GIS電網拓撲及其在ORACLE數據庫中的實現

張 鷹，賀 彥

（1.湖州電力局，浙江 湖州 313000；2.清華同方股份有限公司，北京 100083）

目前已經有很多供電企業建立了電網GIS（Geographic Information System，地理信息系統），但真正實用、在用、好用的并不多。筆者認為，造成這種情況的一個重要原因是，系統設計時僅將其定位成在電子地圖上展現電網（即面向“空間實體的拓撲[1-2]展現”）的系統，而沒有將其看作是管理電網電氣設備及其導電關系（即電網拓撲）的系統。事實上，基于此類設計初衷的系統，大多無法滿足電網拓撲的應用需求，很難做到實用化。電網GIS要實用化，不僅要支持空間實體及其拓撲的管理，更重要的是應支持電網拓撲的管理，如拓撲分析、潮流計算等[3]，其中電網拓撲建模是關鍵和基礎。

1 電網拓撲模型

1.1 CIM簡介[4]

電力系統 CIM（Common Information Model，公共信息模型）是IEC 61970標準的核心，最初是為不同廠家開發的EMS（Energy Management System，能量管理系統）集成而提出。CIM采用面向對象的建模技術，提供了一套用對象類、屬性及其關系來表示電力系統資源的標準方法，為各種應用提供了與平臺無關的、統一的電力系統邏輯描述。CIM由若干個包組成，包括：核心包（Core）、拓撲包（Topology）、電線包（Wires）等。

1.2 拓撲包

拓撲包定義了電力系統導電設備之間的電氣連接關系，如圖1所示。每個導電設備（Con-ducting Equipment）都有1個或者n個端點（Terminal）； 端點通過連接點（Connectivity Node）相連接，一個連接點可與多個端點相連。

1.3 拓撲模型的理解

圖2說明了通常的電氣接線圖及其CIM表示（右側），其中實心圓點和大圓盤分別表示導電設備的端點和連接點。從圖2可以看出，在CIM中，兩個導電設備的連接是通過將前者的端點與一個連接點相連，再通過該連接點與后者的端點相連來表示的。例如，圖中的“碧湖206開關”與“10 kV電纜”有電氣連接關系，在CIM里被表示為：“碧湖206開關”的端點T2被連接到連接點Node2，同時Node2又被連接到“10 kV電纜”的端點T3，即通過Node2將開關和電纜連在一起。

圖2 接線圖的CIM表示

2 拓撲的“表”表示

用“表”（或稱“表格”）表示拓撲是計算機存儲和編程的需要。一般需要經過以下步驟：

（1）對所有設備的端點以及連接點分別進行統一編號。

（2）設置3張表：導電設備表，用于描述導電設備基本屬性。端口表，用于描述每個端點與哪個連接點相連。節點表，用于描述每個連接點被連到哪些端點。

（3）在各表中建立其相應關系。

圖3給出了圖2所示電網拓撲的“表”表示。

圖3 拓撲的“表”表示

3 拓撲在ORACLE數據庫中的實現

圖4 拓撲在ORACLE表中存儲

由于輸配電GIS中存在大量的架空線段、電纜線段、電氣連接線、母線段等設備，這些設備的共同特點是線狀、端口數目固定為2個（稱之為Segment對象），如果按圖3表結構來存儲，需要3條記錄，存儲空間較大。若專為Segment對象建一張表，并將其首、末端口作為Segment整體的兩個屬性來存儲，則只需1條記錄，見圖4。這樣，既節省了存儲空間，又提高了查找速度。圖4所示的各表及其結構是在圖3所示的存儲組織基礎上經過優化，并結合查詢需求和ORACLE數據庫的特性而設計的（省去了連接點表），表中的JUNC表示連接點編號，PORT_ID表示端口編號，而GADGET_ID和SEG_ID則對應于導電設備編號。

以圖4中“碧湖260開關”與電氣連接線的連接為例，詳細說明此拓撲在ORACLE表中的具體實現：“碧湖260開關”對應設備表的GADGET_ID＝3399324記錄，其在端口表中有2個端口（即2條記錄），其中3399326端口（開關的下端口）的JUNC是3709305。另外，與“碧湖260開關”相連的電氣連接線存儲在SEGMENT表中，其 SEG_ID＝3709189， 該記錄的 HEAD_JUNC＝3709305。由于它與開關下端口的JUNC編號相同，所以可知兩者相連。

4 拓撲的內存表示

雖然任何應用程序都可以通過訪問ORACLE數據庫獲取電網拓撲，但不夠直觀和方便，解析、存取過程繁瑣，同時也會造成系統整體性能的下降。因此，系統必須解決的問題是如何把電網拓撲的基礎服務集中到一個模塊，并按標準接口提供上層應用，使各項應用無需了解拓撲存儲細節即可獲得電網拓撲。

如圖5所示，“持久化”模塊就能解決這個問題。該模塊隨系統啟動被加載到內存，運行時將存儲在外存（磁盤）上ORACLE數據庫中的電網拓撲表轉換成內存對象，并支撐所有上層應用（如圖形服務模塊、電網建模模塊等）按對象方式進行存取。

這種方案的優點是：

（1）通過內存對象的封裝技術屏蔽數據庫存儲的細節，保持了拓撲的完整性和一致性。如果使用ORACLE SQL語句直接訪問，則會破壞這一約束。

（2）通過對象和指針來訪問內存對象，比直接用SQL訪問數據庫的性能更高，更適合于與高級語言（如C++/C）對接。

圖5 拓撲的內/外存轉換示意圖

5 結語

電網拓撲模型是電網GIS的核心，系統是否具有覆蓋“輸變配低”的電網拓撲是衡量其是否符合電網GIS的一個主要特征。在電網GIS中按CIM標準建模、不依賴于GIS平臺進行模型管理是開發電網GIS系統的重要技術原則。本文為開發實用有效的電網GIS系統提出了電網拓撲模型建立和數據處理的方法和技術，供相關人員借鑒。

[1]涂美義，李星.基于GIS空間實體的自動拓撲模型設計與實現[J].中國地質大學學報，2005，3（01）∶0028-0031.

[2]周順平，李華，杜小平.空間實體的拓撲構建[J].中國地質大學學報，2006，31（05）∶0590-0595.

[3]張伯明.高等電力網絡分析（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]劉靖輝，趙洪山.電力系統CIM模型在ORACLE數據庫中的實現[G].中國高等學校電力系統及其自動化專業第22屆學術年會.2006.