基于GIS系統的配電網分析與研究

張東明，常喜強，刁海勇，王維慶，任華

(1.國網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電與并網控制工程技術研究中心，新疆烏魯木齊830047; 3.新疆電力調度通信中心，新疆烏魯木齊830001)

基于GIS系統的配電網分析與研究

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電與并網控制工程技術研究中心，新疆烏魯木齊830047; 3.新疆電力調度通信中心，新疆烏魯木齊830001)

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

配電網自動化;地理信息系統;網絡拓撲結構;潮流計算

0 引言

隨著中國經濟的飛速發展，用電負荷的不斷增加，使得配網規模不斷擴大，導致配電網的安全、可靠、經濟、高效的運行狀態受到影響。根據用電客戶對電能質量及其可靠供電的要求不斷提高，供電公司在全國范圍內開展基于GIS系統的配網自動化改造工程，因此，基于地理信息系統(geographic information system，GIS)的配電網的分析已成為科研工作者的研究熱點。

目前，大部分學者的研究方向主要有以下幾種: 1)研究地理信息系統和可視化技術融合，用于電網大量數據的管理，使得數據的查詢與調用更加方便、直觀;2)研究電網GIS的二次開發能力，電網GIS需要嵌入大量的電網專業模塊，對于專業能力的要求很高，必須要有強大的二次開發能力;3)由于電力系統的信息系統很多，沒有統一的信息編碼，使得數據共享與交換困難，因此，對于GIS系統的數據轉換能力的研究也是熱點之一。

下面主要在配電網GIS系統平臺上建立了配電網絡拓撲模型，在此基礎上，詳細分析了配電網的潮流計算，并結合實例驗證了配電網絡拓撲模型的正確性，為GIS系統在配電網中的應用提供參考依據。

1 GIS系統平臺簡介

電網GIS系統主要是利用地理信息系統對地理位置準確定位，結合計算機網絡技術對電網進行可視化操作以及大量電網數據分析;是計算機技術、地理學技術、測繪學技術、圖形處理技術相結合的綜合信息系統;是利用地理空間數據將用戶所關心事物的空間數據、屬性數據、拓撲數據和時態數據準確真實、圖文并茂的輸出給用戶。該系統可以直觀地提供電力系統中相應的電力設備運行狀態信息、電力生產和管理信息以及電力線路途經的自然地理環境，對電力系統的檢修、運行與維護起著十分重要的作用。

1.1 GIS系統在電力系統中的應用

對電力來說，絕大多數電網資源都與空間位置具有天然聯系;地理信息系統(GIS)是構建“數字化電網，信息化企業”不可或缺的重要技術，因此，目前GIS已經在電力行業獲得了廣泛應用。電網企業的發電、輸電、變電、配電、調度、營銷、通信等各個專業都需要GIS來提高數據采集、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GIS平臺作為一體化平臺的組成部分，作為企業級公共信息服務平臺，可以支撐各類業務應用的電網空間信息應用需求;同時也擴展增強了一體化平臺數據中心對于電網企業四大類數據之一的空間數據管理支持。

另一方面，GIS作為電網資源綜合集成管理與可視化分析的有效手段，可有效提高數據采集、分析、處理能力，提供電網分析輔助決策支持，對于降低企業生產運營風險起重要的作用。

1.2 GIS系統平臺整體框架

圖1 GIS系統平臺整體框架

從GIS平臺內部結構來看，在數據層面，電網GIS空間數據庫中包含四類數據:基礎地理數據、電網圖形數據、資源屬性數據和電網拓撲數據;在功能層面，電網GIS平臺主要包含兩個大的部分:電網資源圖形管理和電網空間信息服務;其中電網資源圖形管理主要實現對基礎圖形、電網模型、電氣圖、專題圖的維護和管理。電網空間信息服務主要為各類業務應用提供各類電網空間信息服務。服務的類型主要包括:圖形瀏覽服務、查詢定位服務、矢量圖形服務、專題圖服務、空間分析服務和電網拓撲分析服務。

從“SG186”中的整體架構來看，電網GIS平臺是一體化平臺的一部分。通過數據中心、企業服務總線實現與各類業務應用系統的橫向集成及總部與網省的縱向貫通;通過應用集成，電網GIS空間信息服務平臺發布各類電網空間信息服務，為生產、營銷、ERP、調度、通信、規劃設計、應急和實時系統等業務應用提供服務支撐，實現電網GIS平臺與業務應用系統的橫向集成;通過數據中心、數據交換完成電網空間數據的共享與交換，實現總部和網省的縱向貫通;通過企業門戶發布各類空間圖形信息。

2 基于GIS平臺的配電網建模

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

圖2 GIS平臺下的配電線路圖

2.1 配電網絡拓撲結構分析

GIS平臺中根據配電電氣元件的鏈接關系，把整個配電網絡看成線與點相結合的拓撲結構圖，然后根據電源節點、開關節點等進行整個網絡的拓撲鏈接分析，如圖2所示。它是配電網絡進行狀態估計、潮流計算、故障定位、隔離及供電恢復、網絡重構等其他分析的基礎，在此基礎上主要研究潮流計算。

2.2 配電網絡拓撲算法分析

由于配電網絡的結構復雜，當網絡結構發生故障或負荷轉移操作時，開關的開合經常發生變化。作為配電網絡分析的基礎，網絡拓撲計算需要進一步提高，因此，迫切需要一個好的網絡拓撲算法。它不僅能夠滿足配電網自動化中不同高級功能的要求，還應能實現配電網絡連通性的快速跟蹤和識別，適應事件變化;同時還應節省存儲空間和其他高級計算功能的時間。目前國內外在這方面現有的研究有關聯表矩陣表示法、網基矩陣表示法、結點消去法、樹搜索表示法、離散處理法等。

采用網基矩陣表示法作為配電網的拓撲算法，該方法是基于圖論的表示方法。其基本思想是:配電網絡是一個變結構的網絡，網絡由結點和弧構成。稱變結構網絡的各種允許結構形態為網形，稱所有網形中出現的弧的并集對應的基礎圖為變結構網絡的網基。網基用網基結構矩陣來描述，將配電網的饋線當作無向邊，并采用N行N列的D矩陣加以描述，D矩陣稱作網基結構矩陣，其中N為配電網中節點的個數，即

若節點i和j之間存在一條邊，則dij=dji=1，其余元素為0。網基結構矩陣D描述了配電網的潛在聯接方式，它取決于配電線路的架設，這種具有潛在聯接方式的配電網構成圖被稱作“網基”。

3 實例分析

3.1 GIS平臺下潮流分析模塊

圖3 配網拓撲算法流程

基于網基矩陣表示法，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GIS平臺中，從而可以調用潮流計算程序。其計算程序流程圖如圖3所示。

圖4所示為某農網在GIS平臺下搭建的潮流分析圖，該實例中僅截取了6個節點。

圖4 GIS平臺下潮流分析圖

3.2 GIS平臺下潮流計算結果

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。從計算結果看，是與實際情況相符的，反映了該算法在配電網潮流計算中的實用性。線路潮流計算結果如表1所示。

表1 線路潮流計算結果

4 結論

把整個配網看成是線與點相結合，在GIS平臺中建立了配電網詳細模型，根據網基矩陣表示方法分析了配電網的拓撲算法，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GIS平臺中，從而可以調用潮流計算程序計算出潮流結果。結合實例分析驗證了模型的正確性。

不足之處是:利用網基矩陣方法從配電網絡的變結構特點出發，能有效地表示配電網絡拓撲;但它是基于矩陣的表示方法，而配電網絡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絡故障。下一步將研究GIS系統數據存儲的問題，在電力系統公共信息模型(CIM)的基礎上建立配電網GIS模型，從而解決了數據存儲空間不足的問題，進一步為配網自動化的改造工作提供參考依據。

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

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

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

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

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

［6］湯紅衛，王華，郭喜慶.一種基于地理信息系統的配電網規劃方法［J］.電網技術，2002，26(12):79－82.

張東明(1987)，碩士，研究方向為電力系統穩定與控制;

常喜強(1976)，高級工程師，研究方向為電力系統穩定與控制及風力發電技術;

刁海勇(1973)，高級工程師，研究方向為輸變電檢修技術;

王維慶(1959)，教授，博士研究生導師，主要研究方向為電力系統自動化和風力發電機組的智能控制;

任華(1985)，碩士，研究方向為電力系統穩定與控制。

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)

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