三维配电网地理信息系统的研究与实现.pdf

第2 6 卷 2 0 1 0 经 第4 期 4 月 农业工程学报 T r a n s a c t io n so f t h eC S A E 、，b 1 2 6N o 4 A p r 2 0 1 0 2 2 7 三维配电网地理信息系统的研究与实现 朴在林1 ，张晓明1 ，赵雪莹2 ( 1 沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳1 1 0 8 6 6 ；2 沈阳航空工业学院电子信息工程学院，沈阳1 1 0 1 3 6 ) 摘要：提高电力企业信息化管理水平是配电网管理中的一项重要内容，目前二维配电网G I S 系统已经成为主要的管理 手段。针对配电网特点和二维配电网G I S 系统中几何图形简单，无法真实反映配网设备及周围环境情况的不足，进行了 三维G I S 研究，提出了建立三维配电网G I S 系统的实施方案。系统采用S u p e c M a p 组件式G I S 平台，商用关系型数据库 S Q L 2 0 0 5 和V B 进行开发，实现了对配电线路和供用电设备等的可视化管理，并具有进行基本的空间分析和数据处理 功能。 关键词：可视化，信息管理，三维，G I s ，配电网管理 d o i：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 0 0 4 0 3 8 中图分类号：T M 7 6 9 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 6 8 1 9 ( 2 0 1 0 ) - 0 4 0 2 2 7 - 0 4 朴在林，张晓明，赵雪莹三维配电网地理信息系统的研究与实现 J 农业工程学报，2 0 1 0 ，2 6 ( 4 ) ：2 2 7 - - 2 3 0 P ia oZ a il in , Z h m gX ia o m in g ，Z h a oX u e y in g R e s e a r c ha n dd e s ig no fat h r e e d im e n s io n a lG 1 S b a s e dd is t r ib u t io nn e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m J T r a n s a c t io n so f t h eC S A E ，2 0 1 0 ，2 6 ( 4 ) ：2 2 7 - - 2 3 0 ( inC h in e s e 们t hE n g l is ha b s t r a c t ) 0 引言 随着国家电网改造的深入进行，配电网在设备更新、 技术改造等方面有了较大的进步，但在信息化管理方面 还比较落后。随着经济的持续发展，电力用户对电力企 业提供的管理与服务水平要求越来越高，加速电力企业 信息化建设已经成为当前的热点问题。采用信息化技术， 加强配电网管理，提供完善的服务，对提高整个电力企 业信息化水平具有重要的现实意义I l 硎。 配电网络地理信息系统是电力信息化的一个重要组 成部分，它将配电网中的各种信息与反映地理位置的图 形信息有机地结合，实现具有拓扑结构和分析功能的空 间数据库系统，并且提供了强有力的手段处理图形和非 图形信息，为电力部门提供智能化决策和控制p 】。目前中 国现有的配电网管理信息系统大都是基于二维G I S 的， 虽然已经能很好地对各类信息进行查询、分析、处理和 展现，但是提供足够真实的可视化场景、完善的人机交 互和重要的分析功能等略显不足。随着三维G I S 技术的 不断探索，一些难点问题逐渐得到解决，使实现配电网 三维地理信息系统成为了可能J 。 备的属性等静态信息，还存在电力系统实时运行状态等 动态信息L o J 。 面对如此多的配电网数据，原始的管理手段已经远 不能满足信息量日益增加的配网管理的需要，如何科学 高效地进行管理成为了配电网信息化发展的主要问题， 而G I S 技术的发展和应用很好地解决了这个难题。配电 网G I S 系统主要是针对配电系统运行和管理，利用计算 机技术、通信技术和网络技术将配电网络分布、属性及 实时信息按其实际地理位置描述在地理背景图上，形成 集查询统计、运行维护、分析管理等功能于一体的应用 系统软件。基于G I S 的配电网管理是未来实现智能电网 必不可少的支撑平台【7 J 。 目前电力系统中广泛应用的还是二维G I S 系统，是 将不同类型的实际地物和配电网设备以点、线、面等符 号表征。几何图形简单，并不能真正反映线路、杆塔等 电力设备设施周围的地形地貌，无法直观地显示设备本 身的结构和相互间的关联，其空间表现和分析能力都有 很大的局限性，不能为巡视、操作及检修人员提供一个 真实的系统环境降9 1 。 1 配网特点和二维配电网G I s 的局限性 2 三维G I s 技术 配电网直接与供电用户相联系，是电力系统的重要 组成部分。特别是农村配电网地域分布广泛，电气设备 的种类和数量众多，是一个巨大的信息载体，在配电网 中不但涉及了大量的诸如地理特征、网架结构、配电设 收稿日期：2 0 l O _ 0 1 3 l修订日期：2 0 1 0 - 0 3 2 7 作者简介：朴在林( 1 9 5 5 一) ，男，教授。中国农业工程学会会员 ( B 0 4 1 2 0 0 0 2 1 S ) ，主要从事地方电力系统及其自动化方面的理论和技术研 究。沈阳沈阳农业大学信息与电气工程学院，1 1 0 8 6 6 B 丑a il ：p ia o z l c h ia a c o m 三维地理信息系统，即三维G I S ，是由传统二维G I S 发展而来，能够同时表达和描述空间对象间的平面关系 和垂向关系的系统，它将现实世界中获得的三维数据进 行输入、存储、编辑、查询、空间分析、模拟并辅助决 策支持的计算机系统，其空间坐标( 置y ，Z ) 都参加图 形显示的运算，其空间分析指描述三维空间位置与拓扑 关系0 0 - 1 2 】。 相比于二维G I S ，三维G I S 在对客观世界的表达方 面能给人以更真实的感受，它以三维立体的造型技术给 用户展现更真实的地理空间现象，不仅能表达空间对象 农业工程学报 2 0 1 0 每 间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。 三维G I S 除了具备二维G I S 的传统功能以外，还具有包 容一维、二维对象，三维可视化，三维空间D B M S 管理 和三维空间分析的功斛1 3 1 4 】。 3 三维配电网G I S 的开发与实现 3 1三维配电网G I S 的层次结构 三维配电网地理信息系统以三维G I S 为基础平台， 结合科学计算可视化和虚拟现实技术，把配电网信息和 地理信息紧密地融合，实现配电线路、电力设备的浏览、 编辑、管理、查询和图表显示输出等功能，为规划、施 工、运行、管理等部门提供配电线路分布、走向等地理 位置信息和其他各种专业属性数据，从而实现信息的科 学管理和综合分析。 三维配电网G I S 系统的应用可以有效提高配电网的 劳动生产率，降低线路运行维护成本，对整个电力系统 经济运行具有重要意义。图1 所示的是一个典型的三维 配电网G I S 系统的系统层次结构。 曰园圜 图1 三维配电网G I S 系统层次结构 F ig 1 H ie r a r c h ic a ls l m c t u r eo f 3 DG I S - b a s e dd is t r ib u t io n n e t w o r ks y s t e m 1 ) 数据层 由空间数据，属性数据和外部数据构成。其中空间 数据指地形、地物数据，包括D E M 高程数据、航拍和卫 星图像、电子地图、矢量模型和G P S 数据等：属性数据 包括配网设备、运行数据、历史维护和配网管理调度数 据等。 2 ) 功能层 本层是针对系统内的各种静态信息的功能，包括视 图控制、查询统计、三维分析、设备管理和系统管理等 基本功能。 3 ) 应用层 应用层的设计是结合S C A D A 系统和M I S 系统，根 据用户的应用需要，参考电网动态数据即运行状态而进 行的高级应用，包括配网规划、运行管理、故障管理、 潮流计算和线损分析等。这些应用可以为决策者提供各 类数据和解决方案。 3 2 设计目标 三维配电网地理信息系统的设计目标主要是： 1 ) 真实、直观地再现配电线路、配电设备、地表信 息和建筑物等的三维景观。 2 ) 可以浏览、查询、检索各种实体的属性信息，管 理起配电网庞大的基础数据库，包括设备信息、地理信 息等。 3 ) 提供多种分析处理工具并生成各种专题图纸，以 利于决策者分析结果，进行决策。 3 3 功能需求 结合电力企业和电力用户的需求，一个完善的三维 配电网G I S 系统应该具有的功能框图如图2 所示。 1 ) 视图控制实现绘制基本点、线、面及输入文本， 能对图形进行剪切、复制、粘贴，可以对地图放大、缩 小、无级缩放：通过图层控制可以在同一地图上添加、 删除图层，可以控制不同图层的叠放顺序、显隐情况和 显示风格；根据需要可以输出各类专题图。 图2 三维配电网G I S 系统功能框图 F ig 2 F u n c t io nb l o c k so f 3 DG I S b a s e dd is t r ib u t io nn e t w o r ks y s t e m 2 ) 设备管理负责配电网线路和设备的更新和维护， 可以增加、修改、删除和查询变电站、线路和变压器等 电气设备。 3 ) 三维可视化再现真实生动的配电网所在环境及 其电气设备分布情况。通过自由浏览和三维飞行，实现 三维景观浏览。用电企业和用户可以直观了解到配电网 园一图|图圉 第4 期 朴在林等：三维配电网地理信息系统的研究与实现 络情况，有助于模拟巡线和设备浏览。能实现三维地图为二维配电图。 的保存和输出。 4 ) 淹没分析通过淹没分析可以反应出配电网线路 和设备所在地势情况，对暴雨或洪水等自然灾害对配网 影响进行仿真，得到必要的预警数据。 5 ) 数据管理配电网信息系统数据来源复杂，数据 类型繁多，数据量大，因此必须进行有效的数据管理。 数据管理包括数据共享，数据转换和数据统一。其中数 据共享指能够调用其他应用系统( 如M I S 系统) 的数据， 能导入其他C A D 软件、造型软件、图像软件生成的数据 文件和模型文件，并且能够为其他应用系统提供数据； 数据统一则主要是针对配电网G I S 导入其他系统数据时 存在的由于坐标系统和度量标准不统一引起的数据不匹 配的问题。 6 ) 配网辅助规划结合系统中丰富的配网数据，建 立准确的配网模型，应用科学的计算方法可以辅助配电 网的规划设计。比如变电所选址，输电线路辅助设计等。 在线路设计中还可以自动生成线路条图。 7 ) 停电管理使用G I S 的拓扑分析，可以了解到线 路中的开关设备所能控制的范围，看到停电区域的电力 用户情况，能起到辅助决策的作用。在需要限电或者停 电的时候能给出停电方案，保证重要用户的供电。 8 ) 其他高级应用以三维配电网G I S 系统为平台， 结合S C A D A 系统、M I S 系统，还可以进行故障检修、故 障隔离、故障恢复、开关操作、配网优化和负荷转移、 线损分析、电网电压调整、配电网重组和调度操作票系 统等功能的应用。 3 4 系统设计与实现 本系统采用组件式G I S 平台S u p c r m a pO b j e c t s 2 0 0 8 进行二次开发，应用大型商用关系型数据库S Q L 2 0 0 5 作 为数据库引擎，对地形信息和地物信息以及设备的属性 信息进行存储和管理。对地图数据通过S u p e r m a p D c s k p r 0 2 0 0 8 处理，实现三维建模。最后通过可视化面向 对象的编程语言V B 完成系统界面设计和功能实现。系统 技术路线如图3 所示。 图3 三维配电网G I S 系统技术路线 F ig 3 T e c h n ic a lr o u t eo f 3 DG I S - b a s e dd is t r ib u t io nn e t w o r k s y s t e m 系统针对沈阳市东陵区供电公司的配电网络进行建 模和管理。图4 所示为三维配电网G I S 系统的主界面， 包括工作空间管理器、图例管理器、工作区域、菜单栏、 工具栏和状态栏几个部分。其中工作区域中显示的地图 图4 系统主界面 F ig 4 M a inin t e r f a c eo f 3 DG I S b a s e c ! d is t r ib u t io nn e t w o r k s y s t e m 图5 三维配电网G I S 可视化 F ig 5 3 Dd is t r ib u t io nn e t w o r ks y s t e mG I Sv is u a l iz a t io n 图5 所示为实际三维场景，地形部分是由数字地图 生成的D E M 模型，地表建筑和配电设备等由系统建模生 成，其他的河流、湖泊、公路、居民区等地表建筑物以 面的形式覆盖在D E M 模型上。通过风格设置可以更改建 筑物和配电设备的显示风格。在三维模块中可以进行三 维可视化浏览，还能实现三维淹没等基本分析功能。 4 结论和讨论 本文通过对配电网特点和G I S 在配电网中的应用情 况进行分析，设计了一个典裂的配电网三维G I S 系统， 详细阐述了系统的结构和功能，成功实现了在配电网中 应用三维G I S 技术的尝试。配电网三维G I S 系统是一个 复杂的系统工程，现在还有很多问题需要深入研究，例 如二、三维联动、实时在线信息的处理以及与S C A D A 等 其他系统的集成等等。随着计算机技术和G I S 技术的不 断发展，这些难点问题的不断解决，三维配电网G I S 系 统肯定会有更为广阔的发展前景。 2 3 0 农业工程学报2 0 1 0 生 参考文献 【l 】 王亚辉，郑连清，白桦县级配电网地理信息系统的设计 与实现 J 】电气应用，2 0 0 7 ，( 5 ) ：4 9 5 1 2 】辜体仁G I S 提升电力行业的信息化水平明自动化博览， 2 0 0 4 ，( 2 ) ：8 6 8 8 【3 】象阳，袁荣湘，贺庆，等基于V R 技术的三维输电网 G I S 系统的研究与应用叨电子技术应用，2 0 0 5 ，( 1 2 ) ； 1 4 一1 6 4 】 王颖，宋杨，顾长龙基于配电网G I S 的管理技术研究 【J 】电力信息化，2 0 0 7 ，( 1 0 ) ：1 0 1 1 0 4 【5 】 李晓骏，邱家驹基于三维G I S 技术的输电线路地理信息 系统的设计与实现【刁电力系统及其自动化学报，2 0 0 3 ， ( 1 ) ：5 9 L i X ia o j u n , Q iuJ ia j u D e s ig no fag e o g r a p h yin f o r m a t io n s y s t e minp o w e rt r a n s m is s io nm a n a g e m e n tb a s e do n3 DG I S t e c h n o l o g y J P r o c e e d in g so ft h eC s u - e p s a , 2 0 0 3 ，( 1 ) ：5 - - 9 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【6 】6 周云成，付立思，许童羽，等农村1 0k V 配电网地理信 息系统设计方法研究明中国农村水利水电，2 0 0 9 ，( 9 ) ： 1 3 7 1 4 0 ，1 4 3 Z h o uY u n c h e n g ，F uL is i，X uT o n g y u ，e ta 1 R e s e a r c ho n1 0 k v d is t r ib u t io nn e t w o r kG I S d e s ig ninr u r a la r e a s J C h in aR u r a l W a t e ra n dH y d r o p o w e r , 2 0 0 9 ，( 9 ) ：1 3 7 1 4 0 ，1 4 3 ( in C h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【7 】 李学伟，魏峰远配电网地理信息系统模式研究叨山西 建筑，2 0 0 9 ，( 2 5 ) ：3 6 4 - - 3 6 5 L iX u e w e i，W e iF e n g y u a n O nm o d eo fs w it c hn e tg e o l o g ic a l in f o r m a t io ns y s t e m J S h a n x i A r c h it e c t u r e ，2 0 0 9 ，( 2 5 ) ： 3 6 4 - - 3 6 5 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【8 】丛欣配电网地理信息系统的设计与实现【D 】沈阳：沈 阳工业大学，2 0 0 7 C o n gX in D e s ig na n dr e a l iz a t io no fp o w e rd is t r ib u t io n n e t w o r kb a s e do nG I S D S h e n y a n gU n iv e r s it y o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 7 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【9 】 陆小艺，徐祖舰，李小明三维G I S 在电网上程设计运行 过程中的应用研究 J 】红水河，2 0 0 9 ，( 2 ) ：5 4 5 6 L u X ia n y i，X uZ u j ia n ，L iX ia o m in g R e s e a r c h a n d a p p l ic a t io no f3 DG I St od e s ig na n do p e r a t io no f t r a n s m is s io np r o j e c t J H o n g s h u iR iv e r , 2 0 0 9 ，( 2 ) ：5 4 5 6 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 1 0 】龚健雅当代G I S 的若干理论与技术【M 】武汉：武汉测 绘科技大学出版社，1 9 9 9 1 1 】穆利娜浅论3 维G I S 发展【J 】测绘标准化，2 0 0 8 ，( 1 ) ： 2 4 2 7 M uL in a O nt h ed e v e l o p m e n to f 3 Do l s J 】S t a n d a r d iz a t io n o fS u r v e y in ga n dM a p p in g ，2 0 0 8 ，( 1 ) ：2 4 2 7 ( inC h in e s e 谢t hE n g l is ha b s t r a c t l 【1 2 】刘玉华，王阿川，杨宏鹏基于G I S 的三维地形可视化方 法的研究 J 】科技信息，2 0 0 9 ，( 7 ) ：4 6 6 - - 4 6 7 L iuY u h u a ，W a n gA c h u a n ，Y a n gH o n g p e n g T h er e s e a r c ho f 3 Dt e r r a inv is u a l iz a t io nm e t h o d sb a s e do nG I S J S c ie n c e a n dT e c h n o l o g yI n f o r m a t io n , 2 0 0 9 ，( 7 ) ：4 6 6 4 6 7 ( in C h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 1 3 】肖乐斌，钟耳顺，刘纪远，等三维G I S 的基本问题探讨 【刀中国图象图形学报，2 0 0 1 ，( 9 ) ：8 4 2 - - 8 4 8 X ia oL e b in ，Z h o n gE r s h u n ，L iuJ iy u a n ，e ta 1 Ad is c u s s io no n b a s icp r o b l e m so f 3 DG I S J J o u r n a lo f I m a g ea n dG r a p h ic s ， 2 0 0 1 ，( 9 ) ：8 4 2 8 4 8 ( in C h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 1 4 】周新耿，刘芬二维、三维空间信息系统的结合和应用 明计算机与数字工程，2 0 0 5 ，( 3 ) ：1 0 1 1 0 3 Z h o uX in g e n g L iuF e n C o m b in a t io na n da p p l ic a t io f2 D G I Sa n d3 DG I S J C o m p u t e ra n dD is t a lE n g in e e r in g ，2 0 0 5 ， ( 3 ) ：1 0 1 1 0 3 ( inC h in e s ew i也E n g l is ha b s t r a c t ) R e s e a r c ha n dd e s ig no fat h r e e - - d im e n s io n a lG I S - b a s e dd is t r ib u t io n n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m P ia oZ a il in l ，Z h a n gX ia o m in 9 1 ，Z h a oX u e y in 9 2 ( 1 C o l l e g e o f l n f o r m a t io n a n d E l e c t r ic a l E n g in e e r in g , S h e n y a n g A g r ic u l t u r a l U n iv e r s it y , S h e n y a n 9 1 1 0 8 6 6 ，C h in a ； 2 S c h o o lo f E l e c t r o n ic sa n dI n f o r m a t io nE n g in e e r in g , S h e n y a n gI n s t it u t eo f A e r o n a u t ic a lE n g in e e r in g , S h e n y a n g11 0 1 3 6 ，C h in a ) A b s t r a c t ：T oim p r o v et h ep o w e re n t e r p r is ein f o r m a t io nm a n a g e m e n tl e v e lisa l lim p o r t a n tp a r to fm a n a g e m e n tf o r d is t r ib u t io nn e t w o r k , w it ht h et w o - d im e n s io n a ld is t r ib u t io nn e t w o r kG I Ss y s t e m 髂t h em a j o rt o o la tp r e s e n t A c c o r d in g t ot h ec h a r a c t e r is t ic so fd is t r ib u t io nn e t w o r ka n dt h es h o r t c o m in g so ft w o - d im e n s io n a ld is t r ib u t io nn e t w o r kG I Ss y s t e m f o rs im p l eg e o m e t r ya n dn o tb e in gat r u er e f l e c t io no ft h ed is t r ib u t io nn e t w o r ke q u ip m e n t 嬲w e l la sit ss u r r o u n d in g e n v ir o n m e n t a lc o n d it io n s ，t h isp a p e rc a r r ie do u tt h es t u d yo ft h r e e - d im e n s io n a IG I Sa n dp r o v id e d