張東明，常喜強，刁海勇，王維慶，任華

(1.國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆庫爾勒841000; 2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊830047; 3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊830001)

基于GIS系統(tǒng)的配電網(wǎng)分析與研究

張東明1，常喜強3，刁海勇1，王維慶2，任華1

(1.國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆庫爾勒841000; 2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊830047; 3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊830001)

針對配電網(wǎng)自動化改造工程，重點研究了配電網(wǎng)絡(luò)拓撲算法，并在地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)平臺上建立了詳細的配電網(wǎng)模型;在Matlab中編輯了潮流計算程序，并將組件插入到GIS平臺中，調(diào)用潮流計算，結(jié)合實例驗證了配電網(wǎng)模型以及潮流計算的正確性，為配電網(wǎng)自動化改造工程提供了建設(shè)性依據(jù)。

配電網(wǎng)自動化;地理信息系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu);潮流計算

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用電負荷的不斷增加，使得配網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，導(dǎo)致配電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟、高效的運行狀態(tài)受到影響。根據(jù)用電客戶對電能質(zhì)量及其可靠供電的要求不斷提高，供電公司在全國范圍內(nèi)開展基于GIS系統(tǒng)的配網(wǎng)自動化改造工程，因此，基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的配電網(wǎng)的分析已成為科研工作者的研究熱點。

目前，大部分學(xué)者的研究方向主要有以下幾種: 1)研究地理信息系統(tǒng)和可視化技術(shù)融合，用于電網(wǎng)大量數(shù)據(jù)的管理，使得數(shù)據(jù)的查詢與調(diào)用更加方便、直觀;2)研究電網(wǎng)GIS的二次開發(fā)能力，電網(wǎng)GIS需要嵌入大量的電網(wǎng)專業(yè)模塊，對于專業(yè)能力的要求很高，必須要有強大的二次開發(fā)能力;3)由于電力系統(tǒng)的信息系統(tǒng)很多，沒有統(tǒng)一的信息編碼，使得數(shù)據(jù)共享與交換困難，因此，對于GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力的研究也是熱點之一。

下面主要在配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)平臺上建立了配電網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，在此基礎(chǔ)上，詳細分析了配電網(wǎng)的潮流計算，并結(jié)合實例驗證了配電網(wǎng)絡(luò)拓撲模型的正確性，為GIS系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 GIS系統(tǒng)平臺簡介

電網(wǎng)GIS系統(tǒng)主要是利用地理信息系統(tǒng)對地理位置準(zhǔn)確定位，結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對電網(wǎng)進行可視化操作以及大量電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析;是計算機技術(shù)、地理學(xué)技術(shù)、測繪學(xué)技術(shù)、圖形處理技術(shù)相結(jié)合的綜合信息系統(tǒng);是利用地理空間數(shù)據(jù)將用戶所關(guān)心事物的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓撲數(shù)據(jù)和時態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確真實、圖文并茂的輸出給用戶。該系統(tǒng)可以直觀地提供電力系統(tǒng)中相應(yīng)的電力設(shè)備運行狀態(tài)信息、電力生產(chǎn)和管理信息以及電力線路途經(jīng)的自然地理環(huán)境，對電力系統(tǒng)的檢修、運行與維護起著十分重要的作用。

1.1 GIS系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

對電力來說，絕大多數(shù)電網(wǎng)資源都與空間位置具有天然聯(lián)系;地理信息系統(tǒng)(GIS)是構(gòu)建“數(shù)字化電網(wǎng)，信息化企業(yè)”不可或缺的重要技術(shù)，因此，目前GIS已經(jīng)在電力行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。電網(wǎng)企業(yè)的發(fā)電、輸電、變電、配電、調(diào)度、營銷、通信等各個專業(yè)都需要GIS來提高數(shù)據(jù)采集、分析和處理的能力。

通過GIS，一方面可以增強一體化平臺的功能。電網(wǎng)GIS平臺作為一體化平臺的組成部分，作為企業(yè)級公共信息服務(wù)平臺，可以支撐各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的電網(wǎng)空間信息應(yīng)用需求;同時也擴展增強了一體化平臺數(shù)據(jù)中心對于電網(wǎng)企業(yè)四大類數(shù)據(jù)之一的空間數(shù)據(jù)管理支持。

另一方面，GIS作為電網(wǎng)資源綜合集成管理與可視化分析的有效手段，可有效提高數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，提供電網(wǎng)分析輔助決策支持，對于降低企業(yè)生產(chǎn)運營風(fēng)險起重要的作用。

1.2 GIS系統(tǒng)平臺整體框架

圖1 GIS系統(tǒng)平臺整體框架

從GIS平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，在數(shù)據(jù)層面，電網(wǎng)GIS空間數(shù)據(jù)庫中包含四類數(shù)據(jù):基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、電網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)、資源屬性數(shù)據(jù)和電網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù);在功能層面，電網(wǎng)GIS平臺主要包含兩個大的部分:電網(wǎng)資源圖形管理和電網(wǎng)空間信息服務(wù);其中電網(wǎng)資源圖形管理主要實現(xiàn)對基礎(chǔ)圖形、電網(wǎng)模型、電氣圖、專題圖的維護和管理。電網(wǎng)空間信息服務(wù)主要為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供各類電網(wǎng)空間信息服務(wù)。服務(wù)的類型主要包括:圖形瀏覽服務(wù)、查詢定位服務(wù)、矢量圖形服務(wù)、專題圖服務(wù)、空間分析服務(wù)和電網(wǎng)拓撲分析服務(wù)。

從“SG186”中的整體架構(gòu)來看，電網(wǎng)GIS平臺是一體化平臺的一部分。通過數(shù)據(jù)中心、企業(yè)服務(wù)總線實現(xiàn)與各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的橫向集成及總部與網(wǎng)省的縱向貫通;通過應(yīng)用集成，電網(wǎng)GIS空間信息服務(wù)平臺發(fā)布各類電網(wǎng)空間信息服務(wù)，為生產(chǎn)、營銷、ERP、調(diào)度、通信、規(guī)劃設(shè)計、應(yīng)急和實時系統(tǒng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)支撐，實現(xiàn)電網(wǎng)GIS平臺與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的橫向集成;通過數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)交換完成電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)的共享與交換，實現(xiàn)總部和網(wǎng)省的縱向貫通;通過企業(yè)門戶發(fā)布各類空間圖形信息。

2 基于GIS平臺的配電網(wǎng)建模

配電網(wǎng)是由架空線路、電纜、桿塔配電變壓器、隔離開關(guān)、無功補償器及一些附屬設(shè)施等組成的，在電力網(wǎng)中起到重要分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)。

圖2 GIS平臺下的配電線路圖

2.1 配電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析

GIS平臺中根據(jù)配電電氣元件的鏈接關(guān)系，把整個配電網(wǎng)絡(luò)看成線與點相結(jié)合的拓撲結(jié)構(gòu)圖，然后根據(jù)電源節(jié)點、開關(guān)節(jié)點等進行整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲鏈接分析，如圖2所示。它是配電網(wǎng)絡(luò)進行狀態(tài)估計、潮流計算、故障定位、隔離及供電恢復(fù)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等其他分析的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上主要研究潮流計算。

2.2 配電網(wǎng)絡(luò)拓撲算法分析

由于配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生故障或負荷轉(zhuǎn)移操作時，開關(guān)的開合經(jīng)常發(fā)生變化。作為配電網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓撲計算需要進一步提高，因此，迫切需要一個好的網(wǎng)絡(luò)拓撲算法。它不僅能夠滿足配電網(wǎng)自動化中不同高級功能的要求，還應(yīng)能實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)連通性的快速跟蹤和識別，適應(yīng)事件變化;同時還應(yīng)節(jié)省存儲空間和其他高級計算功能的時間。目前國內(nèi)外在這方面現(xiàn)有的研究有關(guān)聯(lián)表矩陣表示法、網(wǎng)基矩陣表示法、結(jié)點消去法、樹搜索表示法、離散處理法等。

采用網(wǎng)基矩陣表示法作為配電網(wǎng)的拓撲算法，該方法是基于圖論的表示方法。其基本思想是:配電網(wǎng)絡(luò)是一個變結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由結(jié)點和弧構(gòu)成。稱變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的各種允許結(jié)構(gòu)形態(tài)為網(wǎng)形，稱所有網(wǎng)形中出現(xiàn)的弧的并集對應(yīng)的基礎(chǔ)圖為變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)基。網(wǎng)基用網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣來描述，將配電網(wǎng)的饋線當(dāng)作無向邊，并采用N行N列的D矩陣加以描述，D矩陣稱作網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣，其中N為配電網(wǎng)中節(jié)點的個數(shù)，即

若節(jié)點i和j之間存在一條邊，則dij=dji=1，其余元素為0。網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣D描述了配電網(wǎng)的潛在聯(lián)接方式，它取決于配電線路的架設(shè)，這種具有潛在聯(lián)接方式的配電網(wǎng)構(gòu)成圖被稱作“網(wǎng)基”。

3 實例分析

3.1 GIS平臺下潮流分析模塊

圖3 配網(wǎng)拓撲算法流程

基于網(wǎng)基矩陣表示法，在Matlab中編輯潮流計算程序，并將該程序的文件生成com組件，插入到配網(wǎng)GIS平臺中，從而可以調(diào)用潮流計算程序。其計算程序流程圖如圖3所示。

圖4所示為某農(nóng)網(wǎng)在GIS平臺下搭建的潮流分析圖，該實例中僅截取了6個節(jié)點。

圖4 GIS平臺下潮流分析圖

3.2 GIS平臺下潮流計算結(jié)果

如圖4所示，該線路上沒有無功補償裝置，電壓相角必然隨著首端到末端逐漸增大。從計算結(jié)果看，是與實際情況相符的，反映了該算法在配電網(wǎng)潮流計算中的實用性。線路潮流計算結(jié)果如表1所示。

表1 線路潮流計算結(jié)果

4 結(jié)論

把整個配網(wǎng)看成是線與點相結(jié)合，在GIS平臺中建立了配電網(wǎng)詳細模型，根據(jù)網(wǎng)基矩陣表示方法分析了配電網(wǎng)的拓撲算法，并在Matlab中編輯潮流計算程序，將該程序的文件生成com組件，插入到配網(wǎng)GIS平臺中，從而可以調(diào)用潮流計算程序計算出潮流結(jié)果。結(jié)合實例分析驗證了模型的正確性。

不足之處是:利用網(wǎng)基矩陣方法從配電網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，能有效地表示配電網(wǎng)絡(luò)拓撲;但它是基于矩陣的表示方法，而配電網(wǎng)絡(luò)的矩陣稀疏程度很高，占用了較大的存儲空間，無法快速跟蹤和識別網(wǎng)絡(luò)故障。下一步將研究GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的問題，在電力系統(tǒng)公共信息模型(CIM)的基礎(chǔ)上建立配電網(wǎng)GIS模型，從而解決了數(shù)據(jù)存儲空間不足的問題，進一步為配網(wǎng)自動化的改造工作提供參考依據(jù)。

［1］曹英麗，鄭偉，周云成.基于GIS平臺的配電網(wǎng)潮流計算［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(14):125－127.

［2］陳根永，陳永華.基于GIS平臺的配電網(wǎng)故障診斷算法［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31(3):71－74.

［3］劉青海，楊建華，楊普，等.基于GIS組件的配電網(wǎng)規(guī)劃與改造軟件［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38 (4):106－109.

［4］周云成.基于GIS的10kV配電網(wǎng)絡(luò)電氣連通性分析［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(10):83－87.

［5］周云成，許童，樸再林.基于CIM的配電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)模型存儲與維護方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(15):104－108.

［6］湯紅衛(wèi)，王華，郭喜慶.一種基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(12):79－82.

張東明(1987)，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制;

常喜強(1976)，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制及風(fēng)力發(fā)電技術(shù);

刁海勇(1973)，高級工程師，研究方向為輸變電檢修技術(shù);

王維慶(1959)，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化和風(fēng)力發(fā)電機組的智能控制;

任華(1985)，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

According to the renovation project of distribution network automation，it focuses on the research of distribution network topology algorithms，and a detailed distribution network model is established on the platform of geographic information system(GIS).The power flow calculation program is edited with Matlab，and the module is inserted into the GIS platform. Based on an example，the correctness of distribution network model and power flow calculation are verified with the call of power flow calculation，which provides a constructive basis for the renovation project of distribution network automation.

distribution network automation;geographic information system;network topology structure;power flow calculation

TM726

A

1003－6954(2015)06－09－03

2015－08－10)

教育部創(chuàng)新團隊項目(IRT1285);國家自然科學(xué)基金項目(51267017)