基于GIS的城市配網(wǎng)系統(tǒng)圖自動生成研究

劉中原，吳勝旗

（杭州職業(yè)技術(shù)學院 信息電子工程系，浙江 杭州 310018）

0 引 言

電網(wǎng)運行管理直接面對電力企業(yè)和廣大的電力用戶，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量大，電氣接線復雜，動態(tài)變化頻繁，現(xiàn)有的電網(wǎng)運行管理手段已經(jīng)難以適應現(xiàn)代化電網(wǎng)生產(chǎn)建設和發(fā)展的需要。配網(wǎng)運行調(diào)度、生產(chǎn)管理以及配網(wǎng)自動化、停電故障管理等都需要用到系統(tǒng)圖。配網(wǎng)系統(tǒng)圖是一份能夠反映配電網(wǎng)供電情況的示意圖，是配網(wǎng)安全生產(chǎn)的重要基礎，它的正確與否直接影響到10 kV配電網(wǎng)的安全運行與生產(chǎn)［1］。

如何方便地建立和維護全配電網(wǎng)拓撲模型的配網(wǎng)系統(tǒng)圖是世界性的難題，采用基于GIS統(tǒng)一的配網(wǎng)空間數(shù)據(jù)管理方式則可以大大地減少這些壓力。目前，世界各國都在積極探索基于GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動生成配網(wǎng)系統(tǒng)圖的技術(shù)，但普遍認為存在相當大的技術(shù)難度。在GIS電網(wǎng)設備模型基礎上，研究者通過配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)圖自動成圖軟件來管理龐大的電氣接線圖，而系統(tǒng)圖的線路縱橫交錯，按饋線分少則好幾十條，多則好幾百條；架空導線少則上千公里，多則數(shù)千公里；電纜線路少則數(shù)百公里，多則數(shù)千公里；配變少則兩三千臺，多則上萬臺，各種線路間形成環(huán)網(wǎng)，成圖難度巨大［2-3］。

在系統(tǒng)圖自動成圖領域，國內(nèi)外均無成熟產(chǎn)品推出。國外廠家如ABB均采用手工繪制方式。國內(nèi)目前只有部分廠家具有單條線路的自動成圖技術(shù)；對于系統(tǒng)圖的成圖技術(shù)，因其線路設備數(shù)量遠超單條線路，并且線路間聯(lián)絡環(huán)網(wǎng)，所以自動成圖的技術(shù)難度遠超單條線路。對于該技術(shù)，其他廠家尚未開始開發(fā)或剛剛開始探索［4］。

本研究主要探討基于GIS的城市配網(wǎng)系統(tǒng)圖自動生成的研究。

1 基于GIS的配網(wǎng)空間數(shù)據(jù)管理

建立形成全配電網(wǎng)拓撲模型的系統(tǒng)圖非常有現(xiàn)實意義。但是配電網(wǎng)變更頻繁，配網(wǎng)系統(tǒng)圖做到要與實際現(xiàn)狀完全相符，如何方便地建立和維護全配電網(wǎng)拓撲模型的配網(wǎng)系統(tǒng)圖是世界性的難題。采用基于GIS的統(tǒng)一配網(wǎng)空間數(shù)據(jù)管理方式則可以大大地減少這些壓力，在GIS電網(wǎng)設備模型基礎上，通過配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)圖自動成圖軟件來管理龐大的電氣接線圖，實現(xiàn)應用系統(tǒng)間信息共享已是大勢所趨［5-6］。

該系統(tǒng)架構(gòu)分為3層［7］:系統(tǒng)應用層、數(shù)據(jù)服務層、物理存儲層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)應用層直接調(diào)用GIS系統(tǒng)的空間圖形引擎、電網(wǎng)模型引擎來完成對數(shù)據(jù)的操作。

數(shù)據(jù)服務層對物理存儲層中的原始數(shù)據(jù)進行讀取以及將布局結(jié)果數(shù)據(jù)保存進去，從而最大限度地提高數(shù)據(jù)的共享和功能服務的共享。

物理存儲層存放的是物理數(shù)據(jù)，電網(wǎng)臺賬數(shù)據(jù)存放在Oracle數(shù)據(jù)庫中，電網(wǎng)圖形和電網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)存放于SmallWorld數(shù)據(jù)庫中。

2 系統(tǒng)圖邏輯劃分方式

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)圖中，一個變電站對應一幅圖，把該變電所的所有供電范圍畫在同一幅系統(tǒng)圖中。該種系統(tǒng)圖不但圖形過于復雜，增加了繪圖工作量、圖形易讀性差；而且對于聯(lián)絡的饋線，可能會在多個變電站的多張系統(tǒng)圖里重復出現(xiàn)，如果不能同步更新，就會造成安全隱患。

經(jīng)過調(diào)研以及國內(nèi)外實用系統(tǒng)比較分析，配網(wǎng)系統(tǒng)圖有以下幾種組成方式［8］:

（1）以一個變電所為中心的所有供電范圍，對于聯(lián)絡線，以開環(huán)點為分界。

優(yōu)點:抽取數(shù)據(jù)、生成圖形相對容易；

缺點:不利于調(diào)度員對負荷的轉(zhuǎn)供。

（2）以一個變電所為中心，追溯到與它相鄰有聯(lián)系的變電所所有供電點。

優(yōu)點:對于調(diào)度員調(diào)度轉(zhuǎn)供負荷較為方便；

缺點:圖形顯示信息過多，不利于生成圖形，調(diào)整工作量大，不同圖形重復部分內(nèi)容較多。可讀性差。

（3）以一個變電所為中心，把饋線分組，按供電聯(lián)絡關系組成局部電網(wǎng)部分，形成分區(qū)供電區(qū)域圖。通過下一個局部畫面，即在分區(qū)供電范圍圖上顯示所有詳細圖形。

優(yōu)點:供電范圍清晰，轉(zhuǎn)供負荷方便；

缺點:軟件處理難度較大，必須先處理邏輯分組，生成圖形時要求程序預處理工作較多。

（4）以饋線為單位生成系統(tǒng)圖，到相鄰變電所的供電點。

優(yōu)點:生成方便、維護簡單；

缺點:缺乏系統(tǒng)概念，調(diào)度轉(zhuǎn)供麻煩，對于調(diào)度運行不具有實用性。

綜上所述，選擇第2、第3種方式進行配網(wǎng)系統(tǒng)圖的組織較為合理。但第2種圖信息量太大，可讀性不強。因此，本研究選擇了第3種方式進行配網(wǎng)系統(tǒng)圖的組織。配電網(wǎng)絡的電源點來自變電所，以變電所的10 kV母線為分界，實際配電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)建立這些島。一般的島最多有4個主變電所和互聯(lián)饋線。使用漫游和縮放特性可以非常容易地在畫面上移動。對分層系統(tǒng)圖的訪問可以通過總圖上的層次結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，從供電區(qū)的總圖上可以訪問一組分區(qū)圖和實際的運行分區(qū)畫面。

2.1 變電站聯(lián)絡關系分析模型

本研究通過對電力網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和用電部門的業(yè)務特點的調(diào)查和分析，抽象出變電站之間復雜聯(lián)絡關系的分析模型，提出了依據(jù)線路聯(lián)絡進行供電區(qū)域劃分的方式，很好地解決了復雜系統(tǒng)圖的分區(qū)問題。線路供電方式主要分為聯(lián)絡型、閉合型、輻射型3種，如圖2所示。聯(lián)絡型為線路與其他變電站若干線路形成手拉手關系。閉合型為線路與同一變電站的其他線路形成手拉手關系。輻射型線路為線路與其他線路無手拉手關系。

圖2 線路供電方式

2.2 變電站供電范圍的邏輯劃分方式

本研究分析配電網(wǎng)變電站間線路邏輯聯(lián)絡關系抽象模型，得出變電站與其他變電站之間的環(huán)網(wǎng)線路，每個環(huán)網(wǎng)區(qū)域各成一個供電范圍，剩余的輻射和閉合線路形成一個供電范圍，每個供電范圍對應一幅詳細的系統(tǒng)圖，因為調(diào)度員進行事故處理和負荷轉(zhuǎn)移時都在聯(lián)絡線路間（即一個供電范圍）進行，該種劃分方式不但縮小了單幅系統(tǒng)圖的規(guī)模，也讓使用者感覺更加清晰易用。

2.3 供電范圍圖的布局算法

本研究以圖塊和連線的方式，簡單明了地表達了供電范圍的劃分結(jié)果，并清晰標注出當前變電站出線名稱。以當前變電站為中心，上下兩邊均勻分布供電范圍，標明多個聯(lián)絡變電站的聯(lián)合名稱、供電范圍和當前變電站之間用連線表達聯(lián)絡的線路數(shù)量，并標上當前變電站的出線線路名稱。

2.4 設備邏輯分層方式

本研究對供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設備進行邏輯分層分塊抽象，抽象電網(wǎng)主干網(wǎng)的設備組及連接的設備，對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的分支層再進行分組，分支層設備組在布局時依附到主干設備上，作為另一個單元來處理。

3 等密度約束空間算法

如何把大量的圖形盡量繪制在有效的空間里面，既要保持每個設備清晰可見、線路之間盡量少交叉重疊，又要讓總體幅面空間盡量小，這歷來是自動布局領域的難題。目前業(yè)內(nèi)比較成熟的是單線圖自動成圖算法，單線圖只針對一條線路，設備數(shù)量不到百個級別，形狀是輻射的。而系統(tǒng)圖設備規(guī)模達到千個級別，形狀是多條線路相互環(huán)網(wǎng)，這使得生成難度巨大。

通過對調(diào)度系統(tǒng)圖本身圖形規(guī)范和配電網(wǎng)線路本身特點的分析和研究，本研究提出了等密度約束空間專題圖布局算法，很好地實現(xiàn)了系統(tǒng)圖自動成圖功能［9］。

所謂等密度，就是把所有設備線路盡可能均勻分布在系統(tǒng)圖內(nèi)，這樣有利于系統(tǒng)圖清晰、明了。所謂約束布局，就是在有限的空間內(nèi)，把所有相關設備都呈現(xiàn)在系統(tǒng)圖中，這樣有利于系統(tǒng)圖的完整性和可操作性。所謂空間，是指在一個顯示屏幕的范圍內(nèi)，成圖后一目了然，設備清晰，排列有序，不需要拖動滾動條，就能一眼瀏覽到整張圖紙內(nèi)容，這樣有利于提高工作效率和工作質(zhì)量。

所謂等密度約束空間布局算法就是在有限的圖幅中，通過程序自動劃分區(qū)域，計算單位像素內(nèi)的圖元數(shù)量，將所有供電范圍內(nèi)的圖元合理有序地均勻分布在系統(tǒng)圖中，在有限的空間內(nèi)充分利用空間，最終生成設備識別度高、走線清晰美觀、內(nèi)容完整、可操作性高的配網(wǎng)系統(tǒng)圖的一種方法。

在剛開始研發(fā)的時候，研究者是從集成電路布圖設計規(guī)則中得到啟發(fā)，系統(tǒng)圖成圖原理與它有相似之處，但也有所不同，最大的不同點就是線路板排線圖紙沒有局限性，多張圖紙或者2層、3層板都沒有問題，但針對本研究的系統(tǒng)圖，所有需要呈現(xiàn)的設備必須在一張圖紙中呈現(xiàn)，要求走線清晰，設備識別度高，所以，本研究提出了等密度約束空間布局算法。

筆者通過讀取配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）所維護的整個配電網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)及線路信息，對供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設備進行邏輯分層分塊抽象［10］。電網(wǎng)設備邏輯劃分完成后，筆者接著對主干網(wǎng)的設備組及連接設備的分支層進行分組，分支層設備組在布局時依附到主干設備上，作為一個單元來處理。當系統(tǒng)圖上的所有設備都有了初步的邏輯劃分之后，本研究通過程序運行，先計算圖紙范圍，然后按照圖幅約束條件及連接關系，以米字型為基礎，將圖中所有一級圖元進行空間均勻分布在圖上，例如變電站、刀閘（出線開關）、出線等，一般線路都以正交形式呈現(xiàn)。一級圖元布局完成后，系統(tǒng)圖還是比較干凈清晰的，接著，再進行第2層圖元，即2級圖元布局，依次遞歸下去。經(jīng)過一層一層的圖元布局后，因為空間有限，圖紙內(nèi)容會越來越滿。假如，1條出線上有3條或者更多分線，由于空間限制，程序就很難將多條線路均勻分布在一條出線上，此時，程序會自動在有限空間內(nèi)尋找空閑位置，通過密度（一定像素大小的圖幅內(nèi)所包含的圖元個數(shù)）計算，從東南西北4個方向?qū)ふ?，如果都沒有合適的位置，則向45°角偏移尋找，這樣就可以達到連接線交叉最少、空間使用充分、連線長度最短的效果。

本研究通過設備分層，不但使主干層優(yōu)先布局保證了主干層的美觀，也可分別控制主干層和分支層的圖層顯示、顯示風格，滿足各個不同部門的使用要求。通過分層分區(qū)，很好地解決了系統(tǒng)圖的美觀度及詳細程度的矛盾，使得分級調(diào)度部門能快速處理分支線的應急搶修事故。

4 實例分析

以杭州局為例，自動生成的系統(tǒng)圖清晰直觀、極少交叉，有效避免了人工繪制復雜系統(tǒng)圖所潛在的失誤隱患，又避免了繁重的繪制和更新工作量。在自動成圖的過程中，筆者建立了數(shù)據(jù)間的關聯(lián)，保持了數(shù)據(jù)源的唯一性，避免了信息孤島的產(chǎn)生，也為動態(tài)著色、開關操作防誤提醒、高級分析計算等打下了數(shù)據(jù)基礎。

首先，分析單條線路成圖效果及手工繪制的典型調(diào)度系統(tǒng)圖的特點。單線圖雖然清晰明了，但包括信息太少，文件數(shù)量巨大，維護困難；手工繪制的系統(tǒng)圖維護成本高、圖紙時效性低、數(shù)據(jù)完整性差、數(shù)據(jù)錯誤率高、數(shù)據(jù)不能有效地共享等。

針對以上調(diào)度系統(tǒng)圖制作模式的不足，基于GIS系統(tǒng)所維護的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，本研究提出“變電站供電范圍分區(qū)分層”的全新理念，現(xiàn)針對杭州局的特點進行分析。

（1）分析得出變電站間聯(lián)絡結(jié)果。讀取電網(wǎng)拓撲，分析線路結(jié)構(gòu)，邏輯劃分供電區(qū)域，形成不同的供電區(qū)域，每個區(qū)域?qū)环到y(tǒng)圖，通過這種方式可以有效地減低每幅系統(tǒng)圖的復雜度。

（2）生成變電站供電范圍圖。根據(jù)變電站間聯(lián)絡分析結(jié)果，運行等密度約束空間專題圖布局算法，形成變電站供電范圍圖，如圖3所示。圖3中保持原有電氣拓撲關系，但所有圖元的擺放位置只做邏輯示意，不代表實際位置和長度。

圖3 抽象分析后的變電站供電范圍圖

（3）通過讀取GIS所維護的整個配電網(wǎng)絡的拓撲網(wǎng)絡及線路信息，對供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設備進行邏輯分層分塊抽象，進行設備分層分塊處理。

（4）根據(jù)對供電范圍內(nèi)的電網(wǎng)設備進行邏輯分層分塊抽象后，對主干層設備進行布局［11］，自動成圖后的系統(tǒng)圖主干線層如圖4所示。

圖4 自動成圖后的系統(tǒng)圖主干線層

（5）然后，對分支層設備進行布局，顯示分支層的系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 顯示分支層的系統(tǒng)圖

通過設備分層，不但使主干層優(yōu)先布局保證了主干層的美觀，也可分別控制主干層和分支層的圖層顯示，滿足各個不同部門的使用要求。本研究通過分層分區(qū)，很好地解決了系統(tǒng)圖的美觀度及詳細程度的矛盾，使得分級調(diào)度部門能快速處理分支線的應急搶修事故。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)圖在配網(wǎng)業(yè)務中至為重要，配網(wǎng)運行指揮調(diào)度、生產(chǎn)管理以及配網(wǎng)自動化、停電故障管理等都需要用到系統(tǒng)圖。本研究使用獨創(chuàng)的自動成圖技術(shù)，應用于調(diào)度系統(tǒng)圖的自動生成和日常增量更新功能，在杭州電力局試運行半年時間。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)具有快速高效自動生成橫平豎直正交化接線圖的特點，且能在有限的空間內(nèi)完成電源站室類和線路類設備的布局，同時，避免了線路設備間的交叉與重疊，極大提高了調(diào)度系統(tǒng)圖的可讀性和美觀性。研究者利用自動成圖軟件可以大大減輕系統(tǒng)圖維護工作量，降低系統(tǒng)運維成本。

該系統(tǒng)圖自動成圖軟件同時可以廣泛應用于電力、自來水、煤氣和城市管線綜合管理等領域，將在管線的自動生成、增量更新、信息展示等方面產(chǎn)生重大作用。

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