張 鷹，賀 彥

（1.湖州電力局，浙江 湖州 313000；2.清華同方股份有限公司，北京 100083）

目前已經(jīng)有很多供電企業(yè)建立了電網(wǎng)GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)），但真正實用、在用、好用的并不多。筆者認為，造成這種情況的一個重要原因是，系統(tǒng)設(shè)計時僅將其定位成在電子地圖上展現(xiàn)電網(wǎng)（即面向“空間實體的拓撲[1-2]展現(xiàn)”）的系統(tǒng)，而沒有將其看作是管理電網(wǎng)電氣設(shè)備及其導(dǎo)電關(guān)系（即電網(wǎng)拓撲）的系統(tǒng)。事實上，基于此類設(shè)計初衷的系統(tǒng)，大多無法滿足電網(wǎng)拓撲的應(yīng)用需求，很難做到實用化。電網(wǎng)GIS要實用化，不僅要支持空間實體及其拓撲的管理，更重要的是應(yīng)支持電網(wǎng)拓撲的管理，如拓撲分析、潮流計算等[3]，其中電網(wǎng)拓撲建模是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

1 電網(wǎng)拓撲模型

1.1 CIM簡介[4]

電力系統(tǒng) CIM（Common Information Model，公共信息模型）是IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的核心，最初是為不同廠家開發(fā)的EMS（Energy Management System，能量管理系統(tǒng)）集成而提出。CIM采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，提供了一套用對象類、屬性及其關(guān)系來表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法，為各種應(yīng)用提供了與平臺無關(guān)的、統(tǒng)一的電力系統(tǒng)邏輯描述。CIM由若干個包組成，包括：核心包（Core）、拓撲包（Topology）、電線包（Wires）等。

1.2 拓撲包

拓撲包定義了電力系統(tǒng)導(dǎo)電設(shè)備之間的電氣連接關(guān)系，如圖1所示。每個導(dǎo)電設(shè)備（Con-ducting Equipment）都有1個或者n個端點（Terminal）； 端點通過連接點（Connectivity Node）相連接，一個連接點可與多個端點相連。

1.3 拓撲模型的理解

圖2說明了通常的電氣接線圖及其CIM表示（右側(cè)），其中實心圓點和大圓盤分別表示導(dǎo)電設(shè)備的端點和連接點。從圖2可以看出，在CIM中，兩個導(dǎo)電設(shè)備的連接是通過將前者的端點與一個連接點相連，再通過該連接點與后者的端點相連來表示的。例如，圖中的“碧湖206開關(guān)”與“10 kV電纜”有電氣連接關(guān)系，在CIM里被表示為：“碧湖206開關(guān)”的端點T2被連接到連接點Node2，同時Node2又被連接到“10 kV電纜”的端點T3，即通過Node2將開關(guān)和電纜連在一起。

圖2 接線圖的CIM表示

2 拓撲的“表”表示

用“表”（或稱“表格”）表示拓撲是計算機存儲和編程的需要。一般需要經(jīng)過以下步驟：

（1）對所有設(shè)備的端點以及連接點分別進行統(tǒng)一編號。

（2）設(shè)置3張表：導(dǎo)電設(shè)備表，用于描述導(dǎo)電設(shè)備基本屬性。端口表，用于描述每個端點與哪個連接點相連。節(jié)點表，用于描述每個連接點被連到哪些端點。

（3）在各表中建立其相應(yīng)關(guān)系。

圖3給出了圖2所示電網(wǎng)拓撲的“表”表示。

圖3 拓撲的“表”表示

3 拓撲在ORACLE數(shù)據(jù)庫中的實現(xiàn)

圖4 拓撲在ORACLE表中存儲

由于輸配電GIS中存在大量的架空線段、電纜線段、電氣連接線、母線段等設(shè)備，這些設(shè)備的共同特點是線狀、端口數(shù)目固定為2個（稱之為Segment對象），如果按圖3表結(jié)構(gòu)來存儲，需要3條記錄，存儲空間較大。若專為Segment對象建一張表，并將其首、末端口作為Segment整體的兩個屬性來存儲，則只需1條記錄，見圖4。這樣，既節(jié)省了存儲空間，又提高了查找速度。圖4所示的各表及其結(jié)構(gòu)是在圖3所示的存儲組織基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化，并結(jié)合查詢需求和ORACLE數(shù)據(jù)庫的特性而設(shè)計的（省去了連接點表），表中的JUNC表示連接點編號，PORT_ID表示端口編號，而GADGET_ID和SEG_ID則對應(yīng)于導(dǎo)電設(shè)備編號。

以圖4中“碧湖260開關(guān)”與電氣連接線的連接為例，詳細說明此拓撲在ORACLE表中的具體實現(xiàn)：“碧湖260開關(guān)”對應(yīng)設(shè)備表的GADGET_ID＝3399324記錄，其在端口表中有2個端口（即2條記錄），其中3399326端口（開關(guān)的下端口）的JUNC是3709305。另外，與“碧湖260開關(guān)”相連的電氣連接線存儲在SEGMENT表中，其 SEG_ID＝3709189， 該記錄的 HEAD_JUNC＝3709305。由于它與開關(guān)下端口的JUNC編號相同，所以可知兩者相連。

4 拓撲的內(nèi)存表示

雖然任何應(yīng)用程序都可以通過訪問ORACLE數(shù)據(jù)庫獲取電網(wǎng)拓撲，但不夠直觀和方便，解析、存取過程繁瑣，同時也會造成系統(tǒng)整體性能的下降。因此，系統(tǒng)必須解決的問題是如何把電網(wǎng)拓撲的基礎(chǔ)服務(wù)集中到一個模塊，并按標(biāo)準(zhǔn)接口提供上層應(yīng)用，使各項應(yīng)用無需了解拓撲存儲細節(jié)即可獲得電網(wǎng)拓撲。

如圖5所示，“持久化”模塊就能解決這個問題。該模塊隨系統(tǒng)啟動被加載到內(nèi)存，運行時將存儲在外存（磁盤）上ORACLE數(shù)據(jù)庫中的電網(wǎng)拓撲表轉(zhuǎn)換成內(nèi)存對象，并支撐所有上層應(yīng)用（如圖形服務(wù)模塊、電網(wǎng)建模模塊等）按對象方式進行存取。

這種方案的優(yōu)點是：

（1）通過內(nèi)存對象的封裝技術(shù)屏蔽數(shù)據(jù)庫存儲的細節(jié)，保持了拓撲的完整性和一致性。如果使用ORACLE SQL語句直接訪問，則會破壞這一約束。

（2）通過對象和指針來訪問內(nèi)存對象，比直接用SQL訪問數(shù)據(jù)庫的性能更高，更適合于與高級語言（如C++/C）對接。

圖5 拓撲的內(nèi)/外存轉(zhuǎn)換示意圖

5 結(jié)語

電網(wǎng)拓撲模型是電網(wǎng)GIS的核心，系統(tǒng)是否具有覆蓋“輸變配低”的電網(wǎng)拓撲是衡量其是否符合電網(wǎng)GIS的一個主要特征。在電網(wǎng)GIS中按CIM標(biāo)準(zhǔn)建模、不依賴于GIS平臺進行模型管理是開發(fā)電網(wǎng)GIS系統(tǒng)的重要技術(shù)原則。本文為開發(fā)實用有效的電網(wǎng)GIS系統(tǒng)提出了電網(wǎng)拓撲模型建立和數(shù)據(jù)處理的方法和技術(shù)，供相關(guān)人員借鑒。

[1]涂美義，李星.基于GIS空間實體的自動拓撲模型設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2005，3（01）∶0028-0031.

[2]周順平，李華，杜小平.空間實體的拓撲構(gòu)建[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2006，31（05）∶0590-0595.

[3]張伯明.高等電力網(wǎng)絡(luò)分析（第二版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4]劉靖輝，趙洪山.電力系統(tǒng)CIM模型在ORACLE數(shù)據(jù)庫中的實現(xiàn)[G].中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第22屆學(xué)術(shù)年會.2006.