（计算机应用技术专业论文）基于gis的配电网络分析技术的研究与应用.pdf

ii 内 容 摘 要 配电环节是连接供电部门和用户的重要纽带， 在整个电力系统中起着至关重要的作用。 为了提高供电质量,最大限度地满足国民经济发展和社会用电需求,国家电力总公司已明确提出,要把城市中、低压供电网的改造与科学管理水平的提高作为电力工作的重点来抓。将地理信息系统技术应用于配电管理信息系统，给配电网的运行和管理带来了科学性和高效性,提高了配电网供电质量和运行可靠性,为配电网自动化的实现打下了坚实的基础。 本文首先分析了国内外研究现状，探讨了 gis 网络分析的基础理论，包括 gis网络模型和地理网络分析的类型。 其次，分析了配电网特性与 gis 数据模型特点，基于 geodatabase 模型设计了配电网数据模型，采用几何网络来描述配电网拓扑关系，使 gis 平台对空间数据的网络拓扑描述和配电网拓扑描述很好的结合在一起， 一方面实现了直接定位到配电网设备的地理位置进行拓扑分析，另一方面可以充分利用 ae 组件强大的分析功能，提高配电网拓扑分析的效率。 再次，对配电网网络分析的具体应用进行了分析设计，特别是针对配电网络分析的难点故障定位设计了一种基于故障状态树的故障定位方法， 该方法能快速定位而且具有一定的容错性。 最后，利用 arcgis engine，实现了配电 gis 系统部分相关功能，基于创建的配电几何网络，实现配电网拓扑分析，以供电电源分析为例，给出了算法实现流程和步骤。 关键词：gis 网络分析 几何网络 故障定位 关键词：gis 网络分析 几何网络 故障定位 iii abstract the distribution link is important tache between the power supply department and user, playing the very important role in the entire electrical power system. in order to improve the power supply quality, satisfy the national economy development maximum limit and the society use electricity demand, the national electric power corporation proposes explicitly that must urban, the low pressure supply network transformation and the scientific management level enhancement grasps as the electric power work key point. applies the geographic information system technology in the power distribution management system management system, gives the scientific nature and highly effective for distribution network movement and the management, improves the distribution network power supply quality and the movement reliability, realizes for the distribution network automation has built the solid foundation. firstly, this article analyzes the domestic and foreign research present situation, discusses the basic theory of gis network analysis, including gis network model and the type of geographical network analysis. secondly, analyzes the power distribution network characteristic and the gis data model characteristic, design the distribution network data model based on geodatabase model , uses the power distribution geometry network to describe the distribution network analysis topology relations, causes the gis platform to the spatial data network analysis situs description and the distribution network analysis situs description very good unifies in together, on the one hand realized the direct localization to arrive at place of exile the electrical network equipments geographical position to carry on the topology analysis, on the other hand may use the ae module formidable analysis function fully, enhances the distribution network topology analysis the efficiency. based on the work above, analyzes and designs the specific application of distribution network analysis, especially in allusion to the difficult point of the distribution network analysisfault location, it advances a fault location method based on fault state tree, this method can quickly location and have fault tolerance to some extent. finally, using arcgis engine, realizes the system related function; based on the foundation distribution geometry network, realizes the distribution network topology analysis, take the electric power supply analysis as an example, giving the algorithm flow chart and the concrete step. keywords: gis network analysis geometry network fault location i 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 1 引 言 地理信息系统(gis geographical information system) 是一门新兴的交叉学科,是一个用于对地理空间信息进行采集、描述、存储、运算、分析、显示和描述的综合技术系统。 它是以地理空间数据库为基础,采用空间模型分析方法,适时提供多种空间和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务。 配电网络是直接与用户联系、将电能输送到用户的电气网络，是电力系统的重要组成部分， 表现出空间性和复杂性等特点， 这些特点不但体现在电力企业的空间设备、最终用户和电力系统所采用的技术上， 更重要的是体现在电力企业的生产和运营管理上，以及经营决策上。随着社会经济的高速发展，用户的负荷正稳步的提高，用电量逐年增长，对电力设备的健康水平的要求也越来越高，同时要求电力系统的管理水平也越来越高。 配电设备的健康水平直接影响着电力系统的安全稳定运行及电力企业的经济效益。配电系统的好坏，直接影响到对用户的供电质量，同时也关系到供电企业的经济利益，加强配电系统设备的管理显得越来越重要。 由于gis 在配电网的应用,改变了传统人为的、 随意的配电网分析管理模式,给配电网的运行和管理带来了科学性和高效性,提高了配电网运行的可靠性,为配电网自 动化的实现打下了坚实的基础。在当前gis 的配电网的建设中,迫切需要一种将gis 方式描述的空间数据的网络分析转化为电力系统能够处理的网络分析方法基于gis 的配电网络分析方法。这种方法能充分地利用gis的空间数据和属性数据进行直观在线分析,运行人员能直观地判断设备地具体位置和设备的属性,从而克服了传统的运行人员只能根据拓扑示意图进行电网模拟分析、无法定位设备、无法直观地判断用户电源等弊端，本文针gis网络分析相关技术进行详尽的研究，结合配电网络特点设计了适合配电网络分析的配电网络数据模型， 并针对配电网络分析的实际功能进行了研究、设计和实现。 2 1 绪论 1.1 论文研究背景和意义 随着城市电网和农村电网改造的进一步深入和计算机技术、 通信技术在电力领域应用的日益广泛，研究如何提高电能质量、可靠性和管理效率成为电力系统的当务之急。尤其是对电力系统的末端配电网的管理，更是保证电力系统安全、可靠、高效的重要部分。然而面对纵横交织的配电网分布、日益复杂的配电设施、时刻变化的配电电网信息、 不断变迁的城市道路与建筑， 尤其是配电网中许多与空间位置相关的数据，如何在需要的时候迅速准确地提供完整的信息，也就是如何将各种图形、地图、数据属性信息统一管理并达到共享。所有这些问题的解决都依赖于建立配电 gis 系统。 开发基于 gis 的配电网管理系统具有如下意义: l）将电网数据动态化、图形化，建立了图形与数据的关联，提高了电网数据查询的智能化; 2）通过实现资料的实时更新，提升了资料的利用价值，提高了劳动生产率; 3）通过共享使各级人员能及时、准确的掌握实际电网数据和设备信息，提高管理工作效率及电网施工作业的安全性; 4）有助于电网的总体规划及设计，随着近几年电力负荷的持续快速增长，为解决供求矛盾，各地均加大了对电力基础设施的建设，该系统可以提供的辅助决策，提高电网规划的科学性; 5）多项管理过程提供信息支持; 6）使电网结构一目了然，管理更加方便快捷。 在配电 gis 中应用地理网络分析功能对提高配电网效率和自动化程度、 提高供电可靠性，加强电力市场建设和健全用户服务体系等都具有重要的意义1。 1.2 国内外研究现状 1.2.1gis 在国内外的发展 在国外，gis 是六十年代中期开始发展起来的新技术。它最初为解决地理问题而起， 至今已成为一门涉及测绘学科， 环境科学、 计算机技术等多学科的交叉学科。 1963年，加拿大测量学家 r.ftomliflson 首先提出了地理信息系统这一术语，并建成了世界上第一个 gis(加拿大地理信息系统 cgis)，并用于自然资源的管理和规划。不久，美国哈佛大学提出了较完整的系统软件 symap，这可算是 gis 的起步2。 进入 70 年代以后， gis 朝着实用方向迅速发展，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的 gis，在自然资源管理和规划方面发挥了重大的作用3。 80 年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用，成为辅助决策的工具，并促进 3 了地理信息产业的形成。 90 年代后，由于高性能低价格的工作站和微型计算机投入市场，计算机网络技术的推广应用，以及 unix 操作系统，windows 或 x-windows 开发工具和并行处理机技术的不断发展， 使 gis 发展成为具有开放性、 信息资源共享和支持多种硬件平台（多层次）的高技术产品，使用环境更为方便。 我国 gis 的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步(1970 一 1980)、准备(1980一 1985)、发展(1985 一 1995)、产业化(1996 以后)阶段。gis 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。从应用方面看，地理信息系统己在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110 报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。一批gis 软件已研制开发成功(如 geostar，citystar，mapgis 等)，一批高等院校已设立了一些与 gis 有关的专业或学科，一批专门从事 gis 产业活动的高新技术产业相继成立。此外，还成立了“中国 gis 协会”和“中国 gps 技术应用协会”等4。 1.2.2gis 在配电网中的应用现状 gis 由于其强大的数据分析功能和空间分析功能已被广泛应用于电力系统中与空间信息有密切关系的各个方面。在配电系统中，相当大一部分数据是与地理信息相关的，如杆塔、变压器、刀闸、开闭所、环网柜等电气设备，在现实世界中都呈现一定的空间地域分布特性。 配电网管理人员利用这些配电设备的空间地理信息进行日常工作，如：设备的检修，用户投诉受理，用户报装，停电计划的制订，线路的增容等等。因此，在配电系统中引入地理信息系统（gis）将是配电自动化和配电网管理的一个发展方向。 90 年代初期，进入“am/fm/gis 应用”阶段。建立“数字电网”及“协同工作环境”为特征的电力 gis 系统， 已成为发达国家电力企业， 为增强自身竞争能力 （降低生产成本、提高服务水平）而进行生产经营“业务流程重组”工作、提高电网运行科学管理水平的必不可少的工具5,6。其中最著名的是 esri 公司，esri 从事am/fm/gis 理论研究、产品开发和应用拓展已经有三十余年的历史，在全球拥有大量的 am/fm/gis 用户，包括黎巴嫩电力、纽约州电力、西班牙电力、reliant energy、nahville electricservice 等一大批电力公司。此外，mapinfo 公司的 mapinfo 和smallworld 公司的 smallworld 软件在电力行业应用也非常广泛， 其空间技术和网络解决方案在全球处于很高的水平。 目前国内已经有许多电力企业建立了基于 gis 技术的配电管理系统， 但电力 gis整体水平还相对处于传统 gis 向 am/fm/gis 过渡阶段， 基于 gis 的专业分析工作正 4 处于建设研究阶段。将电力系统分析模型叠加在传统电力 gis 系统上，利用 gis 强大的网络拓扑分析功能、电力专业属性与空间属性相结合的空间属性数据库，实现各种电力专业功能已经成为发展的趋势7。 国内电力行业开发 gis 系统比较成功的有上海四通摩天公司的 da/gis2000。该系统采用美国环境系统研究所（esri）的软件arcinfo 作为 am/fm/gis 应用支撑平台，针对国内供电行业的实际需求，提供了比较完备的功能。深圳雅都公司的 efgis（电力配线系统）是面向生产的配电网信息管理系统，该系统建立了描述生产管理过程的管理逻辑模型，能够描述电力生产业务流程。国内还有一些自主开发的 gis 系统平台，但这些平台大多数地理分析功能较弱，严格上讲只能称为图形平台8,9。 当前 gis 的配电网的建设中， 迫切需要一种将 gis 方式描述的空间数据的拓扑分析转化为电力系统能够处理的拓扑分析的方法， 也就是基于 gis 的配电网网络分析方法。 这种方法能充分地利用 gis 的空间数据和属性数据进行直观在线分析， 运行人员能直观地判断设备的具体位置和设备的属性， 从而克服了传统的运行人员只能根据拓扑示意图进行电网模拟分析、无法定位设备、无法直观地判断用户电源等弊端。 本文基于 gis 的数据特点和配电网的结构特点，利用 geodatabase 技术建立了适合配电网络分析的数据模型， 并在此基础上研究和设计了基于 gis 的配电网络分析功能，具有较大的实用性和推广价值。 1.3 本课题研究的主要内容 论文首先系统研究了地理网络分析相关基础理论，包括：地理网络建模与地理网络分析相关算法。并根据配电网络特点，结合东莞大朗镇配电网建设和管理需求，将地理网络分析理论应用于配电网络， 对配电网络建立数据模型并对配电网络分析功能进行了研究和设计，并在此基础上实现了配电 gis 系统的部分功能。 论文共分六章，论文具体组织思路如下: 第一章介绍论文的选题背景及研究意义，概述本课题国内外研究现状。 第二章介绍 gis 网络分析相关基础理论，主要包括 gis 地理网络模型相关理论和地理网络分析的具体类型。 第三章探讨了配电网数据的特征和网络拓扑的特点，提出了配电网三层网络结构：地理网络、几何网络和逻辑网络，指出了三者之间的联系和不同点。并对配电网络进行了分层处理，在此基础上设计了配电网地理数据模型。 第四章总结了 arcgis 平台网络分析特点， 创建了配电网几何网络。 在此基础上，对配电网络分析的具体功能：最佳路径分析、供电电源点分析、供电范围分析、挂牌操作、刀闸模拟操作等进行了探讨和设计，最后针对配电网络分析中的难点故障定位问题，提出了一种能快速定位并具有一定容错性的基于故障状态树的故障定位方法。 5 第五章介绍了配电 gis 系统实现的功能， 包括了系统基本功能模块、 电网分析模块和 webgis 模块。 第六章总结与展望，总结全文，得出结论，指出不足，并对今后的工作进行了展望。 6 2 gis网络分析基础理论 2.1 gis 网络分析概论 地理网络与我们每个人的生活都息息相关，它以各种形式存在于我们的周围：电力网，交通网、自来水网，通讯网等等，依靠这些地理网络，我们可以轻松方便的实现人员、物资、能源和各种信息的传递与交流10。而这些网络的性能发挥程度与其容量、布局、结构、状态等有着密切的关系，我们该怎样合理的对这些网络进行布局的规划、结构的优化、充分利用这些网络容量的同时又能让这些网络保持最优工作状态一直是各个行业人员关注的问题。 gis 网络分析就是为了更好的认识和改造我们周围的各种地理网络而对这些网络实体和现象进行抽象、处理、研究、分析的过程，其理论基础为运筹学和图论。地理网络分析研究的内容主要包含两方面： 一是如何对这些网络实体及网络现象进行抽象和再现， 使抽象出来的网络模型尽可能的简单明了又能较好的反映出抽象前现实网络的特征。 二是研究地理网络各种网络元素间的关联关系和相互作用以及如何对他们进行控制和优化， 主要指如何运用网络分析工具对抽象出来的网络模型进行各种网络分析。地理网络分析是在 gis 发展应用的要求和结果，是 gis 空间分析的重要组成部分。 地理网络分析可以帮助人们更好的认识、利用、改造、优化生活中的各种网络，使这些网络分布、结构和关系更科学合理，并能在网络遭遇自然或人为破坏时能尽快获取信息、寻求解决方案及时恢复网络正常运行。gis 网络分析主要用于资源分配的优化、最短路径的查找、最近设施的确定、设施的地址的选定和服务范围的分析等问题10。 2.2 地理网络模型 图论中的网络模型是 gis 中地理网络模型的数学理论基础， 图论中网络模型的理论研究最早可追溯到 1736 年，欧拉对七桥问题11,12的研究。图论能从一定程度上实现地理网络的抽象，但由于存在研究范围狭窄、网络模型单一、表达形式简单、数据精度低等缺点，并不能直接应用于地理网络中，在建立地理网络模型时还需要考虑地理网络的多样性和复杂性，在图论的基础上进行扩展。 地理网络模型的建立需要对地理网络实体进行抽象。 用地理网络元素来对网络实体进行表示、描述和再现。通过地理网络元素之间的相互组合来表示网络实体之间的关系和它们之间的空间相对位置特征。 地理网络模型包含几何网络模型和逻辑网络模型两种。 几何模型是指忽略现实网络中存在又对研究的网络没有什么实际意义的关系， 用简单的节点、链等地理网络元素来描述现实世界中点状和线状的地理网络实体，用点 7 与链等网络元素间的关系描述地理网络实体间的关系，几何网络是以图的形式表示的。 几何网络具有简单明了，关系明确，便于表示等优点。但是这种网络模型存在以下缺点：只能用于分析和表示简单的地理网络，不能处理复杂的地理网络；由于不包含网络元素详细的属性信息，不能用于对整个地理网络进行定量分析；几何网络以图和网络的方式表示，计算机处理起来不方便。 逻辑模型则是在几何模型上的进一步抽象，由一组二维表组成，其中包含记录地理网络要素属性信息的要素描述表（feature table）和记录描述地理网络元素之间关系的关系连接表（connectivity table） 。 逻辑模型具有以下优点：关系连接表能清晰表达地理实体间的相互关系；要素描述表能记录下所有网络元素的属性信息，能实现对网络实体的精确量化；逻辑网络以表的形式表示，计算机处理起来比较方便；借助计算机，逻辑网络能用于处理复杂地理网络。 抽象地理网络模型时，根据网络要素的功能、作用和特性可以将其分为：地理网络链、地理网络节点、站、中心、拐角或转向、障碍等，这些地理网络元素形成了地理网络结构，如图 2.1 所示13-15。 图 2.1 地理网络结构 图 2.1 地理网络结构 网络链用来表示现实地理网络中的线状地理实体或地理现象。资源、信息、能量等就是通过网络链传输。 网络结点用来表示现实地理网络中的点状地理实体或地理现象，如街道交叉口、电网中的开关刀闸、河流交汇处等都可以抽象成网络结点，网络链之间就是通过网络结点来建立连接关系，可以表现为顶点、端点。 网络站是指地理网络中资源、信息等传输的起点和终点，如河流网络中河流的源头、电力网络中的发电厂等可以抽象为网络站。 网络中心指具有一定容量，并能从网络链上获取或分发资源的结点，如电力网络点状目标：站、中心、拐角、障碍 地理网络 线状目标地理网络链 地理网络结点 8 中的变电站， 既是输电线路的终点， 能从输电网中获取电资源， 又是配电线路的起点，能给配电网分配电资源，是电力网络的一个中心。 拐角表示网络链之间的关系，不是对地理实体的抽象，资源沿网络链流到拐角处可能会发生转向，可以是原路返回，也可以流向与拐角相连的其他链。 网络障碍指资源不能通行的结点和链。如损坏后的桥梁、不能通行的关口等都可以抽象成障碍16,17。 根据地理网络的复杂程度和地理网络分析的需求， 我们通常还要用到复杂链和复杂结点。电网中的主干线，河流的干流等在多处与其他实体相连的线状地理实体，我们仅用简单链并不能很好的体现其特性，就将其抽象为复杂链，复杂链就是在物理上可以将其看成整体，逻辑上又要能清楚表达和其它实体间的关系。变电站和立交桥等内部还包含有电流、交通流等信息的实体，我们就需要将其抽象为复杂结点，对整个网络，这些复杂结点仍是一个结点，但对复杂结点本身来说，又是一个小的网络。 地理网络元素都具有相应的属性， 这些属性的变化对网络的运行方式也会产生相应的影响。如某个路口只能单行、某条路禁止通行等，网络的属性体现在网络中每个元素的属性中。 网络元素的属性主要包含阻碍强度和资源需求量两种，以网络链为例，网络链的阻碍强度也就是通过这条网络链的时间和费用上的开销，具有方向性和时间性，同一条网络链，不同的方向、不同的时间，阻碍强度可能不同。资源需求量则是指这条网络链可以从中心收集或分配给中心的资源总量，如图 2.2 所示，网络链 a 上存在 6个资源，那么网络链 a 对中心的资源需求量就是 6，分配给与中心相连的资源需求量不能高于中心的容量，图 2.2 中，中心的容量为 10，网络链 a 的资源需求量为 6，所以分配给网络链 b 的资源需求量不能超过 4。 图 2.2 网络链的资源需求量 图 2.2 网络链的资源需求量 在建立地理网络模型时， 我们还要考虑有向网络中的网络流以及网络要素间的连接法则等问题。 资源、信息、能量在地理网络中的传输形成了网络流，如交通网络上的车流，河流网络中的水流，电力网络中的电流都属于网络流。地理网络中，有的网络的网络流是非定向的，与图论中的无向网络类似，定向网络流的传输方向由网络流自己决定。有的网络流是定向的，与图论中的有向网络相似，定向网络流的方向是由地理网络控制的，方向不可逆。如车流属于非定向网络流，电流和水流则属于定向网络流。 中心容量10网络链a网络链b6个资源 9 连接法则是用于对网络元素间的连接关系进行约束和规定， 主要表现为对地理网络中链与结点、链与链之间的连接类型和数量进行的限制。在地理网络中，并不是所有类型的链与结点都可以相互连接。如配电网中不同电压等级的电线不能连接。链和结点间的连接必须符合相应连接法则。 2.3 地理网络分析类型及算法 地理网络模型建立后，就可以进行各种地理网络分析。图论中对网络分析进行了很多研究，研究出的理论和算法为地理网络分析提供了理论基础18-22。但地理网络与图论中的网络有着不同的特点，主要表现在地理网络的复杂性和数据海量性，这导致图论中的网络分析算法不能直接应用于地理网络分析。 地理网络分析按照功能主要分为：地理网络查询、连通性分析、最优路径分析、理网络最小支撑树分析、地理网络最大/最小流分析、地理网络选址和服务分析19-22。 2.3.1 地理网络查询 地理网络查询就是用户根据自己的需求从建立的地理网络模型中查找并显示相应的信息，地理网络查询是进行各种地理网络分析的基础。 地理网络分析是主要包含以下几种查询： 1.查询某结点的邻接结点集 2.查询某结点的关联边集 3.查询某条边的关联结点集 4.查询某条边的邻接边集 5.查询某点所在的边 6.查询某条路径上的点集合 7.查询某条路径上的边集 8.查询某条边上的点集 9.查询通过某条边的路径集 10.查询通过某点的路径集 11.查询整个地理网络的路径集 这几种查询中，有的是直接查询，如查询结点的关联边集，边的关联点集，有的需要通过简单的空间位置查询，如查询点状目标所在的边。有的需要通过空间连接进行复杂查询，如查询某条路径上的边集。 2.3.2 地理网络连通性分析 首先来看连通的相关定义：在一个网络中，如果结点 i 与 j 之间有路径存在，我们就定义结点 i 与 j 连通， 但不等于 j 与 i 也连通。 结点之间的连通性只用考虑结点间是否有相通路径，并不用考虑相通路径有多少。如果一个地理网络中任意两点之间都 10 连通，就是强连通地理网络。反之亦然。 地理网络连通性分析又包含以下几种： 两点间的连通性分析： 也就是要判断在地理网络中是否存在一条同时包含这两点的连通路径。 地理网络连通性分析：也就是分析该地理网络是否强连通。 连通分析具体的实现算法主要有延伸法，遍历法和矩阵运算法。 2.3.3 路径分析 在各种现实的地理网络分析中，我们通常需要寻找满足特定需求的通路，如距离最短、运输费用最低或耗时最少等，这些就是最优路径分析的范围23,24。最短路径分析是最优路径分析的基础，许多的最优路径分析都可以转换成最短路径问题。最短路径分析中的最短不只是简单意义上距离的最短，不同的应用中可能指距离最短、费用最低、时间最短、损害最小。 最短路径主要的实现算法有：代换法和 dijkstra 法。 在一些实际应用中，可能不只是需要找出其中的最短路径，有时还需要找出次短路或第 n 短路径。这些问题也可以基于最短路径算法来完成，只需将前面找出的最短路径断开实现转换。 2.3.4 地理网络支撑树分析 假如地理网络中任何两个结点之间有且仅有一条路径， 那这个地理网络就是一棵树，我们将其称为支撑树。n 个结点组成的树有 n-1 条边，任意删除一条边，就不能构成连通网络，任意加上一条边，又会形成一个圈。 所有支撑树中，我们将边权值和最小的树定义为最小支撑树25。一个完全地理网络，其最小支撑树并不一定唯一，地理网络分析的支撑树分析只是在一个完全地理网络中找出一个最小支撑树。 常用的最小支撑树分析算法有:破圈法、边割法、避圈法和 dijkstra 法。 2.3.5 地理网络流分析 流指的是流动在地理网络中的资源，如交通网络中的车流、电力网络中的电流、河流网络中的水流等。流在地理网络中流动时需要消耗时间或金钱等。 地理网络流的优化问题是地理网络研究的一个重要问题，如在安装城市自来水时，要设计好每段供水管的最大供水量和最小供水量，使其能满足生活生产等用水。这就需要进行地理网络流分析。 最大流分析和最小费用流分析是地理网络流分析研究的两大主要问题。 2.3.6 地理网络的设施选址与服务分析 地理网络中，某点到其余所有结点最短距离的最大值称为该点的最大距离。如果 11 一个点的最大距离都小于其他点的最大距离， 我们就将这个点定义为地理网络的中心点。如果一个点到网络中其他所有结点的最短距离和最小，我们就将这个点定义为地理网络的中位点。 服务范围则是指服务设施在给定的时间或距离范围内能抵达的区域。 地理网络的设施选址分析是用于解决如何对设施选址， 即能满足服务区能涵盖网络中所有的结点，又能保证设施个数尽可能最少。配电网络中变电站的选址，移动联通等通讯网络中对基站的选址都属于地理网络设施选址所研究的内容。 在进行设施选址分析过程中，最重要的问题就是如何确定网络的中心点。 地理网络的服务分析就是指对网络中设施的作用领域进行分析。 实现服务分析就是查找出到设施消耗值 （距离、 时间、 金钱） 不超过设施最大阻值的节点和边的集合。 2.3.7 地理网络的控制 供水管网中主干管道破裂、 电力网络中主干线路出现故障需要确定其影响范围和采取补救措施，供水公司通过阀门对各个区域的供水进行控制，这些都属于地理网络控制研究的范围。 实现地理网络控制，就是将地理网络中的某些边或点的权值设置为变量，当变量值发生变化时，地理网络分析结果也发生相应的变化。地理网络控制的具体实现要根据情况结合前面的分析方法实现。 2.4 本章小结 本章主要介绍了地理网络模型和 gis 网络分析的类型及算法的相关理论， 他们是gis 网络分析的理论基础。 地理网络模型用于将现实的地理现象抽象成能用于计算机处理的模型。地理网络分析就是在地理网络模型的基础上进行各种类型具体的分析，主要包含地理网络查询、地理网络连通性分析、路径分析、地理网络支撑树分析地理网络流分析、地理网络的设施选址于服务分析、地理网络的控制。 12 3 基于 gis的配电网数据模型 3.1 gis 数据模型的发展 地理信息系统不仅需要存储对象的属性信息，还需要存储大量的空间信息，数据模型则是这些信息数据和逻辑关系的组织形式的表示，数据模型是 gis 数据库的核心。 gis 数据模型的发展经历了 cad 数据模型、coverage 数据模型和 geodatabase数据模型三代。 cad 数据模型起源于二十世纪六七十年代，将地理对象的属性信息和空间信息都统一存放在二进制文件中，这种存储方式不能很好表达对象的空间属性，没办法建立对象间的拓扑关系和进行空间分析。 coverage 数据模型是 1981 年 esri 公司推出的 arcinfo 软件中采用的数据模型，将属性数据存储在数据表中，空间数据整体存储在二进制文件中，二者分开管理，通过 id 号关联。 这种方法在一定程度上实现了属性数据和空间数据的联合操作和管理，但数据转换的成本较高，不适合海量数据的管理，也不能很好描述复杂的地理对象。 geodatabase 数据模型是 esri 公司在 arcgis8 中推出的一种现代的面向对象的地理数据模型， 是在第一代地理数据模型 cad 模型和第二代数据模型 coverage 模型的基础上进化产生的第三代地理数据模型，为 arcgis 提供了数据接口及管理框架用来更好的对地理数据进行管理和使用。它定义了 arcgis 平台中所有可以使用的数据类型及每种数据类型的访问、存储、显示和管理方法26，27。 geodatabase 使用标准关系数据库技术来表示地理信息数据模型，将空间数据和属性数据都统一存放在标准的 dbms 中。 使用 geodatabase 数据模型管理地理数据就是实现 gis 软件与一般关系数据库软件的共享。geodatabase 是一个包含应用程序层和存储层的多层体系，关系数据库软件仍然完成数据查询等基本工作，gis 程序则用来表现地理数据。geodatabase 的基本元素包含表、要素类、要素数据集、关系类、几何网络等。 geodatabase 数据模型的对象关系图见图 3.1。 13 geodatabase数据模型矢量数据集要素数据集拓扑几何网络栅格数据集tin数据集地址器(location ）要素类要素类表格对象类关系类关系类 图 3.1 geodatabase 数据模型对象关系 图 3.1 geodatabase 数据模型对象关系 表格对象类是指是非空间对象类，这是一种比较特殊的类，存储在表格中。 要素类用于表示地图上具有空间特征的离散对象，我们把具有点状特征的“小”对象用点要素表示，具有线形特征的“长”对象用线要素表示，具有面状特征的“大”对象用多边形表示。要素类可以独立存在在要素数据集之外，也可以包含在要素数据集之中，如果要素类之间存在关系，我们就将其放入要素数据集中进行管理。 要素数据集则是具有公共坐标系的要素类的群集， 如果要对有拓扑关系的要素类进行操作或组织时，就应该将它们放在要素数据集中以保证在同一坐标系统中。 关系类是指用来存储对象之间关联关系的类。对象之间通过关系类进行关联。 拓扑关系用于将各个关系类集成在一张拓扑图中，并将其作为一个单元进行管理。 几何网络则是用来表达要素数据集中的要素类间的拓扑关系。 3.2 配电网特性分析 配电网是供电企业与用户间连接的纽带，在供电系统中起着十分重要的作用。 配电网主要由变电站、线缆、杆塔、变压器、开关刀闸及与变压器连接的用户单位等组成，分布关系如图 3.2。 14 图 3.2 配电网设备分布 图 3.2 配电网设备分布 从地理分布特征上看,这些管理对象呈现典型的点、线、面分布。 杆塔、变压器和开关刀闸等设施呈现出点状分布，在图中用一个坐标点（x,y）表示。 电力线路(包括主干线路、各级分支线路)以及街道都呈现出线状分布，用于反映离散点间的连通性，呈现的直线分布用两个点坐标（x1,y1） 、(x2,y2)表示，呈现的折线分布则用多个点(x1,y1)(xn,yn)表示。 变电站、用户单位和城市行政区划等则是呈现的面状分布。它们作为一个区域，内部还包含多个其他对象，这些其他对象间又具有相对的空间位置关系，比如变电站内部包含有变电器、线缆、开关等电气设备，因此对这些面状分布的对象，我们要考虑占地面积。对这类对象我们用多边形也就是一组首尾相连的点（x1,y1）(xn,yn)、（x1,y1）来表示。 这些对象呈现的点、线、面特征之间还存在地理和逻辑上的紧密关系：点与点间有杆塔距离、 变压器和电线杆的依附生命周期等问题; 线与线之间有各级线路的层次和交叉问题；面与面之间有供电范围内的各种负荷的分布问题等；点与线之间存在着开关刀闸与电力线路间的挂靠关系;线与面存在着电线和建筑物的跨越等问题；点与面之间存在着用户与变电站之间的隶属问题28-30。 从配电设备的分布特点角度上来说：配电网的分布领域比输电网小的多，电力设施相对集中，与用户间的关系也更加密切。配电网中有大量的供方设备和需方设备，这些设备会发生频繁的变动。 在 gis 系统中，常用的两种数据组织方式为矢量模型和栅格模型，如图 3.3 所示,栅格模型用空间单元 （cell） 或像元 （pixel） 来表达世界， 矢量模型则用点 （point） 、线（line） 、面（shape）表达。基于配电网的点、线、面分布特点，本系统采用矢量数据模型。 变电站 主干线路 二级分支 一级分支 电缆线路 用户单位 15 (a) 栅格法 (a) 栅格法 （b）矢量法 图 3.3 空间数据组织的两种类型 （b）矢量法 图 3.3 空间数据组织的两种类型 3.3 配电三层网络理论研究 配电网是一个复杂的网络，网络中的各个元素都要符合网络规则。对配电网数据按照网络规则建立几何网络并进行网络分析具有重要的意义， 也是配电网管理实际工作的需要。可以将配电网络分成地理网络、几何网络和逻辑网络三层网络结构进行研究。 1）地理网络：配电网络中的实际设备相互连接后就组成了相应的地理网络，地理网络在配电 gis 系统表现为系统所展示的图形界面。 如变电站与终端变压器之间通过架空线相连，架空线还可以与分段开关等设备相连，电缆之间则是通过电缆分接箱进行连接。配电设备之间的连接关系可以由用户根据实际情况进行设定。在 gis 系统中，地理网络是分层（layer）管理的，每种类型的设备都划分到对应的层。一个地理网络由多个图层组成。每个图层中都含有相应的设备（feature） ，这些设备自身又具有地理属性和非地理属性。 2）几何网络：一个地理网络总能抽象出相应的几何网络，几何网络能很好的支持各种网络分析的功能。在几何网络中定义了拓扑要素类：边要素类和点要素类。边要素和结点要素统称为网络要素，其中点要素包含有简单点要素和复杂点要素，边要素包含简单边要素和复杂边要素31，如下图 3.4 所示。网络要素通过连接就构成了几何网络。在形成几何网络时，我们可以定义连通规则用于约束要素之间的连接。 16 网络要素networkfeature接点要素junctionfeature边要素edgefeature简单接点要素simplejunctionfeature复杂边要素complexedgefeature简单边要素simpleedgefeature复杂接点要素complexjunctionfeature 图 3.4 网络要素类模型 图 3.4 网络要素类模型 在对实际的配电网进行抽象时，可以把变压器、开关之类的简单点设备抽象为简单点要素；复杂接点要素作为点要素，内部又包含一定数目的简单边和简单点要素，这些内部的边和点要素构成该复杂接点的内部拓扑结构，如电缆分接箱，复杂节点需要对 gis 系统原来的模型进行扩展后才能使用； 简单边要素只允许有一个起始点和一个终结点，在进行抽象时把它们抽象成一条边；而对复杂边要素而言，它除了有起始点和终结点，内部还含有多个点，整个复杂边要素在物理上保持单个设备，但在逻辑上却表现为多个元素32.33。 如配电网中的主干线路， 它们通常会与很多分支线路相连，如果要使其物理上保持独立，逻辑上分成多个元素以便于对电流进行建模，就应将其抽象为复杂边。几何网络是网络中要素类的集合。 3）逻辑网络：与几何网络相似，也是相连的边线和节点的集合。二者的主要区别在于：逻辑网络的边线和接点不含有任何几何属性，因此它们不能称为要素，而应当称为元素（elements） 。几何网络中的要素与逻辑网络中的元素存在有 1：1 或 1：n的关系。一个几何网络总是与一个逻辑网络相关联，逻辑网络主要用于在后台进行网络的跟踪分析，完成分析后向几何网络汇报分析过程中返回的要素。在对几何网络要素进行编辑的时候，其对应的逻辑网络元素也会自动得更新，我们通常看到的是几何网络，并不能看到逻辑网络的记录，但在网络分析程序开发时需要用到逻辑网络。 逻辑网络主要用于存储网络的连通性。记录下了所有相邻交点和交点间的边线。在进行网络分析程序开发的过程中，将只涉及逻辑网络。逻辑网络是由若干表组成，并不包含任何几何信息；当对几何网络进行修改后，对应的逻辑网络也会自动被维护 17 和更新。 给出几何网络示意图如下图 3.5 所示，其中 k1、k2、k3、k4 表示网络中的接点，e1、e2、e3 则用来表示网络中的边。 e3 3e1 1 e2 2k1 k2 k4 k3 e3 3e1 1 e2 2k1 k2 k4 k3 图 3.5 几何网络示意图 图 3.5 几何网络示意图 与该几何网络对应的接点要素表和边要素表如表 3.1。连通性属性表如表 3.2 所示，通过连通性属性表，我们可以清楚记录几何网络中与四个接点相连的所有接点以及边线，我们可以便捷的查询到某结点的所有相邻结点和边。 表表 3.1 接点和边要素表接点和边要素表 id geometry k1point k2point k3point k4point 表表 3.2 连通性属性表连通性属性表 junction adjacent junction and edge k1 k2, e1 k2 k1, e1 k3,e2 k4,e3 k3 k2, e2 k4 k2, e3 3.4 配电网数据模型 建立配电网络数据模型就是在前面的配电三层网络理论基础上， 将地理网络抽象成几何网络，并以逻辑网络存储几何网络的连通性。 3.4.1 配电网网络数据图层的划分 idgeometry e1line e2line e3line 18 配电 gis 系统中的数据主要包含基础地理数据和配电网络数据两大类。 基础地理数据也就是配电网络的地理背景数据，主要指道路、建筑、河流等数据信息。基础地理数据与配电网络分析没什么大的关联，主要用于对配电网络设备的位置进行标识。 配电网络数据则是指配电网络中的各种配电设备数据，如杆塔、电力线路、变压器、开关、变电站、电缆分解箱等。配电网络数据是配电 gis 系统中的重要数据，也是系统建设的关键数据，与配电网络分析功能密切相关。 在 geodatabase 数据模型中，为了便于对配电网络数据进行管理和维护，我们需要对背景数据对象和繁杂的配电设备对象分层管理。 将同种类型的对象放在同一个要素层， 不同的类型的对象放在不同的要素层34，35。 如何确定网络图层的划分会直接影响系统的性能和可操作性。根据实际情况和应用需要，我们将配电数据图层划分如图3.6 所示。 配电网信息图层变电站层架空线层地下电缆层变压器层开关层杆塔层电缆分接箱层建筑层街道层标注层配电网图层背景图层 图 3.6 配电网 gis 系统的图层信息划分 图 3.6 配电网 gis 系统的图层信息划分 3.4.2 配电网数据模型设计 应用 geodatabase 数据模型建立配电网数据模型可以比较贴切的描述配电网络的空间和属性特点，在建立配电网数据模型时，需要与配电设备管理和配电网的网络分析功能相结合，能便于实现供电电