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华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 系统地研究了适合于配电网实际应用的g i s 数据模型及其在配网规划 ( 配电网网架优化) 、运行( 配电网最佳抢修路径) 中的具体应用：利用蚁群 算法具有j 下反馈学习的特点，使规划结果不必进行辐射型约束和连通性检验， 从而缩小了算法的搜索空间，使算法效率得以提高。从图形数据的存储结构 及最短路径顶点的搜索策略两个方面对d i j k s t r a 算法进行了改进，给出了一种 基于方向的最短路径搜索算法。该方法采用一种类似于面向对象的数据存储 结构来存储网络图中的节点及弧段对象，相对于算法存储数据常用的邻接矩 阵、邻接表等结构，节约了大量的存储空间。在最短路径的搜索上引入矢量 夹角标量值做为搜索因子，提高了最短路径搜索向终点的收敛速度：充分利 用网络图中各元素自j 的拓扑关系，减小了每次搜索的节点范围。 关键词： 数据模型，配电网最佳抢修路径，d i j k s t r a 算法，蚁群算法，地理 信息系统 a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o ng i sd a t am o d e l sa n di t sa p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nr u n n i n g a r es y s t e m a t i c a n yr e s e a r c h e d ，w h i c hc o m p o s eo p t i m a lr u s h - m a i n t a i np a t h ，a n d d i s t r i b u t i o np l a n n i n g ，w h i c hc o m p o s e sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o n ： t h e r e s u i to ft h eo p t i m a ld e s i g ni sn o tn e c e s s a r yt ob ev e r i 厅e df 0 rt h er a d i a n c ya n d c o n n e c t i v i t yf o rt h et r a i to ft h ep o s i t i v ef b e d b a c ko ft h ea n t c o l o n ya l g o r i t h m t h i s i m p r o v e st h ee 娲c i e n c yo fa l g o r i t h mg r e a t l y t h i sp a p e ri m p r o v e so nd i j k s t r a a r i t h m e t i ci nt w oa s p e c t s ，o n ei sg r a p h i c sd a t a ss t o r a g es t r u c t u r e ，a n o t h e ri ss e a r c h s t r a t e g yo fs h o r t c u tv e r t e x ，a n da d v a n c e sas h o r t c u ts e a r c ha r i t h m e t i cb a s i n go n d i r e c t i o n t h i sm e t h o dd e s i g n sa n0 b j e c to r i e n t e dd a t a ss t o r a g es t r u c t u r et os t o r e n o d ea n da r ci nn e t w o r k c h a n t h i sa r i t h m e t i ce c o n o m i z e sl a r g en u m b e r so f m e m o 巧，r e l a t i v et ot h ea d j o i nm a t r i xa n da d j o i nt a b l ei nd i j k s t r aa r i t h m e t i c i n s h o r t c u t s e a r c h ，t h i sa r i t h m e t i ci m p o n sag e n e - a n g l eo fv 色c t o r ，u t i l i z e st h e t o p o j o g yo fp o i n ta n dl i n ei nn e t w o r k c h a r t ，i n l p r o v e ss e a r c ht r e n d y a ol i a n g ( c o m p u t e ra p p “e dt b c h n o j o g y ) d i r e c t e db yp r o f m e n gj i a n l i a n g k e yw o r d s ： d a t am o d e l ，d i s t r i b u t i o n o p t i o n a i r u s h m a i n t a i n p a t h ， d i j k s t r aa l g o r i t h m ，a n t c o l o n ya i g o r i t h m ，g l s 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 系统地研究了适合于配电网实际应用的g i s 数据模型及其在配网规划 ( 配电网网架优化) 、运行( 配电网最佳抢修路径) 中的具体应用：利用蚁群 算法具有j 下反馈学习的特点，使规划结果不必进行辐射型约束和连通性检验， 从而缩小了算法的搜索空间，使算法效率得以提高。从图形数据的存储结构 及最短路径顶点的搜索策略两个方面对d i j k s t r a 算法进行了改进，给出了一种 基于方向的最短路径搜索算法。该方法采用一种类似于面向对象的数据存储 结构来存储网络图中的节点及弧段对象，相对于算法存储数据常用的邻接矩 阵、邻接表等结构，节约了大量的存储空间。在最短路径的搜索上引入矢量 夹角标量值做为搜索因子，提高了最短路径搜索向终点的收敛速度：充分利 用网络图中各元素自j 的拓扑关系，减小了每次搜索的节点范围。 关键词： 数据模型，配电网最佳抢修路径，d i j k s t r a 算法，蚁群算法，地理 信息系统 a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o ng i sd a t am o d e l sa n di t sa p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nr u n n i n g a r es y s t e m a t i c a n yr e s e a r c h e d ，w h i c hc o m p o s eo p t i m a lr u s h - m a i n t a i np a t h ，a n d d i s t r i b u t i o np l a n n i n g ，w h i c hc o m p o s e sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o n ： t h e r e s u i to ft h eo p t i m a ld e s i g ni sn o tn e c e s s a r yt ob ev e r i 厅e df 0 rt h er a d i a n c ya n d c o n n e c t i v i t yf o rt h et r a i to ft h ep o s i t i v ef b e d b a c ko ft h ea n t c o l o n ya l g o r i t h m t h i s i m p r o v e st h ee 娲c i e n c yo fa l g o r i t h mg r e a t l y t h i sp a p e ri m p r o v e so nd i j k s t r a a r i t h m e t i ci nt w oa s p e c t s ，o n ei sg r a p h i c sd a t a ss t o r a g es t r u c t u r e ，a n o t h e ri ss e a r c h s t r a t e g yo fs h o r t c u tv e r t e x ，a n da d v a n c e sas h o r t c u ts e a r c ha r i t h m e t i cb a s i n go n d i r e c t i o n t h i sm e t h o dd e s i g n sa n0 b j e c to r i e n t e dd a t a ss t o r a g es t r u c t u r et os t o r e n o d ea n da r ci nn e t w o r k c h a n t h i sa r i t h m e t i ce c o n o m i z e sl a r g en u m b e r so f m e m o 巧，r e l a t i v et ot h ea d j o i nm a t r i xa n da d j o i nt a b l ei nd i j k s t r aa r i t h m e t i c i n s h o r t c u t s e a r c h ，t h i sa r i t h m e t i ci m p o n sag e n e - a n g l eo fv 色c t o r ，u t i l i z e st h e t o p o j o g yo fp o i n ta n dl i n ei nn e t w o r k c h a r t ，i n l p r o v e ss e a r c ht r e n d y a ol i a n g ( c o m p u t e ra p p “e dt b c h n o j o g y ) d i r e c t e db yp r o f m e n gj i a n l i a n g k e yw o r d s ： d a t am o d e l ，d i s t r i b u t i o n o p t i o n a i r u s h m a i n t a i n p a t h ， d i j k s t r aa l g o r i t h m ，a n t c o l o n ya i g o r i t h m ，g l s 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文p d g i s 数据模型在规划与运行中 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名怎姜短导师签名毛堑丝坦 日期： 翘缸盟绥 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文选题背景及意义 第一章引言 电力系统在国民经济中占有重要的地位。其中直接供电给用户的配电网络拥有 占整个供电系统6 0 投资及2 0 运行成本的极大数量的电力设备，其可靠性与质 量直接关系到国民经济和人们的日常生活。 随着电力系统的发展，面对越来越密织的电网，复杂的电力设备时刻变化的负 荷信息，不断变迁的道路和建筑，以及人们对供电质量，环保，电力市场化体制改 革等问题的日益关注，传统配电网络管理方式已经很难满足电网的建设和安全经济 运行要求，电力规划、运行、营业部门必须对极其庞大繁杂的信息进行采集、存储、 分析和快速处理。为了实现配网改造和发展的合理规划，提高电能的质量和供电可 靠性，降低线损，提高电力设备运行的安全性、经济性，需要将现代化的计算机和 通讯技术用于电网的管理，将各种图形、地图、数据信息统一共享。因此，如何 运用先进的技术手段改善和提高电网建设、运行管理水平就显得尤为重要心1 。 配电网络不仅包括电力公司的变配电设备和网络，而且还有为数众多、性质各 异且经常变化增长的用户设备，其功能涉及到运行、规划、设计、管理等多个方面。 配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e md m s ) 最近十来年引起了学术界和电 力行业的注意，是目前国内外j 下在研究和发展的热点。在配电自动化系统中引入地 理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mg i s ) 是当前技术发展的方向，也是d m s 的一个重要特征1 。g i s 是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支 持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，适时提供空阳j 和动态的地理信息，为决策服务的一类信息系统1 。g i s 作为d m s 的一个重要组 成部分，正日益受到人们的重视。 目前p d g i s 研究主要集中在如何利用成熟的g i s 系统软件来针对配网进行 应用研究嫡可3 。这些成熟的g i s 软件在地理基础信息方面处于领先地位，但它们比 较适合使用在市政，交通规划等部门，不适合电力部门直接使用阳刮：专业的地理信 息系统处理软件在属性信息的处理上侧重于基础地理数据的属性数据，但在配网中 最重要的并不是非常精确的地理坐标，高程信息等地理信息而是在一定的位置显示 支持下的有关设备，线路的台帐信息，属性信息比空间信息更加重要。因此，在建 立p d g i s 时必须根据电力系统的运行特点和要求，在一定的软件支持下，采取一 些特殊的技术和方法，建立适用的连接空间位置与属性信息的数据库系统，并根据 配网的实际运行要求，侧重于对属性库的分析和设计。 由以上分析可知，研究适合于配网规划，配网运行的实际应用的g l s 数据模 华北电力大学硕士学位论文 型对于提高配网供电的可靠性，具有重要的学术和实用意义。 1 2 配电网地理信息系统的研究现状 由于配电网包括有众多地理位置各异的设备，网络，用户等，使得配电网g i s 研究成为电力g i s 研究中的重点。 在配网规划方面，文献玑分析了配网规划的复杂性，将g i s 及人工智能 ( a r t m c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 方法引入配电网规划问题研究，结合了g i s 空间及网络 分析的拓扑特性和a i 方法的鲁棒性及高效性两者的优点。文献胡在计算机辅助规 划设计中。提出采用g i s 技术来帮助分析决策，文献1 综合运用g i s 和遗传算 法来实现配网优化规划。 在配网运行方面，文献们提出通过建立电力设备地理分布图，为配网g i s 离 线和在线监测提供设备位置的空间信息和配电网的实时工作情况。其综合信息系统 可以管理变压器的负荷以及再事故中负荷转移随着监视控制和数据采集 ( s u p e i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 技术在d m s 中的广泛应用。 如何合理结合g i s 与s c a d a 为配网管理服务也成为许多学者研究的重点。 1 3 本文的主要工作 本文在研究电力行业具体情况的基础上，将蚁群算法与d i i k s t r a 算法引入到配 电网地理信息系统中来，给出了改进的蚁群算法和最短路径分析算法，其主要工作 如下： ( 1 ) 在分析配电网实际情况以及g i s 数据模型理论的基础上，建立配电网地理信 息系统的数据模型，对系统数据库进行设计。 ( 2 ) 对配电网规划的具体特性进行分析，给出适合于配电网规划实际应用的改进 的蚁群算法，并用实例进行验证。 ( 3 ) 对一般d i j k s t r a 算法进行改进，给出适合于配电网运行实际应用的基于方向 的改进的最短路径分析算法。 ( 4 ) 实现改进的最短路径分析算法，对系统实验数据进行初始化，给出最短路径 分析模块的具体实现，验证改进算法的实际效果。 ( 5 ) 建立配电网地理信息系统的总体架构，给出在企业综合集成系统环境下配电 网地理信息系统设计的思路、方向，系统基础模块也进行了实现。 华北电力大学硕士学位论文 第二章p d g i s 数据模型的理论研究 2 1g i s 系统的概述 2 1 1g i s 系统的定义 地理信息系统( g i s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是集计算机科学、地理学、 测量学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学，管理科学等学科为一体的新兴 边缘科学；是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法适时提供多种空问 的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统引。其基本结 构如下图： 图2 1 地理信恩系统的构成 地理信息系统作为传统学科( 地理学、地图学和测量学等) 与现代科学技术( 遥 感技术、全球定位技术、计算机科学等) 相结合的产物，正逐渐发展成为处理空问 数据的多学科综合应用技术。从计算机技术的角度看，其主体是空间数据库技术： 从数据收集的角度看，其主体是3 s ( 地理信息技术g i s 、全球定位系统g p s 、遥感 r s ) 技术的有机结合；从应用的角度看，其主体是数据互访和空间分析决策的专门 技术；从信息共享的角度看，其主体是计算机网络技术。 2 1 2g i s 系统的发展 1 9 6 2 年加拿大测量学家r o g e r t o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统概念m 1 ，建 成世界上第一个g i s ( 加拿人地理信息系统c g i s ) ，并用于自然资源的管理和规划。 不久其他国家如德国、瑞典和日本等国相继发展了自己g i s 。8 0 年代起，随着计算 机技术突飞猛进的发展，加上社会的迫切需要和经验与教训的积累，g i s 系统在土 地与房地产管理、资源调查、环境保护、市政建设与管理、区域与国家的宏观分析 华北电力大学硕十学位论文 与调控等方面取得了显著成绩。进入9 0 年代后，g i s 己经逐步成为区域管理、经 济发展和社会进步的一种不可缺少的现代化手段，也在城市规划、管理和科学决策 等方面发挥着重要的作用。在“数字地球概念后，其核心技术一g i s 系统更为各 国府所广泛关注。 我国g i s 的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) 、准备( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) 、发展( 1 9 8 5 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 以后) 阶段。g i s 已在许多部门和领域得 到应用，并引起了政府部门的高度重视。8 0 年代初开始，我国地理信息系统在理论 探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用 试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理 信息系统的研究和应用奠定了基础。自9 0 年代起，地理信息系统步入快速发展阶 段。我国开始实施地理信息系统、遥感、遥测联合科技攻关计划，强调地理信息系 统的实用化、集成化和工程化，努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件的 实用化以及遥感、遥测和地理信息系统技术一体化。 g i s 技术的发展，在软件模式上经历了六个阶段，即g i s 功能模块、集成式 g i s 、模块化g i s 、核心式g i s ，从而发展到组件式地理信息系统( c o m g i s ) 和互联 网地理信息系统( w e b g i s ) 的过程。传统g i s 虽然在功能上已经比较成熟，但是由于 这些系统多是基于十多年前的软件技术开发的，属于独立封闭的系统。同时，g i s 软件变得同益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了g i s 的普及和应用。c o m g i s 的出现为传统g i s 面临的多种问题提供了全新的解决思路。 组件式软件是新一代g i s 的重要基础，c o m g l s 是面向对象技术和组件式软件 在g i s 软件开发中的应用。c o m 是组件式对象模型( c o m p o n e n to b i e c tm o d e l ) 的英 文缩写，c o m 不是一种面向对象的语言，而是一种二进制标准：c o m 所建立的是一 个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以 通过称之为“接口 的机制来进行通信。c o m g i s 的基本思想是在同一平台上，把 g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能：各个g i s 控件之 间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可以方便地通过可视化的软件丌发工具 集成起来，形成最终的g i s 应用软件。控件如同一堆各式各样的积木，它们分别实 现不同的功能( 包括g i s 和非g i s 功能) ，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建 起来，就构成应用系统。 国际互联网( i n t e m e t ) 的迅速崛起，并在全球范围内飞速发展，使网络成为高效 的全球信息发布渠道。随着人们对g i s 应用的需求，利用i n t e r n e t 技术在w e b 上发 布和出版空间数据，以供用户浏览、查询并获取所需的空间数据和应用，是g i s 发 展的必然趋势，这就产生了w 曲g i s 。从w w w 的任意一个节点，i n t e r n e t 用户可以 浏览w e b g i s 站点中的空间数据，以及制作专题图，进行各种空间检索和空间分析。 g i s 网络化、数据商业化、标准化、系统专门化、企业化、全球化、大众化是 4 华北电力大学硕士学位论文 地理信息系统发展的趋势。 2 1 3g i s 系统的特点与功能分析 1 g i s 系统的特点 地理信息系统( g i s ) 工程既有一般信息系统工程的共性，也有它独有的特性。与 一般的信息系统工程相比，g i s 工程具有如下特点： ( 1 ) 具有一定的广泛性( 原理、方法) 。 ( 2 ) 具有相对的针对性( 与具体的行业应用相关) 。 ( 3 ) 工程建设覆盖范围广( 包括意向、设计、优化、建设、评价、维护更新等内 容) 。 ( 4 ) 涉及因素多( 包括软、硬件和网络、数据、规范标准、技术队伍、组织管理 等) 。 地理信息系统按其功能和内容，可分为工具型( 平台) g i s 和应用型g i s 。所谓 工具型g i s ，也就是g i s 工具软件包，如a r c g i s 、m a p i n f 0 等，具有空间数据输入、 存储、处理、分析和输出等基本功能。所谓应用型g i s ，是指在工具型g i s 的基础 上，经二次开发，建成满足专门用户解决一类或多类实际问题的地理信息系统，包 括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统。因此，应用型g i s 的主要特点是， 它具有特定的用户和应用目的，具有为满足用户专门需求而开发的地理空间实体数 据库和应用模型，继承了工具型g i s 开发平台提供的大部分功能，以及具有专门开 发的用户应用界面等。 2 g i s 系统的基本功能 ( 1 ) 数据采集与编辑地理信息系统的数据一般抽象为不同的图层( 专题信息) ， 数据采集与编辑就是保证各图层实体的地物要素按照顺序转化为数学坐标及对应 的地理要素特征编码，输入到计算机中。 ( 2 ) 数据存储与管理g i s 数据库是将一定区域内的地理要素特征以一定的组织 方式存储在一起的相关数据的集合。它具有数据量大、空间数据与属性数据具有一 定的关联、空问数据之间具有显著的拓扑结构等特点。g i s 数据库的管理功能除了 与属性数据有关的管理外，对空间数据的管理主要包括空间数据库的定义、数据访 问和提取、检索、数据更新和维护等。 ( 3 ) 数据处理和变换包括空间数据的投影转换、纠正、比例尺缩放、误差的处 理和改正、数据拼接、提取、数据压缩、格式转换等内容。 ( 4 ) 空问分析和统计包括拓扑叠加、缓冲区分析、地形分析( 坡度、坡向、土 石方、通视分析等) 、空间集合分析等。 ( 5 ) 产品制作与显示包括基本的4 d 产品( 数字线划图d l g 、数字高程模型 d e m 、数字正射影像地图d o m 、数字栅格地图d r g ) 、复合产品、专题地图等。 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 ) 二次开发和编程g i s 技术要满足各个不同行业、不同领域的应用需求，必 须具备二次开发环境，包括提供专门的开发语言，或将功能制作成控件o c x 供用户 的通用开发语言( v b 、v c + + 、d e l p h i 等) 调用。 3 g i s 的高级功能 ( 1 ) 空问检索包括从空间位置检索空问物体及其属性和从属性条件集检索空间 物体。 ( 2 ) 空间拓扑叠加分析空问拓扑叠加实现了输入特征的属性合并以及特征属性 在空间上的连接。 ( 3 ) 空间模拟分析空间模拟分析刚刚起步，目前多数研究工作着重于如何将地 理信息系统与空间模型分析相结合。 2 1 4g i s 系统中的数据 在地理信息系统中，有关空间目标实体的描述数据可以分为空问特征数据和属 性特征数据，二者统称为空间数据( 或地理数据) 。空间特征数据和属性特征数据 通过内部索引相连，是地理信息系统区别于其他绘图软件的关键之处。 地理信息系统的地理数据包括实体的位置、可能的拓扑关系、地物的特征等， 数据结构主要有两种形式：矢量数据和栅格数据，其中矢量数据的使用更为广泛引。 1 地理信息系统中的数据类型 空间数据的表达方式包括各种数据结构，并表现为点、线、面等各种图形符号 信息：属性数据的表达方法包括基于地理特征( 包括空间特征和属性特征) 的多种分 类关系的表格。地理信息系统正是通过建立空i 日j 特征数据的图形符号表达与属性数 据的表格表达之间的联系，才具备了强大的空间分析能力。 属性信息即对图形相关要素的描述信息，如配电线路的长度、电缆型号、线路 编号、额定电流，配变型号、编号、名称、安装位置、投运时间、检修情况、额定 电流、实验报告等。这些属性数据的用途为结合图形进行档案资料的查询提供具体 信息。 对普通的一二维属性数据当然可以采用关系数据库来维护，但在地理信息系统 中，属性数据并不独立，而是与视图中的几何图形一一对应的。为此，可以先将几 何图形数据库建立一个或几个文件，并且对每一个目标设置唯一的标识号，然后属 性数据建立一个表结构文件，通过标识号i d 将两者连接起来，如图所示。 幽2 2 属性数据与空间数据的关联 2 地理信息系统中的数据结构 6 华北电力人学硕士学位论文 空阳j 数据结构是指对空问数据进行合理的组织，以便于进行计算机处理，可以 分为矢量数据结构和栅格数据结构。数据结构的选取取决于数据的性质以及使用方 式，大多数地理信息系统都同时采用矢量数据和栅格数据结构。 ( 1 ) 矢量数据结构 在矢量数据结构中，空问目标可以划分为点( 节点) 、线( 弧段) 、面( 多边形或 封闭曲线) 三种基本类型，每种类型可以用采样点的坐标来表示： 点( x ，y ) ： 线( x l ，y 。) 、( x 2 、y ：) 、( x 。，y 。) ； 面( x 。，y ) 、( x 2 ，y ：) 、( x 。，y 。) ，且( x ，y 1 ) = ( x 。，y 。) 。 在地理信息系统中，除了记录空间目标几何图形数据外，还要考虑与其他相关 的属性信息以及空问目标的相互关系。以满足空间查询和空间分析的需要。在几何 形态方面，主要涉及坐标、角度、方向、距离、周长和面积：在空间关系方面，则 采用拓扑几何来描述，涉及的术语有“相连”、“相邻”、“在里面”和“在外面”等。 这也是g i s 软件与一般的矢量软件( 如a u t oc a d ) 的最关键的区别之处。 ( 2 ) 栅格数据结构 采用栅格结构，主要是因为来自遥感、数字摄影测量和扫描的数据等是栅格形 式的。另外，结构简单、空间叠置、易于进行空间分析也是其得以应用的原因。但 对于比例尺变换、投影变换等则显得力不从心。 2 2g i s 在配电系统中的应用 由于g i s 系统独有的空间数据库技术，不仅能生动、形象地反映电力系统的设 备和运行情况，而且可以把大量的人工从中解脱出来，并实现资料的快速、及时更 新和电力系统设计运行等的科学管理。与传统的方法相比，应用地理信息系统完成 各项任务有许多优越性n9 1 ，现简述如下： ( 1 ) 允许存储多种性质的数据，包括图形的、影像的、调查统计等等。同时易 于读取，确保安全。 ( 2 ) 可以使用数学、逻辑方法，借助于计算机指令编写各种程序，易于实现各 种分析处理，系统具有判断能力和辅助决策能力。 ( 3 ) 提供了各种造型能力，如网络分析、地形分析可以用来进行土地评价、 土地合理利用规划等模式研究，以及用来编制各种专题图、综合图等等。 ( 4 ) 数据库可以得到及时更新，确保现时性。用户在使用时具有安全感，保证 不读漏数据，处理结果令人信服。 ( 5 ) 易于改变比例尺和地图投影，易于进行坐标变换，平移或旋转、地图接边、 制表和绘图等工作。 7 华北电力大学硕士学位论文 6 减少了数据处理和图形化的成本。在短时间内，可以反复检验结果，开展 多种方案的比较，从而可以减少错误，确保质量。 与输电系统相比，配电系统设备多，不仅有集中在变电站内的设备，还有大量 分布在馈线上的设备，如柱上变压器、开关等；配电网多为辐射状结构，馈线上又 接着多条支路，既有架空线，又有地下电缆；配电网的设备多，操作频繁，操作频率 和故障频率都比输电网高。因此，设备管理任务繁重。此外，配电系统的正常运行、 计划检修、故障排除、恢复供电及用户报装、电量计费、馈电增容、规划设计等， 都要用到地理信息，因此，g i s 是配电系统开展各种自动化的基础。 配电网g i s 一般包括自动绘图( a u t o m a t i cm a p p i n g ，a m ) 、设备管理( f a c i l i t y m a n a g e m e n t ，m f ) 和地理信息系统，因此，也称a m f m g i s 系统。 ( 1 ) 配电网a m f m g i s 在离线方面的应用1 ( a ) 设备管理系统 以地理图为背景所绘制的单线图上可以分层显示变电站、线路、变压器、断路 器直至电杆路灯等用户的地理位置；可以统计查询各设备的位置信息和属性信息，并 以各种图表和报表的形式输出。 ) 用电管理系统 用电管理系统可使用a m f m g i s ，按街道门牌编号为序，对大中小用户进行 业扩报装、查表收费、负荷管理等业务营运工作；还可以根据变压器、线路的实际负 荷以及用户的地理位置和负荷可控情况，制定各种负荷控制方案，实现对负荷调峰、 错峰和填谷等负荷侧管理的任务。 ( c ) 规划设计系统 实现配电系统的合理划分供电区域、调整馈电线路负荷以及增设配电变电站、 开关站、联络线和馈电线路，直至配网改造、发展规划等。可根据地理图上所提供 的设备管理和用电管理信息及数据，与小区域负荷预报相结合，共同构成配电网设 计和计算的基础。 ( 2 ) 配电网g i s 在在线方面的应用 ( a ) 在s c a d a 系统中的应用 把a m f m g i s 提供的设备信息和空间信息与s c a d a 系统提供的实时运行状 态信息有机结合起来，可以有效的改进电力分配、紧急情况下的调度以及同常维护 与抢修服务。 ( b ) 在投诉电话热线中的应用 a m f m g i s 能够充分发挥作用的基础。 ( c ) 在事故负荷转移中的应用幢5 1 当g i s 用于事故负荷转移( c o n t i n g e n c yl o a dt r a n s f e r ) 时。通过网络拓扑和存储 在数据库中的设备数据来计算三相潮流，得到的潮流解作为线路开关的属性存储在 r 华北电力大学硕士学位论文 数据库中供负荷转移分析用。当系统发生事故时，断丌故障段丌关隔离故障区域后， 执行负荷转移程序以求出负荷转移方案，通过开关操作将发生故障馈线的部分负荷 转移到其他线路上，迅速恢复对非故障段的供电。同时，根据开关操作信息，由连 通性可以很容易的对网络拓扑进行更新，实现故障后的网络重构，并在g i s 平台上 显示出来。 ( d ) 用户抄表与自动计费系统接口堙引 远方抄表与自动计费系统向g i s 传送用户地址、用户名称、用电负荷等信息， g s i 可以显示抄表区域和区域的负荷情况，使数据更加直观。由于g i s 在配电网中 应用范围较广，本项目主要研究g i s 在配电网规划方面的应用。配电网规划是一个 相当复杂的问题，需要确定的决策是大量的，其中大部分决策是不确定的。希望通 过本项目的研究，不仅能够减轻规划人员的工作量，而且可以改善和提高规划质量。 2 3 配电网g i s 数据模型 配网直接联系着用户，配网的线路、设备都与所在的地理环境密切相关。这种 配电设施的地理分布特性，使得必须结合g i s 数据模型来建立配网g i s 数据模型， 从而实现配电设施的管理以及配电网络的分析、计算心甜心引。 图2 3 是配网g i s 数据类型及其分类，图中的各类空间数据，应该在相对高 斯平面坐标系下( 这取决于实际系统应用的范围，一般以所在城市的高斯平面为基 准) 进行空间叠加，各类属性数据利用g i s 的拓扑连接关系与空间数据相联系。 配网g i s 数据一般为两种儿引，图2 4 是g i s 数据模型，包括空间数据和属 性数据两部分。空间数据和属性数据通过标识符( i d e n t i n e r ) 实现关联睁】【圳【2 5 1 。 各 类 线 路 数 据 逻辑连接 各 类 变 电 数 据 站址分布图 l 基础地形数据 i i - - - _ _ - - _ - _ - - _ - _ - _ - - _ _ - _ - _ _ _ - _ - 。- - - 一 r 。1 ll ：5 0 0 地形图i _ _ - _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一 图2 3p d g i s 数据模型及其分类 9 拦一 一一一一一一一 华北电力大学硕十学位论文 2 3 1 空间定位数据 图2 4g i s 数据模型 件 可以表征变电站、用户单位、配电设备( 配电馈线、变压器、电缆等) 、电力设 备( 各种继电保护设备) 的位置；供电服务队伍、用户的地理位置等。这些配网空间 数据由点、线、面等对象构成，由g i s 软件来管理。 下面分别对采用矢量方法进行存储的空间数据( 点、线、面等对象) 作一描述 ( 9 i7 蛐】 o ( 1 ) 点实体 对于点实体记录其特定坐标系下的坐标和属性，可以将其空间数据和属性数据 结合起来将点的坐标直接作为点实体的两个属性记录。图2 5 说明点实体的矢量 数据结构的组织方式，即每一个点存储的内容。 点实体 唯一标识码 点类码 x ，y 坐标 简单属性 图2 5 点实体的矢量编码内容 图2 5 中唯一标识码是系统排列序号；点类码说明该点的类型；x ，y 坐标表 示点的空间坐标；根据需要和便于记录、查询，将与点相联的简单属性直接存贮于 点文件中。 ( 2 ) 线实体 线实体( 也称为弧段、链) 是n 个坐标对( 点) 的有序集合，这些坐标对可以描述 任何连续而又复杂的曲线，每段线实体存储的内容如图2 6 。 l o 华北电力大学硕士学位论文 线实体 唯一标识码 线类码 起点标识码 终点标识码 中间点标识码串 左多边形标识码 右多边形标识码 部分简单属性 纛码 卜线标识码 华北电力大学硕士学位论文 面实体的属性中都包括相互之间的连接关系，形成树状的供电路径。 为处理配网g i s 拓扑分析，将依附于杆塔上的开关刀闸作为数据结构中的节 点定义，在输入开关刀闸时存储该点的空间坐标。开关刀闸之间使用架空线或电缆 连接，定义线实体( 架空线或电缆) 时，用该线的首尾坐标( 即电杆的坐标) 记录。这 样，电线就是电杆之间拓扑关系的指针，这一方法就把线路和杆塔用数据结构的方 法定义和存储起来。通过记录拓扑关系，就能存贮杆塔、线路的相连关系、变配电 站内进出线的对应关系。 配网中线路之间的交叉、跨越、并架、分支等涉及到三维空间关系的关系逐渐 增多。由于d m s 中真j 下关心的并不是各线路的实际高度，因此，在处理这些拓扑 关系时，由相应的交叉跨越记录表说明涉及到的相关线路之间的空间关系。 2 3 2 属性数据 如电力设备运行情况( 设备的投运日期、材料、运行状态、最近一次检修r 期 等) ；供电服务队伍的人员情况、工作情况：用户的负荷类型、电话号码等。它们 和地理坐标无直接的关系，是非空间定位数据。这些配网属性数据由链表、树、索 引等结构组成，由关系数据库软件管理。 由上述分析，可以得到配网g i s 数据模型如图2 8 所示。 图2 8 配电网g i s 数据模型 华北电力大学硕士学位论文 2 4 配电网g i s 系统数据库的建立 2 4 1 建立g i s 数据库的基本过程 g i s 数据库是一种专门设计的具有空间数据模型的数据库，其空间数据模型由 点( n o d e ) 、弧( a r c ) 和多边形 p o l y g o n ) 以及数据文件构成。配电设施也可以由这些符 号形式地表示。空间数据模型以这些符号来表达拓扑信息：变电站由哪些线路向哪 些负荷点供电等。 配电网规划g i s 数据库存储着配电系统的地理数据，与电力系统一般数据库的 不同之处在于它需要在数据库中记录地理信息，而且有两种类型的地理信息：电力 设施的详细位置信息和设施之间的空间关系信息。配电网规划g i s 数据库的建立 ( 地图和数据的预处理) 是一项冗长的工作，但同时也是最关键、投入最大的工作环 节之一。若要建设一个好的项目或工程，建立g i s 数据库时，设立标准( 如地图编 码标准等) 、进行图形转换、质量控制都是极为重要的。配电网的地图数据只有经 过数字化之后，才能用于编辑、分析和处理。 建立配电网规划g i s 数据库主要有如下几个过程： 数据获取：包括空间数据( 图形数据) 的获取和属性数据的获取： 数据组织：数据的组织也是数据库的设计。包括空间数据库的设计和属性数 据库的设计； 图形数据录入数据库： 利用g i s 软件进行数字化作业程序； 属性数据录入数据库； 编辑修改、存入计算机。配电网规划g i s 数据库建库流程如图2 9 所示。 数据获取 图形数据预处理及数据分层 瓮尝黼u 学仪、数字化仪) ii 数字化程序ll键盘输入 空间数据库 编辑修改 i d 号关联 关系数据库 图2 9p d g i s 数据库建库流程 华北电力人学硕十学位论文 2 4 2 配电网g i s 数据库的数据组织 事实上，数据的组织也是数据库的设计。g i s 数据库的设计包括空间数据库的 设计和属性数据库的设计两部分。实现图形数据库设计的关键问题是分解地理要 素。一幅地图就是根据总体设计而选取若干地理要素层的叠置结果。配电网规划的 图形数据通过以l ：5 0 0 和1 ：2 0 0 0 的城市土地利用地图作为底图，在其上叠加电网 图而获得。 1 空间数据库的分层设计 具体设计配电网信息图层时，应根据实际应用的需要建立配电网信息图层空 间，设计的配电网信息图层结构主要包括： 配电网地理街道背景图层。该图层显示整个配电线路网络所处的地理环境， 包括城市区域、街道、河流、工矿建筑物、交通设施( 铁路、公路、道路、隧道、 涵洞等) 、管线设施( 通信线、水管道、燃气管道等) 。 配电中大中用户分布图层。记录用户位置、用户档案及用电有关数据。 配电线路分布图层。记录不同配电线路的走向和相关属性。 配电线路杆塔分布图层。记录各杆塔分布位置和属性。 配电网主设备信息层。记录各设备的技术参数信息，按照配电网设备类型又 可细分为不同设备图层，如互感器避雷器分布图层、丌关刀闸分布图层、变压器分 布图层、开闭所分布图层、线路交差跨越分布图层等。 标注层，记录有关地理对象的名称、描述，图幅号等。上述各个图层可以分 层显示也可叠加显示，从而形成了具有地理信息的配电网图，可以对图上目标的图 形信息和属性信息进行维护和管理。配电网规划g i s 系统信息图层划分如图3 7 所 示。 电站层 空线路层 杆层 f 屯缆层 压器层 犬层 中用户层 划设计层 注层 市区域层 道层 流层 通设施层 矿建筑物 线设施层 图2 1 0 配电网g l s 系统信息图层的划分 华北电力人学硕士学位论文 2 属性数据库设计 属性数据库的设计与空间数据库的设计紧密相连。一般情况下，每一层图形至 少对应一个属性数据库。在属性数据库中，数据用二维表的形式来表达。在配电网 规划g i s 数据库中，设备和负荷的数据根据其类型存放在不同表中。应根据需要， 建立电力设备的属性数据表和属性关系，将一定的属性表中的信息分丌存储，重新 形成几个属性表，由编码作为关键项索引，这样各种信息之间的关系更清晰，存储 和相应的操作也更有效。