基于GIS的变电接线图拓扑分析

刘添华，杨 茹，运海红

(黑龙江工程学院 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

基于GIS的变电接线图拓扑分析

刘添华，杨 茹，运海红

(黑龙江工程学院 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

拓扑技术与GIS相结合会为设备管理及辅助决策提供先进的管理工具。变电系统由于设备数量众多、属性繁杂，对整体安全性要求极高，管理难度大。将变电系统设备管理与基于GIS的变电系统接线图拓扑分析工具相结合，充分利用GIS的图形化及存储查询功能和拓扑分析的类型判断优势，同时，在拓扑分析中采用以节点和线路相交替的广度搜索方法，使得对变电设备的搜索判断效率较传统技术手段大幅度提高，经实际运行，效果良好。

GIS；拓扑分析；辅助决策；搜索算法

随着地理信息系统(GIS)技术的不断发展，它在变电管理系统中的应用也越来越深入。变电系统主要特点是设备种类和数量众多，电网结构复杂，各种类型、各种型号的设备需要不同的图例符号表示，因此，搜索设备类型并对设备连通性做出快速判断困难很大，而拓扑关系是空间分析、辅助决策的有力工具。所以，如果将拓扑分析判断优势与GIS的存储查询功能结合起来，对变电电网接线图进行拓扑分析，将会显著提高变电设备查询效率和安全性。

关国翔[1]提出建立电力几何网络，使用Geodatabase建立数据模型，为拓扑分析奠定了基础，赵强[2]分析了启发式搜索方法在电网GIS拓扑分析中的应用，该算法能快速、准确地定位电源点，但在高级分析计算方面仍有不足，需结合电网自身特点进行改进。

1 设备符号定制

变电设备种类繁多，如变压器、电流互感器、发电机、避雷器等，同一类设备又有多种型号，设备状态也比较复杂，如隔离开关有断开、闭合两种状态，需要不同的符号来表示，同时，变电设备也经常更新，新的设备种类不断出现。考虑到以上情况，系统应提供方便、灵活的符号定制功能，由用户根据实际需要，生成自己的符号库。设备符号定制是自动生成变电系统图的基础和前提，也为后面的拓扑分析提供了基础数据。

符号定制功能应提供多种画图工具：直线、弧线、圆、椭圆、矩形、多边形等，可轻松绘制和编辑各类设备符号，编辑功能除基本的复制、剪切、粘贴、删除、移动等，还应包含高级编辑功能，如缩放、旋转、镜像、线路延长、线路打断等。这些功能可通过MapObject平台的画图基本工具完成二次开发。

在制作图例符号的过程中，使用最频繁的是SNAP技术，即捕捉。捕捉是指在计算机屏幕进行图形编辑时，如何根据光标的位置找到需要编辑的图形要素。捕捉方式具体分为两种：节点捕捉和边线捕捉，依托捕捉技术可实现全部电力设备符号的定制，继而实现整个变电所接线图的录入。

以地理背景图为底图(地理背景图由测绘部门提供，包括山川河流、公路街道、建筑物等)，用户可录入变电所、线路，并重点录入变电所内部的母线、连接线和各种设备，生成变电所内接线图，如图1所示。待接线图输入完成后，就可以对整个变电所进行拓扑分析。

图1 变电所接线图

2 拓扑分析

2.1 拓扑基本概念

根据拓扑学原理，图形元素可大致分为点、线、面三种基本形式，在接线图录入过程中，将设备抽象成点元素，将线路抽象成线元素，将整个接线图抽象成网络，该网络就是由以上要素通过一定的连接关系建立起来的，即生成所谓拓扑图。就本文关注的变电接线图拓扑分析而言，就是依据拓扑图中各元素属性，利用一定算法快速准确判断各类带电设备的安全性及连通性，为系统管理与维护提供支持。

2.2 拓扑分析算法

以简单的短路和带电分析为例，用户需首先指定带电电源(如发电机)，再修改隔离开关和断路器的状态(断开或闭合)，然后进行分析。分析包括两步：母线短路分析和带电状态分析。母线短路分析是指两个以上电源同时给同一母线供电，则该母线短路，系统将给出提示信息，并终止分析功能；带电状态分析是指所有母线未发生短路，则根据图形的连通性，进行带电分析。

而面对海量的变电设备及线路情况，必须借助一套算法才能保证对系统的拓扑分析高效、准确。传统算法大多使用深度优先拓扑算法，虽然准确，但运行效率不高。本文考虑到电网结构复杂及设备种类和数量众多的特点，提出一种广度优先拓扑算法，在保证分析准确的前提下提高分析效率，改进变电系统接线图拓扑分析遇到的问题。

广度优先拓扑算法借鉴了深度优先算法的特点，是一种更适合变电网高级应用软件的算法。因为深度优先算法中电网短路电流计算可以采用前推回代法，而该法的计算单元为支路单元，也就是说在计算短路电流时，都是一条支路一条支路地计算，然后回到起点重新开始，支路与支路之间“形同陌路”，所以运行效率不高。根据这个特点，本文的改进算法思路是从变电站出发先深度搜索支路单元，在支路单元内再广度搜索节点和线路，横纵联合，使拓扑分析结果更方便、更高效、更适合高级应用软件使用。

为进一步提高拓扑分析速度，本文提出将拓扑工作分成两次来做：一次拓扑只处理数据排序和母线的工作，它与开关状态无关，可以事先算好，而不用每次拓扑时都进行这个工作；二次拓扑仅当开关状态发生改变时进行，将两者结合使系统分析速度大大提高。

1) 母线的处理。母线是节点的集合，按照电力系统的习惯，将母线定义为线状零阻抗实体，其上节点号码均相同，包括连接线也按这种方式定义。至于开关对母线造成的影响，采用了一种非常简便的方法：开关断开后，母线分裂，分裂出一条或多条母线，则新增母线编号排在初始母线最大编号之后；开关闭合后，删除一条或多条母线，母线合并，采用初始母线编号。这种处理方法实现简单，计算量小，效率高，特别适合开关操作频繁的情况。

2) 开关的处理。拓扑的主要任务是处理开关状态变化所引起的接线变化。GIS系统中，开关是拓扑图的中间点，分别与所连接的线路(线路有母线和连接线两种类型)相关联。当开关状态发生变化时，对母线模型有两种影响：合并母线和分裂母线。然后，根据开关与线路的关联情况，通过GIS连通性分析可以迅速形成网络接线。这个功能还可用于实现带电模拟操作、查询停电范围等高级应用。

拓扑算法步骤如图2所示。

图2 拓扑算法

2.3 拓扑算法的实现

系统将根据图形的连通性，对某一变电所进行带电分析。通过自定义一个函数AnalyzeDdzt()来实现，该函数有一个参数recs，该参数类型为 MapObjects2.Recordset，代表了起始线路的集合。

准备工作：

Dim Lntemp As New MapObjects2.Line ′当前线路

Dim ptstart As New MapObjects2.point ′当前线路的起点

Dim ptend As New MapObjects2.point ′当前线路的终点

Dim RsTemp As New MapObjects2.Recordset ′临时记录集

Dim Featid As Long ′当前线路的Featureid

recs.MoveFirst

其中repts代表当前线路对应的点集，先将该线路的状态改为带电，并定位当前线路的端点，首节点ptstart和末节点ptend。

Set ptstart = repts.Item(0)

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

然后判断线的端点是否与设备相连，将相连设备状态改为带电，发电机和断开的开关除外。

最后，当前线路若包含支路，对支路进行进一步分析。

对分析结果进行刷新显示，带电设备及线路以红色显示，不带电设备及不带电线路以绿色显示。

本文以某地区电网作为实验对象，该变电网的

规模为：38个变电所，127条母线，500多个开关，对本文提出的按广度优先的拓扑算法与传统的拓扑算法作比较，进行拓扑分析后，结果见表1。

表1 变电网拓扑结果

通过上例看出，本文提出的基于GIS的拓扑分析方法在变电系统带电状态分析中比传统算法搜索点数减少了49.7%，搜索效率提高了57.9%，这对于拥有大量设备的变电系统运行状态分析和安全性判定具有十分重要的实用意义。

3 结束语

本文采用的方法已在变电管理系统中得到实际运用，运行稳定，功能实用，效果良好，缩短了拓扑分析时间，提高了变电管理的工作效率，并为更高级的应用软件如负荷分析等提供了基础。

[1]关国翔，蒋廷耀，王训宇.基于ArcGIS Geodatabase实现配电网拓扑分析[J].计算机工程应用技术,2008,3(9):2081-2083.

[2]赵强,杨柳.基于启发式搜索的配电网GIS拓扑分析[J]计算机应用与软件,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]邓雷.基于GIS的电力线路管理和线路抢修路径优化问题的研究[D].北京:华北电力大学,2011.

[5]李春立.变电GIS中配网拓扑特征提取及网络拓扑分析的研究[D].武汉:华中科技大学,2006:22-25.

[6]朱雷,王坚,凌卫青.基于GIS技术的可视化建模[J].中国公共安全,2014(1): 49-53.

[7]张林锋.基于地理信息系统的智能城市电网规划[D].北京:华北电力大学,2007.

[8]陈星莺,孙恕坚,钱锋.一种基于追踪技术的快速电力网拓扑分析方法[J].电网技术,2004,28(5):22-24,34.

[9]王宇,王东.地理信息系统GIS技术在电力系统自动化中的应用[J].黑龙江电力,2007,29(5):354-356.

[10]胡明光,张亮.GIS网络分析功能的实现[J].科教文汇,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

黑龙江省教育厅资助项目(11533052)

刘添华(1976-)，女，讲师，博士研究生，研究方向：计算机应用技术，GIS.

TP311

A

1671-4679(2014)03-0051-03

郝丽英]