的屬性表基礎上加入了網絡分析所需要的數據,如帶電狀態、型號等。各屬性表結構如表1所示。由給出的結構定義可以得到各元件的網絡參數,供網絡分析軟件使用。其中,帶電狀態可以用來進行著色顯示;型號用來獲取具體的參數,如在線路屬性表中,得到線路的型號和長度,結合標準線路參數,就得到了線路的阻抗值。為了程序能自動給出元件的網絡參數,定義了標準線路參數表和標準變壓器表,專門存放各種型號對應的參數。開關元件的關聯線路字段、負荷及電容器等元件的關聯節點字段都是用來存放元件拓撲關系數據的,線路、變壓器等都是支路,拓撲存放在“支路-節點關聯表”之中,其形成在節點編號處理中給出。

3.3母線的處理母線是節點的集合,按照電力系統的習慣將母線定義為線狀零阻抗實體,其上節點號碼均相同,包括連接線等線狀零阻抗實體都按照這種方式定義。對于由網絡開關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;開關操作未造成母線模型的變化,或者開關閉合后,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,實現簡單,計算量小,效率高,適合用于開關操作頻繁的情況。

3.4開關的處理拓撲的主要任務是處理網絡中開關狀態變化所引起的接線變化,因此,開關在拓撲中的處理方式至關重要。GIS系統中,開關是圖2中的中間點,通過GIS拓撲中點與線的關系,分別與所連接的線路相關聯。當開關狀態發生變化時,對母線模型影響的拓撲處理過程如圖3所示。由開關變化的狀態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,由與線路的關聯情況,通過GIS連通性分析可以迅速形成網絡結線。這個功能還可用于實現帶電模擬操作、查詢停電范圍等功能。

3.5節點編號按照GIS系統的連通性所得到的拓撲編號,即實體的標識號-OID號,具有很好的數據完備性,而且不需要人工輸入網絡原始編號信息。同時,連通性分析是對平臺上的整個網絡進行分析,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號已經具有子系統的信息。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的鄰接關系判斷函數將線路和節點關聯,形成的關聯表為初始關聯表;用SQL語句將關聯表中節點號更新得到編號后的關聯表。當開關狀態發生變化,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

3.6算法的整體流程算法的整體流程簡圖如圖5所示。其中網絡拓撲初始分析包括初始廠站分析、初始母線分析;自動節點編號,形成節點-支路關聯表;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接口,也可以用于模擬操作。當開關狀態發生變化的時候,按照對母線的處理辦法,來確定對母線模型的影響。首先對開關狀態進行判斷,決定是否影響母線模型,對受影響的母線進行處理,然后根據支路-節點關聯表,進行連通性分析,相當于電氣島分析。分析的結果按照帶電與否進行著色,顯示于GIS系統之中,使拓撲的結果一目了然。整個過程均在開發的電網圖形平臺上進行,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結論

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