（电力系统及其自动化专业论文）基于gis系统平台的电网拓扑生成研究.pdf

于所采集的g p s 数据不能直接导入g i s 系统，必须进行差分校正及坐标转换， 入库后的数据在通过g i s 平台建立拓扑之前还需经特定的编辑处理才能生成所 需的拓扑数据等，本文对此都进行了较为全面的论述。 最后详述了借助标准开发工具及通用g i s 平台对本文所述设计思想进行的 实现过程，并对研究的结果进行了总结，同时对本课题的进一步研究方向及当 前g i s 技术在电力系统的发展趋势也作了讨论。 关键词：地理信息系统电网拓扑全球定位系统自动成图 s t u d y o n b u i l d i n gt o p o l o g i cm a p o fp o w e r s y s t e m b a s e do ng i s m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：h eq i a d vis o t ：z h o ub u x i a n g p o w e rs y s t e mi sac o m p l i c a t e dn e t w o r ks y s t e mt h a tc o v e r saw i d er a n g eo f a r e a s t h eo b j e c t sw i t h i nt h es y s t e mh a v e c o m p l i c a t e de l e c l r i cc o n n e c t i o n s t oe a c h o t h e r i nr e c e n ty e a r s w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i th a s b e c o m ea l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct od e s c r i b et h ev a r i o u st o p o l o g i cr e l a t i o n si n c o m p u t e rs y s t e m t h i sp a p e rb r i n g su pan e w i d e at ob u i l dt h et o p o l o g i cm a po f l o g i cc i r c u i ta n dg e o g r a p h i cj o i n to fp o w e rn e t w o r kb a s e do ng e n e r a lg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，a sw e l la st h es t u d i e so nt h er e l a t e dd a t as t r u c t u r e s ， m o d e l i n g f a c i l i t i e sa n dk e y t e c h n i q u e s 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 ( g i s ) i san e wi n t e r d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g y ， w h i c hc o m b i n e sc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e ma n dc o m p u t e r g r a p h i cs c i e n c e w i t ht h es u p p o r to fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，o l sc a r l c o l l e c t ，m a n a g e ，o p e r a t e ，a n a l y z e ，s i m u l a t e a n d d i s p l a y t h e s p a t i a l d a t aa n d a c c o m p l i s hg r a p h i cd a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s b a s e do nt h ea n a l y s i so fs p a t i a l d a t as t r u c t u r eo fg i s ，as e r i e so f f a c i l i t ym o d e l so nt h ef o r m a t i o no ft h et o p o l o g i c m a ps p e c i a l i z e di ne l e c t r i cp o w e rn e t w o r kw e r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r w i t ht h e a d v a n c e do b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y , a l le l e c t r i cf a c i l i t i e si nt h en e t w o r kc a nb e a b s t r a c t e dt ot h em e t a - g r a p h i c o b j e c t si nd r a w i n g s p a c ea n d t h ee l e c t r i cj o i n tp o i n t s c a 1b ed e f i n e dt o o t h em e t a - g r a p h i c o b j e c ti se v e n td r i v e nw h i c hf a c i l i t a t ei t s a n a l y s i s a n da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e t oe n s u r et h e a c c u r a c y o fd r a w i n g ，t h e s o l u t i o nf o rt i n yd e v i a t i o ni nd r a w i n gw a sa l s og i v e ni nt h i sp a p e r m o r e o v e r , t h e c o n s t r u c t i v ep r o c e s so fl o g i s t i c t o p o l o g i c a lm a pa n dt h e f l o wo fe d i ta r ea l s o d e s c r i b e di nd e t a i l a sar e s u l to f t h ei n t r o d u c i n go fg i sd a t as t r u c t u r e ，g r a p h i cd a t a a n da t t r i b u t ed a t ac a r lb ei n t e g r a t e di n t h i s l o g i s t i ct o p o l o g i c a lm a po fp o w e r n e t w o r k t h eo b j e c t so f p o w e r n e t w o r ka r ep o i n t ，l i n ea r i da r e ai nac e r t a i na r e a ，w h i c h i n c l u d eb o t h g r a p h i c d a t aa n da t t r i b u t ed a t a a l lt h ed a t aa b o v ec o n s t r u c ta g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt h a th a ss p e c i a ls p a t i a lm e a n i n g t h ed a t ao fp o w e r n e t w o r kc a l lb eb u i l ta n du p d a t e dc o n v e n i e n t l yb yu s i n ga d v a n c e dg l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ( o p s ) t h e d a t ac o l l e c t e db yg p sc a nn o tb ei n t r o d u c e dt og i s d i r e c t l y , t h e y h a v et ou n d e r g os o m es p e c i a lt r e a t m e n t ss u c ha sd i f f e r e n c ec o r r e c t i o na n dr e f e r e n c e t r a n s f o r m a t i o nb e f o r e t h e y c a l lb ei n p u ti n t ot h eg i sd a t a b a s e ，w h i c hw i l lb e d i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r a tl a s t ，a s u m m a r yo ft h es t u d yw a sg i v e na n dt h ea p p l i c a t i o n a n df u t u r e d e v e l o p m e n t o fg i si np o w e r s y s t e mw e r ep r e d i c t e d k e y w o r d s ：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 ( g i s ) n e t w o r kt o p o l o g y g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) a u t o m a t e d m a p p i n g 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 受美国前副总统戈尔提出的“数字地球”理念的启发，电力工作者提出了 数字电网的概念。数字地球这样一个巨大的软件工程需要世界各国共同完成。 同样，数字电网也是一个相当大的软件工程，与“数字地球”的用数字化手段 处理地球问题，最大限度地利用信息资源的核心思想相似，数字电网是用数字 化手段处理电网的各种问题，是实际大电网在虚拟世界的全信息仿真。人们可 在任一时段，采集任一地区电力生产运行的详细资料；可以在电脑上清楚地找 到大电网所有的雷害区、鸟害区、污闪区；可以迅速地找到电网的事故地点， 并可随时取得电网运行的第一手实时资料，人们甚至还可以在这个全信息的数 字电网上进行大规模的仿真、反事故演习和新设备的试运行等。从本质上说， 数字电网就是将实际大电网上分散的信息数据，拿到了电脑网络上“集中共 享”，它使得物理形态的大电网有了一种数字化的表述方式。数字电网改变了 我们对电网的传统的描述方式，它是以图形化的信息，而非传统的数据、表格 来叙述电网的运行与变化。这种对电网叙述方式的变化，意味着传统的电网经 营、管理理念正面临一场新的革命“”。 电力系统自身的特殊性使其具有大区互联及对电网的安全运行要求高的特 点，但由于电网分布在广阔的城乡地域上，随着电力系统的发展，网架结构目 益复杂。同时，在生产运行过程中，由于电力行业涉及的环节和领域众多，而 不同部门的信息组织和管理呈“分散运作”的特点，应用平台不一，行业内部 也没有统一数据编码，加之在具体实施过程中缺乏总体规划，前期的系统咨询 论证不够充分，导致后期各领域的应用子系统繁多，体系混乱，难以兼容，从 而在电力系统内部形成了诸多的“信息化孤岛”，导致各系统的信息私有化和 数据不能充分共享、冗余度高。如何联接“信息化孤岛”无疑就是数字电网形 成的基础。考虑到电力系统在空间上的分散性，系统中对象的大量信息都属于 空间信息的范畴，空间数据是电力系统中任何应用的核心对象，在这个核心的 基础上，能够方便地搭建新的应用、无缝地集成和发展已有的应用“1 。因此， 以地理位置信息为主线，采用电力地理信息系统( g i s ) 的系统组织方式，在此 基础上架构电力系统的应用可以提高数据共享、一致性，增强信息的直观表达， 四川大学硕士学位论文 有效地消除“信息化孤岛”。 1 2 地理信息系统 1 2 1 概念 地理信息系统，简称g i s ( 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 ) ，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、分析和显示所有与地理有关信息的有机 集合体。简单地说，g i s 是一个包含和使用地理位置信息的计算机系统。g i s 系统以其混合数据结构和独特的空间分析功能独树一帜。它能够将地理位置和 相关属性有机结合起来，根据实际需求准确真实、图文并茂地输出给用户，并 借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。 g i s = c a d ( 计算机辅助制图) + d a t a b a s e ( 数据库) + s p a t i a lo p e r a t i o n ( 空间操作) 1 2 2 构成 一个典型的地理信息系统通常包括三个基本部分。1 ：计算机系统( 硬件、 软件) 、地理数据库系统、应用人员与组织机构，如图1 1 所示。 圈1 1g i s 系统构成图解 四川大学硕士学位论文 1 2 3 特征 通常认为，g i s 系统的共同特征是： 1 ) g i s 系统是一个计算机软件系统； 2 ) g i s 系统是基于数据库系统或多媒体数据库系统的信息系统； 3 ) g i s 系统处理的数据是具有地理特征的空间数据，既具有统计的特征又 具有空间的特征。 g i s 系统的基本功能是对空间信息及其相关的属性信息的处理，因此g i s 系 统和其它数据处理系统的主要区别就是空间信息的查询和分析，并且能够迅速 而及时地更新数据库，大规模地综合与地理分布有关的信息。 1 2 4 基本功能 由于g i s 系统发展的多源性，其功能具有可扩充性以及应用的广泛性，按 照g i s 系统中的数据流程，可将g i s 系统的基本功能分为五类十种，即采集、 检验与编辑；数据的格式化、转换、概化；存储与组织；分析；显示。 1 ) 数据采集、检验与编辑主要用于获取数据，保证g i s 系统数据库中的数 据在内容与空间上的完整性和数据值逻辑一致无错等； 2 ) 数据的格式化是指不同数据结构的数据间的变换；数据转换包括数据格 式转化和数据比例尺的变换；数据概化包括数据平滑、特征集结等； 3 ) 数据的存储与组织实际上是一个数据集成的过程，是建立g i s 系统数据 库的关键步骤，其中涉及到空间数据和属性数据的组织； 4 ) 查询、检索、统计、计算功能是g i s 系统以及许多其它自动化地理数据 处理系统应具备的最基本的分析功能； 5 ) 分析功能是g i s 系统与其它计算机系统的根本区别。g i s 系统最主要的 分析功能是空间信息分析和模型分析：空间信息分析是g i s 系统的核心功能； 模型分析是在g i s 系统支持下分析和解决问题的方法体现。 1 3电力地理信息系统 1 3 1 概念 在电力系统中，设备管理一般面对两类资料：一类是地图。地图上标注的地 物和地理坐标紧密联系在一起，如变电站、用户及杆塔等电力设备的位置，这 四川大学硕士学位论文 称为空间定位数据；另一类为电力设备运行情况与潮流分布等数据，它们和地 理坐标无法直接联系，是非空间定位数据。电力g i s 系统的主要功能就是综合分 析与检索空间定位数据，利用数据库技术把电力设备的空间定位数据与属性数 据一一对应联系起来，从而提高调度员和设备维修人员了解设备工况与处理设 备故障的能力。综上所述，电力g i s 可定义为利用计算机技术、网络技术将电网 分布、台帐及实时信息按其实际空间位置表达给用户，集空间查询统计、运行 维护、分析管理等功能为一体的应用系统，是一种直接融入现代电力生产经营 活动之中的、全新的信息化管理工具“”。 1 3 2 电力地理信息系统的历史发展 由于电力系统中的输配电网络、发电厂及设备、负荷等都是按地理分布的， 为了方便地管理电力系统中的各类设旌，电力部门建立了一些电力图形信息系 统，以计算机为介质来传递图形信息和设备信息，但这些电力图形信息系统存 在以下不足： 1 ) 传统的c a d 技术虽然也能够描述图形数据的拓扑关系，处理非图形属性 数据，但它只是作图功能强大，数据库管理功能相对较弱，并且传统的数据库 系统只能解决二维表数据的处理，不能描述图形的拓扑关系，般没有空间概 念，即使存储了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询“： 2 ) 将图形信息和属性信息结合在一起的电力图形信息系统的图形之间不 存在拓扑关系，没有存储设备之间的数据结构，不能够判断拓扑关系，难以进 行潮流分析计算等与连通性有关的高级应用， 针对电力图形信息系统存在的上述不足，人们开始应用g i s 技术来开发包含 电网设施图形信息的计算机应用系统，这样就开发成功了传统的电力g i s 系统。 它的空间映射模型如图1 2 所示。 图1 2 传统电力g i s 系统的空间映射模型 4 四川大学硕士学位论文 在传统电力g i s 系统中，电网设备、设旌图形符号被标注在电子地图上，设 备属性信息被存放于数据库中，图形与属性信息之间建立了一一对应的映射关 系，能够实现图形属性之间的双向查询以及在地理图形上的一些区域的分析功 能( 如某一范围内的设备统计等) 。而接线图、系统图等描述电网逻辑拓扑信息 的图形，只是另外加工的一种用于显示、输出的辅助信息，在地理图上的各种 查询、分析功能无法在这些逻辑图上操作。因此，当传统电力g i s 系统作为贯穿 于整个供电生产环节的生产信息协同处理环境时，存在着很大的局限性，必须 要有一种专门技术来改善传统电力g i s 系统对拓扑空间和电物理空间的描述能 力，a m f m g i s 系统应运而生，它的空间映射模型如图1 3 所示。a m ( a u t o m a t e d m a p p i n g ) 是自动绘图( 包括制作、编辑、修改与管理图形) ，它是整个自动绘图 与设备管理技术的支撑核心；f m ( f a c i l i t i e sm a n a g e m e n t ) 是设备管理( 包括各 种设备及其属性的管理) ，它实现了传统电力g i s 系统的全部功能“1 。电力g i s 系 统发展到电力删f m g i s 系统，才开始真正进入电力生产环节，并引起了电力生 产经营业务流程的革命性变革，而a m f m g i s 技术本身也在电力应用需求的促动 下，得以脱胎于传统o l s 技术而成为一个具有相对独立性的计算机应用技术分 支。 兹 设备空间) - = 二= 属性查询 分析计算结果 实时信息显示 黼实时信息显岙1 、= 二= r 电物理空间 勰蒂=物理特征分析、一 图1 3 电力a m f m g i s 系统的空间映射模型 1 3 3 当前电力地理信息系统的研究动态 1 3 3 1 面向电网的建模 电力系统控制对象通常具有复杂的电力物理结构，但通用g i s 系统模型大 多集中于对地理空间属性的描述，没有结合实际电网的特征，面向电网的建模 四川大学硕士学位论文 能力比较弱，因此，电力g i s 能成功应用于电力系统的关键在于支持建立电力 行业所特有的空间分析模型，即电力g i s 应当支持面向电力用户的空间分析模 型的定义、生成和检验的环境，支持与电力用户交互式的基于g i s 的分析、建 模和决策。目前，对于地理信息系统中的电力专业建模研究主要有以下三个方 向： 1 ) 通过面向对象技术。用对象( 实体属性和操作的封装) 、对象类结构( 分 类和组装结构) 、对象间的通讯来描述客观世界，为描述复杂的三维空间提供了 一条结构化的途径。这种技术本身就为模型的定义和表示提供了有效的手段， 因而在面向对象的g i s 基础上研究面向对象的模型定义、生成和检验，应当比 在传统g i s 上用传统方法要容易得多； 2 ) 基于i c o n 的用户建模界面。建模过程中的对象和空间分析操作均以i c o n 形式展示给用户，用户亦可自定义i c o n 。用户在对i c o n 的定义、选择和操作 中完成模型的定义和检验。这种方法较之a m l 这类二次开发的宏语言要方便和 直观得多； 3 ) g i s 与其他韵模型和知识库的结合。这是许多应用领域面临的一个非常 实际的问题即存在于g i s 之外的模型和知识库如何与g i s 系统耦合成一个有机 接体的问题。 1 3 3 2 时空电力g i s 的研究 电力g i s 所描述的对象往往具有很强的时间敏感性，即电力系统具有时态 特征。随着时间的推移，空间对象的特征会发生变化，而这种变化规律在电力 求解过程中起着十分重要的作用，但目前大多数系统都不能很好地支持地理对 象和组合事件时间维的处理，仅将这样的应用背景作为属性数据库中的一个属 性不能很好地解决问题，因此，如何设计并运用时空电力g i s 来描述、存储、 操作、查询、分析和显示电力对象的时态特征以及整体系统结构设计，也是 个重要的研究领域。 1 3 3 3 三维g i s 的研究 从本质上说，电力g i s 处理的空间数据是三维连续分布的，但目前的电力 g i s 大多提供了一些较为简单的三维显示和操作功能，与真三维表示和分析还 四川大学硕士学位论文 有很大差距。真正的三维g i s 必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为 基础的三维空间数据库，解决三维空间操作和分析问题。目前的主要研究方向 包括：( 1 ) 三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和 数据的可视化：( 2 ) 三维数据的生成和管理；( 3 ) 地理数据的三维显示，主要包 括三维数据的操作，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等”1 。 1 3 3 4s c a d a 与a m f m g i s 的集成 s c a d a 系统为电力系统中输电控制中心的e m s 系统与配电控制中心的d m s 系 统提供电网的实时动态数据，电力g i s 系统则能够提供地理信息、设备属性数据、 用户数据等静态数据，同时，由于电力g i s 系统有一般的图形制作、编辑与管理 功能，而且其突出的特点是具有较强的空间数据分析和关联分析功能，因此， s c a d a e m s d m s 通过s c a d a 与a m f m g i s 的系统集成将会把电力设备的地理位置 信息、静态属性和动态属性有机地结合起来，为输配电的管理带来极大的帮助， 目前这已成为输配电网的一个新技术发展方向叫。s c a d a 系统与电力g i s 系统集 成所采用的接口技术，将会直接影响g i s 系统的实时响应速度，当前在现场广泛 采用双缓冲技术、s c a d a 服务器、过滤传送技术、i a c 触发等技术来实现两系统 的互联。 1 3 4 电力地理信息系统的应用 g i s 系统因为其强大的数据分析功能、空间分析功能己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，例如m k o b a y s h i 利用g i s 系统来帮助 分析1 9 9 5 年神户大地震对众多电杆损坏的影响，t s h i n d o 利用g i s 系统对 1 9 9 2 1 9 9 5 年日本雷电放电位置进行分析等。由于输电网地域广阔，经过地区 的地形复杂，引入g i s 技术可为下一步施工运行管理和工程模拟电算提供信息 保证，从而进行工程优化设计，并且可以满足电压等级的提高和电网容量的增 大要求，以及输电线路运行的可靠性和故障排除及时迅速的要求“”。在发电厂 方面，由于火电厂地下管道复杂，采用g i s 系统技术来管理、维护电厂地下管 网已成为一个主要的应用方面；同时，采用g i s 系统技术后使整合不同变电站 不同地理位置的电气设备在线监测信息也成为可能“”。 由于配电网包括有众多地理位置各异的设备、网络、用户等，因此g i s 系 四川大学硕士学位论文 统在配电网方面的应用得到了广泛的重视。由参考文献1 5 ，1 6 ，1 8 可知：在配 电网运行方面，目前国内已经有很多部门正在探索将g i s 系统与调度自动化系 统、用电管理系统等集成以实现配电系统自动化，从而提高配电网的管理水平。 在负荷管理中充分利用g i s 系统的地理信息及网络分析功能，完成对电网负荷 的管理。“。在配电网规划方面，针对配电网规划的复杂性，将g i s 及a i ( 人 工智能) 引入配电网规划问题研究，结合了g i s 系统空间及网络分析的拓扑特 性和a i 方法的鲁棒性及高效性两者的优点，实现了配电网规划的可视化、自 动化及地理图形化，使规划的交互性更强。通过这种方法不仅能得出规划网络 方案，而且能直接得到网络规划方案的地理接线图；另外，由于地理信息引入 规划中，加之g i s 的网络分析功能，使得规划过程更有效、规划结果更准确。 在计算机辅助规划设计中，用g i s 系统技术来帮助分析决策，或者综合运用g i s 系统和遗传算法来实现配电网优化规划；有的研究者提出基于g i s 系统的城市 电网规划计算机辅助决策系统来优化城市电网的规划结果，解决城市电网规模 大、不确定和不精确因素多及涉及领域广等问题“。 综上所述，g i s 系统技术在电力系统，特别是在配电网中已经得到了广泛的 应用，可以预见，随着电力系统信息化的逐步深入发展，电力g i s 的应用将更 加广泛。 1 3 5 研究建立基于g i s 的电网拓扑的意义 电网拓扑数据是电力6 i s 中的一个重要组成部分，是电力6 1 s 系统建设成败 的关键要素之一。电网拓扑数据应准确地描述电网一次图、地理图、单线图、 沿布图、站所图等所包含的所有设备设旌。电网拓扑数据包括与6 1 s 格式的地理 图形数据相匹配的、具有准确设备设施空间坐标的电网地理图形拓扑数据及只 表达电网设备设施之间逻辑连接关系而没有空间坐标的电网逻辑图形拓扑数据 两部分。 对于电力g i s 中的高级应用如潮流计算、理论线损计算、停供电分析、电网 规划等，除本身算法复杂外，电网拓扑数据的构成也是关键环节。当前大部分 电力g i s 系统都是以g i s 空间数据库作为基础数据库，电力g i s 系统中的高级应 用所需的静态数据( 电网拓扑数据) 都来自电力g i s 空间数据库。但电力系统的 拓扑描述方式和通常意义上的g i s 对拓扑关系的描述方式存在着不一致的问题： 四川大学硕士学位论文 在g i s 中，拓扑结构数据用来描述空间目标问的关系，而实际空间物体一般被抽 象为点、线、面。因此地理信息系统研究的三种重要拓扑概念分别是：( 1 ) 连接 性：弧段在结点处的互相连接关系。( 2 ) 多边形区域定义：多边形与弧段的拓扑 关系表现了多边形区域定义。( 3 ) 邻接性：通过定义弧段的左右边及其方向性来 判断左右多边形的邻接性。但电力系统内部应用数据的“结构化组织”是按电 网运行规则完成，这种“组织”的特征是以描述电网结构及运行逻辑( 电网模型) 为主，目的是保证各种电力应用分析操作具有较高的运行效率，因此地理信息 系统中所构建的原始拓扑数据不能满足电力系统中配电管理信息系统高级分析 的需求o “”。所以，在以空间数据库为基础的电力g i s 系统中，如何将g i s 方式 描述的拓扑数据转换为电力系统能够处理的拓扑数据即如何建立基于g i s 平台 的电网拓扑，就成为电力g i s 中真正实施高级应用的一个关键问题。 由以上分析可知，g i s 系统是一个空间数据及设备描述、管理的平台，并非 是针对电力分析应用设计的专用平台，因此，对电力g i s 中电网拓扑数据的研究 对于建立实用的电力地理信息系统，促进电力行业的信息化，提高电力系统管 理的现代化水平，具有重要的学术和实用意义。 1 4 本文研究目标和主要内容 针对当前地理信息系统平台以及电力g i s 系统的实际情况和发展，对基于 g i s 平台的电力拓扑生成在实用和理论上进行了两方面的研究： 1 ) 利用当前先进的面向对象技术并结合电力系统对电网一次图、单线图等 表示电网逻辑结构的拓扑图的实际使用情况，对图中常见的设备进行分析并针 对g i s 系统开发平台的特点建立相应各种电力设备的数据模型，构建方便、快 捷的制图手段并提供能够在其上进行各种分析的图纸平台。在实际应用中则通 过建立各种电气设备的设备图元对象实现相应的数据模型并将图形与属性数据 统一存储于g i s 数据库中，在电力图形管理中真正实现了图形、属性的一体化， 解决了长期困扰电力部门的图数分离问题。 2 ) 结合目前先进的g p s 全球定位技术，利用g p s 采集的地理空间数据模拟 实际电网的空间分布，在电子地图背景上生成与实际设备地理空间坐标相一致 并能够简捷、明了表现各设备之间拓扑关系的电网地理拓扑数据。 由于g p s 接收机使用的坐标系统与g i s 系统的坐标系统通常不一致及美国 四川大学硕士学位论文 政府的s a 干扰政策，必须对采集的数据在入库前进行校正处理。对于入库后的 数据，在生成网络拓扑图之前在线路图上应该作一些特定的打断处理及相关节 点的合并操作以便于拓扑处理后生成相应的具有特定物理意义的节点，对此本 文都进行了详尽的论述。 3 ) 对电力拓扑数据和g i s 数据采用统一的数据结构进行描述和存储，为在 电力g i s 上进行便捷的高级应用分析开发打下良好的基础。 l o 四川大学硕士学位论文 电力地理信息系统的数据分析 2 1g i s 系统地理数据类别分析 地理数据也称为空间数据( s a t i a ld a t a ) ，是g i s 系统的操作对象，是g i s 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，它实质上就是指以地球表面空 间为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，主要包括数字、文字、图 形、图像和表格等数据，这些数据可以通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机 或其它系统输入g i s 。g i s 正是通过对这些地理数据的采集、管理、分析和成果 输出建立数据实体，从而达到再现现实世界的目的o ”。 虽然g i s 处理的数据种类繁多，但对于系统中目标实体的描述数据可分为三 种类型：空间特征数据、时间属性数据及专题属性数据，通常将时间和专题属 性数据结合在一起共同作为属性特征数据，而空间特征数据和属性特征数据统 称为空间数据。 2 1 1 空间特征数据 空间特征数据主要指图形实体数据，它记录的是空间实体的位置、形状和 大小等几何特征，以及与相邻物体的空间关系，这是将地理信息系统同其它各 种数据库管理系统相区别的最显著标志。空间特征数据的一个重要特点是它包 含有拓扑关系，即网结构元素中节点、弧段和面域之间的邻接、关联与包含等 关系，这是地理实体之间的重要空间关系，是地理实体的空间定义手段。它从 质的方面或从总体方面反映了地理实体之间的结构关系，它的主要内容包括： 1 ) 空间定位能确定在什么地方有什么事物或发生什么事情； 2 ) 空间量度能计算诸如物体的长度、面积、物体之间的距离和相对方 位等； 3 ) 空间结构能获得物体之间的相互关系，对于空间数据处理来说，物 体本身的信息固然重要，而物体之间的关系信息( 如分布关系、拓扑关系等) 也同样重要，因为它是空间数据处理中所特别关心的事情，涉及全面问题的解 决； 4 ) 空间聚合空间数据与各种专题信息相结合，实现多介质的图、数和 文字信息的集成处理，可为应用部门、区域规划和决策部门提供综合性的依据。 综上所述，空间特征数据是联系地理实体的各种非图形数据的纽带，对空 四j i h k 学硕士学位论文 间特征数据的描述是整个g i s 系统建立的基础。通常情况下，按照数据所表达的 内容，空间特征数据又分为几何数据和关系数据。 2 1 1 i 几何数据 几何数据是描述地理实体本身的位置和形状大小等的量度信息。通过对地 理实体或现象及它们的相互关系、分布特征、空间特征进行分析和抽象，可以 从几何角度把空间目标划分为以下五种类型： 1 ) 点状目标。点状目标是零维空间目标，它是在空间中有确定位置但没有 长度和面积的目标，具有至少一个属性，包括独立地物点、结点。点是三维数 据模型中最基本的元素，逻辑上不可再分，但这些都是针对某个比例尺或分辨 率而言，“点”是抽象的而不是真正的几何点。曲线、曲面或其它形体的目标均 可用有序点集表示，如在一定比例尺下可将一个变电站抽象为一个点。 2 ) 线状目标。线状目标是一维空间目标，它是在空间中有确定位置且端点 由两个点状目标界定的一定长度的目标。线状目标由一条或若干条弧段组成， 其上每个点不多于两个邻点，各点有相同的属性并至少有一个属性，可以表示 电缆、输电线之类的线状对象。 3 ) 面状目标。面状目标是二维空间目标，是在空间中有确定位置，并由若 干个线状目标所界定的有长度和面积的目标。面状目标由周边弧段组成，它的 内部点可以有多于三个的邻点，面内每个点至少具有一个共同的属性。供电区 域、湖泊等在g i s 系统中都是常见的面对象。 4 ) 体状目标。体状目标是三维空间目标，是由封闭表面围成的空间对象， 也是欧氏空间中非空、有界的封闭子集，其边界是有限面的并集，同时，其上 各点也都至少具有一个共同属性。 5 ) 复杂目标。复杂目标是由上述四种目标中若干个目标所组成。 2 1 1 2 关系数据 地理信息系统中各类空间对象之间都具有严密的空间关系，虽然对g i s 系统 来说，直接的空间定位方法是确定坐标，但人类对点状、线状、面状空间目标 的定位般不是通过获取其地理坐标，而是通过确定某一目标与其它地理目标 间的相对空间位置来确定，如输电线路的走向、各种电力设备之间的位置关系 等。事实上，连接是一种关系，“关系”也是一种数据，甚至可以说是广义的、 1 2 四川大学硕士学位论文 更重要的数据，各种应用及空间分析都离不开关系数据。因此，将描述各个不 同地理实体之间的空间关系( 邻接、关联、包含、连通等) 的数据称为关系数 据，其表达手段是建立实体之间的连接信息。 电力地理信息系统中的空间特征数据包括地理g i s 数据、电网地理图形数 据、电网逻辑图形数据和其它图形数据。 2 1 2 属性特征数据 地理信息系统中的时间属性和专题属性的处理常常非常相似。空间和时间 是客观事物存在的形式，两者之间是互相联系而不能分割的。时间属性是指地 理实体的时间变化或数据采集的时间等，为地理信息系统增加了动态性质。 专题属性指的是实体所具有的各种性质，如年降雨量、植被类型或土壤类 型等，表示了地理实体的本质特征，是地理实体相互区别的质量准绳。专题属 性通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示。 包含时间属性数据及专题属性数据的属性特征数据，既是与地理实体相联 系的变量或意义，也是对地理实体进行说明和解释的各个地理单元中的社会、 经济、工业建设或其它专题数据，是地理单元的纵深描述。这些数据的总和， 能够从本质上对地理物体进行相当全面的描述，可看作是地理物体多元信息的 抽象，是某一时刻地理物体的静态信息模型。 由于属性一般是经过抽象的概念，是通过分类、命名、量算、统计得到的， 因此属性特征数据通常的表达手段是字符串或统计观测值。此外，由于属性通 常分为定性和定量两种，因此属性特征数据也分为两种，定性属性特征数据包 括名称、类型、特性等，定量属性特征数据包括数量和等级等0 1 。 属性特征数据，特别是其中的专题属性数据是g i s 系统的主要处理对象，表 示处理对象的特征。它们和地理位置并没有直接的联系，而是对地理单元实体 专题内容更广泛、更深刻的描述和对空间特征数据的强有力的补充。它们在g i s 系统中占很大比重，甚至占绝对优势，居于主导地位，可以提供在地理背景与 地理单元图形信息的基础上进行综合性分析及深层次的应用分析，为管理、规 划与决策提供地理定位和显示分布特征等参考信息。此外，任何一个地理实体 都至少拥有一个属性，g i s 系统的分析、检索和表示也主要是通过对属性的操作 运算来实现。并且由于属性都是与特定的空间实体相关联，因此要准确全面地 四川大学硕士学位论文 描述一个空间实体，必须对其给出直观、精确的表示，才能对属性数据进行有 效的存储和处理。 由此可见，为了准确反映现实世界，必须要定义好空间特征数据和属性特 征数据之间的对应关系，还要确定数据入口，保证系统中图形和属性的完整性 和一致性。 电力地理信息系统中的属性特征数据包括各种设备设施的台帐、运行、影 像等数据。“。 2 2g i s 系统数据模型分析 地理信息系统中最常用的两种图形数据组织方式为矢量模型和栅格模型。 在矢量模型中，用点( p o i n t ) 、线( 1 i n e ) 、砸( s h a p e ) 表达世界：在栅格模 型中用空间单元( c e l l ) 或像元( p i x e l ) 来表达。图2 1 为对空间数据结构两 种类型的描述示意。 123456 78 333444 4 33334 444 3333 4422 333 22 333 222 l1li222 1lll 1l11 y 0 ( a ) 栅格模型 ( b ) 矢量模型 圈2 1 空间数据结构的模型示意图 x 2 2 1 栅格模型 栅格模型将工作区域的平面表象按一定分解力度进行行和列的规则划分， 形成许多网格，即采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象，它的数据结 1 2 3 4 5 6 7 8 塑型查堂塑圭兰垡堡墨 构实际上是像元阵列，数学实质就是矩阵。作为栅格数据中最基本信息存储单 元的像元，其空间位置可以由行号和列号确定，属性则用像元的取值表示，如 图2 1 ( a ) 所示。因此，栅格模型具有“属性明显、位置隐含”的特点。在栅 格数据模型中，点实体被表示为一个像元；线实体则表示为在一定方向上联接 成串的相邻像元集合：面实体由聚集在一起的相邻像元集合表示。它的这种数 据结构便于计算机对面状要素进行处理。 由于栅格数据中的每个像元在一个网格中只能取值一次，因此同像元要 表示多重属性的事物就要用多个迪卡尔平面网格，每个迪卡尔平面网格表示一 种属性或同一属性的不同特征，即栅格数据结构要完整地实现对现实世界的描 述必须分层组织存储。同时，用栅格数据表示的地理对象元素是不连续的，是 经过量化和近似离散的数据结果。这意味着在一定面积内，如果要想精确地刻 画点、线、多边形和符号等图形要素，就需要有高分辨率的像元，但这样却要 占用更大的存储空间，同时对数据的处理效率也会随着数据的增加而相应降低， 对于对存储空间及效率比较敏感的系统来说，这是栅格数据结构一个很大的缺 点。 2 ，2 2 矢量模型 矢量是具有一定大小和方向的量，数学上和物理上也把它称为向量。矢量 数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标( x ，y ) 的有序集合。矢量数据 模型将空间目标对象从形态上分为点、线、面三种基本图形，其中点用空间坐 标对表示；线是由一系列相连的点或中间点( v e r t i c e s ) 组成，每个中间点也 是一个空间坐标对，即线用一串坐标对组成；面是由线组成的闭合多边形。它 通过记录目标的边界，尽可能精确无误地表现空间目标对象，即用边界或表面 来表达对象的面或体要素，如图2 1 ( b ) 所示，同时采用标识符( i d e n t i f i e r ) 表达它的属性来描述实体对象。因此，矢量模型具有”位置明显、属性隐含” 的特点。 在矢量数据结构中，其坐标空间假定为连续空间，不必像栅格数据结构那 样进行量化处理，因此矢量模型更能精确地确定实体的空间位置，从而更适于 表达图形对象和进行高精度制图。 四川大学硕士学位论文 2 2 3 矢量数据结构与栅格数据结构的比较分析 栅格和矢量结构最根本的不同在于表达空间的方法。矢量数据以点、线、 面方式编码并以( x ，y ) 坐标串储存管理，是表现离散空间特征的最佳方式； 栅格数据是通过一系列网络单元表达连续地理特征。矢量数据结构与栅格数据 结构的比较见表2 1 。 表2 1 矢量数据结构与栅格数据结构的比较 矢量数据结构栅格数据结构 数据存储量小数据存储量大 空间位置精度高空间位置精度低 空间关系描述全面，对线状、网络状事物的难以表达线状、网络状事物，难于建立网络 分析方便连接关系 对图形及其属性可进行方便的检索、更新和便于面状数据处理 综合 输出简单容易，绘图细腻、精确、美观输出速度快，但输出地图粗糙、不美观 数据结构复杂数据结构简单 数据获取速度慢可以快速获取大量数据 数学模拟困难数学模拟方便 多种地图叠合分析较困难多种地图叠合分析方便 不能直接处理数字图像信息能直接处理数字图像信息 边界复杂、模糊的事物难以描述容易描述边界复杂、模糊的事物，便于处理 三维连续表面 图形运算复杂、高效图形运算简单、低效 图形操作可按任意比例缩放，基本不变形图形操作过程中易出现变形、失真等不协调 现象 普通地图可直接数字化普通地图须按矢量方式数字化 数据输出的费用较高图形能够直接由绘图设备输出，技术开发费 用低 1 6 四川大学硕士学位论文 2 3 电力地理信息系统中电网表达方式的分析和选择 在电力系统中，导线、电缆、变电站以及开闭所是构成电网