（电力系统及其自动化专业论文）基于gis的城市中压配电网联络线优化研究.pdf

abs tract u r b a n m e d i u m - v o l t a g e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t s o f p o w e r s y s t e m , i s e x p e c t e d t o d i s t r i b u t e e l e c t r i c e n e r g y t o c o n s u m e r s w i t h c o n s i d e r a b l e s e c u r i t y a n d r e l i a b i l it y . e x c e l l e n t p o w e r g r i d s t r u c t u r e c a n n o t o n l y e n h a n c e c a p a b i l i t y a n d q u a l i t y o f p o w e r s u p p l y b u t a l s o d e c r e a s e fr e q u e n c y o f a c c i d e n t s . t h e r e f o r e , m e d iu m v o l t a g e d i s t r i b u t io n p l a n n i n g i s v e ry s i g n i f i c a n t , f o r i t d i r e c t ly in fl u e n c e s f u t u r e u r b a n p o w e r g r i d s t r u c t u r e a s w e l l a s t h e r e l i a b i l i t y a n d e c o n o m i c a l e f fi c i e n c y o f p o w e r n e t w o r k o p e r a t i o n . d i s t r i b u t i o n n e t w o r k i s d e s i g n e d i n c l o s e d l o o p a n d o p e r a t e d i n o p e n l o o p . s t u d y f o r t i e l i n e s p l a n n i n g o f p o w e r d i s t r i b u t i o n n e t w o r k i s a d v a n c e d i n t h i s d i s s e rt a t i o n , b a s e d o n t h e f o r m a t i o n o f r a d i a l p o w e r n e t w o r k . a m e t h o d f o r t h e s t u d y i s p r o p o s e d a s f o l l o w s : s i m p l e r i n g m o d e o f c o n n e c t i o n s h o u l d b e p l a n n e d p r i m a r i l y ; a l o n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f p o w e r n e t w o r k , m o r e c o m p l i c a t e d m o d e s o f c o n n e c t i o n c a n b e c o n s i d e r e d . u r b a n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k p o s s e s s e s o b v i o u s g e o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t ic s i n t h a t t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n s , l o a d s a n d f e e d e r s a r e l o c a t e d a c c o r d i n g t o g e o g r a p h ic p o s i t i o n s . t h u s e m p l o y i n g g e o g r a p h i c in f o r m a t i o n s y s t e m c a n o ff e r e ff e c t i v e f u n c t i o n s s u c h a s s p a t i a l s e a r c h a n d a n a l y s i s . c o n s i d e r i n g t h e a t t r ib u t e s o f t i e l in e s p l a n n i n g , a d i s t r ib u t i o n n e t w o r k s p a t i a l d a t a b a s e s y s t e m i s d e v e l o p e d . i t i s a n a u x i l i a r y t o o l f o r p l a n n in g , w h i c h c a n m a k e p l a n n i n g r e s u l t m o re v a l u a b l e a c h i e v i n g t h e t i e l i n e s p l a n n i n g w i t h m i n i m a l c o s t w h i l e m e e t i n g o n e - t o - o n e c o n n e c t i o n b e t w e e n f e e d e r s i s a c o m p l e x g l o b a l o p t im i z a t io n p r o b l e m . b a s e d o n s p a t i a l d a t a b a s e , a n a l g o r i t h m f o r t i e l i n e s p l a n n in g i s p r e s e n t e d , w h i c h i s c o n s t i t u t e d b y g e n e t i c a l g o r i t h m s a n d g r a p h t h e o ry . t h e k e y i d e a o f t h e a l g o r i t h m i s a s f o l l o w s : w it h i n t h e w h o l e p l a n n i n g a r e a , t h e o r d e r o f t r a v e r s i n g t h e t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n s i s s e a r c h e d b y g e n e t i c a l g o r it h m s ; a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t o r d e r s , t i e l i n e s b e t w e e n t h e f e e d e r s o f e v e ry t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n a r e p l a n n e d ; w h e n p l a n n i n g t i e l i n e s , m i n i m u m c a r d i n a l i t y m a t c h i n g s a l g o r i t h m in b i p a r t it e g r a p h s i s u s e d t o a c h i e v e c o n n e c t i o n s c h e me b e t we e n t h e f e e d e r s o f t h e c u r r e n t t r a n s f o r me r s u b s t a t i o n a n d t h o s e o f i t s a d j a c e n t s u b s t a t i o n s . me a n w h i l e , t h e c o s t o f t h e t i e l in e s m u s t b e m i n i m i z e d . t h e s e a r c h r a n g e o f t i e l i n e s i s l i m i t e d i n t h e s h o rt e s t p a t h s a m o n g t h e c o n n e c t i o n p o i n t s o f f e e d e r s . e v e n t u a l l y , t h e o p t i m u m p la n n i n g r e s u l t i s t h e o n e w it h mi n i ma l c o s t . a c c o r d i n g t o t h e a l g o r i t h m , s o f tw a re i s d e v e l o p e d t o r e a l i z e a u t o m a t i c t i e li n e s p l a n n in g . t h e r e s u l t s o f e x a m p l e s a r e s a t i s f a c t o ry . a n d t h e s y s t e m c a n b e a n e ff e c t i v e a s s i s t a n t t o o l f o r p o w e r d i s t r i b u t i o n p l a n n i n g k e y wo r d s : p o w e r d i s t r i b u t i o n p la n n in g , t ie l in e , g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m , g e n e t i c a l g o r i t h ms , g r a p h t h e o ry 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得k* k芜- 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 储 签 名 : 多 泪 签 字 日 期 : ， ， 年 月 ， 。 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解 . * k* 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权k* k 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 “ : 只 m - 导师签名: 签 字日 期 : 毕 年 月 i日 签 字 日 期 : “ 叶 年6 月 1 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1城市配电网规划概述 城市电网是城市范围内为城市供电的各级电压电网的总称，它包括送电网、 高 压配电网、 中 压配电网 和低压配电网 d 1 。 城市电网是电 力系统的 重要组 成部分， 又是其主要的负荷中心， 具有用电量大、 负荷密度高、 安全可靠和供电 质量要求 高的特点。 近年来， 随着我国经济的飞速发展， 城市电力负荷的不断增长， 并且 各类用户对电能质量和供电可靠性要求的提高， 普遍出现城网不能充分满足各方 面要求的现象。 特别是近两年来， 全国出 现大范围的缺电状况， 很多城市不得不 执行拉闸限电的措施来缓解缺电的局面。 因此， 城市电网规划已经成为一个急需 解决的迫切任务。 城网规划研究具有非常重要和长远的社会及经济意义。 首先， 良 好的网架结 构能够加强系统的供电能力， 提高供电 质量， 减少事故发生的频率。 其次， 配电 网建设投资巨大。 我国正在逐步重视城网的建设， 并在不断增加网络建设的投资 费用。 近年来国家更是投入上千亿元资金对城乡电网进行重点改造。 如此巨 大的 资金必须合理有效的利用， 并取得最大的效益。 如何科学地完成配电网规划工作， 提高供电质量和供电可靠性， 并合理地利用资金和各种资源， 是电力部门 非常关 注的问题。 城市配电网规划是包括负荷及负荷分布预测、高压变电站规划选址和定容、 配电网络规划和无功优化、 配网系统方案的计算和评估等内 容的复杂、 庞大的系 统工程 12 1配电网络规划的要求包括: 具 有稳定可靠的 供电 能力， 具 有较大的灵 活性和适应性， 认真考虑经济性，网 架结构分层分片，简化接线增大容 量等3 1 城市中压配电网是电网直接对用户供给用电负荷的重要组成部分， 它由高压 变电所的中压配电装置， 开关所， 配电 所和架空线或电缆线路等部分组成， 其功 能是将电力安全、可靠、 经济、 合理地分配到用户。 在城网规划中，中压配电网 络规划是极其重要的环节， 它直接影响着未来城市中低压配电网的结构以 及城市 电网运行的经济性和可靠性。 中压配电网规划中， 要求配电系统闭环设计开环运 行。 在正常情况下， 配电网以辐射式网络供电。 为了保证电网的供电可靠性以 及 运行灵活性，配电网中的高压变电站的出线之间应加强联络，构成环网。 第一章 绪论 1 . 2中压配电网规划研究现状概述 正因为配电网规划有着上节所述的重要意义， 因此， 在电力系统研究领域中 城市配电网络规划一直是普遍关注的问题。 但目 前绝大部分电力部门仍然采用传 统手段，由人工或借助于简单的c a d制图工具来规划与设计配电网络，这不仅 费时、 费力， 而且要在数以百万计的可选设计方案中， 并兼顾网络结构、 地理特 征、 城市整体发展等各方面的制约因素， 找到一个最优或次最优方案是非常困难 的， 甚至是不可能的。 要解决这个问题， 就要求电力工作者需要应用合理有效的 算法并结合专家经验，借助计算机来完成这一复杂的工作。 目前， 在开发计算机自 动布置配电线路的工作过程中， 考虑到中压配电网络 结构和城市地理条件等复杂性以及安全性和可靠性约束， 一般将中压配电网络规 划分成两阶段来完成: ( 1 )在负荷预测和高压变电站规划完成的基础上，对每个高压变电站的出 线分别单独设计， 根据变电 站的供电范围以及该范围内的负荷情况， 形成辐射型 树状供电网络。 ( 2 )根据辐射型网络的结构，考虑变电站出线备用容量的限制以及可靠性 约束等条件， 并满足投资费用最小的情况下， 确定电网接线模式以及联络线路的 走向。 配电网络规划的算法主要集中于数学优化方法和启发式方法。 传统数学优化方法首先应针对解决的问题建立数学模型， 例如: 线性及非线 性模型、 整数模型等。 然后用数学优化算法对模型求解， 例如单纯型法、 动态规 划法、 分支定界法等。 但大多数学优化方法都受到计算复杂性问题的困扰， 当求 解问题维数增大时，解空间急剧增加，即面临 “ 维数灾， 。 针对配电网络规划这一复杂系统优化问题，并为了克服数学优化方法的弊 端， 各种基于随机化技术的现代启发式优化方法研究正处于活跃的发展阶段， 其 中 包 括遗传 算法 ( g e n e t i c a l g o r it h m s ) 、 模拟退火 算 法 ( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ) , t a b u 搜索算法 ( t a b u s e a r c h ) 等。 文献砰 、 5 1 , 6 和 7 均提出了 应用遗传算法 进行配电网网架设计。 文献1 8 1 和 9 介绍了 用t a b u 搜索算法求解配电网 络规划问 题。文献 1 0 1 提出了 基于支路交换的 模拟退火算法在配电网 规划中的 应用。 配电网络规划不仅要考虑负荷情况以及可靠性等因素， 还要针对不同规划地 区的地形地貌及城市整体规划等复杂地理因素的特点， 做到有的 放矢。 随着计算 机技术的快速发展， 地理信息系统正在被逐步应用于配电网络规划的研究中。 将 地理拓扑结构信息存储于地理信息系统数据库中，构成配网规划决策支持系统， 这不仅可以 加快配网的 设 计过程， 而且最终可以 产生经济、高效的 设计方案f i l l 第一章 绪论 1 . 3本文的主要研究工作 如前所述， 配电网规划自 动布线研究分为两个阶段。 本文所做工作是在自 动 布线第一阶段完成， 即中压配电网 辐射型供电网络已经形成， 高压变电 站出线数 量及其线路走向己经确定的情况下， 进行中压配电网联络线优化算法的研究， 并 开发相应的软件系统。 力求使其达到实用化的程度， 能够辅助配网规划人员更好 地完成配电网络规划的任务。 联络线优化系统研究是一个既有理论意义， 又有很 高的实用价值的课题。 本文联络线优化研究需要解决的问题为: 在正常运行时的辐射型供电网络的 基础上， 满足n -1 安全准则，即任一个中压线路停运时， 仍能保持向 用户继续 供电、 不过负荷、 不限制电能供应， 每个变电站充分利用所有相邻站为备用， 网 络中各个出线都有可能承担联络的功能， 并且出线间一对一联络， 求得使空载联 络线固定投资费用最小的联络方案，并且易于计算机实现。 对配电网络联络线优化问题复杂性进行详细分析的基础上， 本文决定以 配电 网 g i s空间数据库为基础，采用具有较强全局优化能力的遗传算法和网 络图论 的相关理论对出线的联络方式及联络线的走向进行优化计算。 该算法的核心思想 是: 在整个规划区域内， 分别对每一个高压变电 站的出线进行联络线的 优化， 对 于当前正在进行优化的变电站来讲， 可能与其出线相联络的其他出线应优先考虑 从与该站供电范围相邻的高压变电站的出线中选取， 并满足当前规划站的 联络线 投资费用最小。 当所有变电站出线的联络线优化结束， 整体联络方案总投资费用 即为每个变电站联络线投资的总和。 但由于以不同变电站的规划顺序进行优化势 必会造成不同的联络方案， 所以， 要力图以 所有可能的变电站规划顺序进行联络 线的优化，最后以总投资费用最小的方案作为最终的联络方案。 根据上述算法和需求， 本文开发了配电网联络线优化计算软件。 其系统框架 如图 1 一1 。软件设计为客户层、业务层、数据层三层体系结构，并应用面向 对 象编程方法进行程序设计， 用c + + 程序语言实 现核心计算程序。 该软件运行效果 良好，可以达到实用化的程度。 第一章 绪论 配 电 gi s 地 图 一 一 . - 一 _ ， 一 一. 一 世蟾彰宜俐s工d 数 据 预 处 理 上 联 络 线 优 化 计 算 丰 结 果 显 示 图1 一1联络线优化系统框架 以下章节将详细论述配电网中地理信息系统的应用，联络线优化问题分析， 中压配电网接线模式， 联络线优化算法的具体求解策略， 软件分析和设计， 及算 例分析等内容。 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 2 . 1地理信息系统概述 2 . 1 . 1 g i s 的基本概念 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t io n s y s t e m , 缩写为g i s ) 是一 个有组 织 的计算机软件和硬件的集合， 运用系统工程和信息科学的理论， 科学管理和综合 分析具有空间内 涵的地理数据，以提供对规划、 管理、 决策和研究所需信息的空 间信息系统。 g i s 是一个包含综合性技术的交叉学科， 涉及计算机科学、 地理学、 测绘和遥感学、 环境科学、 城市科学、空间科学、 地球科学、 信息科学和管理科 学 等。 g i s 的 应用范围 十分广泛， 涉及各 类资 源与 环境的 调 查、 监测、 规 划、 决 策与管理。 地理信息系统的特点是将空间数据信息 ( 地图) 及社会属性信息 ( 数据库) 结合起来， 实现图和数据库的共同处理和查询分析，图文并茂、 形象直观。 对空 间数据信息及其相关的社会属性信息的处理是 g i s的基本功能。空间 信息的查 询和分析是 g i s与其他数据处理系统的主要区别。而及时地更新数据库，大规 模、 综合性地管理与地理分布相关的信息则是其典型的特点。 g i s的基本功能主 要 由 四 部 分 组 成 112 1 . ( 1 )信息获取与输入:从各种数据源中收集并处理空间数据。这一系统还 主要负责不同类型的空间数据间的转换; ( 2 )数据存储与管理:以允许检索、更新、编辑的方式组织空间数据; ( 3 )数据转换与分析:用数据进行工作，如聚合与分散、评估参数与条件 限制、进行模型功能; ( 4 )成果生成与输出:以表格、图形、地图等形式显示输出全部或部分数 据库。 2 . 1 . 2 g i s 空间数据 2 . 1 . 2 . 1 g i s 空间数据的获取及处理 空间数据的获取技术有多种方式， 包括野外全站仪平板测量、 g p s 测量、 室 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 2 . 1地理信息系统概述 2 . 1 . 1 g i s 的基本概念 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t io n s y s t e m , 缩写为g i s ) 是一 个有组 织 的计算机软件和硬件的集合， 运用系统工程和信息科学的理论， 科学管理和综合 分析具有空间内 涵的地理数据，以提供对规划、 管理、 决策和研究所需信息的空 间信息系统。 g i s 是一个包含综合性技术的交叉学科， 涉及计算机科学、 地理学、 测绘和遥感学、 环境科学、 城市科学、空间科学、 地球科学、 信息科学和管理科 学 等。 g i s 的 应用范围 十分广泛， 涉及各 类资 源与 环境的 调 查、 监测、 规 划、 决 策与管理。 地理信息系统的特点是将空间数据信息 ( 地图) 及社会属性信息 ( 数据库) 结合起来， 实现图和数据库的共同处理和查询分析，图文并茂、 形象直观。 对空 间数据信息及其相关的社会属性信息的处理是 g i s的基本功能。空间 信息的查 询和分析是 g i s与其他数据处理系统的主要区别。而及时地更新数据库，大规 模、 综合性地管理与地理分布相关的信息则是其典型的特点。 g i s的基本功能主 要 由 四 部 分 组 成 112 1 . ( 1 )信息获取与输入:从各种数据源中收集并处理空间数据。这一系统还 主要负责不同类型的空间数据间的转换; ( 2 )数据存储与管理:以允许检索、更新、编辑的方式组织空间数据; ( 3 )数据转换与分析:用数据进行工作，如聚合与分散、评估参数与条件 限制、进行模型功能; ( 4 )成果生成与输出:以表格、图形、地图等形式显示输出全部或部分数 据库。 2 . 1 . 2 g i s 空间数据 2 . 1 . 2 . 1 g i s 空间数据的获取及处理 空间数据的获取技术有多种方式， 包括野外全站仪平板测量、 g p s 测量、 室 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 内 地图 扫描数字化、数字摄影 测量、 从遥感影像进行目 标测量等1 3 1 。目 前，空 间信息获取技术已基本成熟。但是，对于地物目 标的自 动识别和自 动测量问题， 包括扫描地图的要素识别、 数字摄影测量和遥感目 标的自 动提取还是一 个需要长 期研究的课题， 短期内难以取得突破。 在数据获取以后， 进行空间数据的处理是 一项重要工作。一般情况下，初始获取的空间数据还不能满足 g i s的要求，要 进行加工处理， 如进行数据清理、 检查、 建立拓扑关系、 数据格式转换、 制作成 符合要求的g i s 数据等。 g i s中的空间数据是指将地理信息实体输入到计算机系统中并进行处理后 的数字集合，可分为: . 空间数据 ( 图形数据) : 空间数据是构成地理内容要素的几何图 形， 大致 可以分为点、线、面三种基本类型。 .语义数据 ( 属性数据) : 语义数据又称为非几何数据， 包括定性数据和定 量数据. 定性数据用来描述要素的分类或对要素进行标名。 定量数据是说明要素 的性质、特性。 2 . 1 . 2 . 2 g i s 空间数据结构 地理信息系统的空间数据结构通常分为栅格结构和矢量结构两类。 在栅格结构中， 空间被规则地划分为栅格， 通常栅格为正方形， 地理实体的 位置和状态是用它们所占据的栅格的行和列来定义。 每一个栅格对应于一个特定 的空间 位置， 栅格的值表达了这个位置的 状态。 栅格数据结构具有结构简单、 空 间叠置和易于进行空间分析等特点。 栅格数据的表示有栅格矩阵、 行程编码、 四 叉树编码等。 矢量数据结构中，空间目 标可以划分为点 ( 节点) 、线 ( 弧段)或面 ( 多边 形) 三种基本类型， 每种类型均可用采样点的 坐标对来表示o n . 点 (., y ) 线( x i , y a ( x z , y , ) , 面(x i , y j ( x f , y z b ， 矢量数据结构应用较为广泛 ( x , y ) ( x , y ) ， 且 (x i , y )=(- . , y . ) 。在配电 g i s中，它可以很好的抽象和表达配 电网的各种信息。点、 线、面可组成网络， 相互之间可建立起拓扑关系。 配电网 具有上述三类图形特征， 例如， 点可以表示负荷或变电站， 线可以 表示街道线路 或架空线及电 缆线路， 面可以表示供电范围或负荷地块。 除了记录空间目 标的几 何图形数据外， 还要考虑与这个目 标有关的属性信息以及空间目 标之间的相互关 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 系，以 满足空间查询和空间分析的需要。 在几何形态方面， 常用解析几何方法来 分析，主要涉及几何目 标的坐标、角度、方向、 距离、 周长和面积等， 例如， 供 电 线路的长度，供电范围的大小等。在空间关系方面，则采用拓扑几何来描述， 例如， 高压变电站供电范围的相邻关系， 负荷所属的变电 站供电范围， 线路的联 络关系等。矢量型 g i s中每个几何要素还可定义非几何的属性信息，例如:变 电 站的名称、容量及负荷率，负荷点的负荷量、负荷性质，线路负载率等。 2 . 2 g i s 在电力系统中的应用概述 在电力系统中， 输电网络、 配电网络、 发电厂及设备、 用户和负荷等资源都 是按照地理分布的， 标明有各种电力设备和线路的地理位置图是电力部门用来管 理、 维修电力设备和寻找及排除设备故障的有利工具。 在设备结构复杂、 地域分 布广泛的电力企业， 根据不同的分工， 分成很多垂直部门， 如调度、 用电、 输变 电等。 这些部门之间既彼此独立，又相互合作。 g i s 作为一个基础平台， 应用在 电力企业各个部门中， 可以 满足电力企业统一管理、 统一规划的需要。 g i s以良 好的开发性和可扩展性， 以其丰富直观的表达形式、 强大的地理数据管理和分析 能力为复杂的电网数据管理、 分析、 规划和维护检修提供了强有力的工具。 而正 确、 全面、及时地获取电力企业的各种资源信息，并加以 提炼、分析， 为电力企 业的管理者和决策者提供辅助决策的依据， 从而保障电力网络安全、 高效地运作， 以及为更多用户提供更完善周到的服务， 这正是在电力企业内建设地理信息系统 和管理信息系统的根本出发点。电力 g i s系统支持的主要功能包括:地理背景 地图显示， 图形建模， 线路与设备的查询、 统计， 用户查询，自 动制图，电网分 析 ， 辅 助 决 策 等 14 1 城市配电网有着明显的地理分布特性， 具有数据量大， 分布广的特点。 借助 g i s 提供的地理背景图形界面，可以进行配电生产运行管理，配电网的可靠性、 线损、 电压的统计分析， 配电网的规划和工程设计， 配电网的施工计划和工程管 理等， 实现配网管理的自 动化。 配电网地理信息系统是以 供电区域的电子地图为 背景， 显示变电站、主干线路、 分支线路、 杆塔、 变压器、电容器、开关、避雷 器等，从而确定它们的空间位置和相互关系，同时建立它们的属性数据。目 前， 地理信息系统在配电网 络规划中的应用日 趋广泛。 文献 5 1 , 1 1 1 , 1 5 1 , 1 6 嘟 介绍了 基于g i s 的自 动布线方法， 文献 1 7 1 介绍了g i s 在变电 站选址方面的 应用， 文献 1 8 , 1 9 介绍了 基于g i s 城市电网 规划软 件包的开 发， 其中 包括软件的 整 体结构以及主要功能。 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 系，以 满足空间查询和空间分析的需要。 在几何形态方面， 常用解析几何方法来 分析，主要涉及几何目 标的坐标、角度、方向、 距离、 周长和面积等， 例如， 供 电 线路的长度，供电范围的大小等。在空间关系方面，则采用拓扑几何来描述， 例如， 高压变电站供电范围的相邻关系， 负荷所属的变电 站供电范围， 线路的联 络关系等。矢量型 g i s中每个几何要素还可定义非几何的属性信息，例如:变 电 站的名称、容量及负荷率，负荷点的负荷量、负荷性质，线路负载率等。 2 . 2 g i s 在电力系统中的应用概述 在电力系统中， 输电网络、 配电网络、 发电厂及设备、 用户和负荷等资源都 是按照地理分布的， 标明有各种电力设备和线路的地理位置图是电力部门用来管 理、 维修电力设备和寻找及排除设备故障的有利工具。 在设备结构复杂、 地域分 布广泛的电力企业， 根据不同的分工， 分成很多垂直部门， 如调度、 用电、 输变 电等。 这些部门之间既彼此独立，又相互合作。 g i s 作为一个基础平台， 应用在 电力企业各个部门中， 可以 满足电力企业统一管理、 统一规划的需要。 g i s以良 好的开发性和可扩展性， 以其丰富直观的表达形式、 强大的地理数据管理和分析 能力为复杂的电网数据管理、 分析、 规划和维护检修提供了强有力的工具。 而正 确、 全面、及时地获取电力企业的各种资源信息，并加以 提炼、分析， 为电力企 业的管理者和决策者提供辅助决策的依据， 从而保障电力网络安全、 高效地运作， 以及为更多用户提供更完善周到的服务， 这正是在电力企业内建设地理信息系统 和管理信息系统的根本出发点。电力 g i s系统支持的主要功能包括:地理背景 地图显示， 图形建模， 线路与设备的查询、 统计， 用户查询，自 动制图，电网分 析 ， 辅 助 决 策 等 14 1 城市配电网有着明显的地理分布特性， 具有数据量大， 分布广的特点。 借助 g i s 提供的地理背景图形界面，可以进行配电生产运行管理，配电网的可靠性、 线损、 电压的统计分析， 配电网的规划和工程设计， 配电网的施工计划和工程管 理等， 实现配网管理的自 动化。 配电网地理信息系统是以 供电区域的电子地图为 背景， 显示变电站、主干线路、 分支线路、 杆塔、 变压器、电容器、开关、避雷 器等，从而确定它们的空间位置和相互关系，同时建立它们的属性数据。目 前， 地理信息系统在配电网 络规划中的应用日 趋广泛。 文献 5 1 , 1 1 1 , 1 5 1 , 1 6 嘟 介绍了 基于g i s 的自 动布线方法， 文献 1 7 1 介绍了g i s 在变电 站选址方面的 应用， 文献 1 8 , 1 9 介绍了 基于g i s 城市电网 规划软 件包的开 发， 其中 包括软件的 整 体结构以及主要功能。 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 2 . 3配电网联络线优化系统中g i s 的应用 配电网络具有多层次性， 且其中元素， 如变电站，负荷，出线等， 均具有地 理特性， 所以它对地理信息的依赖程度很高。 地理信息系统空间数据库能够表达 空间信息和实体属性数据。 针对于联络线的优化规划来讲， 要根据街道拓扑结构， 高压变电站及其出线等信息， 从众多可行街道中选择出联络线路的最佳走向。 开 发g i s 空间数据库管理系统可以有效地提供地理实体的空间查询和分析等功能， 为配电网络的规划工作提供强有力的辅助手段，使规划结果更具有实际价值。 2 . 3 . 1原始数据的处理 在进行联络线优化工作前， 负荷位置和负荷量及变电站的站址和容量均己 确 定， 并且辐射型供电网络已经形成， 即出线的容量和走向已经确定。 为了 进行联 络线优化必须对己知信息进行处理，生成计算需要的数据形式。 通常， 现有的规划区域的地理信息是从当地的市政规划部门获得， 其中不仅 包括街道线路， 还有河流、山脉、 建筑物等众多的地理数据。目 前的计算机技术 还很难准确地自 动识别和搜索出街道信息。 所以 在优化计算前， 要对现有的地理 图加工处理。这就要求配电规划人员要根据实际地形，利用a u t o c a d的 绘图功 能手工绘制道路中心线， 确定出可能铺设联络线的街道范围。 虽然手工绘制会消 耗一定的劳动量，但是这种方式具有以下几个突出的优点: . 规划人员可以有效地剔除不能走线的道路，例如，相对狭窄的街道、河 流或者不能进行施工的道路等。 . 基于g i s 的联络线优化问 题具有组合优化的性质，问题中维度的 增加会 使搜索空间急剧加大。 在优化计算前， 已 经从大量地理数据中提取出有用的信息， 从而缩小了优化计算的搜索范围，使计算速度加快。 . 无需实现计算机自 动识别道路，节省开发时间。实现自 动识别街道的功 能要涉及计算几何、 图论、 计算机技术等专业知识， 不仅要设计算法而且要进行 大量的编程工作。 所以手工绘制街道中心线不失为一个权宜之计。 绘制路心线需要注意的几点事项: ( i )在 a u t o c a d中， 要单独使用一个图 层来保存路心线。该图 层中不应 含有其他无关信息。这样不仅易于管理，而且方便街道信息的提取。 ( 2 ) 要求配电 规划人员在绘制街道路中心线时要仔细确保中心线绘制正确。 例如，十字路口要保证线段相交，不能跨越;线路要连续，不能出线间断。 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 2 . 3配电网联络线优化系统中g i s 的应用 配电网络具有多层次性， 且其中元素， 如变电站，负荷，出线等， 均具有地 理特性， 所以它对地理信息的依赖程度很高。 地理信息系统空间数据库能够表达 空间信息和实体属性数据。 针对于联络线的优化规划来讲， 要根据街道拓扑结构， 高压变电站及其出线等信息， 从众多可行街道中选择出联络线路的最佳走向。 开 发g i s 空间数据库管理系统可以有效地提供地理实体的空间查询和分析等功能， 为配电网络的规划工作提供强有力的辅助手段，使规划结果更具有实际价值。 2 . 3 . 1原始数据的处理 在进行联络线优化工作前， 负荷位置和负荷量及变电站的站址和容量均己 确 定， 并且辐射型供电网络已经形成， 即出线的容量和走向已经确定。 为了 进行联 络线优化必须对己知信息进行处理，生成计算需要的数据形式。 通常， 现有的规划区域的地理信息是从当地的市政规划部门获得， 其中不仅 包括街道线路， 还有河流、山脉、 建筑物等众多的地理数据。目 前的计算机技术 还很难准确地自 动识别和搜索出街道信息。 所以 在优化计算前， 要对现有的地理 图加工处理。这就要求配电规划人员要根据实际地形，利用a u t o c a d的 绘图功 能手工绘制道路中心线， 确定出可能铺设联络线的街道范围。 虽然手工绘制会消 耗一定的劳动量，但是这种方式具有以下几个突出的优点: . 规划人员可以有效地剔除不能走线的道路，例如，相对狭窄的街道、河 流或者不能进行施工的道路等。 . 基于g i s 的联络线优化问 题具有组合优化的性质，问题中维度的 增加会 使搜索空间急剧加大。 在优化计算前， 已 经从大量地理数据中提取出有用的信息， 从而缩小了优化计算的搜索范围，使计算速度加快。 . 无需实现计算机自 动识别道路，节省开发时间。实现自 动识别街道的功 能要涉及计算几何、 图论、 计算机技术等专业知识， 不仅要设计算法而且要进行 大量的编程工作。 所以手工绘制街道中心线不失为一个权宜之计。 绘制路心线需要注意的几点事项: ( i )在 a u t o c a d中， 要单独使用一个图 层来保存路心线。该图 层中不应 含有其他无关信息。这样不仅易于管理，而且方便街道信息的提取。 ( 2 ) 要求配电 规划人员在绘制街道路中心线时要仔细确保中心线绘制正确。 例如，十字路口要保证线段相交，不能跨越;线路要连续，不能出线间断。 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 ( 3 )对于弯曲的街道，可以 通过将曲线分解成多条线段的方式处理，这样 做不会对优化结果的正确性产生影响。 另外， 联络线是连接两条变电站出线的线路， 故出线的信息也需要从地理图 中获得。 在优化计算前， 要求规划人员指明每条出线可能的联络点位置， 即从该 点开始架设联络线路。 由 于每条出线都归属于一个变电站， 相当于不同变电站的 出线的属性数据不同， 并且本文优化算法要分别考虑站间联络和站内联络， 因此 应以 变电站为单位， 分别提取每个变电站所有出线的联络点信息， 这样不仅方便 数据的提取， 而且易于数据库的管理。 在绘制联络点过程中， 每个变电站及其出 线的联络点用单独的图层保存。 由于联络线要沿街道铺设， 所以要保证将联络点 绘制在街道中心线上。 图2 -1 显示了处理后的地理图一部分。该图中，实心圆点为高压变电站， 粗实线为绘制的街道中心线。点b s p - 2 6 , b s p - 2 7 , b s p - 2 8 和b s p -2 0 组 成了一段弧形的街道线路， 如果需要更精确的拟合街道形状， 可以增多线段的数 量。 在路口处， 要保证组成路口的每条线路准确地交汇到一点上， 如图中点b s p 一1 1 , b s p 一2 0 等。 图2 -1处理后的地理图 2 . 3 . 2地理信息数据的提取 原始地理数据处理完成后，要将需要的地理数据提取到g i s 空间数据库。 本文中， 通过检索a u t o c a d生成的d x f 格式文件来提取所需的地理数据。 a u t o c a d的d x f 格式文件是a u t o c a d图形文件中所包含的全部信息的标记数 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 ( 3 )对于弯曲的街道，可以 通过将曲线分解成多条线段的方式处理，这样 做不会对优化结果的正确性产生影响。 另外， 联络线是连接两条变电站出线的线路， 故出线的信息也需要从地理图 中获得。 在优化计算前， 要求规划人员指明每条出线可能的联络点位置， 即从该 点开始架设联络线路。 由 于每条出线都归属于一个变电站， 相当于不同变电站的 出线的属性数据不同， 并且本文优化算法要分别考虑站间联络和站内联络， 因此 应以 变电站为单位， 分别提取每个变电站所有出线的联络点信息， 这样不仅方便 数据的提取， 而且易于数据库的管理。 在绘制联络点过程中， 每个变电站及其出 线的联络点用单独的图层保存。 由于联络线要沿街道铺设， 所以要保证将联络点 绘制在街道中心线上。 图2 -1 显示了处理后的地理图一部分。该图中，实心圆点为高压变电站， 粗实线为绘制的街道中心线。点b s p - 2 6 , b s p - 2 7 , b s p - 2 8 和b s p -2 0 组 成了一段弧形的街道线路， 如果需要更精确的拟合街道形状， 可以增多线段的数 量。 在路口处， 要保证组成路口的每条线路准确地交汇到一点上， 如图中点b s p 一1 1 , b s p 一2 0 等。 图2 -1处理后的地理图 2 . 3 . 2地理信息数据的提取 原始地理数据处理完成后，要将需要的地理数据提取到g i s 空间数据库。 本文中， 通过检索a u t o c a d生成的d x f 格式文件来提取所需的地理数据。 a u t o c a d的d x f 格式文件是a u t o c a d图形文件中所包含的全部信息的标记数 第二章 配电网规划中地理信息系统的应用 据的一种表示方法， 它包含了a u t o c a d图形文件的所有内容， 可以被程序读取。 标记数据的意思是指在每个数据元素前都带一个称为组码的整数。 组码的 值表明 了其后数据元素的类型， 也指出了数据元素对于给定对象( 或记录) 类型的含意。 图2 - 2 说明了对d x f文件的检索流程。本文用c 十 十 编制了地理数据提取程序， 该程序实现的功能包括: 从d x f 文件提取所需地理数据， 创建空间数据库和表， 将地理数据存入相应的表中。 程序开始 读d x f 文件 输入所要提取数据图层名称 文件指针指向结是今 程序结束 文件指针移到下一行 是一 叫程序结束 让文件指针一直下移至层指示标志处 是目标层 是 让文件指针一直下 移至层指示标志处 此多线段是否闭合 是目标层 提取线段数据和点数据 ( 此时线段数二点数) 提取线段数 据和点 数 据 ( 此时线段数=点数一1 ) 提取线段数