Smallworld平臺(tái)上GE 配電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)建模

黃亮亮，王 勇，楊 恒，陳 帥

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步，電力事業(yè)的發(fā)展，信息時(shí)代的要求，電力企業(yè)原有的運(yùn)營(yíng)管理手段已很難適應(yīng)當(dāng)前的需求.因此，開(kāi)發(fā)性能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠、管理方便、顯示直觀的電力地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)非常必要.電力GIS的研究將為電力部門帶來(lái)全新的管理模式，它可以提高電力部門的經(jīng)濟(jì)效益、服務(wù)效益和社會(huì)效益［1-3］.本文結(jié)合面向?qū)ο笏枷肱c可視化建模工具，介紹GE園區(qū)設(shè)備資產(chǎn)空間管理系統(tǒng)配電網(wǎng)電力設(shè)備GIS數(shù)據(jù)建模的具體過(guò)程和方法.

1 Smallworld GIS數(shù)據(jù)建模

數(shù)據(jù)建模是整套GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥粉櫟幕A(chǔ).Smallworld適合管線類行業(yè)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥粉櫣δ芊浅?qiáng)大［4］，此外，它還提供了一套專門用于建模的可視化的工具——Case Tool，它以圖形化的方式提供獨(dú)立于系統(tǒng)的、基于對(duì)象的數(shù)據(jù)建模模塊［5］.在 Case Tool中，用戶不僅可以以圖形化的方式建立對(duì)象，以及對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)系，還可以以圖形化的方式建立行業(yè)規(guī)劃庫(kù)，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的工作量.在對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行建模時(shí)，首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地分析，并著重分析電網(wǎng)的連接關(guān)系和運(yùn)行模式，然后采用面向?qū)ο蟮姆治龇椒?，將單個(gè)設(shè)備從電網(wǎng)中分離出來(lái)，逐個(gè)分析并確定連續(xù)關(guān)系，最終達(dá)到定義整個(gè)電網(wǎng)的連接關(guān)系和運(yùn)行模式的目的.電網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型一旦建好后，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系就由系統(tǒng)自行維護(hù)，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，不僅可以減少維護(hù)的工作量，體現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)用性，而且還能充分發(fā)揮Smallworld在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥粉櫡矫娴膬?yōu)勢(shì)［6］.

Data Model是Smallworld的基礎(chǔ).Data Model的成功與否，關(guān)系到整套系統(tǒng)的成敗.在系統(tǒng)建設(shè)初期，需在數(shù)據(jù)模型中采用虛設(shè)備的概念，即將所有設(shè)備對(duì)象中的共同字段提出來(lái)建立一個(gè)對(duì)象，每個(gè)具體的設(shè)備對(duì)象都與該虛設(shè)備相關(guān)，將所有設(shè)備對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系及其連接關(guān)系都存在一個(gè)關(guān)系表中.其模式較為靈活，拓?fù)浠谝淮谓泳€圖，即拓?fù)潢P(guān)系是在一次接線圖中實(shí)現(xiàn)的，所以用戶必須保證一次接線圖中的拓?fù)潢P(guān)系絕對(duì)正確.在一次接線圖中的任何微小改動(dòng)都需要重新生成拓?fù)潢P(guān)系，數(shù)據(jù)庫(kù)表的連接關(guān)系是在應(yīng)用中確定的，因而弱化了模型的作用，也就是說(shuō)，對(duì)象的數(shù)據(jù)完整性控制不太強(qiáng)，系統(tǒng)是通過(guò)編輯器來(lái)約束對(duì)象關(guān)系的，若要增加一個(gè)新的模塊，對(duì)于同一規(guī)則要再定義一次;若定義不一樣，就會(huì)造成數(shù)據(jù)不完整;若要改變對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)系，則要改變多個(gè)模塊的定義.這樣的操作比較繁瑣，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的性能也會(huì)產(chǎn)生影響.而Smallworld的應(yīng)用開(kāi)發(fā)建立在模型的基礎(chǔ)上，而模型建立在實(shí)際情況的基礎(chǔ)上.常規(guī)建模方式中的每個(gè)對(duì)象都相對(duì)獨(dú)立，根據(jù)實(shí)際情況建立對(duì)象間的拓?fù)湟?guī)則和連接關(guān)系，對(duì)象之間可以有繼承關(guān)系.這種方式建立的模型較直觀，符合Smallworld完全面向?qū)ο蟮乃枷?若要增加一個(gè)新的模塊，或要改變對(duì)象與對(duì)象的關(guān)系，只需要改變Case Tool中的模型定義即可.其對(duì)象數(shù)據(jù)的完整性和可拓展性較高，應(yīng)用開(kāi)發(fā)速度快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好［7］.

一個(gè)幾何網(wǎng)絡(luò)總是與一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，邏輯網(wǎng)絡(luò)用以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中各要素的連接方式;網(wǎng)絡(luò)要素本身存儲(chǔ)幾何信息和屬性信息.邏輯網(wǎng)絡(luò)只是維護(hù)要素組成的拓?fù)潢P(guān)系，而不管要素的幾何特征和屬性［8］.邏輯網(wǎng)絡(luò)在后臺(tái)用于網(wǎng)絡(luò)的跟蹤分析，然后向幾何網(wǎng)絡(luò)報(bào)告跟蹤過(guò)程中返回的要素，它只是一組存儲(chǔ)連通性的表，不存儲(chǔ)任何集合要素，所以它不是要素的集合.在幾何網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)要素和邏輯網(wǎng)絡(luò)的元素間有一對(duì)一和一對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系.在編輯幾何網(wǎng)絡(luò)要素時(shí)，相應(yīng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)元素會(huì)自動(dòng)更新，用戶通?？床坏竭壿嬀W(wǎng)絡(luò)的記錄，看到的是幾何網(wǎng)絡(luò).CASE工具還能加強(qiáng)數(shù)據(jù)模型的正確性，它具有檢查和設(shè)計(jì)的一致性功能，對(duì)設(shè)計(jì)的各階段所做的檢驗(yàn)可以大大減少設(shè)計(jì)人員根據(jù)數(shù)據(jù)追蹤錯(cuò)誤的時(shí)間，從而再次加快了成型軟件的交付速度.

2 GE配電網(wǎng)電力設(shè)備建模

2.1 電力設(shè)備分類

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)的管理通常是以線路為中心的，線路上包含了各種配電設(shè)備，其中，變電站是配電線路的源頭.以低壓配電網(wǎng)為例，一條線路從變電站出發(fā)，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)站到變壓器(用戶變壓器)為止，變電站出線、開(kāi)關(guān)站進(jìn)出線一般是電纜，其他線路都是架空線，線路上還有一些其他設(shè)備，如桿、線路開(kāi)關(guān)等;變電站、開(kāi)關(guān)站內(nèi)部有母線、開(kāi)關(guān)，以及站內(nèi)變壓器等設(shè)備;還有一些附屬設(shè)備.對(duì)于GE園區(qū)來(lái)說(shuō)可能要相應(yīng)簡(jiǎn)單一些，它是由市供電所進(jìn)來(lái)的35 kV電纜，直接進(jìn)入4#設(shè)備樓的35～10 kV變配電站，再到地下室的1#，2#，3#，4#，5#變電站，然后通過(guò)電纜到每層樓的強(qiáng)電間的配電箱，供應(yīng)每層樓的照明、插座、動(dòng)力、應(yīng)急(在緊急情況下應(yīng)急線路由GE的發(fā)電機(jī)發(fā)電以供應(yīng)應(yīng)急線路).

對(duì)于每一種分類中的每一類設(shè)備，又可以抽象為一個(gè)設(shè)備集，如配電線路上所有的變壓器可構(gòu)成一個(gè)變壓器設(shè)備集，系統(tǒng)中地理對(duì)象的對(duì)象集就相當(dāng)于一條配電線路上的設(shè)備集，配電線路上有幾個(gè)設(shè)備集，地理對(duì)象上就有幾個(gè)對(duì)象集，它們一一對(duì)應(yīng)，在系統(tǒng)中表示為一個(gè)個(gè)關(guān)系表(collection).最下層的對(duì)象就對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的設(shè)備，在系統(tǒng)中表示為一條記錄(record)，每一個(gè)對(duì)象有一個(gè)ID 號(hào)——惟一的標(biāo)識(shí)，一般不顯示出來(lái).對(duì)設(shè)備的這種分類模式充分體現(xiàn)了Smallworld面向?qū)ο蟮奶匦?，有利于系統(tǒng)的搜索、統(tǒng)計(jì)、選擇等操作.GE園區(qū)配電網(wǎng)電力設(shè)備的具體分類如表1所示.

表1 GE園區(qū)配電網(wǎng)電力設(shè)備分類

2.2 電力設(shè)備的屬性建模

電力設(shè)備對(duì)象是特征的集合，這些特征就是屬性.例如，在GE園區(qū)設(shè)備資產(chǎn)空間管理系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)柜有ID號(hào)、開(kāi)關(guān)柜編號(hào)、開(kāi)關(guān)柜型號(hào)、斷路器型號(hào)、隔離手車、電流互感器型號(hào)、電壓互感器型號(hào)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、避雷器型號(hào)、出線電纜等屬性，其中對(duì)于負(fù)荷開(kāi)關(guān)還可以根據(jù)不同的電壓等級(jí)分成不同的負(fù)荷開(kāi)關(guān)類型.每一類設(shè)備的特性也不相同，根據(jù)其特性及實(shí)現(xiàn)方法，可將配電設(shè)備的屬性分為物理屬性、幾何屬性、連接屬性.以電纜為例，電壓等級(jí)、電纜名稱是屬于物理屬性;電纜標(biāo)注、電纜位置是屬于幾何屬性;電纜橫截面為關(guān)聯(lián)屬性，它與電纜并無(wú)電氣關(guān)系，只是通過(guò)電纜橫截面與管道的關(guān)系表征了電纜與管道之間的內(nèi)在關(guān)系.GE園區(qū)設(shè)備資產(chǎn)空間管理系統(tǒng)配電網(wǎng)電力設(shè)備的建模如圖1所示.

2.3 電力設(shè)備的拓?fù)浣?/h3>

電力設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電力設(shè)備網(wǎng)分析的基礎(chǔ)和依據(jù).電力設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有物理拓?fù)浜蛶缀瓮負(fù)鋬煞N.物理拓?fù)潴w現(xiàn)的是電力設(shè)備物理上的連接情況，不具有電氣連通性;幾何拓?fù)浞从畴娏Φ倪\(yùn)行狀態(tài)，它具有電氣連通性.電力系統(tǒng)中各種開(kāi)關(guān)閘刀的開(kāi)閉狀態(tài)都將影響電力設(shè)備的拓?fù)?電力設(shè)備GIS對(duì)站內(nèi)、站外設(shè)備采用不同的方式進(jìn)行管理，站內(nèi)設(shè)備和線路用主站接線圖表示，站外所有設(shè)備和線路用地理圖表示;對(duì)站內(nèi)外的電氣連通性，系統(tǒng)采用內(nèi)外超鏈接點(diǎn)來(lái)處理.我們利用Smallworld的可視化建模工具(Case Tool)建立設(shè)備對(duì)象之間的物理拓?fù)浜蛶缀瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，并采用連接字段來(lái)說(shuō)明拓?fù)浣Ｖ性O(shè)備對(duì)象之間的連接關(guān)系.

圖1 GE園區(qū)設(shè)備資產(chǎn)空間管理系統(tǒng)電力設(shè)備建模

圖2 物理拓?fù)浜蛶缀瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2中的回路和開(kāi)關(guān)之間是物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用0∶0來(lái)表示，表明一個(gè)回路上可能沒(méi)有開(kāi)關(guān)，也可能有好幾個(gè)開(kāi)關(guān);一個(gè)開(kāi)關(guān)可能不在回路上，也可能在幾個(gè)回路上.在實(shí)際電路中，回路是由導(dǎo)線構(gòu)成的，回路中的開(kāi)關(guān)兩端都連接著導(dǎo)線，導(dǎo)線與開(kāi)關(guān)連接時(shí)，導(dǎo)線必須作為連接中介.

圖3為站內(nèi)輔助接線和開(kāi)關(guān)的幾何拓?fù)潢P(guān)系.圖3中，連接字段connect_end表示點(diǎn)設(shè)備與線設(shè)備的連接，例如變壓器與電纜的連接;電力設(shè)備有單端元件和雙端元件之分，開(kāi)關(guān)便是一種雙端元件，系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)兩端有兩個(gè)pin點(diǎn)保證它的電氣性，而中間的幾何則代表它的 location，connect字段表示點(diǎn)與點(diǎn)之間的連接，開(kāi)關(guān)與電纜間的連接實(shí)際上是開(kāi)關(guān)一頭的pin點(diǎn)與電纜接頭的連接;開(kāi)關(guān)作為雙端設(shè)備，放在線路上必然要切斷線路，所以用 split_chain表示切斷線路，而connect則表示開(kāi)關(guān)的兩個(gè)pin點(diǎn)與被切斷電纜的兩端相連接.

圖3 站內(nèi)輔助接線和開(kāi)關(guān)的幾何拓?fù)?/p>

3 電力線路追蹤測(cè)試

根據(jù)上面的步驟建好相應(yīng)的模型并將其保存到本地的版本中后，再應(yīng)用于GIS的數(shù)據(jù)集中.查看應(yīng)用報(bào)告中的報(bào)告，在沒(méi)有報(bào)錯(cuò)的情況下，在ACE中的Object Configuration中配置對(duì)象的可訪問(wèn)、可見(jiàn)、可點(diǎn)擊、可選中選項(xiàng).提交完成之后就可以在GE園區(qū)設(shè)備資產(chǎn)空間管理系統(tǒng)中查看網(wǎng)絡(luò)追蹤，驗(yàn)證建模和插入對(duì)象的正確性.

3.1 開(kāi)關(guān)閉合的線路追蹤測(cè)試

以GE園區(qū)2#變電站為例.圖4表示E處的開(kāi)關(guān)合上時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)追蹤的線路圖形.當(dāng)E處合上時(shí)，線路顯示為紅色，表示10 kV的電纜通過(guò)變壓器、電纜、開(kāi)關(guān)變成0.4 kV電壓等級(jí)，然后具體到照明、動(dòng)力、應(yīng)急和插座4個(gè)回路，這說(shuō)明線路具有電氣上的連通性.

圖4 E處開(kāi)關(guān)合上的線路示意

3.2 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的線路追蹤測(cè)試

當(dāng)把圖4的E處開(kāi)關(guān)打開(kāi)，再用Smallworld進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)追蹤后發(fā)現(xiàn)，圖4左邊的線路仍然顯示為紅色，表示左邊仍具有電氣上的連通性;而右邊的紅色線路則變成了藍(lán)色，表明E處的開(kāi)關(guān)打開(kāi)后成功地切斷了左右兩邊線路電氣上的連通性.由此也驗(yàn)證了建模和插入對(duì)象的正確性.

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)建模是整套GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥粉櫟幕A(chǔ).建模的好壞直接影響GIS系統(tǒng)的使用效果.一個(gè)好的數(shù)據(jù)建模首先要充分考慮到GIS系統(tǒng)中設(shè)計(jì)到的設(shè)備和線路，準(zhǔn)確列出其數(shù)據(jù)字典，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分類.然后根據(jù)設(shè)備之間的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用Case Tool建立設(shè)備對(duì)象及其屬性，并定義設(shè)備對(duì)象的空間拓?fù)潢P(guān)系.電氣上的拓?fù)溥B接關(guān)系是設(shè)備與用戶負(fù)荷之間最基礎(chǔ)、最重要的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥B接關(guān)系決定了電能量在該網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)形式，因此系統(tǒng)建模必須完備地描述這種拓?fù)溥B接關(guān)系，并將孤立的設(shè)備連接成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，這樣才能分析這些設(shè)備之間的能量流動(dòng)和分配關(guān)系.

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