基于GIS的配电系统图形编辑

摘要： 本文详细介绍了基于地理信息系统（GIS）的配电运行管理系统（DOM）中的图形编辑模块。针对当前国内配电网管理系统(DMS)中的数据难以统一和维护、开发周期长等难题，提出了行之有效的解决办法。通过使用国际上通用的地理信息的数据存储方式，用图论的数学方法和面向对象的技术建立起面向配电网设备的数学模型，并且提供了各种方便的专题图转换工具，最终使地理图和监控所用的所有专题图数据统一，拓扑关系一致，并为配电网的各种高级应用提供了数据基础。最后，通过一个实际应用的例子，证实了本软件在设计上的合理性和工程中的实用性。

 

1 引文

近几年来，电力系统中引入地理信息系统（ GIS ）进行图形编辑、设备管理、地理查询、网络分析、辅助决策等，已经成为一种趋势，并且发展的越来越成熟和稳定了。借助于地理信息系统的数据录入、管理、查询、分析等各种方便快捷的功能，大大的提高了电力行业的管理水平和服务质量。而配电自动化系统作为一个比较成熟的技术在电力系统中得到了广泛的应用。从配电网运行和管理的实际情况上看，由于配电 GIS 和配电自动化之间存在着很多的数据等各方面的联系，所以拥有一个集配电 GIS 和配电自动化于一体的系统，将是配电网最有实力同时也是最实用的选择，这就是配电运行管理系统（ DOM ）。但是在国内，该技术尚处于起步阶段。有些厂家针对用户的具体情况，提出了一种连接式的方案，就是把用户原有的配电管理系统和配电自动化系统通过底层数据转换等一些特殊的办法连接起来。由于两种数据的格式存在着很大的区别，所以最终数据还是难以维护和统一起来，导致开发周期长，项目迟迟得不到验收。而一些 GIS 厂家研究在自身 GIS 产品的基础上开发配电自动化功能的模式，但是由于他们往往对电力系统业务不熟，所以目前也还没有看到比较实用的系统。本文之所以提出在 GIS 的基础上开发 DOM ，是考虑到目前国际上地理信息系统的数据存储格式已经有相应的标准了，而配电自动化方面却没有 ，所以选择以 GIS 为基础是向标准化靠拢，会有很好的兼容性和通用性。

本文提出的 DOM 软件是脱离 GIS 平台的但又是基于 GIS 开发的，拥有 GIS 的方便快捷的数据录入、查询、管理、分析等功能，在此基础上，利用图论的理论建立配电网的数学模型，真正实现了配电管理系统和配电自动化的一体化。 DOM 系统中，各种管理和分析功能都是建立在数据的基础上，而数据的生成是通过图形编辑系统来完成的。因此，建立合理的数据结构，构造出方便的数据连接关系，都是图形编辑系统要完成的任务。图形编辑部分就是非常重要的一步，是基础，文中将详细介绍 DOM 系统中图形编辑部分的内容。

2 图形编辑中配电网模型的建立

图形编辑的基础部分就是配电网建模。而一个完整的配电网模型，离不开设备和地理信息。本文结合 GIS 的数据存储方式，面向对象分层次、分结构地给出了配电网的数学模型。

2.1数据组成及存储

配电网运行管理系统主要是进行配电网的运行管理和设备管理。结合 GIS 的设备管理需要标识地理位置的空间数据和设备属性的台帐数据，而运行管理又需要设备的实时数据和拓扑信息。所以完整的数据应包括：图形空间数据、设备的属性数据、设备和实时数据的关联信息、实时数据、拓扑信息。本软件中图形的空间数据可以支持国际上流行的各种地理信息存储格式。拓扑关系也保存在 shape 文件中。由于设备的属性数据的数据量比较大，所以采用关系数据库的存储方式。设备和实时数据的关联信息（实时数据库中的表号，点号，设备号等）也保存在关系数据库中。而实时数据和拓扑结果则存储在本系统的实时数据库中，如此多而复杂的数据，通过图形 ID 衔接起来。

2.2拓扑关系一体化

基于GIS的配电网运行管理系统，面临的最大困难就是地理拓扑和电气拓扑的一体化。本文采用以图形为中心的数据层次上的一体化，也就是地理和电气在数学模型上的一体化。

在配电网的实际运行中，开关的分合使电网结构复杂多变，所以利用图论的理论如图和树来描述和分析配电网，会取得比较好的效果。图论是研究和分析配电网络问题的一种有效的数学方法 [7] 。

地理信息系统中的所有空间地物可以抽象为点、线、面。因此，GIS研究的主要拓扑概念为：

①      连接性：弧段在结点处的连接关系。

②      多边形与弧段的拓扑关系表现了多边形区域定义。

③      邻接性：通过定义弧段的左右边及其方向性来判断左右多边形的邻接性。但是电力系统内部是按电网结构和运行逻辑做拓扑分析的，所以是面向设备的，GIS中所构建的拓扑数据不能满足配电网运行、管理及分析的需求。

而基于GIS的配电网的拓扑关系可以分为以下2种：

①      物理拓扑：是指配电网组成部件的物理上的连接关系。它表现的是一种设备之间的永久性的连接关系，比如两根电杆之间有架空线连接，就认为是具有连通性的。

②      运行拓扑:是反映电网的运行状态。电网中的开关等设备的分合状态或故障的发生，都会直接影响拓扑结果。它的更新是由实时数据库提供的实时数据完成的。

这里，电网中的物理拓扑结构是一个具有普遍意义的无向图，图中存在回路。而运行拓扑结构是物理拓扑结构的无向图的生成树。配电网主要是中低压电网部分，而且呈辐射状，所以生成树中的电流是从树根流向它的分枝的。为图形编辑操作方便快捷利用图形编辑建立配电网的物理拓扑结构时只记录连接关系即可，表结构为：标识ID、起始节点、终止节点等。而运行拓扑的图结构则使用了邻接表的方式表达。在图上直观的画完电网结构（即物理拓扑结构）以后，运行一个拓扑生成的模块，就可以生成运行拓扑的图结构，保存在实时数据库中。这个拓扑生成的模块中，利用物理拓扑关系，即设备的连接关系，运用深度优先搜索的算法建立起运行拓扑的图结构中的各个邻接表。邻接表的结构包括：点号、起始节点、终止节点、前向链域、后向链域、其他信息等。

2.3配电网的图层组成

综合地理信息系统的特点和配电网的组成结构,在编辑系统中建立如下８个基本图层和３个辅助图层。其中基本图层是针对配电网中的设备的，而辅助图层则可以编辑各种背景图，比如道路层、房屋层、水系等。

l         双端设备图层：包括断路器、负荷开关等在配电网模型中可以定义为两端元件的设备。模型定义为面。

l         单端设备图层：包括配电变压器等在配电网模型中可以定义为单端元件的设备。模型定义为面。

l         多端设备图层：包括变电所、开闭所、环网柜、分线箱等在配电网模型中可以定义为有多个连接点的设备或站所。模型定义为面。

l         节点图层：在具有连接关系的点。模型定义为点。

l         母线图层：包括变电所内的母线和环网柜等中的虚拟母线。模型定义为线。

l         杆塔：配电网中的电杆。模型定义为面。

l         线路：包括架空线和电缆。模型定义为线。

l         标注：用于显示设备标注和实时数据的文本。模型定义为点。

l         辅助点：不带连接关系的用于编辑背景图的点状图形。模型定义为点。

l         辅助线：不带连接关系的用于编辑背景图的线状图形。如道路等的编辑。模型定义为线。

l         辅助面：不点连接关系的用于编辑背景图的面状图形。如：房屋等的编辑。模型定义为面。

同时利用面向对象的方法，针对每个图层的特性，构造出相应的类。在各个类中完成对象的增加、删除、修改等操作。

3图形编辑的功能

3.1 基本的编辑功能和画图的方法

本软件拥有GIS操作的一些基本的图形操作的功能，比如：放大、缩小、漫游、导航图、图库互查、各种形状的查询、图层管理等,为编辑的操作提供了方便。下面主要介绍编辑功能。

①添加：画图的原则是先画设备，画设备的时候编辑系统会依据所画设备的不同类型在设备上添加相应的节点，类似于锚点，然后再用线把这些点连接起来。另外，每个设备都可以有不同的显示方式，这些信息都保存到该设备的属性图形数据中，所以画设备前要先设置好图形参数。另外，画线路时，当鼠标移动到有节点的位置，屏幕上会高亮显示该节点，以方便用户建立物理拓扑关系。如图1。

为了更快速的画图和拓扑分析的方便，系统中采用了站所内外的设备可以在同一张图上编辑的方法。站所内和站所外通过位于站所边界上的节点连接起来。画图的同时就可以建立物理拓扑结构。如图 2 所示。

② 删除：删除的原则是删除设备的同时，与该设备相连接的节点也一同删除，而删除线路则不删除线路两端的节点。

③移动目标：是指带有拓扑关系的移动，包括整体移动和局部修改。整体移动是指选中目标(这里指设备)后，该目标整体移动的同时与它相连的线路保持拓扑关系一同移动，同样线路的移动则是不带节点的移动。局部修改是指缩放设备和编辑线路的中间点。

图 1 绘制开关间线路

 

图 2 站所内的图形

④修改属性数据：选中目标以后，通过修改属性栏中的相应项，来改变图形的显示属性或其他属性。实时数据的关联也是在属性栏中进行的，通过选中属性“动态点”，在弹出的与实时库接口的界面上选择实时库中的测点，即可完成。

⑤拷贝粘贴：可以进行单个图层的单个或多个设备、多个图层的多个设备的拷贝和粘贴操作。

⑥撤销重复：在画图的过程中记录了操作的每一步，所以可以方便的进行撤销和重复操作。记录操作的步骤可以自定义。

另外，还有一些特殊的编辑操作，比如画线路时的自动取直、画线路的同时可以加杆塔（即线路和杆塔同时画）、设备的旋转（通过鼠标操作完成）、设备的对齐等功能，可以使用户根据需要灵活使用，方便画图。

3.2 自动成图

为了保证所有的图形（包括地理图、主接线图、环网图、站所图、馈线图等）拥有相同的拓扑结果，真正做到一体化，因此在一个工程项目中只要画出地理图即可，其他的专题图都是在此地理图的基础上转换出来的，多个图用相同的数据，除了图形属性不同外，物理拓扑结构等保持地理图上的不变。另外，还可以在转换出来的图形上进行修改，同时支持增量修改，即地理图上的变化，可以增量的在专题图上表现出来。这样就给用户减少了很大的工作量。同时，为方便用户画图，本编辑软件还增加了一个自动画站所图的功能。

各种专题图的生成也为各种图纸的绘制提供了高效便捷的工具，使得图形信息能够及时更新，保证数据信息的准确、完整和一致。

4实例

DOM 已经在配电网中投入使用。图 3 和图 4 是编辑软件的界面。图 3 是地理图形，图 4 是主接线图。如图所示，界面的左边是画图工具条，进行画图前的设备选择。中间是图形区，可以放多个图形，放置的方式有平铺和层叠等。右边通过切换，可以显示图层管理、属性栏、设备树。其中，设备树的结构为变电站、母线、馈线、环网柜、开关，通过点击设备，可以实现设备在图形上的定位，参见图 3 。图库互相查询的结果在属性栏中显示出来，参见图４。图形的编辑可以通过菜单、工具条上的按钮、右键弹出式菜单等方便的进行。

图 3 应用 1

图 4 应用 2 （由地理图转换出来的主接线图）

 

5第三方专业图形平台

　由于开发一个灵活、强大、适用、扩展性强的配电Gis图形编辑平台出来，其复杂率很高，不是几个人在几个月就可以做出来的，所以在现有配电图与配电数据的情况下，使用第三方的图形平台，不失为一种系统集成的好方案，现有的图形平台有些是可以在WEB上，C/S里面进行界面一致的图案设计编辑，而且价格很合理。比如现在电力图形里面应用广泛而且功能强大的图形平台就数北京图王软件开发有限公司的Visaul graph平台。

　　Visual Graph是一套强大的交互图形开发平台，她能非常方便地建造基于矢量图形的界面、制作各种图形元件、实现图形管理、图形建模、制作监控系统、绘图系统、流程设计等。她提供功能非常强大的ActiveX核心组件，和其他流行的编程语言共同工作，极大地弥补了这些语言在图形处理方面的不足。也可以嵌入IE浏览器中，实现网上图形编辑和控制等。
　　Visual Graph专门处理交互图形，与具体业务无关，她提供了十分丰富规范的交互事件和图形控制命令，内置结构简单开放的脚本语言，使程序员能够专心编写后台系统等与图形无关的部分，体系结构十分清晰。Visual Graph ActiveX尺寸小（cab文件300k），功能全。在各个领域都能很好地发挥作用。

6结论

　　配电运行管理系统在现代配电网运行和管理中将扮演越来越重要的角色，而真正实现了配电管理与监控的一体化、实用化的系统会给电力企业带来更大的经济效益。

　　本文详细介绍了基于 GIS 的配电网数学模型，结合图论的方法和面向对象的技术开发的图形编辑功能，能够方便用户画图的同时，生成各种专题图，保证了数据信息的完整和一致性。本图形编辑模型解决了配电管理信息系统中的一个关键技术：数据建模和系统拓扑的一致性问题。在配电网的领域内向实用化前进了一步。同时它的稳定性和可靠性在实际运行中得到了验证。        详情......

        

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