（电力系统及其自动化专业论文）基于gis的电网参数管理系统及其可视化应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a o a b s t r a c t a tp r e s e n t , e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o n s u m m a t ei nt h es c a d aa n da g ca s p e c t s ，a n dt h ea d v a n c e da p p l i c a t i o nm o d u l e s ( s u c ha sl o a df o r e c a s t i n g ，d i s t r i b u t i o ns t a t ee s t i m a t i o n ，p o w e rf l o w , e t c ) a r ea l s o m a t u r ee n o u g h h o w e v e r , e m si nt h ep o w e rs y s t e md o e sn o tp r o v i d et h ed e d i c a t e d t r a n s m i s s i o np a r a m e t e rm a n a g e m e n tf u n c t i o n , b e c a u s et h eg r a p h sa n df i g u r e si ne m s a r ea l lb a s e do i lt h es u b s t a t i o nb u ss c h e m e s , i n s t e a do f o nt h eg i s b yc o m b i n i n gt h ev i s u a l i z a t i o n - t a r g e t e dm e t h o d o l o g ya n dt h eg i s ，av i s u a l i z e d t r a n s m i s s i o np a r a m e t e rm a n a g e m e n ts y s t e mf o re l e c t r i c p o w e rn e t w o r k sw h i c h i n t e g r a t e st h ee m si si n t r o d u c e d t h ep e o p l ec o n c e m e dc a na c q u i r et h ev a r i o u sd e a l d a t ab ys e a r c h i n g ，c l a s s i f y i n g ，a n dc o m p u t i n gt h es o u r c ed a t a , 。s ot h a tt h e yc a na n a l y z e t h ew o r k i n gs t a t u sa n dt r e n dt h o r o u g h l ya n de f f e c t i v e l y , a n df i n a l l y , m a k et h ec o r r e c t d e c i f i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pav i s u a l i z e dt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r m a n a g e m e n ts y s t e m t h eb e g i n n i n gp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea i m ，f u n c t i o n sa n df e a t u r e so ft h e s y s t e m i ta l s oe l a b o r a t e st h ea p p l i c a t i o no fb o t ht h eg 1 sa n dt h ev i s u a l i z a t i o ni n p o w e rs y s t e m o nt h i sb a s i s ，t h ed e t a i l e dd e s i g nc a s ea n dt h ec o r r e l a t i v et e c h a i c a l p r o b l e m so fd e v e l o p i n gt h es y s t e ma r ei n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y t h i ss y s t e mi s d e v e l o p e db yc + + l a n g u a g eu s i n go d e ( o p e nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) o nt h e g i sp l a t f o r ma r c i n f oo f e s r i t h eq tp l a t f o r mi su s e di nt h ed e v e l o p m e n ta n da c i mb a s e dd a t a b a s ew a se s t a b l i s h e d f i n a l l y , s o m ev i s u a l i z a t i o nf u n c t i o n so ft h e s y s t e ma l ei n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d et h el i n e sl o n g i t u d e - l a t i t u d em a p ，v o l t a g e c o n t o u rm a p ，l o a dd o tm a p , e t c k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e mt r a n s m i s s i o np a r a m e t e rm a n a g e m e n ts y s t e m ；g i s ； v i s u a l i z a t i o n ；a r c f i n f o ；c i m ；q t n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外电网参数管理现状 国外e m s 建立的时间比较长，在e m s 的基础上，各个公司也是在不断的 进行参数管理系统和运行系统的开发，比较著名的产品有p t i 公司的o d m s 。 p t i 的电力运行数据库管理系统( o d m s ) 提供使用便利的图形界面，容许系统 仿真模拟人员快速便捷地交换各种e m s 系统数据。o d m s 在开放式o d b c 环境 下将电力运行数据转换成e p r i 公共信息模型( c i m ) 格式。可选的图形显示器 编辑器提供对c i m 格式的数据库进行图形编辑功能。但是o d m s 还只是一个以 单线图为主的参数管理系统，并不具备g i s 功能。 随着我国电网的发展，电网规模在不断扩大，电网的运行方式日益复杂，电 网基础数据越来越多；另一方面随着电力自动化、信息化水平的不断提高，对电 网基础参数的应用需求也越来越多。如何有效的管理和利用这些数据成为一个问 题。 以省一级调度中心为例，目前国内省一级调度中心大部分没有对电网参数进 行统一的管理和应用，参数数据分散在各个部门独立管理应用。电网潮流和实时 参数主要由调度部门管理，存储格式为e m s 内部数据文件；线路基本参数和保 护设备参数主要由继电保护部门负责，格式多为电子表格或w o r d 文档；电网历 史数据和负荷参数等主要由运行方式科负责，数据存储格式为电子表格或内部数 据库：更多的具体设备的参数是由各地供电局和厂站人员进行管理维护。在现行 手工系统中，调度活动所需的信息是以各种书面文件、档案资料的形成存在的， 既不方便查询，又不能及时得到更新维护。同时，这些电网参数，在存储格式和 组织上都没有统一的规范，在管理维护上更处于混乱的状态。 采用图形化、可视化手段，基于地理信息系统g i s ，通过与e m s 的集成， 将电网运行基础数据尽量运用，建立一个较完整的计算机电网运行基础数据库。 同时针对数据进行检索、统计、计算处理，生成各种各样的二次数据，便于有关 人员对电网运行状态和趋势进行深入分析研究，并做出正确的管理决策。从而对 提高调度效率和提高电网运行的安全性、可靠性有着重大的现实意义。电网调度 参数管理系统的建立，可促进调度员由经验型向分析型转变，充分发挥电网调度 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 自动化系统及地理信息系统功能在电网安全、优质、经济运行中的作用。因此， 开发一套具有g i s 功能的在线的参数管理系统，显得十分必要。 1 2 基于g i s 的电网参数管理系统的目标及功能特点 1 2 1电网参数管理系统目标 本系统的设计目标是实现一个电网调度参数可视化管理系统，基于目前河南 省调度中心使用的e m s 系统平台，和e m s 系统并行工作。本系统结合地理信 息系统和o r a c l e 数据库管理系统，实现电网参数数据和空间地理数据的结合 和统一管理，实现电网的图形化显示和参数可视化查询、管理。 图1 1 是调度参数管理系统的网络结构图。各个部门相关权限的工作人员可 以使用电网调度参数管理系统通过局域网在工作站访问和管理参数管理数据库 的服务器。 调度员工作站继保工作人员工作站运行人员工作站 i r 黪黟攀缀缀缨黪帮嗲翳跫缈燃缈鬻燃鞘 l 崖鏊獭饿藏麟瓣蕊麓流貔蕊蕊貔黼瀛磊缀黼瓣灞羲蕊巍辫娥惫菇懿蕊鑫簇戮磷舞蕊毹蕊渤 局域网 画 图1 1 网络结构图 整个系统的框架结构如图1 2 所示。其中的地理数据库用于管理地图数据和 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 地理对象，在此我们用e s r i 公司( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c hi n s t i t u t e i n e ) 的a r c i n f o8 0 地理信息平台开发地理数据库。地理对象的属性数据和地 图对象分离，用o r a c l e 数据库进行管理。电网设备参数及相关参数从e m s 中一 次性导出，存储于系统的o r a c l e 数据库中，同时可以通过e x c e l 电子文档对参 数进行维护和管理。 调度参数管理系统需要和原有的e m s 系统集成，通过统一接口函数d s i 从 e m s 系统中读取实时数据和图形数据( 主要是厂站一次接线图) ，并将图形数据 转换成g i s 系统支持的图形数据，成为g i s 的图形信息，同时可以在g i s 图像 中显示实时数据。 调度参数管理系统 o d e 接口调用 a r c q n f 0w o r k s t a t i o n8 图形显示 与维护 调用 、 数s c 据a d a f 图c o 形v e 文r a g 件e 毒鬈曩据i 雨孤图形数据ll 电阿参藏 参数查询 与维护 基于c i ml 的_ | ；篷数h 参数 据库 il e m s ( c a e 公司)il e x c e l 等电子文档 1 2 2 电网参数管理系统功能 图1 2 框架结构图 基于g i s 的参数管理系统使地理数据、电网设备数据有机地结合起来。通 过菜单操作和多窗口方式逐级查询线路及厂站设备图形、数据等信息，使电网档 案资料的使用和管理方便、准确和快捷。参数管理系统将与工作站已有的e m s 系统友好集成，实现参数管理和e m s 一体化。本系统设计实现的主要功能如下： ( 1 ) 分层显示e m s 控制范围内的有关地理信息和1 1 0 k v 及以上电压等级输 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 电网络，图形能无级缩放和漫游； ( 2 ) 选择地显示输电网络图上的发电厂和变电所的主接线图； ( 3 ) 对输电网络图进行方便的编辑，即具有修改、增加、删除等功能： ( 4 ) 通过图形、数据库互查实现全面的电网参数查询功能，并可以将查询结 果以报表的形式输出； ( 5 ) 在输电网络图和主接线图上显示必要的e m s 系统的实时信息； ( 6 ) 显示电网的稳控装置配置图及相关参数； ( 7 ) 统计并展示地区电网的基本情况； ( 8 ) 显示电气化铁道及相关信息； ( 9 ) 显示全网及各地区发电和用电实时信息； ( 1 0 ) 在输电网络图上实时监视并查询电网稳定断面潮流和电压考核点电 压： ( 1 1 ) 导入线路和厂站的精确经纬度信息，显示和查询电网的实际经纬度地 理接线图及经纬度信息； ( 1 2 ) 以可视化形式实时显示各种电网信息，如电压等高线图，区域负荷密 度图，线路潮流分布图等等。 1 2 3 电网参数管理系统特点 本系统建立在e m s 之上、面向河南电网全网电厂、变电站，基于g i s 的参数 管理系统。在研制过程时，通过多方的努力，使得系统在各个方面取得了较大的 成绩，系统具有如下特点： ( 1 ) 基于g i s 平台开发，能够形象地表征设备的地理分布，能够所见即所得 的查询参数，使得查找设备的速度大大增加，同时，通过统一平台的管理，使得 数据的可靠性大大增加，减少了因为不同版本存放在不同部门所产生的电网计算 和运行误差； ( 2 ) 与e m s 平台机进行数据交换，减少了数据库和人机界面的维护工作量。 通过对实时数据的引用，使得参数和运行数据能够互相校验； ( 3 ) 通过可视化表征各种参数和运行信息，使得电网的运行特征更加一目了 然，使得调度员能够从大量的数据中解脱出来，在图中先定位一些不良数据，然 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 后可以很快的结合参数对信息进行分析； ( 4 ) 选用e s r i 公司的a r c i n f 0 8 0w o r k s t a t i o n 版，它功能强大，可 在w i n d o w s 和u n i x 等多种平台上使用，数据格式开放，转换方便，提供了 强大的二次开发能力。其地理属性由i n f o 管理，电网参数由o r a c l e 管理，通过 在i n f o 环境下执行s q l 语句直接操作o r a c l e 实现； ( 5 ) 基于o d e 方式开发地理信息功能，主程序框架用高级语言编写，在需 要时通过o d e 提供的a p i 函数调用a m l 解释器的部分模块，将相应的命令映 射到a r c i n f o 运行库上，通过这种方式可以融入a r c i n f o 所有的功能。同 时基于q t 的程序框架构建，使得系统具有良好的跨平台特性，其跨平台特性在 代码级而非运行级，编写的代码不需要修改，就可以在w i n d o w s 和u n i x 等 不同平台上分别编译运行。同时程序完全面向对象，易于扩展，支持真正的组件 编程，可重用性较好； ( 6 ) 无缝与e m s 平台机进行信息集成，电厂和变电站的主接线图从e m s 图 库中转出，既节约了工作量，又使数据保持了一致性；实时数据从e m s 系统中 获取，在统一的g i s 图形操作界面中显示； ( 7 ) 基于c i m 的数据库设计。基于公共信息模型的数据库设计使得参数库的 开放性变得很好，只要以后的数据源能够遵循c i m 标准，那么很容易将这些数 据源合并入参数库进行管理，同时对于以后实现基于c i m 的信息集成打下了一 个扎实的基础。 1 3 本文主要工作和论文组织 本论文首先介绍了基于g i s 的电网调度参数管理系统的目标，功能和特点， 然后引入地理信息系统g i s 和可视化的基本概念及其在电力系统中的应用，接 着对基于g i s 的电网调度参数管理系统的具体设计方案和技术问题进行了讨论， 最后结合河南省电力公司调度通信中心电网调度参数管理系统的开发实例，介绍 了系统的一些可视化功能及应用情况。 第一章绪论介绍了电网参数管理系统这个研究课题的背景、提出了基于地理 信息系统的电网调度参数管理系统的目标、功能及特点。 第二章介绍了地理信息系统g i s 和可视化的一些基本概念及其在电力系统 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 中的应用。 第三章重点介绍和讨论基于g i s 的电网调度参数管理系统的设计问题和相 关技术问题，分别从系统的总体结构、数据层、中间层和用户层设计分层次的进 行具体深入的讨论和研究。 第四章以河南省电力公司调度通信中心电网调度参数管理系统开发为例，介 绍了参数管理系统的一些可视化功能实例的实现方法及应用情况。 第五章对本文的工作进行了总结，并指出下一步可以研究和发展的方向。 6 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 第二章地理信息系统及可视化技术 2 1 地理信息系统 2 1 1 地理信息系统简介 地理数据和地理信息【4 】 地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特 征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息是有关地理实体 的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。在 地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息 的最显著的标志。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性： ( 1 ) 区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识； ( 2 ) 多维结构特性即在同一经纬度位置上可以有多种专题和属性的信息结 构： ( 3 ) 地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短 期的( 如台风、地震) 、短期的( 如江河洪水、秋季低温) 、中期的( 如土地利用、 作物估产) 、长期的( 如城市化、水土流失) 、超长期的( 如地壳变动、气候变化) 等。 信息系统 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单 一的或有组织的决策过程提供有用的信息。一个基于计算机的信息系统包括计算 机硬件、软件、数据和用户四大要素，智能化的信息系统还包括知识和经验。计 算机硬件包括各类计算机处理及终端设备；软件是支持数据信息的采集、存储加 工、再现和回答用户问题的计算机程序系统：数据是系统分析与处理的对象，构 成系统的应用基础；用户是信息系统所服务的对象。信息系统的类型通常分为： 事物处理系统( t r a n s a c t i o np r o c e s ss y s t e m ，t p s ) ，主要用以支持操作层人 员的日常活动； 7 浙江大学硕士学位论文 第二章地理信息系统及可视化技术 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y g e m ，m i s ) ，包含组织中的事 务处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围 的数据； 决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) ，是一组处理数据和进行推 测的分析程序，用以支持管理者制定决策。它是基于计算机的交互式的信息系统， 由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决 策效果； 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) ，能模仿人工决策处理过程的基于计算机的 信息系统。 地理信息系统 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g 1 s ) 是一种决策支持系 统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统是介于信息科学、空间科学与地 球科学之间的交叉科学，是计算机、软件、地理数据以及用来有效地获取、存储、 修改、操作、分折和显示所有与地理有关信息的有机集合体【1 0 1 。它是在计算机 硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层( 包括大气层) 空间中的有关地理 分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。这里， “地理”二字并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统，也即按地理坐标 来组织空间数据。g i s 处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包 括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一 定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。g i s 的构成如图2 1 所示。 地理信息系统具有以下三个方面的特征： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态 性： ( 2 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的 或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的 任务： ( 3 ) 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统 能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 8 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 图2 1 地理信息系统的构成 地理信息系统通过把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有 机地结合在一起，并根据用户的需要对这些信息进行分析，将分析结果作为决策 的参考依据，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果，提高了用户在管 理决策方面的科学化和合理化。 2 1 2 地理信息系统在电力系统的应用 随着我国城市经济建设和社会的快速发展，用电负荷日益增长，电网运行的 控制及管理工作变得更为复杂。由于现在电网运行管理直接面对电力企业和广大 的电力用户，网络数据量大，电气接线复杂，动态变化频繁，现有的电网运行管 理手段已经难以适应现代化电网生产建设和发展的需要。为了进一步满足电力企 业及其广大用户对电网“安全、可靠、优质、高效、经济运行”的现代化要求， 9 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 需要采用现代化的技术和管理手段来进行规划和管理，以便增强对电网设备的资 产管理、运行管理和监管能力，提高供电可靠性和电能质量，从而更加及时地为 电力客户提供优质、高效、安全的服务。为此，利用g i s 技术进行管理已是大 势所趋。 在传统模式下，电力生产管理信息的载体图纸、报表、语言( 如调度指令等) ， 传递方式是手工交接。这种机制下，信息的更新滞后于生产数据的变化，在电力 生产管理活动的各专业环节中，导致生产管理信息的“不全面、不一致、不及时、 不正确”现象。解决这一严重问题的途径，是在生产各部门之间及部门内各工作 岗位之间，建立起信息及时传递和同步更新的共享机制和环境。由于电力生产、 规划、管理和经营具有天然的空问网络拓扑特性，建立基于g i s 技术的电力公 共应用平台，将是这种机制和环境的基础。 进入2 0 世纪9 0 年代后，g i s 技术在我国电力系统中也得到了大规模的应用。 近年来，江苏、浙江山东、福建、广东等沿海各省电力公司都在积极开展g i s 的应用工作。从国内的典型应用案例看，g 1 s 技术在电力系统中主要在配网和输 电网线管理方面应用较多，与m i s 、s c a d a 系统配合实现各种功能，具体体现 在以下几个方面： 输变电和配电自动化系统 g i s 系统必须能将各电压等级的输配电线路图、线路上的各种设备图、变配 电站图、开关站图以及基础地形图集成到g i s 中，能够分层显示各图层，能够 对图形信息和属性信息进行灵活多样的双向空间查询和统计。同时，g i s 系统能 够利用自动化系统提供的数掘进行网络分析，提供如下新功能： ( 1 ) 网络拓扑分析：调用自动化系统形成的网络拓扑，通过处理开关信息的 变化，自动划分变电所、开关站、配电变压器、馈线的计算用节点数形成新的网 络接线，赋以测量和注入量数据，为有关的应用模块如配网潮流、状态估计等其 它功能模块提供新的分析依据。另外，网络拓扑可通过改变现有系统中的断路器、 隔离开关的开、合状态实现改变该系统运行方式的目的，以寻求更加合理的运行 方式。 ( 2 ) 网络拓扑着色：根据开关运行状态进行网络分析，确定带电和不带电、 以及接地和不接地的网络元件，从而得出供电区域、停电区域及其变化情况，并 l o 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 在地理图上以不同的符号和颜色进行区分显示。 ( 3 ) 电网潮流分析：能根据s c a d a 系统采集的实时负荷，并结合状态估计 的原理，进行实时潮流分析，为平衡网络负荷和网络重构等高级应用提供科学依 据。 ( 4 ) 负荷管理：在电力系统地理接线图上，对任意区画一个封闭的多边形边 界，进行负荷分析、统计和预报。 ( 5 ) 模拟操作：根据实时数据和设备的状态值，在离线和在线两种状态下进 行操作模拟、故障模拟和自动装置模拟等操作。 ( 6 ) 停电管理：计划或故障停电时，可自动决策出最小停电范围的最优化停 电隔离点；可根据设备情况分析停电区域内的负载情况，提供多种负荷转移解决 方案以供决策，并将最优方案突出显示。 ( 7 ) 供电电源分析：在图上任意取一条线路，通过网络拓扑追踪功能，可自 动追踪到该线路的供电电源点。 ( 8 ) 供电范围分析：在图上选中某个主变或开关，系统能将该变压器或开关 的供电范围进行显示。 m 1 s 管理系统、检修文档规范化系统 m i s 系统作为生产管理系统，原先一直缺乏图形界面，主要运行着缺陷、检 修停电申请、两票管理等几个生产流程及其它生产模块。通过g i s 与m i s 系统、 检修文档规范化系统的集成，可在g i s 上实现设备的运行维护功能。 ( 1 ) 巡视：能利用g i s 电网图完成设备巡视、缺陷标注、缺陷流转、制订巡 视计划。 ( 2 ) 设备维护：对设备的大修、小修、清扫、消缺等工作进行管理。 ( 3 ) 检测：在g i s 电网图上完成负荷测量、接地测量、交叉跨越测量等检测 信息的管理。 客户服务中心系统 客户服务中心系统集成到g i s 中，系统接受用户停电投诉后能自动推出相 应的地理信息图，在图上将该停电区域以指定的颜色表示出来，并发出告警显示。 当在一个区域内收到两个以上报警电话后，系统能自动判断出变压器故障或某类 线路故障，并实时显示故障位置，帮助抢修人员排除故障。并提供抢修车辆最优 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 化短路径分析。 综上所述，g i s 系统作为一个大规模的综合性图形支持系统，其建设是一个 不断扩展、完善的过程。电力g i s 系统主要为电力生产服务，因此g i s 平台建 设需考虑全面，并具备可扩展性和兼容性，能满足与不同系统的集成和功能扩展 的需要。采用地理信息系统与电力部门其他系统相结合，以信息管理为主要目标， 以先进的地理信息系统为主要技术手段，辅以必要、可靠的计算机辅助决策支持 模型，就可构建出功能强大、技术先进的智能化电力信息管理支持系统。 2 1 3g i s 平台的选择 电力系统的g i s 应用与地理学上的g i s 应用有很大的不同，因此我们应充 分考虑电力系统本身的特点来选择和使用g 1 s 平台。 容错能力 电力系统是一个实时运行的系统，系统自铜隐定性和可靠性是建设系统首要考 虑的问题，电力部门曾规定供电可靠性必须达到9 9 9 7 ，这就要求g i s 平台应 具有强大的容错能力，即对系统的稳定性、强壮性要求非常高。 数据统一及共享 电力部门工作节点多且分散，并发操作性强，对实时处理要求很高。这种分 散的应用要求数据必须全局统一，并且能够安全地实现共享。 二次开发能力 实际上，需在g i s 功能的基础上叠加大量电力专业的应用，如运行管理、 检修管理、两票管理等，这里应用的专业性很强，因此要求所选用的g i s 平台 必须具有强大的二次开发能力。 网络拓扑分析能力 由于要利用电网的动态拓扑结构进行电网运行管理( 如短路计算、配电网重 组和调度操作票专家系统等应用) ，这就要求选用的g i s 系统必须具有良好的网 络拓扑分析功能。 数据转换能力 由于电力企业的电网设施资料经过多年积累而成，数据的转换工作量非常 大。而这些资料又不断变化，因此，最终的数据转换必须在尽可能短的时间内进 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 行。这就要求选用的g i s 平台必须能很好地支持多种数据库，具有强大的数据 转换能力。 现有的电力g i s 产品开发平台主要有两类：一类是基于传统的通用型g i s 平台，如国外e s r i 公司的a r c i n f o 、i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a ，国内的m a p g i s 等；另一类是专门面向行业的专业g i s 平台，如国外的s m a l l w o r l d 等。从使用 维护、处理地理信息和通用性、开放性的角度，前者有较强的优势，而从电力系 统应用的角度，后者有速度快、效率高、模型成熟度高的长处。基于2 种开发平 台的电力g i s 应用都有一定的市场。 在电力g i s 开发中，要实现与其他自动化系统的结合，必须实行一体化设 计原则，即：a m f m g i s 与s c a d a d m s 底层数据设计一体化、功能分布 一体化和图形界面一体化。具体思路有2 种：( 1 ) 开发电力g i s 操作系统( g i s o s ) ，所有实时控制均以空间对象为目标。这种设计模式可以最大程度地减少 系统开发的复杂性，并且在数据对象方面没有为数据共享而进行的过多的整合工 作。但是，目前空间对象技术尚不能提供完善的数据定义和功能操作，制约了 g l s o s 的发展，这也是未来研究的一个方向。( 2 ) 针对目前的现状，独立发 展应用于电力系统的g i s ，并使其和其他系统在电力模型、数据共享的前提下综 合设计。这样可以充分利用目前已投入使用的系统，同时又兼顾了g i s 的伸缩 性、扩展性。但是，这种开发模式在数据共享和系统通信上有大量的工作，同时 也容易出错，往往会使得整个大系统实际上处于“两层皮”的状态。国内众多的 科研单位和机构对此进行了大量的研发工作，取得了较好的成果。 目前我国电网调度e m s 所使用的平台多为u n i x 工作站，为方便调度人员 使用和与e m s 的集成，可视化系统要求能同时运行在u n i x 和w i n d o w sn t 工 作站上，与e m s 并行工作。考虑到u n i x 的约束以及平台的数据共享转换能力 和二次开发能力，本课题g i s 平台选用e s r i 公司的a r c i n f ow o r k s t a t i o n 8 。 2 2电力系统可视化的应用现状 可视化技术，又称为科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ， 简称v i s c ) 【3 5 1 ，是2 0 世纪8 0 年代后期随着计算机技术发展而出现的- - f l 技 术。其主要做法就是把各种繁杂的数据转换成直观的图形和图像，从而有利于人 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 们正确理解数据的含义。它的主要目的是更加有效地处理和分析越来越多的科学 数据和工程数据，以提供一个探索和研究物理现象的先进工具，从而提高科学研 究和工程设计的效率。 电力系统可视化是指利用可视化技术将用以表示电力系统运行状态的各类 数据以图形或图像方式予以显示，以使系统运行人员更方便、更直观地了解当前 系统的运行状态，以便其采取的运行控制措施更有效、更有针对性【3 1 。如果用可 以容纳大信息量的图形来显示电力系统的相关数据，可以把系统运行操作人员从 海量的数据中解脱出来，辅助其及时掌握系统的运行状况并做出正确决策。电网 可视化应用较多是在地理接线图或者系统单线图的基础上，将数据转化为二维或 三维图形对象进行展示。 2 2 1 电力系统二维可视化 借鉴科学计算可视化方法，电力系统数据的二维可视化方法有颜色映射法、 等值线法等等，其最重要的特点就是结合具体的系统接线图，用有效的图形方式 来进行电网数据的可视化显示。 电网结构 传统的电网结构单线图具有结构清晰、规整的优点，可以将系统节点数据和 线路数据清楚的标注到相应的位置上。但是它不与实际系统对应，直观性较差。 随着电力系统的不断扩大，这种在单线图上标注数据的方式越来越不能满足要 求。 基于地理图的点线图直接在地理图上标注节点和线路，其优点是符合实际系 统，十分直观。但是在某些节点和线路在地理上聚集在一起时，数据的显示存在 问题。这时可以选择性地显示满足某一条件的数据，以避免数据显示过于密集甚 至重叠。 线路数据 线路数据的显示主要应用于潮流断面的显示。可以利用在输电线路上叠加箭 头的方式显示潮流方向，使用饼图反映断面上的潮流与其极限值的比较。沿地理 接线图标注出潮流。使用地理接线图的优点在于，能够使调度员清楚的看到各个 地区负荷分配状态。线路数据可视化还可以应用于线路负载率的显示。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章地理信息系统及可视化技术 图2 2 线路负载率显示 图2 3 线路潮流显示图 图2 2 和图2 3 分别显示了基于地理接线图的线路负荷和潮流的可视化显示 情况。负载率图中的饼图的大小和颜色均会随着负载率的变化而发生变化，当负 荷过载时会发出警告网。 节点数据 电力系统中的节点数据通常是指节点电压、角度、负荷和节点电价等节点数 据。由于节点数据是离散的，电力系统应用系统中一般采用在图中相应节点位置 处标出节点的电压、功角等数值文本信息的方法显示节点数据。这种方式虽然十 分准确，但是很难反映出系统节点数据的整体区域的分布情况。采用节点数据等 值线的表示方法可以很好的解决节点数据分布和越限情况的显示。图2 4 显示基 于地理接线图的节点电压等值线图【9 l 。 图2 4 基于地理接线图的节点电压等值线 区域数据 区域数据的数值使用点密度图来描述是比较直观的。点密度图通常在区域之 间进行比较，利用点分布的密疏表征区域数据的大小。如图2 5 所示： 浙江大学硕士学位论文 第二章地理信息系统及可视化技术 2 2 2 电力系统三维可视化 图2 5 点密度图 三维可视化技术就是在动画技术或二维平面轮廓线显示的基础上以第三维 的形式加入附加信息，用直观的图解方式帮助运行人员解决相对复杂的问题。 运行安全状态可视化【捌 电力系统中运行状态包括输电元件状态、发电机状态、系统整体安全状态等。 系统中各个终端上传的系统状态数据量非常庞大，绝大多数是正常状态数据，不 需要调度员干涉。只有小部分非正常状态数据需要调度员做出反应。用3 d 显示 技术对采集的状态数据做可视化分析，可以帮助调度员迅速了解系统的安全状态 以及系统的薄弱点。 图2 6 所示为一个示例系统的安全状态显示图。圆柱体所在位置表示预想发 生事故的设备所在处。图中蓝色的圆柱表示电压过低情况，红色表示线路过载情 况，圆柱体颜色和半径用来表示与它引起的最严重的那个设备的越限情况，圆柱 体的高度表示与它引起的越限事故的多少相关，柱体越高表示其相关的越限事故 越多。如果事故同时导致了低电压和过负荷，那么两个圆柱会叠加在一起。 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章地理信息系统及可视化技术 图2 6 系统安全状态显示 图2 7 预想事故的具体分析 图2 7 所示为预想事故发生的具体分析情况，图中预设圆柱体处发生了故障， 线路上的红色墙表示和该点相关的输电线路的过载情况，节点上的蓝色圆表示相 关母线的电压降低程度。圆柱体的颜色则是它引起的最严重的越限情况的颜色。 通过以上的3 d 分析图，调度员对图示区域内的系统安全状态一目了然，以 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章地理信息系统及可视化技术 便采取相应的措施来处理系统出现的非正常状态。 随着科学计算可视化理论的进一步发展，电力系统的计算机可视化分析也将 会越来越成熟。可视化软件提出了一种新型的人机交互的概念，电力系统的可视 化表示有利于人脑对复杂模型的理解，从而提高电力系统软件的智能化。 1 8 浙江大学硕士学位论文第三章参数管理系统的设计 第三章参数管理系统的设计 3 1 系统总体结构 目前我国电网调度e m s 所使用的平台多为u n i x 工作站，为方便调度人员 使用和与e m s 的集成，可视化系统需要能够运行在u n i x 工作站上，同时考虑 到目前w i n d o w s 操作系统也是极为普遍使用的，因此，系统的开发设计也要求 能够在w i n d o w s n t 上运行。考虑到u n i x 的约束以及平台的数据共享转换能力 和二次开发能力，g i s 平台选用e s r i 公司的w o r k s t a t i o n a r c i n f 0 8 。电网图形 数据和属性数据分开存储，与地理特征有关的图形数据由a r c i n f o 的关系数 据库管理系统i n f o 来管理，电网参数数据库基于公共信息模型c i m 设计，使 用o r a c l e 8 i 数据库管理系统存储，以便对电网海量数据的管理并提供开放的数据 接口。软件开发采用c + + 语言，使用a r c i n f o 的o d e 接口函数，为了能够在 u n i x 和w i n d o w s 平台都能运行程序，系统选择在q t 平台上进行开发。 系统框图如图3 1 所示： 调度参数管理系统 o d e 接口调用 a r c 仃n f 0w o r k s t a t j o n8 图形显示 与维护 黧s c a d a 。磊毒 ，、一 数据 li 并筝筇 主接线t 广一 图形数据ll 电网参数 e m s ( c a e 公司) 参数查询 与维护 基于c i ml 的嚣莲数向参数 据库 il e x c e l 等电子文档 图3 1 系统框架图 1 9 浙江大学硕士学位论文第三章参数管理系统的设计 3 2 系统数据层设计 作为一个基于g i s 的电网参数管理系统，数据的获取、存储、维护是系统 实现的一个重点和难点。本系统的数据分为图形数据和属性数据两类。图形数据 包括地理信息背景图，电网地理接线图、厂站主接线图。属性数据则主要是电网 设备参数和实时运行数据。 考虑到电力系统数据量庞大，数据关系复杂，如果将所有参数数据直接存储 在i n f o 的属性表中，不仅检索效率低下，也给数据维护带来困难。因此本系统 的图形数据由地理信息平台来组织管理，采用a r c i n f o 的c o v e r a g e 数据格式。 电网参数数据则统一存储在符合c 1 m 规范的外部o r a c l e 数据库中，通过i n f o 属性表中唯一的用户i d 号同外部数据关联，在数据维护时用程序保证图形和属 性数据的一致性。 3 2 1 a r c i n f o 的c o v e r a g e 数据模型 a r c i n f o 是美国环境系统研究所( e s r i ) 开发的地理信息软件平台， a r c i n f o 数据模型由c o v e r a g e 、g r i d 、属性表、t i n 、影像和c a d 图像来实 现空问信息的表达和管理，本系统数据采用矢量数据的c o v e r a g e 格式，本节先 介绍其最基本的数据模型c o v e r a g e 。 c o v e r a g e a r c i n f o 描述两类地理数据空间数据和属性数据。这些数据组织在一 个地理数据库中。为了能有效地利用数据，在地理数据库中，不同类型的数据按 照不同结构存储。属性数据存储在i n f o 数据库中，地理特征按信息的类型和主 题组织为一些层次，每层称为一个c o v e r a g e 。 c o v e r a g e 是a r c i n f o 矢量数据表示的主要方式，它是地图某个专题的地 理特征空间信息的逻辑集合，c o v e r a g e 适合于精确地表达点、线、面状要素的形 状和边界。c o v e r a g e 通常按照要素类型和地理主题来划分。通常，某个地理区域 的同一个主题的同类型的地理要素可以组织成一个层。例如，一幅地图常常划分 为道路、水系、植被、地形和居民地等主题，同一个主题地地理要素又需要根据 地理类型进一步细分。例如，水系要素可以分成面状水系要素和线状水系要素。 因此，一幅地图常常被划分成面状水系、线状水系、点状居民地、面状居民地以 浙江大学硕士学位论文第三章参数管理系统的设计 及面状植被和点状植被等c o v e r a g e 来存储。 在a r c i n f o 中，地理特征是描述c o v e r a g e 的最基本的数据单位。在 c o v e r a g e 中地理数据集中，特征通过坐标和拓扑关系来表示；描述性数据存在表 格记录中，特征坐标和属性之间通过一个特征内部标识号连接。 最常见的地理特征类型包括弧( a r c ) ，结点( n o d e ) ，标识点( l a b e lp o i n t ) 和多边形( p o l y g o n ) ，除此之外，还有一些其他的特征类型。例如，道路、河流 c o v e r a g e 由线状特征( 弧) 构成，地块c o v e r a g e 由面状特征( 多边形) 构成。 这些特征类型可以看成是对现实世界地理现象的高度抽象和概括。表3 1 简单的 描述了a r c i n f o 提供的每个特征类型和他们模拟的地理现象。 表3 1a r c i n f o 提供的主要特征类型 特征类型含义( 表示)地理实例 a r c 线状特征，用一组x ，y 坐标表示道路、河流、管道 线状特征上的点，用出现在a r c n o d e 交通灯、电线杆 端点的x ，y 坐标表示 p o i n t 点位置，用一对x ，y 坐标表示井、建筑物 p o l y g o n 面状特征居民区、土壤单元 多个岛屿组成的夏 r e g i o n面状特征，多个多边形 威夷岛 t i c 地理配准和控制数字化时用于配准 a n n o t a t i o n 特征注记街道名称、土壤名称 用于图幅接边、特征 l i n k 图形伸缩和调整 结