基于GIS的供電路徑多圖層搜索方法研究

李春平， 王小磊， 孫輝， 周瑋， 欒敬釗， 唐克

(1. 國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116001; 2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

基于GIS的供電路徑多圖層搜索方法研究

李春平1， 王小磊2， 孫輝2， 周瑋2， 欒敬釗1， 唐克1

(1. 國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116001; 2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

近年來，電網(wǎng)智能化和自動化發(fā)展迅速。鑒于傳統(tǒng)的供電路徑搜索方法只能根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系直接進(jìn)行平面式的查詢與分析，根據(jù)地理信息系統(tǒng)的圖層特征與電力網(wǎng)架的框架特點，對基于母線分段的供電路徑搜索算法進(jìn)行改進(jìn)，融入GIS的可視化特征，實現(xiàn)多圖層供電路徑的搜索。實現(xiàn)了電網(wǎng)智能化和自動化的改進(jìn)，完成了多圖層供電路徑分析，提高了電網(wǎng)分析的靈活性。根據(jù)大連某供電區(qū)域的算例結(jié)果表明，算法具有較強的實用性。

電力系統(tǒng)；自動化；地理信息系統(tǒng)；供電路徑；多圖層

0 引 言

目前地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,簡稱GIS)技術(shù)越來越成熟[1]11-12,[2]182,[3]102-103，GIS已經(jīng)廣泛地運用到電力建設(shè)與規(guī)劃中[4-5]。對于電網(wǎng)的自動化與智能化，提出了更高的要求[6]25,[7]45。常規(guī)供電路徑搜索方法僅體現(xiàn)平面上的路徑邏輯關(guān)系，這已不能滿足電力工作人員的需求，實現(xiàn)多圖層可視化供電路徑的分析具有十分重要的意義。

常規(guī)供電路徑搜索方法很多，主要有基于全路徑的搜索方法和基于母線分段的搜索方法[8-9]。多圖層供電路徑搜索的實現(xiàn)需要以GIS為系統(tǒng)支持平臺，基于母線分段的供電路徑搜索方法，根據(jù)GIS的圖層結(jié)構(gòu)特性，完成供電路徑分圖層的搜索。文獻(xiàn)[1]13-14,[2]183-184,[3]104-105系統(tǒng)地介紹了地理信息系統(tǒng)的技術(shù)體系，并突出GIS的技術(shù)及其應(yīng)用；文獻(xiàn)[6]26-28在基于傳統(tǒng)的供電路徑分析算法的基礎(chǔ)上，采用基于母線分段的組合供電路徑分析法對原有的供電路徑選擇方法進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]46-47在分析影響電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)備屬性的基礎(chǔ)上，提出了基于GIS的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和拓?fù)浞治龇椒?；文獻(xiàn)[10]提出一種基于道路網(wǎng)分層最短路徑的算法。

本文根據(jù)電網(wǎng)的網(wǎng)架特點和GIS的結(jié)構(gòu)特征，在基于母線分段的組合供電路徑搜索算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于GIS技術(shù)可視化的電網(wǎng)供電路徑分圖層搜索方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電網(wǎng)潮流計算和負(fù)荷預(yù)測，從而實現(xiàn)供電路徑搜索的可視化和電網(wǎng)分析的智能化。

1 基于GIS的電力框架的設(shè)計

本文基于Supermap桌面版GIS平臺開發(fā)，采用內(nèi)嵌的集成方式建立完整的供電系統(tǒng)網(wǎng)架系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?，供電路徑多圖層可視化搜索的算法通過組件的方式實現(xiàn)，同時與EMS、DMS等系統(tǒng)實現(xiàn)信息的整合，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，確保基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性[11-14]。

本文建立的電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與MIS、EMS和DMS相連接，自動采集系統(tǒng)所需要的電網(wǎng)網(wǎng)架基本數(shù)據(jù)、地理信息和動態(tài)運行數(shù)據(jù)。

在Supermap平臺上，通過連接數(shù)據(jù)庫中的電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將其地理信息編程轉(zhuǎn)化生成GIS中分層次的圖層：地理信息圖層、供電線路圖層和變電站圖層等；圖層中展示出來的是各元件的地理信息以及對應(yīng)的圖形化顯示屬性，圖層中各元件背后關(guān)聯(lián)著數(shù)據(jù)庫中其基本的各項參數(shù)。圖層生成之后，根據(jù)圖層屬性及其所表示的元件，有根據(jù)地將各個圖層進(jìn)行上下層透明疊加，就形成了具有地理信息的電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖，利用其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入與處理、圖形的編輯的空間分析等基本操作，在此基礎(chǔ)上即可進(jìn)行電網(wǎng)供電路徑搜索以及相應(yīng)的電網(wǎng)拓展計算。

2 分圖層供電路徑搜索算法的研究

電力系統(tǒng)供電路徑分圖層可視化搜索算法的實現(xiàn)，既理清了供電路徑中各元件的邏輯關(guān)系，為電網(wǎng)相關(guān)計算奠定一定的基礎(chǔ)，又直觀地展示出基于地圖的可視化路徑。

供電路徑分析是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，采用的是深度優(yōu)先算法搜索元件，其也包含了實際的電力潮流方向這一因素，因此，供電路徑應(yīng)從等值電源(電源進(jìn)線或發(fā)電機)開始搜索[15]。為了避免“環(huán)路”問題，簡化查詢過程，按照母線將供電路徑進(jìn)行分段，然后將這些區(qū)段進(jìn)行合適的組合即可得到完整的供電路徑，這就是基于母線分段的組合供電路徑分析算法的中心思想。

2.1 所有有效供電路徑搜索算法的研究

基于母線分段的組合供電路徑搜索方法，通過與GIS技術(shù)相銜接，編程實現(xiàn)形成基于母線分段的多圖層供電路徑搜索功能插件。

根據(jù)分析，設(shè)置非線路電氣元件的屬性主要有每個電氣元件對應(yīng)的ID、元件類型Type及查詢標(biāo)記mark，其中ID號具有唯一性；供電線路的屬性主要線路兩端所連接元件對應(yīng)的ID號，其代表著電力網(wǎng)架的拓?fù)潢P(guān)系。線路電氣元件的屬性與此類似。

算法的具體實現(xiàn)過程為：

(1)基于等值電源圖層，對區(qū)域內(nèi)等值電源進(jìn)行搜索，搜索到一個，記錄其ID，并根據(jù)等值電源標(biāo)記其屬性mark1，如10000001；進(jìn)入線路圖層搜索包含此ID的線路，搜索到后，標(biāo)記相同的mark1，根據(jù)另一個ID判斷下一個連接元件所在圖層及位置；依此類推直至搜索到母線圖層中的母線；此段路徑的供電方向是單向的。

(2)以母線圖層母線mark1屬性不為0的母線為根開始搜索，標(biāo)記其mark2，如20000001；類似步驟(1)搜索到下層母線為止；mark1或mark2第1位數(shù)字大于等于2的路徑可能是雙向供電；此外為了避免冗余搜索，根據(jù)元件的voltage只能從高電壓等級母線查詢和自身電壓等級相同或比自身電壓等級低的母線。

(3)以母線圖層母線mark1屬性第1位為2的母線為根開始搜索，標(biāo)記其mark2，如30000001；類似方法搜索到出線為止。

通過不斷地循環(huán)(1)～(3)的過程，可以得到所有層次的所有供電路徑。

2.2 針對某一元件的供電路徑搜索算法的研究

若針對某一元件搜索所有可能的供電路徑，在上述搜索方法的基礎(chǔ)上具體步驟如下：

(1)通過ID找到該元件，記錄其非零mark屬性，搜索各個圖層查詢標(biāo)記為相同值的元件，直至母線圖層為止，記錄母線的另一個非同值的查詢標(biāo)記屬性；記錄搜索過程中遍歷過每個元件的ID，存入固定數(shù)組。

(2)根據(jù)搜索到母線的另一個查詢標(biāo)記屬性，進(jìn)行下一輪的搜索；類似步驟(1)方法搜索到上級等值電源，或底層母線或出線為止。

(3)在循環(huán)查找的過程中，每形成一條完整的供電路徑，根據(jù)數(shù)組中的ID，將其對應(yīng)的所有元件屬性復(fù)制到專題圖層，即可得到包含一條完整供電路徑的專題圖層。其中，不同的供電路徑以不同顏色區(qū)分。

按照上述算法，可以得到基于GIS的所有可能的有效的可視化供電路徑。

2.3 拓展功能的實現(xiàn)

在完成多圖層供電路徑搜索與可視化展示之后，可以更加方便快捷地進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計算，通過采用牛頓-拉夫遜法計算潮流，并進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測[16]，即可對電網(wǎng)的供電能力和電能質(zhì)量進(jìn)行分析，進(jìn)而評估電網(wǎng)的供電狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)警操作。當(dāng)超過閾值時發(fā)出警報，提示工作人員采取相應(yīng)措施。拓展功能不是全文重點，其具體內(nèi)容不再贅述。

3 算例分析

圖1 基于GIS的某地區(qū)電力網(wǎng)架

根據(jù)上述的系統(tǒng)設(shè)計以及算法實現(xiàn)，得到構(gòu)建好的基于GIS的大連某區(qū)的電力網(wǎng)架如圖1所示，從圖中可以觀察到各圖層地理信息與電力網(wǎng)架的拓?fù)潢P(guān)系。

以該區(qū)的華昌變?yōu)楹诵?、包?1臺變電站、9條主線路以及相應(yīng)支路的局部電網(wǎng)進(jìn)行分析。根據(jù)一定的規(guī)則對線路進(jìn)行編號，具體編號情況如表1所示，其中3～9號線路因為中間有分叉支路，所以分段表示。

表1 線路編號表

圖2所示的是該區(qū)局部電網(wǎng)的電氣接線圖，其中華昌變和青云變?yōu)橥坏燃壐唠妷?，其余變電站為同一等級低電壓；處于閉合狀態(tài)的開關(guān)及斷路器缺省，圖中“×”號表示該條線路上該處的開關(guān)斷開，無電流通過。

圖2 局部電網(wǎng)接線圖

通過對大連該區(qū)域電網(wǎng)所有的供電路徑分圖層進(jìn)行搜索，根共得到12條供電路徑，具體情況如表2所示。從表中可以看出，在該局部電網(wǎng)中，供電路徑的始端始終是高電壓等級的變電站，末端始終是較低電壓等級的變電站。

表2 供電路徑搜索結(jié)果

圖3 真理變可能的供電路徑

圖4 大連某區(qū)變站點負(fù)載率

通過對真理變所在的供電路徑進(jìn)行搜索，可以得到2條供電路徑，具體可視化供電路徑突出顯示如圖3所示的真理變兩邊1磅圓圈標(biāo)記的兩條線路，即表2中的3號和7號供電路徑。

在供電路徑搜索的基礎(chǔ)上，進(jìn)行潮流計算和負(fù)荷預(yù)測，根據(jù)負(fù)荷需求對電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行評估，得到各變電站的負(fù)載率情況，工作人員根據(jù)情況采取相應(yīng)措施，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)的智能化應(yīng)用。圖4是計算之后GIS上所顯示的該區(qū)變電站負(fù)載率結(jié)果，1.5磅圓圈標(biāo)記的是紅色，表示負(fù)載率越限；1磅圓圈標(biāo)記的是橙色，表示即將越限；無圓圈標(biāo)記的是綠色，表示正常。

4 結(jié)束語

本文在研究電網(wǎng)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和供電路徑的基礎(chǔ)上，將GIS技術(shù)引入電網(wǎng)可視化設(shè)計和應(yīng)用中，進(jìn)行基于GIS的電力網(wǎng)架的構(gòu)建以及多圖層供電路徑搜索可視化的研究。采用基于改進(jìn)母線分段的多圖層供電路徑搜索的方法，減少了數(shù)據(jù)的冗余存儲，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)供電路徑的三維可視化搜索。在此之上，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，完成了電網(wǎng)供電能力評估與電網(wǎng)狀態(tài)預(yù)警，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的可視化和智能化。通過大連某區(qū)電網(wǎng)實例證明，本系統(tǒng)方案真實可行，具有較高的實用價值。

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A Study on the Multi-layer Image Searching Method for Supply Paths Based on GIS

Li Chunping1，Wang Xiaolei2，Sun Hui2，Zhou Wei2，Luan Jingzhao1，Tang Ke1

(1. State Grid Dalian Power Supply Company, Dalian Liaoning 116001, China;2. College of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

In recent years, power grid intelligence and automation have made rapid progress. Since traditional supply path analysis method just completes plane query and analysis on the basis of topological relation, according to image layer features of the geographic information system as well as framework characters of the power network frame, this paper improves the supply path searching algorithm based on the bus section. Furthermore, GIS visualization is integrated to realize multi-layer image searching. The model improves intelligence and automation of the power grid, completes multi-layer image supply path analysis, and raises the flexibility of grid analysis. The results of an example located in a power supply area in Dalian show that this algorithm has a high level of practicability.

power system; automation; GIS; power supply path; multi-layer image

遼寧省博士啟動基金計劃(20121023)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(DUT15QY50)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.022

TM76

A

1000-3886(2016)05-0068-03

李春平(1963-)，男，遼寧鐵嶺人，高工/副總工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度及其自動化研究。 王小磊(1991-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士生，從事電網(wǎng)優(yōu)化運行與電網(wǎng)規(guī)劃的研究工作。 孫輝(1964-)，女，吉林吉林人，教授/博士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析、新能源控制技術(shù)等。 周瑋(1981-)，女，遼寧撫順人，講師/碩士生導(dǎo)師，研究方向為新能源并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)調(diào)度運行與安全分析。 欒敬釗(1981-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，長期從事智能電網(wǎng)、企業(yè)信息化、信息安全等專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)及管理工作。 唐克(1983-)，男，遼寧大連人，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用工作。

定稿日期: 2016-03-04