基于ArcGIS的配电网实时数据可视化监控系统的开发

基于ArcGIS技术的配电网实时数据可视化监控系统的开发刘永生，陶士全，冯文龙（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 ）摘要：以ArcGIS为开发平台，结合SCADA系统，将配电网实时数据与GIS可视化技术紧密结合起来，利用C#和ArcObjects组件开发的配电网实时数据监控系统的开发。关键词：GIS；配电网；SCADA；ArcObjects；监控The Development of Real-time Data Distribution Network Visualization Monitoring System Based on ArcGIS TechnologyLiu Yongsheng， Tao Shiquan， Feng Wenlong(School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University，Baoding ，China)Abstract: ArcGIS as a development platform, combined with SCADA system, real-time data distribution network with GIS visualization technology closely integrated, the development of real-time data distribution network monitoring systems using C # and ArcObjects components.Key words: GIS; distribution networks; SCADA; ArcObjects; monitoring0 引言配电网是一个地域分布广、线路复杂、设备量大的网络，配电网的管理工作是供电企业生产管理系统的重要组成部分,其传输和消耗都是实时完成的，对配电网的监控、调度和管理的高效性、及时性具有很高的要求。GIS(地理信息系统)是一个集计算机技术、通信技术、控制技术、现代化智能设备技术及管理于一身的综合信息管理系统。由于配电网的各种电气元件都具有空间特性，数据量大、对地理信息的依赖性强，将GIS技术应用于传统的电网监视、保护与控制系统，是配电自动化系统的重要发展方向。配电网GIS的监控系统与数据采集系统（SCADA）相连，将配电网实时的状态量和模拟量传递给配电网GIS，配电网GIS再通过分析和计算，以可视化的方式把数据表示出来。直观、形象地反应配电网当运行状态的变化及其影响范围，从而为调度决策提供可靠性的依据。本文以C#和ArcObjects组件开发，开发GIS系统与数据采集系统相连的接口，利用GIS可视化技术，开发的配电网实时数据监控系统，提高电力的整体管理水平和服务质量。1 ArcGIS技术ArcGIS是美国ESRI公司开发的GIS平台，是目前功能最强大的GIS平台，由以下几部分组成：1.1 ArcInfo和ArcObjectsArcInfo是ArcGIS平台软件中功能最全面的产品，包含ArcView 和ArcEditor所有功能。ArcInfo由ArcMap、ArcCatalog和ArcToolbox 3个应用程序组成，使用ArcInfo可以执行从简单到高级，包括制图、数据输入、数据编辑、数据管理、地理分析、和空间处理的GIS功能。ArcObjects(以下简称A0)是ESRI公司提供的一套基于COM技术的组件库，开放性指在开发环境的选择上可以有VB、VC+、DELPHI等多种支持COM 标准的开发工具，而扩展性是指AO组件没有提供的功能，如需要定义一种新的数据格式，可以利用COM 技术来写自己的COM 组件，对AO组件库进行扩展补充。ArcObjects的开发方式主要有3种：(1)利用ArcGIS桌面应用程序内置的VBA宏进行客户化；(2)在ArcObjects组件库基础上进一步封装自己的COM组件，(3)开发独立的EXE应用程序。本系统主要采用C#+ArcObjects开发的实时数据可视化监控系统， 将两种开发方式相结合， 充分利用ArcObjects的强大数据显示、分析功能以及ArcObjects的完全COM化所带来的模块独立性和重用性，开发出功能强大的监控系统。1.2 ArcSDE ArcSDE是一个作为中间件连接应用程序和关系数据库的空间数据引擎（Spatial Database Engine)。通过ArcSDE可以把地理空间数据加载到商用数据库(Oracle、SQL Server等)。由关系数据库来管理空间数据，提高了空间数据的查询速度。2系统结构设计 配电网的电力实体具有地空间分布特性，可以用点、线、面3种类型来表示，以矢量数据和栅格数据存储。用点、线、面3种空间实体来建立配电网的网络拓扑模型，网络拓扑模型是配电网的数据处理和分析的基础。本文开发的监控系统通过采集配电网的各种实时参数，将实时参数传递给系统空间数据库，配电GIS管理系统分析和显示当前配电网络运行情况。系统结构分为三个部分（图1），分别是数据采集，数据传输和数据处理。数据采集主要是变电站RTU（Remote Terminal Unit），数据传输通过线路传输，数据处理是以GIS为数据处理平台的控制中心。图1 系统结构图3 实时数据处理ArcGIS技术在配电网监控中主要用于对数据的表示和分析，而配电网中的数据是实时变化的，对实时数据的获取、存储、管理和输出是配电网实时监控系统数据处理的关键。3.1 实时数据获取从配电网远程终端设备RTU采集配电网实时数据，包括电压、电流和功率等实时变化的数据，隔离开关的开闭和保护装置的动作与否。通过通信线路传递给SCADA系统。可靠性和及时性是实时数据获取的关键。3.2 实时数据存储将SCADA系统的数据存储在数据库中，需要解决好GIS系统与SCADA系统相连接口，使SCADA系统采集的数据能存储在GIS的空间地理数据库里。TCP/IP协议是GIS与SCADA通信采用的协议。表1是电压实时数据的存储值。表1 电压实时数据值3.3 实时数据管理数据分为静态数据和动态数据。静态数据包括设备的位置，设备的生成年限，额定功率等，动态数据位实时变化的数据。数据的更新主要针对动态数据。存储在数据库里的数据，里面有许多表，而许多表之间有一个连接标识符，选取name，只要名称相同，就是一个设备，搜素相同的名称就可以查找设备的所有数据量。3.4 实时数据可视化监控可视化监控是本系统开发的重点，即对配电网实时数据进行计算、分析,并将分析结果以可视化的形式表示出来,为监控调度系统提供依据。可视化监控是对整个配电网进行监控，即对配电网各个节点、线路和变电站等的状态量的实时数据进行计算、分析，如联接线节点电压的运行状态，分为三种情况，超过电压的上限、在上限和下限之间、低于电压的下限值，三种情况用不同的颜色表示，逐次递进，清晰、明了地反应节点电压的实时运行情况，调度员可以直观的了解配电网的运行情况，从而为分析决策提供依据。本系统对节点实时数据的分析采用的算法之一为IDW（反向加权）插值算法，对配电网的实时数据进行插值，插值的数据为SCADA系统实时更新的数据，插值的结果为灰度的栅格，采用等级渲染或分层渲染之后，以不同颜色来表示，SCADA系统的数据是实时更新的，可视化的结果也是实时变化的。还可以采用点密度、直观图、饼图等多种形式直观、形象地反映配电网的实时运行状况。在配电网的地理接线图上，某个变电站刀闸的断开或闭合，可以用颜色形象的表示出来，及各个节点间电流的流向，也可以用移动的箭头来表示电流的流向，不同电压等级的线路可以用线路的宽度来表示，是实时监控系统可视化的表示方面。图2为某个地区节点数字化图层，调用实时数据库的用电量数据，对此地区用电量情况进行分析，图3是分析效果图，从直观上可以分析整个地区的用电量状况。用电量字段的FromColor属性为开始的颜色,即等级1粉色的区域，由区域用电量值比较小的数据渲染而成;而ToColor属性为结束的颜色，即等级8绿色的区域，由区域用电量值比较大的数据渲染而成。 图2 节点数字化图层 图3 节点用电量效果图4 功能模块4.1 地图库模块地图库模块存储各种电力数字化图，包括一次接线图，二次接线图，单线图，地理背景图。可以由CAD图转化得到，也可以读取数据库中数据形成电力数字化图，其格式为在MapControl里加载的shp或mxd图。表2是节点电压位置数据,，通过赋值关系,将位置数据赋值给电压点ipoint的x、y字段，增加一个字段z01，用于存取各个位置点的电压值，还可以针对实际变化,增加字段（如电流字段），相应地读取数据库里数据，将完整信息的数据保存为shp格式的电力数字化图。 pfeature.set_Value(pfeature.Fields.FindField(x), table.Rowsi1.ToString().Trim(); pfeature.set_Value(pfeature.Fields.FindField(y), table.Rowsi2.ToString().Trim();pfeature.set_Value(pfeature.Fields.FindField(z01),table.Rowsi3.ToString().Trim() 表2 节点位置数据本监控系统加载地图库中的电力数字化地图， 地图是分类别存取的，分为点、线、面三类，而在每类中，把相同的电力地图保存在一层，在存储配电线路时，根据电压等级的不同，把配电线路分别存储在不同的图层中。在电力数字化图形的最底层，可以加载地理背景图，将配电网络与所在地区紧密结合在一起。4.2 视图模块视图分为主图和鹰眼图两个，鹰眼图可以从全景上对电力数字化图进行浏览,而主图可以对选择的区域进行放大显示。图形可以分层显示，从大体上分为点、线、面三类，根据不同的要求进行分层显示。视图模块有放大、缩小、偏移、居中、全屏、删除等功能。4.3 查询模块查询的内容包括设备查询、供电范围查询、线路等级查询等。查询方式分为两种，一种是从位置到属性的查询，在图形上浏览，即可对选择的配电管理对象的属性进行查询；另一种方式是从属性到位置的查询，输入查询配电管理对象的条件或范围，即可在地图上高亮显示。4.4 可视化模块可视化模块是本监控系统开发的重点，可视化的表现形式多种多样，把晦涩的电力数据用不同的颜色来表示，图3即为此种表示形式；还可以用图形来表示，如用户设定条件对配电管理对象进行统计、汇总等操作，操作的结果以直方图、饼图、点密度图来表示；可以用带箭头的点来表示线路上电流的流向，对某个变电站的刀闸闭合或断开操作，线路的流向也会改变；某点出现故障后，由故障点对配网造成停电范围的大小也可以在电力数字化图上表示出来。本系统的刀闸模拟、可视化运行等都是实时数据监控系统开发的可视化功能，是配电网实时数据监控系统开发的重点。 4.5 数据维护模块数据库是实时变化的，图形数据和属性数据也要自动更新。数字化图层上电力对象地移动、删除、添加、刀闸等动作，电力对象的属性数据也要进行修改,把修改结果保存在数据库里。5 结束语配电网是一个地域广、数据大且变化迅速的系统,如何对配电网实时数据进行监控是电力系统安全运行的关键。本系统采用ArcGIS为开发平台，基于C#与ArcObjects组件下开发的实时数据可视化监控系统，将实时变化的配电网运行数据以可视化的方式，清晰、直观的表现出来,为配网的调度决策提供依据，丰富了电网运行的管理手段，提高了工作效率，能有效地解决配电网实时数据监控中遇到的问题，是GIS在配电网中的重要应用和发展方向。参考文献：1 叶明，叶春，Web GIS在电力系统中的就用与发展J，电力信息化，2008，6（2），20-22.2 贺星棋，周步祥，配电网GIS中实时数据更新方案的设计与实现J,电力系统及其自动化学报，2005，17（6），8790.3 朴在林，郭丹，VRGIS技术及配电网三维可视化的研究J，电气