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基于地理信息系统构建电气设备在线状态信息系统的方法 |
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| 基于地理信息系统构建电气设备在线状态信息系统的方法 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:42:58  |
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刘理峰，孙才新，周 氵泉 ，胡晓倩，安文斗
重庆大学高电压与电工新技术教育部重点试验室，重庆市400044
1 引言
随着城市电网增容和电压等级提高，为保证电力系统安全运行，需要进行绝缘在线监测和监控的电气设备的种类越来越多，数量越来越大，地域分布也越来越广，并且迫切要求实现状态维修。目前设备管理／地理信息系统（Facility Management／Geo－graphic Information System，FM／GIS）还主要应用在离线的配电管理系统，而FM也局限于设备的宏观运行特性（如变压器油温、电流以及断路器工作状态等），还未包含35～220 kV电气设备（如变压器、避雷器等）绝缘运行状态的特征量（如局部放电、油色谱、介损等），远不能适应电力系统现代化管理的需要。
GIS是利用现代计算机图形和数据库技术来输入、存储、编辑、查询、分析、决策和输出空间图形及其属性数据的计算机系统［1］，是融地理学、几何学、计算机科学及各类应用模型为一体的综合性高新技术。GIS的最大特点就在于它能够把现实生活中的各种信息结合在一起，可根据查询和分析需要将这些信息真实地、详尽地展示在用户面前，也可将分析处理结果提供给各级管理部门作决策参考。
为了适应社会经济生活对电力工业的新要求，研究以GIS为支撑平台，以数字地图作为背景，对FM／GIS与设备绝缘在线监测系统进行集成，使设备绝缘在线监测系统采集的实时设备状态信息与FM／GIS相结合，全面反映电力系统及设备的运行状态，使调度员得以准确及时地进行故障诊断及处理，能大大地减少突发故障造成的损失，从而更有效地管理系统运行，提高电力系统运行的可靠性。
本文的主要研究内容是以基于空间拓扑模型来合理有效地组织大量的电气设备实时状态信息的方法，实现对各种电气设备在线监测信息的有效管理。
2 空间拓扑模型
本系统采用实体模型加上空间索引的方式来实现空间数据的拓扑关系定义。针对需要监测的电气设备实时状态信息，分别论述采用的空间实体模型、空间索引模型和相关的数据组织方法。
2．1 空间实体模型
空间实体是地理实体的抽象，主要包括点、线、面3种基本类型［2］。每个空间实体对象都维护着自己的所有属性，任一空间实体都是由一个或者多个“部分”组成。各“部分”由“点集”组成。“点集”是一群点的集合。这样，在一个实体对象内部记录了其全部空间信息，从而建立实体的拓扑模型。下面以研究的系统为例，说明拓扑结构的关系。
“点”是不依赖比例尺的独立符号，采用一对（X，Y）坐标来表示氧化锌避雷器（MOA）、电压互感器（PT）、电流互感器（CT）、开关、杆塔、变压器等点状实体的位置。系统采用的是平面坐标系统提供的相对位置坐标。将设备实际对应的地表经纬度坐标作为设备属性数据存储在后台大型数据库中，以备查询。
“线”由一组有序点相连而成，有起点和终点。它是用于表示母线、地下电缆、架空线路等线状实体。它用一组有序的坐标（X，Y）表示线状地物（即｛（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xn，Yn）｝）。“线”的方向性隐含于这一组有序点集中，根据“线”的方向性就能确定与其拓扑邻接的“面”。
“面”由一组有序线段包围的面积构成，用于表示变电站（对变电站内电气设备进行绝缘在线监测时用于处理表征主变、PT、CT、MOA等空间实体对象的集合）等具有边界和面积的区域。这组有序的线段，其首尾位置必须重合（即｛（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xn，Yn），（X1，Y1）｝）。
2．2 空间索引模型
电力设备绝缘在线监测系统中数据组织的空间查询功能通过“空间索引”技术来实现，空间对象索引的目的简单说来是要求对于给定的空间坐标，能够以尽量快的速度搜索到坐标范围内或坐标上的空间对象。实际上，空间索引模型是一种“隐式”拓扑关系，只有在必要时，系统才根据空间索引建立并使用实体间的拓扑关系。
比如，要查询停电区域，先根据停电线路定位出此条线路的最小外接矩形（MBR），然后通过空间索引，利用MBR对其内部的“面”对象进一步求精，剔除区域外的对象，剩下的就是结果；要查询电气设备绝缘在线监测的特征量，先通过空间索引确定出待测电气设备的地理位置（包括变电站及在站内的具体位置），然后将在线监测到的数据送至系统相应位置显示，供调度人员了解设备工况。
2．3 数据组织
基于上述原因，作者采用双数据库存储方式［3］，即将表征设备地理位置的空间数据与设备位置无关的属性数据分开存储。属性数据存储在关系数据库的属性表中，空间数据保存于若干文件中，两者通过索引机制联系起来。为了提高查询和处理效率，将地图按照专题分层处理，每个图层存储在若干基本文件中，它们是属性数据的表结构文件、属性数据文件、交叉索引文件、空间数据文件和索引文件等。
3 应用实例
本系统使用重庆市江北矢量化数字地图作为地理基础图层，该数字地图包括重庆市江北供电局所辖的供电范围约40 km2，比例尺为1：500［4］。
根据电力系统结构，将地图分为以下几层：①地理背景层包括街道的走向、名称等；②负荷单位层包括一类负荷、二类负荷等，主要是工业用户、重要的集体用户；③变电站层；④架空线路层；⑤地下电缆 层；⑥变压器层包括公变、专变；⑦杆塔层；⑧开关刀闸层。其中用经过处理的由勘测院提供的数字地图构成基础地理数据层，其余各专题层由笔者建立。
针对不同的专题图层，为了将属性数据与图形数据统一管理，应采用一定的编码规则来建立图形与属性的联接。如为了实现对变电站层的管理，变电站图层编码中应包括变电站编码、变电站设备编码、变电站回路编码等。
本研究选择了苗儿石变电站和江北小苑地区作为信息链接示范区，建立相应数据模型进行研究。下面根据工作情况对如何构造基于GIS的电气设备实时状态信息系统做一简述。
3．1 系统简介
图1是基于GIS的电气设备实时状态信息系统概貌图。该系统通过读取SCADA数据库的数据来获取相应设备的宏观运行参数（如变压器油温、电流以及断路器工作状态等）。通过电气设备绝缘在线监测系统，可以获得变电站电气设备状态信息，主要包括：变压器绝缘状态信息、开关设备状态信息、PT和CT绝缘状态信息以及MOA绝缘状态信息等。分别依靠安装在设备上的相应监测装置来获取这些实时绝缘状态信息，然后存储在后台数据库中。当系统需要查询设备信息时，就可根据查询的设备到指定的后台数据库读取实时状态信息。
3．2 数字地图整理
源图为地理专用，共分63个图层，根据实际应用需要，选定以下几层作为地理基础层：住宅区、工矿建筑物设施、交通设施（包括铁路、公路、道路、隧道、涵洞等）、管线设施（通信线、水管道、燃气管道等）。
将转化好的地图重新编辑，对转化过程中出现的如碎多边形、接边等错误进行手工处理。在整理好的地图上对示范小区进行10 kV苗北线路信息标注（如重要负荷用户名称、编号等）；对苗儿石变电站的站内各种绝缘监测设备（如主变、PT、CT等）进行信
息标注。
3．3 线路参数库建立
根据重庆江北区10 kV架空线路一次接线图，对苗儿石变电站苗北线路途经的小苑地区建立线路参数库。
该参数库包括3张数据表：点表、线路表和配变表。点表用于存储所有负荷用户节点的地理相对坐标，其经纬度坐标放于后台数据库中，以备查询。线路表用于存储由部分用户节点构成的架空线路信息。配变表用于存储线路上装有配变的所有用户节点。利用这3张表来确定线路中用户节点位置及线路相关属性。表1例举了配变表的结构，该表用于统计停电时户数和确定停电区域。为便于分析处理，Name字段用于存储重要用户名称。
3．4 变电站设备编码
基于电气设备绝缘状态在线监测系统的信息，可以对变电站电气设备进行编码。本文通过对苗儿石变电站内被监测设备进行编码来说明编码规则。
（1）编码码长
总长度16 B，编码表示为：BS加上码长14 B。其中BS代表“变电站设备”，此编码为实现设备图形与属性之间联系的唯一代码，即ID号。并可以此编码为索引查找代表设备位置、电气特性的属性编码。
（2）属性编码规则，见表2。
（3）属性编码说明
1）变电站名称码 即已按照变电站名称编码标准编好的变电站名称属性编码。
2）设备类型码 即以特定的数字代表特定的设备，如可由03代表变压器，16代表CT，17代表PT，18代表套管，19代表MOA。
3）设备电压等级码 即以特定的数字代表特定的电压等级，如可由5代表220 kV。
4）将设备以易于管理的顺序和方式组成序列号码。
（4）建立属性数据表
针对每一个具体的设备，建立属性表。如表3就是PT的属性表。
3．5 实现功能
经过上述步骤处理，即可实现10 kV苗北线路信息统计（停电区域和停电时户数）和变电站设备绝缘在线监测信息统计等功能。
3．5．1 线路实时状态信息统计
图2为处理统计停电时户数的结果界面。在图2中，10 kV苗北线的用户（江北区经委）停电，该节点之前仍正常供电（考虑打印，线路用深色表示，节点为深色），之后的用户如规划局、渝北商场等用户停电（考虑打印，线路用灰色表示，经委节点为灰色，其它节点仍为深色）。其中线路及节点颜色变换应符合供、停电的操作规程。通过系统的停电线路统计功能，可实现对停电线路进行配变容量和停电时户数的统计。
3．5．2 变电站电气设备实时状态信息统计
通过电气设备在线监测，可以获得变电站电气设备状态信息，主要包括：变压器绝缘状态信息、开关设备状态信息、PT和CT绝缘状态信息以及MOA绝缘状态信息等。表4例举了苗儿石变电站一段、二段母线被监测PT的绝缘状态数据。
当需要查询苗儿石变电站一段、二段母线PT监测的绝缘状态数据时，根据系统的空间拓扑数据模型在地图上对PT位置自动定位，并且将电气设备绝缘在线监测系统测到的PT实时数据以表4的形式显示在地图上，从而实现对各种电气设备在线监测信息的有效管理。
4 小结
FM／GIS发展的方向是将GIS与电气设备绝缘在线监测系统相集成，以此形成全新的电气设备绝缘在线监测实时信息系统。变电站内部设备动态拓扑分析是集成GIS与电气设备绝缘在线监测系统集成过程中的关键步骤，本文提出采用GIS空间拓扑模型来实现。实际工程应用说明了如何构造电气设备绝缘在线监测实时状态信息系统的方法和步骤。从上述理论分析和应用实例可以得出下列结果：
（1）将GIS与电气设备绝缘在线监测系统集成是FM／GIS的发展方向。
（2）采用恰当的拓扑数据模型是建立变电站内部设备动态拓扑结构的关键。
（3）采用GIS空间拓扑模型来构造电气设备在线实时信息系统的方法是可行的。
参考文献：
［1］ 陈俊，宫鹏．实用地理信息系统[M].北京：科学出版社，1998．
［2］ 王明俊，于尔铿，刘广一．配电系统自动化及其发展[M].北京：中国电力出版社，1998．
［3］ 王珊，陈红．数据库系统原理[M].北京：清华大学出版社，1998．
［4］ 刘理峰，孙才新，周氵泉等．利用MapInfo拓扑数据模型构建电力GIS信息系统的方法研究[C].2000年重庆市电机工程学会学术年会，2000．
［5］ TerrellT J．Building a geographic information system［C］．IEEE
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