Smallworld平台上GE 配电网设备的数据建模

黄亮亮，王 勇，杨 恒，陈 帅

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

随着我国社会的进步，电力事业的发展，信息时代的要求，电力企业原有的运营管理手段已很难适应当前的需求.因此，开发性能强大、运行可靠、管理方便、显示直观的电力地理信息系统(Geographic Information System，GIS)非常必要.电力GIS的研究将为电力部门带来全新的管理模式，它可以提高电力部门的经济效益、服务效益和社会效益［1-3］.本文结合面向对象思想与可视化建模工具，介绍GE园区设备资产空间管理系统配电网电力设备GIS数据建模的具体过程和方法.

1 Smallworld GIS数据建模

数据建模是整套GIS系统的基础，也是网络拓扑追踪的基础.Smallworld适合管线类行业，其网络拓扑追踪功能非常强大［4］，此外，它还提供了一套专门用于建模的可视化的工具——Case Tool，它以图形化的方式提供独立于系统的、基于对象的数据建模模块［5］.在 Case Tool中，用户不仅可以以图形化的方式建立对象，以及对象与对象之间的关系，还可以以图形化的方式建立行业规划库，大大简化了开发和维护的工作量.在对电网进行建模时，首先应对系统进行详细地分析，并着重分析电网的连接关系和运行模式，然后采用面向对象的分析方法，将单个设备从电网中分离出来，逐个分析并确定连续关系，最终达到定义整个电网的连接关系和运行模式的目的.电网的数据模型一旦建好后，网络的拓扑关系就由系统自行维护，对用户来说，不仅可以减少维护的工作量，体现系统的实用性，而且还能充分发挥Smallworld在网络拓扑追踪方面的优势［6］.

Data Model是Smallworld的基础.Data Model的成功与否，关系到整套系统的成败.在系统建设初期，需在数据模型中采用虚设备的概念，即将所有设备对象中的共同字段提出来建立一个对象，每个具体的设备对象都与该虚设备相关，将所有设备对象的拓扑关系及其连接关系都存在一个关系表中.其模式较为灵活，拓扑基于一次接线图，即拓扑关系是在一次接线图中实现的，所以用户必须保证一次接线图中的拓扑关系绝对正确.在一次接线图中的任何微小改动都需要重新生成拓扑关系，数据库表的连接关系是在应用中确定的，因而弱化了模型的作用，也就是说，对象的数据完整性控制不太强，系统是通过编辑器来约束对象关系的，若要增加一个新的模块，对于同一规则要再定义一次;若定义不一样，就会造成数据不完整;若要改变对象与对象之间的关系，则要改变多个模块的定义.这样的操作比较繁琐，同时对系统的性能也会产生影响.而Smallworld的应用开发建立在模型的基础上，而模型建立在实际情况的基础上.常规建模方式中的每个对象都相对独立，根据实际情况建立对象间的拓扑规则和连接关系，对象之间可以有继承关系.这种方式建立的模型较直观，符合Smallworld完全面向对象的思想.若要增加一个新的模块，或要改变对象与对象的关系，只需要改变Case Tool中的模型定义即可.其对象数据的完整性和可拓展性较高，应用开发速度快，系统的稳定性好［7］.

一个几何网络总是与一个逻辑网络相联系，逻辑网络用以维护网络中各要素的连接方式;网络要素本身存储几何信息和属性信息.逻辑网络只是维护要素组成的拓扑关系，而不管要素的几何特征和属性［8］.逻辑网络在后台用于网络的跟踪分析，然后向几何网络报告跟踪过程中返回的要素，它只是一组存储连通性的表，不存储任何集合要素，所以它不是要素的集合.在几何网络的网络要素和逻辑网络的元素间有一对一和一对多的关联关系.在编辑几何网络要素时，相应的逻辑网络元素会自动更新，用户通常看不到逻辑网络的记录，看到的是几何网络.CASE工具还能加强数据模型的正确性，它具有检查和设计的一致性功能，对设计的各阶段所做的检验可以大大减少设计人员根据数据追踪错误的时间，从而再次加快了成型软件的交付速度.

2 GE配电网电力设备建模

2.1 电力设备分类

在电力系统中，配电网的管理通常是以线路为中心的，线路上包含了各种配电设备，其中，变电站是配电线路的源头.以低压配电网为例，一条线路从变电站出发，经过开关站到变压器(用户变压器)为止，变电站出线、开关站进出线一般是电缆，其他线路都是架空线，线路上还有一些其他设备，如杆、线路开关等;变电站、开关站内部有母线、开关，以及站内变压器等设备;还有一些附属设备.对于GE园区来说可能要相应简单一些，它是由市供电所进来的35 kV电缆，直接进入4#设备楼的35～10 kV变配电站，再到地下室的1#，2#，3#，4#，5#变电站，然后通过电缆到每层楼的强电间的配电箱，供应每层楼的照明、插座、动力、应急(在紧急情况下应急线路由GE的发电机发电以供应应急线路).

对于每一种分类中的每一类设备，又可以抽象为一个设备集，如配电线路上所有的变压器可构成一个变压器设备集，系统中地理对象的对象集就相当于一条配电线路上的设备集，配电线路上有几个设备集，地理对象上就有几个对象集，它们一一对应，在系统中表示为一个个关系表(collection).最下层的对象就对应一个具体的设备，在系统中表示为一条记录(record)，每一个对象有一个ID 号——惟一的标识，一般不显示出来.对设备的这种分类模式充分体现了Smallworld面向对象的特性，有利于系统的搜索、统计、选择等操作.GE园区配电网电力设备的具体分类如表1所示.

表1 GE园区配电网电力设备分类

2.2 电力设备的属性建模

电力设备对象是特征的集合，这些特征就是属性.例如，在GE园区设备资产空间管理系统中，开关柜有ID号、开关柜编号、开关柜型号、断路器型号、隔离手车、电流互感器型号、电压互感器型号、负荷开关、避雷器型号、出线电缆等属性，其中对于负荷开关还可以根据不同的电压等级分成不同的负荷开关类型.每一类设备的特性也不相同，根据其特性及实现方法，可将配电设备的属性分为物理属性、几何属性、连接属性.以电缆为例，电压等级、电缆名称是属于物理属性;电缆标注、电缆位置是属于几何属性;电缆横截面为关联属性，它与电缆并无电气关系，只是通过电缆横截面与管道的关系表征了电缆与管道之间的内在关系.GE园区设备资产空间管理系统配电网电力设备的建模如图1所示.

2.3 电力设备的拓扑建模

电力设备拓扑结构是电力设备网分析的基础和依据.电力设备的拓扑结构主要有物理拓扑和几何拓扑两种.物理拓扑体现的是电力设备物理上的连接情况，不具有电气连通性;几何拓扑反映电力的运行状态，它具有电气连通性.电力系统中各种开关闸刀的开闭状态都将影响电力设备的拓扑.电力设备GIS对站内、站外设备采用不同的方式进行管理，站内设备和线路用主站接线图表示，站外所有设备和线路用地理图表示;对站内外的电气连通性，系统采用内外超链接点来处理.我们利用Smallworld的可视化建模工具(Case Tool)建立设备对象之间的物理拓扑和几何拓扑结构，如图2所示，并采用连接字段来说明拓扑建模中设备对象之间的连接关系.

图1 GE园区设备资产空间管理系统电力设备建模

图2 物理拓扑和几何拓扑结构

图2中的回路和开关之间是物理拓扑结构，用0∶0来表示，表明一个回路上可能没有开关，也可能有好几个开关;一个开关可能不在回路上，也可能在几个回路上.在实际电路中，回路是由导线构成的，回路中的开关两端都连接着导线，导线与开关连接时，导线必须作为连接中介.

图3为站内辅助接线和开关的几何拓扑关系.图3中，连接字段connect_end表示点设备与线设备的连接，例如变压器与电缆的连接;电力设备有单端元件和双端元件之分，开关便是一种双端元件，系统中开关两端有两个pin点保证它的电气性，而中间的几何则代表它的 location，connect字段表示点与点之间的连接，开关与电缆间的连接实际上是开关一头的pin点与电缆接头的连接;开关作为双端设备，放在线路上必然要切断线路，所以用 split_chain表示切断线路，而connect则表示开关的两个pin点与被切断电缆的两端相连接.

图3 站内辅助接线和开关的几何拓扑

3 电力线路追踪测试

根据上面的步骤建好相应的模型并将其保存到本地的版本中后，再应用于GIS的数据集中.查看应用报告中的报告，在没有报错的情况下，在ACE中的Object Configuration中配置对象的可访问、可见、可点击、可选中选项.提交完成之后就可以在GE园区设备资产空间管理系统中查看网络追踪，验证建模和插入对象的正确性.

3.1 开关闭合的线路追踪测试

以GE园区2#变电站为例.图4表示E处的开关合上时进行网络追踪的线路图形.当E处合上时，线路显示为红色，表示10 kV的电缆通过变压器、电缆、开关变成0.4 kV电压等级，然后具体到照明、动力、应急和插座4个回路，这说明线路具有电气上的连通性.

图4 E处开关合上的线路示意

3.2 开关断开的线路追踪测试

当把图4的E处开关打开，再用Smallworld进行网络追踪后发现，图4左边的线路仍然显示为红色，表示左边仍具有电气上的连通性;而右边的红色线路则变成了蓝色，表明E处的开关打开后成功地切断了左右两边线路电气上的连通性.由此也验证了建模和插入对象的正确性.

4 结语

数据建模是整套GIS系统的基础，也是网络拓扑追踪的基础.建模的好坏直接影响GIS系统的使用效果.一个好的数据建模首先要充分考虑到GIS系统中设计到的设备和线路，准确列出其数据字典，并对其进行详细的分类.然后根据设备之间的物理拓扑结构和几何拓扑结构，利用Case Tool建立设备对象及其属性，并定义设备对象的空间拓扑关系.电气上的拓扑连接关系是设备与用户负荷之间最基础、最重要的关系，网络的拓扑连接关系决定了电能量在该网络中的流动形式，因此系统建模必须完备地描述这种拓扑连接关系，并将孤立的设备连接成统一的网络，这样才能分析这些设备之间的能量流动和分配关系.

［1］史兴华.电网GIS及其应用［M］.北京:中国电力出版社，2007:24-43.

［2］曹健雄，邹盟军.在GE Smallworld GIS平台上构建电网运行管理系统［J］.电工技术杂志，2004(8):65-67.

［3］张作义，张琦，吴建斌.Smallworld GIS及其在供配电系统的应用［J］.计算机工程，2000，26(11):191-192.

［4］傅俊元，钱朝阳，陈建.Smallorld软件在配电地理信息系统中的应用［J］.电力系统自动化，2003，27(18):90-92.

［5］郭珊珊，郑逢斌，刘丽娟.基于GE Smallworld GIS的配电网停电管理子系统的研究与设计［J］.河南大学学报，2009，39(2):203-206.

［6］苏波，陈芳.探讨企业级GIS平台“GE Smallworld核心空间技术”［J］.地理信息世界，2005，12(6):12-23.

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