基于GIS的供电路径多图层搜索方法研究

李春平， 王小磊， 孙辉， 周玮， 栾敬钊， 唐克

(1. 国网大连供电公司，辽宁 大连 116001; 2.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024)

基于GIS的供电路径多图层搜索方法研究

李春平1， 王小磊2， 孙辉2， 周玮2， 栾敬钊1， 唐克1

(1. 国网大连供电公司，辽宁 大连 116001; 2.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024)

近年来，电网智能化和自动化发展迅速。鉴于传统的供电路径搜索方法只能根据拓扑关系直接进行平面式的查询与分析，根据地理信息系统的图层特征与电力网架的框架特点，对基于母线分段的供电路径搜索算法进行改进，融入GIS的可视化特征，实现多图层供电路径的搜索。实现了电网智能化和自动化的改进，完成了多图层供电路径分析，提高了电网分析的灵活性。根据大连某供电区域的算例结果表明，算法具有较强的实用性。

电力系统；自动化；地理信息系统；供电路径；多图层

0 引 言

目前地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)技术越来越成熟[1]11-12,[2]182,[3]102-103，GIS已经广泛地运用到电力建设与规划中[4-5]。对于电网的自动化与智能化，提出了更高的要求[6]25,[7]45。常规供电路径搜索方法仅体现平面上的路径逻辑关系，这已不能满足电力工作人员的需求，实现多图层可视化供电路径的分析具有十分重要的意义。

常规供电路径搜索方法很多，主要有基于全路径的搜索方法和基于母线分段的搜索方法[8-9]。多图层供电路径搜索的实现需要以GIS为系统支持平台，基于母线分段的供电路径搜索方法，根据GIS的图层结构特性，完成供电路径分图层的搜索。文献[1]13-14,[2]183-184,[3]104-105系统地介绍了地理信息系统的技术体系，并突出GIS的技术及其应用；文献[6]26-28在基于传统的供电路径分析算法的基础上，采用基于母线分段的组合供电路径分析法对原有的供电路径选择方法进行优化；文献[7]46-47在分析影响电网拓扑结构的设备属性的基础上，提出了基于GIS的电网拓扑结构和拓扑分析方法；文献[10]提出一种基于道路网分层最短路径的算法。

本文根据电网的网架特点和GIS的结构特征，在基于母线分段的组合供电路径搜索算法的基础上，提出了一种基于GIS技术可视化的电网供电路径分图层搜索方法，在此基础上进行电网潮流计算和负荷预测，从而实现供电路径搜索的可视化和电网分析的智能化。

1 基于GIS的电力框架的设计

本文基于Supermap桌面版GIS平台开发，采用内嵌的集成方式建立完整的供电系统网架系统的拓扑模型，供电路径多图层可视化搜索的算法通过组件的方式实现，同时与EMS、DMS等系统实现信息的整合，实现系统之间的数据共享，确保基础数据的一致性[11-14]。

本文建立的电网基础数据库与MIS、EMS和DMS相连接，自动采集系统所需要的电网网架基本数据、地理信息和动态运行数据。

在Supermap平台上，通过连接数据库中的电网基础数据，将其地理信息编程转化生成GIS中分层次的图层：地理信息图层、供电线路图层和变电站图层等；图层中展示出来的是各元件的地理信息以及对应的图形化显示属性，图层中各元件背后关联着数据库中其基本的各项参数。图层生成之后，根据图层属性及其所表示的元件，有根据地将各个图层进行上下层透明叠加，就形成了具有地理信息的电力网架结构图，利用其可以实现数据的输入与处理、图形的编辑的空间分析等基本操作，在此基础上即可进行电网供电路径搜索以及相应的电网拓展计算。

2 分图层供电路径搜索算法的研究

电力系统供电路径分图层可视化搜索算法的实现，既理清了供电路径中各元件的逻辑关系，为电网相关计算奠定一定的基础，又直观地展示出基于地图的可视化路径。

供电路径分析是在拓扑结构形成的基础上进行的，采用的是深度优先算法搜索元件，其也包含了实际的电力潮流方向这一因素，因此，供电路径应从等值电源(电源进线或发电机)开始搜索[15]。为了避免“环路”问题，简化查询过程，按照母线将供电路径进行分段，然后将这些区段进行合适的组合即可得到完整的供电路径，这就是基于母线分段的组合供电路径分析算法的中心思想。

2.1 所有有效供电路径搜索算法的研究

基于母线分段的组合供电路径搜索方法，通过与GIS技术相衔接，编程实现形成基于母线分段的多图层供电路径搜索功能插件。

根据分析，设置非线路电气元件的属性主要有每个电气元件对应的ID、元件类型Type及查询标记mark，其中ID号具有唯一性；供电线路的属性主要线路两端所连接元件对应的ID号，其代表着电力网架的拓扑关系。线路电气元件的属性与此类似。

算法的具体实现过程为：

(1)基于等值电源图层，对区域内等值电源进行搜索，搜索到一个，记录其ID，并根据等值电源标记其属性mark1，如10000001；进入线路图层搜索包含此ID的线路，搜索到后，标记相同的mark1，根据另一个ID判断下一个连接元件所在图层及位置；依此类推直至搜索到母线图层中的母线；此段路径的供电方向是单向的。

(2)以母线图层母线mark1属性不为0的母线为根开始搜索，标记其mark2，如20000001；类似步骤(1)搜索到下层母线为止；mark1或mark2第1位数字大于等于2的路径可能是双向供电；此外为了避免冗余搜索，根据元件的voltage只能从高电压等级母线查询和自身电压等级相同或比自身电压等级低的母线。

(3)以母线图层母线mark1属性第1位为2的母线为根开始搜索，标记其mark2，如30000001；类似方法搜索到出线为止。

通过不断地循环(1)～(3)的过程，可以得到所有层次的所有供电路径。

2.2 针对某一元件的供电路径搜索算法的研究

若针对某一元件搜索所有可能的供电路径，在上述搜索方法的基础上具体步骤如下：

(1)通过ID找到该元件，记录其非零mark属性，搜索各个图层查询标记为相同值的元件，直至母线图层为止，记录母线的另一个非同值的查询标记属性；记录搜索过程中遍历过每个元件的ID，存入固定数组。

(2)根据搜索到母线的另一个查询标记属性，进行下一轮的搜索；类似步骤(1)方法搜索到上级等值电源，或底层母线或出线为止。

(3)在循环查找的过程中，每形成一条完整的供电路径，根据数组中的ID，将其对应的所有元件属性复制到专题图层，即可得到包含一条完整供电路径的专题图层。其中，不同的供电路径以不同颜色区分。

按照上述算法，可以得到基于GIS的所有可能的有效的可视化供电路径。

2.3 拓展功能的实现

在完成多图层供电路径搜索与可视化展示之后，可以更加方便快捷地进行电力系统潮流计算，通过采用牛顿-拉夫逊法计算潮流，并进行负荷预测[16]，即可对电网的供电能力和电能质量进行分析，进而评估电网的供电状态并进行预警操作。当超过阈值时发出警报，提示工作人员采取相应措施。拓展功能不是全文重点，其具体内容不再赘述。

3 算例分析

图1 基于GIS的某地区电力网架

根据上述的系统设计以及算法实现，得到构建好的基于GIS的大连某区的电力网架如图1所示，从图中可以观察到各图层地理信息与电力网架的拓扑关系。

以该区的华昌变为核心、包含11台变电站、9条主线路以及相应支路的局部电网进行分析。根据一定的规则对线路进行编号，具体编号情况如表1所示，其中3～9号线路因为中间有分叉支路，所以分段表示。

表1 线路编号表

图2所示的是该区局部电网的电气接线图，其中华昌变和青云变为同一等级高电压，其余变电站为同一等级低电压；处于闭合状态的开关及断路器缺省，图中“×”号表示该条线路上该处的开关断开，无电流通过。

图2 局部电网接线图

通过对大连该区域电网所有的供电路径分图层进行搜索，根共得到12条供电路径，具体情况如表2所示。从表中可以看出，在该局部电网中，供电路径的始端始终是高电压等级的变电站，末端始终是较低电压等级的变电站。

表2 供电路径搜索结果

图3 真理变可能的供电路径

图4 大连某区变站点负载率

通过对真理变所在的供电路径进行搜索，可以得到2条供电路径，具体可视化供电路径突出显示如图3所示的真理变两边1磅圆圈标记的两条线路，即表2中的3号和7号供电路径。

在供电路径搜索的基础上，进行潮流计算和负荷预测，根据负荷需求对电网的供电能力进行评估，得到各变电站的负载率情况，工作人员根据情况采取相应措施，从而实现对电网的智能化应用。图4是计算之后GIS上所显示的该区变电站负载率结果，1.5磅圆圈标记的是红色，表示负载率越限；1磅圆圈标记的是橙色，表示即将越限；无圆圈标记的是绿色，表示正常。

4 结束语

本文在研究电网

拓扑结构和供电路径的基础上，将GIS技术引入电网可视化设计和应用中，进行基于GIS的电力网架的构建以及多图层供电路径搜索可视化的研究。采用基于改进母线分段的多图层供电路径搜索的方法，减少了数据的冗余存储，实现了电力系统供电路径的三维可视化搜索。在此之上，进行负荷预测，完成了电网供电能力评估与电网状态预警，实现了电力系统的可视化和智能化。通过大连某区电网实例证明，本系统方案真实可行，具有较高的实用价值。

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A Study on the Multi-layer Image Searching Method for Supply Paths Based on GIS

Li Chunping1，Wang Xiaolei2，Sun Hui2，Zhou Wei2，Luan Jingzhao1，Tang Ke1

(1. State Grid Dalian Power Supply Company, Dalian Liaoning 116001, China;2. College of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

In recent years, power grid intelligence and automation have made rapid progress. Since traditional supply path analysis method just completes plane query and analysis on the basis of topological relation, according to image layer features of the geographic information system as well as framework characters of the power network frame, this paper improves the supply path searching algorithm based on the bus section. Furthermore, GIS visualization is integrated to realize multi-layer image searching. The model improves intelligence and automation of the power grid, completes multi-layer image supply path analysis, and raises the flexibility of grid analysis. The results of an example located in a power supply area in Dalian show that this algorithm has a high level of practicability.

power system; automation; GIS; power supply path; multi-layer image

辽宁省博士启动基金计划(20121023)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUT15QY50)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.022

TM76

A

1000-3886(2016)05-0068-03

李春平(1963-)，男，辽宁铁岭人，高工/副总工程师，从事电网调度及其自动化研究。 王小磊(1991-)，男，河南新乡人，硕士生，从事电网优化运行与电网规划的研究工作。 孙辉(1964-)，女，吉林吉林人，教授/博士生导师，主要研究方向为电力系统分析、新能源控制技术等。 周玮(1981-)，女，辽宁抚顺人，讲师/硕士生导师，研究方向为新能源并网后的电力系统调度运行与安全分析。 栾敬钊(1981-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，长期从事智能电网、企业信息化、信息安全等专业领域的技术及管理工作。 唐克(1983-)，男，辽宁大连人，工程师，从事电网调度自动化系统的研发和应用工作。

定稿日期: 2016-03-04