（计算机应用技术专业论文）基于gis配电网规划辅助设计系统研究与开发.pdf

华北电力人。、硕十学能论文 摘要 本文运用地理信息系统平台，结合先进的计算机技术和配电网规划理沦，进 行了基于g i s 配电网规划辅助设计系统的研究与实现。本文首先分析了目前配电 网规划存在的问题，提出了使用f m e 技术实现规划数据整合和升值的思想，实现 了配电网规划数据与g l s 图形数据的合理关联；其次根据配电网规划的实际工作 需求，通过a u t o d e s km a p 平台采用灵活数据建模的方法实现了配电网规划数据 高效管理；最后根据配电网规划动态性、多目标性、非线性、离散性、不确定的 特点，建立了空间负荷分析模型和配电网络优化模型，并且采用g i s 路径搜索算 法实现了辅助设计功能。该系统为电力企业实现规划数据集成和实施配电网规划 辅助设计具有一定的意义。 关键词：地理信息系统，配电网规划，f m e 技术，空间负荷分析模型，g i s 路径 搜索算法 a b s t r a c t t h ep a p e rp r e s e n t st h es t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no na s s i s t a n td e s i g n i n gs y s t e mo fe l e c t r i c p o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n gb a s e do ng i sb yu s i n gt h ep l a t f o r mo fg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ，a d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n gt h e o r y f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r o b l e m se x i s t i n gi ne l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n ga tp r e s e n t ，t h e p a p e rp u t sf o r w a r dt h ei d e at h a ti n t e g r a t i n gd a t a b a s ea n di n c r e a s i n gi t sv a l u ec a nb ei m p l e m e n t e d w i t hf m et e c h n o l o g y ，s oe l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n gd a t aa n dg i sg r a p hd a t ac a nb e r a t i o n a l l yc o r r e l a t e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt o t h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s o fe l e c t r i c p o w e r d i s t r i b u t i o np l a n n i n g ，b ya u t o d e s km a pa n dw i t hf l e x i b l ed a t am o d e l ，e f f i c i e n tm a n a g e m e n to f e l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n gd a t ai sa c h i e v e d ，t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n gi n c l u d i n gd y n a m i c 、m u l t i t a r g e t 、n o n l i n e a r 、d i s p e r s i b l e 、 u n c e r t a i n t y ，s p a c el o a da n a l y s i sm o d e la n de l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n go p t i m a lm o d e l a r ec o n s t r u c t e d ，a n db yu s i n gg 1 sr o a ds e a r c hm e t h o da s s i s t a n td e s i g n i n gf u n c t i o ni sa c h i e v e d t h i ss y s t e mi s s i g n i f i c a n tf o re l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s e t o i n t e g r a t ep l a n n i n g d a t aa n dt o i m p l e m e n tt h ea s s i s t a n td e s i g n i n go fe l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n g z h a n gg u a n g y u e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) s u p e r v i s e db yp r o f s h e nx i a o l i u k e yw o r d s ：g i s ，e l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o np l a n n i n g ，f m et e c h n o l o g y ，s p a c e l o a da n a l y s i sm o d e l ，g i sr o a ds e a r c hm e t h o d 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g i s 配电例规划辅助设计 系统研究与丌发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究二j ：作和取得的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名于f j 日期坦zi 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此舰定) 作者签名：杰竺至亟导师签名 日期： 江 ：马 日期 盥 竺11 - - - - - - - - - - - j - - - - - - - ：- - - 一 华北电力人学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着经济的发展，社会对电力需求日益增加，电力系统稳定已经成为社会稳 定的基础。电力系统稳定不仅需要输电系统的稳定，还需要配电系统的稳定。配 电系统是电力系统到用户的最后一环，与用户联系最为紧密，对用户供电可靠性、 供电质量的影响也最直接。国内外资料表明，8 0 的用户停电是由于配电系统可靠 性引起的，电能损耗的三分之二是在配电系统中。因此配电系统的安全、可靠、 经济地运行不仅关系到电力企业的经济效益，而且对于提高用户满意度、电网的 可靠性有着更为重要意义“1 。然而我国情况是长期以来配电系统的建设并没有得 到应有的重视，电力系统的规划研究工作也主要集中在电源规划和输电系统规划 方面，而忽视了配电系统规划的研究，致使配电系统缺乏合理的规划和建设，发 展状况相对落后口1 。随着国家“十一五”规划提出的节能目标进一步明确，对配 电网规划提出了更新的要求，为此，配电网规划在我国正面i 豳着很大的挑战。 配电网规划面临如此挑战的同时，是否规划工作都做好了呢? 答案不是，因 为配电网规划还存在这样一些问题： 1 配电网规划现状评估需要的原始数据量庞大，涉及指标众多且各指标关系 错综复杂，而且需要的电网规划相关数据分别存储在不同的系统之中，致使规划 数据在电网现状评估中没有得到充分利用。 2 配电网直接联系用户，配电网线路、设备都与所在的地理环境密切相关， 然而目前配电网规划缺乏地理信息系统的支持，无法可以进行定性的分析。 3 目前电业局的配电网规划实施方式还主要以c a d 绘图为主，无法与实际的 配电网规划数据结合，因此配电网规划者需要一个使用c a d 平台而且能取到实际 电网规划数据的软件，借此来辅助电网规划工作。 这些问题的存在影响了配电网规划前进的步伐，本文针对这些问题提出了建 立一个配电网规划平台帮助电力企业实施配电网规划与辅助设计。实现配电网规 划平台的意义： 首先，建立一个配电网规划g i s 平台，解决配电网规划数据分散问题，消除 配电网规划信息“孤岛”现象，使可以为配电网规划所用的信息体现它的价值。 其次，在该平台上进行数据建模实现电网图形化管理、配电网现状评估、空 问负荷预测、中压电网优化、低压辅助设计功能，为配电网规划人员提供辅助决 策信息。因此，对基于g i g 配电网规划与辅助设计系统进行研究，具有一定的现 1 华北电力大学硕十学位论文 实意义。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 在电力系统迅速发展的背景下，配电网络规划对于提高供电质量、经济性和 安全性显得越来越重要。为了提高配电网络规划工作科学性、规范性和效率，配 电网络规划信息化成为该领域的发展方向。国外电力工业发展先进的国家依靠完 善的基础数据已经广泛应用了配电网络规划智能软件产品，并取得了突出的效果， 如葡萄牙电力公司( e d p ) 于1 9 9 8 年开始应用配电网规划软件( o p l a n ) 优化，德国 西门子开发的配电网规划软件系统( s i n g a l ) ，法国的配电网规划系统( p r a o ) ， 美国电力科学院的配电网规划软件和管理系统( d e w ) 等都体现了国外配电网规划 软件的特点。 表1 - 1 国外软件的研究情况列表 配电网功能描述 规划软件 l o a df l o w , s h o r tc i r c u i t潮流计算，短路计算 o p t i m a lb r a n c h i n g ，s t a b l i t y 分支优化，稳定性分析 o p t i m a ll o a df l o w 潮流优化 s i n g a ll o a dc o u r s e ，d i s t a n c ep r o t e c t i o n装载过程，远程保护 0 v e fc u r r e n tt i m ep r o t e c t i o n即时保护 s i m u l a t i o no fr e l a yt r i p p i n g继电器仿真 r e l i a b i l i t y 可靠性 r e l i a b i l i t y ，l o a df l o w 可靠性，潮流计算 o p t i m a ll o a d f l o w潮流优化 p r a o s h o r t _ c i r c u i t短路电流计算 o p t i m a lb r a n c h i n g 分支优化 s u p p o r t i n ga n dd e c i s i o n 决策支持 r a d i a l n e t w o r kp o w e r f l o w 网络潮流 l o a dd a t aa n a l y s i sa n ds u b s t a t i o n负荷数据分析和站所 f o r e c a s t i n g 预报 l o a de s t i m a t i o n ，c a p a c i t o rd e s i g n负荷预测，电容器设计 d e wp h a s eb a l a n c i n gd e s i g n相位平衡设计 f a u l ta n a l y s i s故障分析 d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rb a n ks i z i n g变压器分布 e c o n o m i ca n a l y s i s经济分析 p r o t e c t i o n s y s t e m c o o r d i n a t i o n保护系统协调设计 d e s i g n 华北电力人学硕十学位论文 从表卜1 得出国外对配电网规划系统的研究和应用的层面各有不同，但是都 完成了规划的微观计算和分析，并且有的依靠g i s 平台实现的配电网规划系统的 一些高级功能。比如d e w 的变压器分布、故障分析，p r a o 的分支优化和决策支持， 这些系统为国内配网规划系统的发展提供了很好的借鉴意义。 1 2 2 国内发展现状 配电网规划自从有电网起就已经存在了，它伴随着新技术的发展，从原始的 手工绘图到c a d 辅助制图规划，再到今天借助地理信息系统实施规划，说明电网 规划得到了长足的发展。国内对于基于g i s 的配电网规划辅助设计平台的研究已 经取得了很大的进展，特别是在理论研究方面已经有了很多行之可效的理论方法。 表卜2 国内发展情况列表 系统名称开发使用 研究理论功能描述 单位 基于地理信息广西大学提出了随机广深优先该课题采用m a p l n f o 作为 系统的配电网算法解决配电网规划开发平台实现了配电网数 优化规划的研 问题据条件查询 究 石家庄城网规电力电科院该项目结合先进的计 划软件开发和石家庄供电算机技术和线彤规划、 利用公司非线性规划、整数规划 数学原理形成了配电 网规划模型，解决了配 电网规划中多结点，多 线路投资和无功优化 问题 城市电网发展天大求实软该系统采用了a u t o c a d 作 规划计算机辅件北京电力为开发平台实现了负荷及 助决策系统 公司负荷分布预测、管理现状 分析评估、中压配电站位 置及容量优化规划、高压 变电站站址及容量优化规 划、中压配电网网络优化 规划、高压配电网网络优 化规划、无功电源优化规 划、中压配电网町靠性分 析、规划方案经济性分析 t l 2 0 0 3 p s p 电哈尔滨通力该系统具有莳台地理接线 网规划系统软件开发有规划剀查询子系统和后台 限公司的处理查询予系统，其中 后台处理子系统包括：潮 流计算、无功计算、调压 计算、负荷预测、辅助决 策分析和经济评价分析等 如表卜2 说明我国使用g i s 来辅助配电网规划已经非常重视，电网规划软件 华北电力人学硕+ 学位论文 的设计开发已经取得了一定的发展。天大求实的舰划软件依托于天津大学的科研 优势建立九个规划子系统，该软件功能完整但过于庞大，其它软件也借助于地 理信息系统平台做了查询、算法分析等应用，这些系统在一定程度上解决了配电 网规划问题。从配电网规划系统使用角度讲，还存在一些问题：其一，配电网规 划系统涉及的数据接口多，如何整合利用这些规划信息问题；其二，如何使用规 划者熟悉的平台来构建一个轻量级的实用化软件，实现配电网规划功能，这两点 在上述的软件中均未体现。 1 3 本论文研究内容 1 配电网规划辅助设计平台的设计和数据整合的实现 图1 一l 配电网规划辅助设计平台框架图 如图1 - 1 ，配电网规划辅助设计平台会涉及到生产m i s 系统、配电g i s 系统、 用电营销系统、s c a d a 系统等，如何将这些数据能够整合到配电网规划数据库， 如何保证数据的一致性，这是数据整合的问题。通过设计配电网规划辅助设计平 台，采用f m e 技术实现了配电网规划数据的整合功能。 2 配网规划g i s 的数据建模 为配电网规划辅助设计平台建立合适的数据模型，提供完整的编辑工具，支持 对已有数据的修改检查，同时实现了树状结构来管理电网的特点，通过正反向定位 使规划人员对设备的位置和属性一目了然，通过引入馈线组的概念实现了馈线组 的定位和统计功能。 3 配电网舰划与辅助设计模型、方法的研究和实现 4 华北电力人学硕十学伶论文 依据配电网规划动态性、多目标性、非线性、离散性和不确定性的特点，建 立适当的数学模型。该系统采用负荷密度预测法完成了空间负荷分析和预测：使 用基于支路交换和解耦技术方法建立配电网规划优化模型，实现了多目标方案的 分解，将一个复杂的系统分解为几个可以求解的系统，实现了模拟现实规划的过 程；此外，在辅助设计模块中，采用g i s 路径搜索算法完成了配电网规划的低压 辅助设计功能，通过该模块可以为规划人员提供辅助决策信息。 4 配网规划辅助设计系统的开发与实现 h u t o d e s km a p 是一个绘图平台，同时它还是一个很好的g i s 开发工具，作为 绘图平台在电业局使用已经相当普遍，但是使用其开发的系统还比较少。以 a u t o d e s km a p 作为开发工具，使用o b j e c th r x 开发包，完成空间统计查询、现 状分析、空间负荷预测等部分开发工作。 华北电力人学硕十学位论文 第二章基于g i s 配电网规划辅助设计平台的概述 2 1 配电网规划的定义 配电网规划是指在详细地分析和研究未来负荷情况以及城市配电网现状的基 础上，制定电网的扩建和改造计划，在尽可能满足未来用户的容量、可靠性和电 能质量要求的情况下，使电力公司及其所属有关部门获得更好收益的过程口1 。 按照问题来划分，配电系统规划可以分为空间负荷预测、配电网扩展规划、 配电网自动化规划和配电网无功规划等四个部分“1 。 1 空间负荷预测 空间负荷预测是配电系统规划的基础，之所以称为空间负荷预测是因为在配 电系统规划中，不仅要求预测负荷的大小，而且要求能预测未来负荷增长的位置。 2 配电网扩展规划 配电网扩展规划是在满足对用户供电和保证各种运行约束和逻辑约束的前提 下，寻找一组最优的决策变量( 新建变电站位置、安装容量和建设时间，新建馈 线路径、型号和建设时间等) 来实现配电系统的网络扩展，并使得配电网络的投 资费用和运行费用最小。 3 配电网自动化规划 配电网自动化规划即在配电系统中实现配电自动化i ) a ( d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o i l 简称为i ) a ) 功能的规划。它包括变电站自动化s a ( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，简称为s a ) 规划和馈线自动化f a ( f e e d e ra u t o m a t i o n ，简称为f a ) 规划。配电网自动化规划必须与配电网扩展规划相配套，或者将其置于配电网扩 展规划之中。 4 配电网无功规划 、 配电网无功规划是通过对配电网进行无功补偿，实现配电网电压控制，提高 电压质量、减少网损的规划。它的主要任务是确定新增无功补偿设备的最佳位置、 容量、类型和投入时间。 2 2 传统配电网规划的分析 根据调查，地区电业局的配电网规划主要以地方经济发展的电力需求为驱动， 根据地方规划制定中长期的配电网规划大纲，此后的配电网规划以大纲为基准， 实施各个细节部分。传统配电网规划工作流程如图2 一l 所示。 6 华北电力人学硕十学侮论文 图2 - 1 配电网规划t 作流程图 1 首先制定规划大纲，说明本次规划的性质、阶段、步骤、实现目标等。 2 第二阶段收集资料，统计和整理目前电网的设备情况，取得现状数据。资 料分为用地方面、经济方面和电网方面三大块。 用地情况包括规划区内的土地面积、人口、行政区划分、地理和气候特点、 地区经济发展水平、行政计划报告( 市政规划图、用地性质图) 等。 经济情况主要应包括g d p 发展速度、分产业发展情况，规划期内国民经济和 社会发展的目标( 包括主要经济指标、发展态势、产业结构的变化趋势等) 。 电网情况主要包括：历史年的中低压电网的线路条数及各线路长度；l o k v 线 路各条线路的主干长度、总长度、主要导线型号、配挂公变台数及容量、专变台 数及容量、开关数、开闭所数、环网柜数、投运时间；本地区电厂的发电总规模， 总装机容量、发电量及最大负荷；l o k v 线路在最大负荷典型日的2 4 小时电流数 据；配电网中联络开关连接的手拉手线路数据( 可用l o k v 线路的地理接线图代替， 其中必须包含在地图上的地理走向、线路的主要导线型号、长度和所挂配变的台 数及单位容量等数据) 。 3 第三阶段以配电网构架为基础，加上政策和经济的影响因素从宏观上对电 网规划。这一步可以细化为如下步骤。 规划开始l 一一负荷预测i 一 确定各个变电站的供电范围 确定各条线路的供电范围 各条配电线路路径确定及线路选 型 配电变压器型号，容量及其台区 位置选择 配电网短路电流计算、线损计 算、可靠性计算、n 一1 计算 图2 2 配电网构架规划流程图 4 最后根据上述资料整理成舰划报告来指导配电网规划工作。 综上，在传统的配电网规划中存在如下缺点：资料收集靠人工进行，很难保 证数据的完整性和e 确性；负荷预测只能根据总的情况做出一个推断，没有结合 华北电力人学硕十学位论文 到具体的小区负荷的增长，没有结合具体环网区域的现状来执行：规划的进行过 多的依靠了规划设计者的想当然设计，很难进行可靠性验证。 2 3 地理信息系统( g i s ) 的定义 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 这一术语是1 9 6 3 年由r o g e rf t o m l i n s o n 提出的。2 0 世纪8 0 年代开始走向成熟，但对g i s 没有 统一的定义，不同的研究方向，不同的应用领域，不同的g i s 专家，对它的理解 是不一样的。有人认为g i s 是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的 空间型数据管理系统。有人认为g i s 是在计算机硬件和软件支持下，运用系统工 程和信息科学理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规 划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。综上所述，地理信息系统可定 义为：由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、 检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环 境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识， 为工程设计和规划、管理决策服务的系统”1 。 2 4 基于g i s 配电网规划辅助设计平台的分析 随着计算机软、硬件技术的发展与普及，地理信息系统进入了全面发展和应用 阶段。以计算机作为工具，采用新技术、新方法对城市电网进行优化规划已在电力 系统达成了共识。所以把地理信息系统作为配电网规划设计的平台是非常适宜的。 有了配电网规划平台的辅助，如图2 - 3 在进行配电规划时，对于没有建立g i s 系统的单位，相关人员可以首先将地理图和配电系统网络图数字化，并将地理元 件和网络的属性数据输入到数据库；已经存在g i s 的单位，则采用平台提供的数 据集成工具( f m e ) ，对原有的g i s 数据重用。然后，规划人员直接在地理图上将 供电区域分成若干小区，调用空间负荷预测程序预测后，计算小区负荷。规划人 员可以浏览、调整各小区负荷。最后，根据负荷情况进行变电站选址和馈线优化， 得到长期和短期规划，规划结果显示在配电网络图上，所有的地图可以相互叠加， 以辅助规划人员决策。 华北电力人学硕十学位论文 图2 - 3 基于g i s 配电网规划平台的工作分析流程图 通过引入g i s 配电网规划平台实现配电网规划与传统配电网规划有很大的不 同： 1 g i s 配电网规划平台能够方便规划数据的管理，提高规划人员的劳动生产 率。同时，规划过程也更直观、更具有交互性。 2 g i s 配电网规划平台可以方便地辅助规划人员确定备选的变电站站址和架 空线走廊或电缆通道，这不仅可以缩小优化规划程序的搜索范围，而且使得规划 的结果更加符合实际。 3 有了g i s 平台辅助，可以把城市规划作为地理背景作为参照，使配电网规 划适应城市规划。 4 针对实际的电网规划数据进行现状评估，规划人员可以根据每类设备的状 态定位具体位置，进行定性分析。 5 通过配电网g i s 平台可以将不同区域的规划按照时间进行存档，有利于自 动组织规划文档。 通过以上分析，空日j 负荷预测和配电网规划涉及大量的空间信息。空间负荷 预测中小区的划分、空间属性的提取、预测结果的显示需要g i s 的辅助；配电网 9 华北电力大学硕十学侍论文 规划中备选方案的提出、优化方案的分析和显示、规划文档的组织也需要g i s 的 辅助。因此，要想使配电网规划系统实用化，引入g i s 是十分必要的。 2 5 配电网规划地理信息系统平台选择 地理信息系统( g i s ) 是一项以计算机为基础的管理和研究空间数据的技术系 统。围绕着这项技术的研究、开发和应用，形成了一门交叉性、边缘性的学科。 在计算机软、硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处 理，研究各种空间实体及其相互关系，为电网数据图形信息化提供了基础。 对于配电网规划使用的g i s 平台还不同于一般的配电信息系统，在选择上仔 细分析了解了一些国内外较为流行g i s 软件开发平台比如e s r i 公司的a r c i n f o 的系列产品，a u t o d e s k 公司的a u t o d e s km a p 产品，g e 的s m a l l w o r l d ，中科院的 s u p e r m a p 2 0 0 3 系列，最后决定选择a u t o d e s k 公司的a u t o d e s km a p 作为g i s 开 发平台如下是对各个平台的分析表。 表2 - 1g i s 平台比较分析表 g i s 平台名称优点缺点 1 ) 支持开放式的图形环境 1 ) 用户要求的技能非常高 2 ) 完全面向对象思想2 ) 开发语言单一，需要自 g es m a l lw o r l d 3 ) 独特版本管理机制，保证了项层数据带的m a g i k 编程 安全3 ) 文件方式组织起来的关 4 ) 集成空问数据，能对数据库进行无 系型数据库系统 缝、开放的访问 1 ) 多源空间数据的无缝集成技术1 ) s u p e rm a pg i s 绘图能力 2 ) 提供多种栅格图像格式的转换 不强 s u p e rm a pg i s 3 ) 提供了多种形式的专题图，并且提供2 ) 对于管线分析不能满足 属性数据、空间数据以及两者结合的查配电网规划的需要 询方法 4 ) 采用了组件g i s 技术 1 ) 最为完善的绘图软件1 ) 二次开发需要使用 2 ) 在电力系统使用较为广泛o b j e c ta r x 库，因为该库 3 ) 具有强大的g i s 分析功能，适合做是用c + + 写的，编程难度比 a u t o d e s km a p 管线分析 较大 4 ) a u t o d e s km a p3 d2 0 0 6 直接使用d x f2 ) 外置数据库的存取速度 文件，无需进行转换 有待进一步解决 5 ) 支持多用户同时对同一图形进行编辑 l o 华北电力人学硕十学位论文 a u t o d e s km a p 是美国a u t o d e s k 公司研制的软件，是目前微型计算机上应用 最广泛的计算机辅助绘图和设计软件。a u t o d e s km a p3 d2 0 0 6 软件构建a u t o c a d 2 0 0 6 平台之上，它为g i s 专业人员提供了最强大的创建和编辑工具，还为地图 制作、c a d 技术人员和土木工程师提供了所需的地理空间要素，从而将c a d 和 g i s 集成起来，并在此软件的基础上推出了a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n 实时扩 展，这一全新的开发环境，充分利用了v c + + 的强大功能，使c a d 开发具有功能更 大，开发更方便的优点。 1 使用方面优点 a u t o d e s km a p 首先是一个绘图软件，对于电力规划绘图设计，在电力系统早就 有应用，规划人员对其操作熟悉所以考虑如何进行平台的过渡是软件设计的一个 重要的因素。使用a u t o d e s km a p3 d2 0 0 6 ，可以创建、管理和共享这些格式或 任何行业标准的格式，而又能保证c a d 系统的精度。a u t o d e s k 和e s r i 共同的客 户都认为a u t o d e s kg i s 软件在编辑e s r is h p 文件方面比e s r i 自己的软件还要好。 2 开发方面优点 o b j e c ta r x 作为a u t o d e s km a p 的开发工具，它是v c + + 的一个子集，具有开 发方便、用户定制、直接访问a u t o d e s km a p 图形库进行数据存取的优点。 总上所述：a u t o d e s km a p 能为电力规划提供强大的绘图编辑功能，可以在短 时间内建立一个数字化电网；a u t o c a d 在电力系统使用较为普遍，使用该平台可以 让规划人员迅速适应新的环境；它能提供配电网规划所需的线路拓扑、网络分析 等强大功能，非常适合规划平台的设计和开发。 本章分析了配电网规划的要点和定义，并针对传统的配电网规划和基于g i s 的配电网规划做了比较，建立基于g i s 配电网规划平台对于电网规划可以起到很 大的作用；根据配电网规划的实际需要选择了a u t o d e s k m a p 作为开发平台，为设 计打下了良好的基础。下一章主要说明如何使用a u t o d e s km a p 技术和f m e 技术实 现配网规划辅助设计平台的设计。 华北电力人学硕十学位论文 第三章基于g i s 配电网规划辅助设计平台的设计 3 1 平台的总体设计 如图3 - 1 该系统平台采用三层体系结构。数据提取层采用了f m e 作为后端数 据集成平台，实现了生产m i s 、配电g i s 系统、用电营销系统、s c a d a 等系统的配 电网规划数据的整合功能；构建层采用a u t o d e s km a p 作为前端g i s 开发工具，进 行了数据模型的构建，为配网规划实现提供了基础平台；实现层完成了配电网规 划功能的展现。实现层的具体功能实现框架是在a u t o d e s km a p 上进行二次开发， 系统保留a u t o d e s km a p 的基本常用功能，并增加新的功能。 图3 - i 系统结构平台图 3 2f m e 数据接口的设计 配电网规划平台是根据配电网规划的需要提出的，它的提出有着重要的意义。 首先解决了配电网规划数据的整合问题，实现了对原有与配电网规划相关数据的 重利用，实现了信息的升值；其次，它是配电网规划的现状分析的需要，配电网 规划的现状分析需要大量的数据作为支持，如何取得这些数据乃是配电网规划的 重点和难点”】。 多年以来，g i s 系统之间的数据互利用和互操作是g i s 界的一大难题。到目 华北电力人学硕十学位论文 前为止，对于空间数据移植仍然存在很大的困难，造成这些困难的主要因素是空 间数据的格式和模型的多样性，在进行多种数据格式的相互转换时往往需要做大 量的软件开发和数据处理工作，即使这样也避免不了数据的丢失，更为重要是g i s 系统的设计思想、模型不一样，程序就没有办法复制，需要重新设计开发，这样不 但浪费时间，而且还不能得到好的效果。 针对上述问题，系统采用了由加拿大s a f es o f t w a r e 公司提供的无缝数据转 换工具f m e ( t h ef e a t u r em a n i p u l a t i o ne n g i n e ) 解决了数据整合问题。f m e 系 统是基于o p e ng i s 组织提出的新数据转换理念一“语义转换”，通过提供的重构数 据功能，实现了超过1 0 0 种不同格式数据之间的转换。利用该工具可以方便集成 不同的数据源，改变过去通过程序或数据复制来实现数据共享的局面。 1 f m e 系统组成 f m e 系统主要由三个主要引擎构成：语义转换引擎，它是f m e 的核心模块， 负责实际的转换工作；语义映射文件注册表，它提供了用于管理众多不同语义映 射文件的机制，提供了简单的过滤操作，该操作用于在数据转换过程中选择所需 要的映射文件，并且注册表提供了分类机制，用于在不同的用户间开发和共享数 据转换规范；自动语义映射文件生成器，它使f m e 以完全自动的方式执行转换。 如图3 - 2 显示了f m e 语义结构体系： 图3 - 2f b l e 语义结构体系图 在该体系结构中，无论是语义映射文件是来自注册表还是来自语义映射文件 生成的软件，语义转换引擎都同等处理。这样用户就不必在映射文件机制方面开 发，可以让更多的精力放在如何自定义更为复杂的任务。 2 f m e 数据转换原理 传统的数据转换是在两个数据源之间建立一个狭窄的通道实现数据映射的过 程。如图3 - 3 所示。 1 3 华北电力大学硕十学位论文 图3 - 3 传统转换图 传统的数据转换仅是对细管两端的有限数据结构支持，并且是单向作业，处 理一些特定的数据集。其表现出来的特点是： ( 1 ) 从数据源1 到数据源2 是基本几何要素的映射。 ( 2 ) 简单的点、线概念的支持。 ( 3 ) 传统数据( 非图形) 数据的单独处理。 ( 4 ) 输入和输出模型要求一致。 而f m e 数据转换原理是。语义转换”( s e m a n t i ct r a n s l a t i o n ) ，不论是输入 还是输出数据，语义转换提供一个引擎( 带有一种语言) ，能够重新定义数据。引 擎的基础是一个丰富的数据模型，保持内部一致性和可扩展性。输入输出格式或 系统的数据模型映射到该引擎模型不需要应用最低公用标准。该引擎提供了一系 列方法来进行模型到模型的双向转换，消除了传统转换模型的缺点，如图3 4 所 不。 图3 4 语义转换图 在该语义转换模型中实现了： ( 1 ) 定义了a 目标和b 目标之间的映射。 ( 2 ) 使用了要素处理语言。 ( 3 ) 允许重新定义数据模型，如几何关系1 至几何关系2 ，几何关系至面向对 象型，面向对象型1 至面向对象型2 。 ( 4 ) 提供函数来实现查找，统计和计算功能。 ( 5 ) 提供过程将原始数据处理成所需类型的数据。 通过语义转换f m e 成功实现了不同模型数据源之间的相互转换，在转换的过 程中用户可以根据自己的功能来定义新数据源的数据模型，不必受原有数据模型 的约束，因为f m e 提供了不同数据模型转化的功能”3 。 3 f m e 数据转换的设计 华北电力人学硕十学位论文 上面分析了f m e 的机制及其原理，下面就以s m a l lw o r l d 数据转换为a r c g i s 数据为例说明如何实现数据转换。s m a l lw o r l d 数据是使用g es m a l lw o l r l d 平 台实现的配电g i s 数据，它以文件的方式存在，其图形和属性文件同时存在于一 个扩展名为d s 的文件中。a r c g i s 数据是为规划所使用的数据，它只是数据转换 的过程中一个中间数据结果。如何使d s 文件转换为a u t o d e s km a p 可以加载的文 件格式，是数据转换设计的焦点问题。针对如上需求，数据集成过程如下： ( 1 ) 使用f m ep l u gi n ( s d k ) 一它为f m e 的一个开发组件，访问f m e 的强大语 义核心，加入自己定制的数据格式。该组件的开发主要完成了s m a l lw o r l d 格式 数据添加，使之支持d s 数据到a r c g i s 数据的转换。 ( 2 ) 使用f m ep l u gi n 开发通信程序，在配电g i s 客户端完成f m e 数据转器 与s m a l lw o r l d 数据库的通讯工作。 ( 3 ) 在完成数据格式添加和通讯工作后，即可实现不同数据映射工作，定义源 数据和目标数据之间的映射，使用f m e 提供的查询和统计函数，建立转换模型。 其具体的流程设计见图3 - 5 。 图3 - 5 数据转换设计模型图 在该转换中包括了以下几点： 该转换实现了不同数据库的在任何时间，以任何方式按照设计者的方式进 行整合。 该转换实现了将不同数据形式的数据进行重新匹配，比如：在s m a l lw o r l d 数据库中提取图形数据，在o r a c l e 数据库中提取属性数据根据两者之间的联系可 以将其整合在一起，形成具有新属性信息的数据。 该转换实现了由一种g i s 数据到另一种数据的转换，实现了数据的迁移和 重利用。 总结：基于f m e 的数据集成和转换技术，将已有的各类空间数据加载到大型空 华北电力人学硕十学位论文 间数据库进行集中管理，实现不同数据的集成。在同一单位内部或不同单位之间实 现跨越多个6 i s 或c a d 系统的数据共享，为企业数据集成提供了方便。其具体实 施过程参见系统实现( 5 3 ) 。 3 3 配电网规划建模设计 3 3 1 空间实体的定义 空间实体是地理信息系统中的最小的单元，一般以分类码和识别码来描述某 一实体，分类码是对具有某一特征的实体子集的描述，识别码是对单一实体的识 别描述，系统中具有唯一性，用于区别不同的实体，同种类型的实体也具有不同的 识别码描述。空间实体的描述具备5 种内容：识别码、位置、实体特征、实体的 行为功能和实体的空间特性。位置可用空间坐标来描述，空间特性是位置信息的 一种，如维数、类型等；实体的属性是实体已经定义的特征，实体的属性属于非 空间信息“1 。如图3 - 6 所示，以配电变压器为实例说明一个空间实体的定义。 图3 - 6 空间实体的定义 3 3 2 空间实体组织方式的选择 空间实体的数据本身的组织方法有两大类：栅格结构和矢量结构。栅格结构 的最大优点是不同类型的空间数据层不需要经过复杂的几何计算就可以进行叠加 操作，栅格数据表达非常适合于模拟空间的连续变化，特别适用于属性特征的空 间变化程度很高的区域，如卫星图像上所表现的海岸带分布；矢量结构表达的空 间数据文件比栅格文件占用的存储空间要少，它非常适合表达地图上的图形目标， 点和一些小的多边形都能被精确地表达。两者都可以用来描述点、线、面三种基 本实体类型。矢量结构与地图上的表示是相似的，每一个实体的位置参照地图上 使用的x ，y 坐标参考系来表示，矢量模型中的空间实体和需表达的现实世界中的 空问实体具有一定的对应关系，矢量模型除了以最小的存储空自j 精确地表达空间 1 6 华北电力人学硕十学位论文 实体的几何位置外，它的突出优点是方便地表达拓扑关系。在栅格数据结构中，空 间被规则地划分为栅格( 细小的正方形) ，空阳j 实体是由它占据的栅格的行号、列 号及其值来定义。与矢量数据模型不一样，栅格数据模型的最小单元与前面所述的 真实世界的空间实体无直接对应关系，栅格模型的数据结构虽然简单，但是难以表 达拓扑关系。对于基于g i s 配电网规划系统来讲，拓扑关系是大量应用算法的基础， 因而选择矢量模型更有利于拓扑关系的分析。 3 3 3 配电网规划中实体分类 配电网中的杆塔、变压器和开关、刀闸等设施都是点状分布，它们的共同特 点是不考虑实际意义上的占地面积，以一个抽象的点与其它对象发生关系，在图 上以一个点( x ，y ) 的形式存在；配电网中的线路包括主干线路、分支线路、电缆 和街道都属于线状分布，它们反映的是离散的点与点之间的一种连通关系，它们 在图上以两个点直线( 毛，m ) 和( 屯，y ：) 或者多个点折线( ，n ) ， ( 屯，y ：) ，( 吒，y 。) 的形式存在；配电网中的变电站、开闭所、用户单位和城 市的行政区划等都属于面状分布，这种分布的特点是要考虑占地面积，因为一个 区域的内部可能包含具有相对位置关系的多个其它对象，例如变电站内部还有变 压器、母线、开关等电气设备以及一个单位内部会有多栋建筑物等，面状分布的 对象在图上有首尾相连的折线围成一个n 边的多边形以首尾重合的n + 1 个点，它 以( 毛，只) ，( 屯，y ：) ，( ，儿) ，( 毛，儿) 的形式存在。可以看出配电网管理 的对象在地理上所呈现的点、线和面的分布并不是孤立存在的，它们之间存在着 地理和逻辑上的密切关系，点与点之间存在着两个杆塔的杆距问题，点与线之间 有变压器、开关刀闸的挂靠问题，点与面之间有用户专用变压器的隶属问题，线 与线之间有主干线与分支线的层次问题，以及线与线的交叉跨越问题，线与面之 间有线路与单位建筑物之间的跨越问题，线路和线路的供电区域和范围问题，面 与面之间有供电范围内的各种负荷的分布问题以及线路走廊与单位建筑物之间的 冲突问题等。 由此可见，在配电网规划模型中，具有点特征的设备是电杆，配变、各种开关 等；具有线特征的设备有电线、电缆等；变电站、开闭所、规划分区、功能分区 和街区则具有面的特征；点、线、面在配电网规划共同存在，并且相互之间存在 着复杂的隶属和层次关系。 3 3 4 配电网规划数据建模的设计实现 数据模型是现实世界的