基于GIS的配电网拓扑分析方法
郑 勇1，周步祥2，贺 琦2
（1.西南电力设计院，四川 成都610021；
2.四川大学电气信息学院，四川 成都610065）
摘 要：根据GIS空间数据的特点和配电网的结构特点，在分析影响配电网拓扑结构的设备属性的基础上，提出了基于GIS的配电网拓扑模型，并由此提出了一种既能利用GIS强大的拓扑分析功能，又能够实用于电力系统配电网的拓扑分析方法。同时，还以停/供电模拟的实现算法来说明拓扑分析方法的具体应用。经过实际应用表明，基于GIS的配电网拓扑分析方法具有很大的实用性和推广价值。
关键词：GIS；配电网；拓扑分析
Topology analyzing method and application for distribution
network based on GIS
ZHENG Yong1, ZHOU Buxiang2, HE Qi2
(1.Southwest Electric Power Design Institute,Chengdu 610021,China;
2.Sichuan University, Chengdu 610065,China)
Abstract:According to the characteristics of GIS and a distribution network, a GIS based distribution system model is proposed with analysing the device performances that influence the topological structure of the distribution system. A topology analyzing method for the distribution system is advanced, which can not only make use of the GIS's function in the topology analysis but also be applicable in the electric power system distribution network. It has been shown in practice that the proposed method is of fairly high practical value.
Keywords:GIS;distribution network;topology analysis
0引言
地理信息系统（GIS—geographical information system）是一门新兴的交叉学科，它主要致力于地理空间信息的描述、存贮、分析和输出的理论和方法研究。作为一种技术系统，它是以地理空间数据库为基础，采用空间模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统［1］。
随着地理信息系统技术的近一步成熟和推广，GIS正大量地运用于我国的配电网中。由于GIS在配电网的应用，改变了传统人为的、随意的配电网分析管理模式，给配电网的运行和管理带来了科学性和高效性，提高了配电网运行的可靠性，为配电网自动化的实现打下了坚实的基础。
在当前GIS的配电网的建设中，迫切需要一种将以GIS方式描述的空间数据的拓扑分析转化为电力系统能够处理的拓扑分析的方法——基于GIS的配电网拓扑分析方法。这种方法能充分地利用GIS的空间数据和属性数据进行直观在线分析，运行人员能直观地判断设备地具体位置和设备的属性，从而克服了传统的运行人员只能根据拓扑示意图进行电网模拟分析、无法定位设备、无法直观地判断用户电源等弊端，同时也避免了目前市面上GIS支撑平台的拓扑分析不能运用于电网拓扑分析的尴尬局面［2］。
本文从GIS的数据特点以及配电网的结构特点出发，在研究配电网主要设备及其电气特性的基础上，提出了一种实用的GIS配电网拓扑模型，并在此基础上介绍了基于GIS的配电网拓扑分析算法，它能够准确地反映配电网的拓扑关系和运行情况，便于配电运行人员的管理和决策，通过实际系统的运行，证明了该方法的实用性和推广价值。
1配电网的设备模型
配电网主要包括配电变电站、开关站、配电线路、开关及配变等设备。图1给出了一个典型的配电网结构［3］。
根据设备在配电网络中电气特性的近似性，把配电网络设备分成四部分：电源SK，开关BK,线路LK和用户UK。在图1中，连接所有开关、母线、用户的线都称为L；而变电站母线、开关站等母线都称为电源S；所有的断路器、分段开关甚至包含熔断器都统称为开关B；所有的用户包含配变、负荷母线，在图中没有标出，只是用箭头表示将要接用户。因此根据上述的定义，配电网可以表示成：
为了进一步说明各设备的具体属性，可以把设备的模型统一定义成如下结构［3］：
设备名
{
SMID;
类别；
设备编号；
运行编号;
其它
}
SMID:是GIS系统字段，是唯一标识空间数据及其属性数据ID号；类别：指的是同类设备中的细分（比如：电源又包括变电站母线电源和开关站电源）；设备编号：指的是根据电力系统的一定规则对设备的统一编号，这个字段在解决不同系统之间的关联很有用处，本文不作进一步的论述；其它：指的是根据用户对系统的要求可以补充定义。
2基于GIS的配电网拓扑模型
文献［2］提到当前大部分配电管理系统中的所需要的电网拓扑数据都是以GIS空间数据为数据来源，但电力系统的拓扑描述与通常的GIS对拓扑关系的描述方式不一致。因此，要解决GIS配电网分析问题，首先得解决好上述提出的GIS与电力系统描述的不一致问题。本文提出了一个基于GIS的配电网模型，成功地克服了这个问题。
当把配电电源Si、配电开关Bj、以及用户Um都当作配网拓扑图的顶点，而Ll当作拓扑图中的边，同时配电网一般不允许闭环运行，因此配电网实际上是一个变结构的开环耗散网络［4］。从这一点来说，这正是GIS网络拓扑数据与配电网的共性。在GIS系统中，网络拓扑图就是经过GPS采集回来的空间数据通过GIS的支撑平台处理后形成的以开关、电源、用户为节点（这里的节点还包括电力系统中的T节点，但并不完全同于电力系统中的节点），馈线为边的简单数据集,即：基于GIS的网络拓扑。因此基于GIS的配电网可以定义为：
D=Ni,Lk｜i =1,2,…,n; k=1,2,…,m (2)
Ni指的是GIS拓扑网中所有的节点; Lk指连接所有节点的馈线。
同样为了进一步描述GIS配电网中各元素（除了T节点和人为增加的连接节点以外，其它元素都是指具体的设备）的具体属性，可以统一定义成如下结构：
元素属性
{
SMID;
元素类;
SMID:是GIS系统字段，是唯一标识空间数据及其属性数据ID号；元素类:是电源、开关、用户、馈线、结点（指的是T节点和人为增加的连接节点）五类；元素类别：具体的元素所代表的同类设备的细分，比如开关包含分段开关、联络开关、出线开关等；元素名称：是按调度规则命名的设备名称，比如花园变电站#1母线，而结点类不属于具体的设备，所以节点的元素名称统称为结点；元素状态：是元素所代表的设备是否运行，这对配网运行线路的着色、分析都很有用；其它：是用户额外需要增加功能还需要添加的相应属性。
如果按照文献［3］来建立模型，GIS配网模型就需要建立节点和线模型，甚至更多。本文根据耗散网络的特点，配电网结构的变化、结构的重构、以及相关的一些计算都是因为拓扑中节点（Node）的变化而引起的，因此本文中在建立模型和拓扑分析的时候都以节点为主，而馈线在拓扑分析中可以不考虑。这样做不但充分利用了GIS支撑平台的拓扑分析功能，从而也使拓扑分析时元素大大地减少，而提高了搜索运行的速度。
3基于GIS配电网的节点模型
由于GIS支撑平台不提供电力拓扑的高层分析，然而又要求在GIS背景中真实反映配网的结构和分析，就必须要形成既实用于GIS也实用于配网的拓扑图。而在实际中，最关键的问题就是要保证节点的形成。
节点形成的原则：
1) 跟开关功能类似的所有设备都称为一个开关节点，包含：断路器、联络开关、分段开关、融断器等。
2) 变电站按母线的数目或分段的数目形成相应的电源节点。除此外，开关站或类似的设备都形成电源节点。
3) 所有的配变、负荷母线都形成相应的用户节点。
4) T节点和因同条线路不同型号形成的分节点（这两种节点称为结点）。
至于具体的拓扑形成的处理过程，本文不作更详细的介绍。根据上述原则，可以得到图1形成的节点拓扑图如图2（图中标注与图1一一对应）。
图2中的节点2、3、8都属于T节点（结点）；节点5、6、10、9属于用户节点，其它结点就不再介绍。
为了更好地利用GIS拓扑图中节点的特性，节点的描述可以如下定义：
式(3)式中flag是一个标志， "1" 表示该元素已搜索过， "-1"表示该元素没有被搜索过。其它属性与元素属性的定义相同。
根据上述原则形成的拓扑网络就能很方便地进行电力系统分析，又能与地理空间位置一一对应。由于该拓扑图中只有点和线，在实际操作开关的时候很难辨别哪个点代表开关、哪个点代表用户等问题。但GIS系统中，图是分层显示的，并且对同层中不同的对象可以根据用户需要设定特殊的图形符号来表示。这样我们就可以在开关层设定通用的开关符号、在变电站层也就设定变电站的符号以及各主要设备我们都能按人们习惯的图形显示，最后再把拓扑层加在所有图层的上面，这样我们对拓扑操作的时候就很方便明确，经过一些背景颜色的设置和图层的关联，用户感觉不到拓扑的存在，好像就跟传统的配网拓扑图一样。这样不但解决了GIS 平台的拓扑不能进行电力高层分析的问题，同时使用户操作起来更方便、直观。
由于我国经济建设的迅猛发展，各地区、城市都在大规模的发展中，与此相应的配电网结构也随之产生经常性的变动、增加和删除一些线路。如果用传统的配电网拓扑分析方法，必须重新画出配网拓扑图，但如果在GIS平台的基础上来处理就相对容易。如果要在已经形成了拓扑的图中添加节点，只需要在相应的位置画上一个点，GIS平台会根据拓扑图中点属性，自动产生该点的属性字段，用户只要根据接点的类别属性填上相应的属性即可；如果要删除一个节点，最简单的办法就是把其元素类字段的属性改成结点（结点与节点不同），因为结点只表示几条线的交点而已，如果一个结点在一条直线上，甚至可以把结点看成是线上的一点。如果要添加线路，可以在电子地图的相应位置通过手工在已经形成了的拓扑图上采用类似添加节点的方法，如果要删除线路可以直接删除即可。尽管通过手工更改拓扑方便，但如果变更的线路过多，难免造成跟实际地理位置坐标的误差，如果经过多次的误差积累，可能就会位置错位。为了保证拓扑图位置的精确性，在增加线路时，线路的杆塔位置尽可能地通过GPS装置采集基础数据，最后与原始的采集数据重新拓扑一次。
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