地理信息系统应用：第十二讲 GIS在电力领域的应用

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1、第十二讲 GIS在电力领域的应用一、电力GIS的概念与特点电力GIS是在地理信息基础上，对电力设备和线路进行综合管理，优化电网负荷分布，及时发现并辅助排除停电故障，提高供电可靠性和电能质量，为输配电网的各项决策提供帮助的信息系统。电力GIS在广泛应用于电网企业的发电、输/变电、配电、调度、营销等各个方面，能够大幅度提高劳动效率，减轻劳动强度，使电网管理、决策科学化。电力GIS除了具有传统GIS的一些特点外,同时具有以下几个特点:1.电力系统运行过程参数众多,实时性较强,信息具有动态变化性,这就需要对系统具备对瞬时信息及时采集、分析和显示的能力。电力电力GIS对数对数据的处理据的处理、存储、存储

2、结构和传输速率要求较高。结构和传输速率要求较高。2.电网内部设备较多,属性数据繁杂, 依据电力行业技术标准规范及电力企业的业务需求,设备众多的情况下,系统的可维护性要强。为了保证数据的一致性,电力电力GIS需要能够实现数据的需要能够实现数据的一次一次输入与多次输出输入与多次输出,数据的多数据的多层保护为构筑高可靠性与高准确性的信息系统层保护为构筑高可靠性与高准确性的信息系统提供条件提供条件。3.电力系统结构庞大,涉及设备线路众多,电力网络分布辽阔,电力设备易于分散且设备种类繁多,实时数据量大,系统接口多,关系复杂,信息覆盖面广,电网涉及的用户众多,用户业务性质不同,需要电力电力GIS具备较强的

3、转换具备较强的转换能力能力,同时同时能够高效的管理数目巨大的设备能够高效的管理数目巨大的设备。2.1 电力企业生产信息描述空间1.设备空间:它是电网设备、设施台账等信息管理构造的数字模型及其信息处理功能函数的集合;实现该空间的典型技术构成是关系型数据库技术。电力MIS系统中的设备信息管理子系统为典型范例。2.地理空间:它是电网设备、设施的地理分布信息(沿布图、走向图等)管理构造的数字模型及其信息处理功能函数的集合;实现该空间的典型技术构成是GIS系统技术。3.拓扑空间:它是电网逻辑结构信息(电系图、接线图)管理构造的数字模型及其信息处理功能函数的集合;实现该空间的典型技术构成是计算机图形实时处

4、理技术。电系图(接线图)管理系统是其应用的典型范例。4.电物理空间:它是电网的电物理特性信息分析、模拟而构造的数字模型以及其信息处理功能函数的集合;实现该空间的典型技术构成是电力计算分析技术、实时信息处理技术。SCADA信息后处理系统和电网潮流计算及网络状态估计系统等是典型的应用范例。二、电力GIS发展现状2.2 传统的电力GIS传统电力GIS主要实现了“设备空间”和“地理空间”及两个空间之间的映射操作功能。地理空间设备空间属性查询空间查询传统电力GIS中，电网设备、设施图形符号被标注在电子地图上，设备属性信息存储于数据库中，图形与属性信息间建立一一对应映射关系，可以进行空间与属性双向查询，以

5、及实现在地理图形上的一些区域分析功能（如统计等）。而接线图、系统图等描述电网逻辑拓扑信息的图形，只是另外加工的一种用于显示、输出的辅助信息，在地理图上的各种查询、分析功能无法在这些逻辑图上操作。因此传统的电力GIS作为贯穿于整个供电生成环节的生产信息系统处理环境时，存在很大的局限，必须有一种专门的技术来改善传统电力GIS对拓扑空间和电物理空间的描述能力。2.3 电力AM/FM/GISFM(Facilities Management)实现了传统电力GIS系统的全部功能，AM(Automated Mapping)实现自动映射，是整个自动绘图与设备管理技术的支撑核心。地理空间设备空间电物理空间拓扑空

6、间属性查询实时信息显示空间查询生成拓扑图生成地理图空间查询属性查询实时信息显示物理特征分布 设备空间到地理空间的映射主要解决设备属性信息与设备图形信息的关联、匹配问题，实现查询/统计等功能； 地理空间到拓扑空间的映射主要解决电网地理结构向电网逻辑结构模型转换的问题，实现功能有“线路沿布图”生成“接线图”、“系统图”，基于逻辑图形的各种编辑、查询操作； 拓扑空间到电物理空间的映射主要是解决由接线图、系统图及设备属性等资料描述的电网逻辑结构模型向电网运行状态模型转换的问题，主要功能是生成当前运行结构模型及电系图、电源图、线损图等反映电网实时运行状态的图形资料，并映射对电网几何、拓扑及属性信息进行综

7、合处理。三、电力GIS中的数据3.1电网的特性分析 配电网中线路的走向、配电设施和用户的分布具有明显的地理特征，其地理分布特性一般为： 点状分布。配电网中的杆塔、变压器等设施都是点状分布的，在图上以一个点(x，y)的形式存在。 线状分布。配电网中的线路(包括地埋电缆)属于线状分布，它们反映的是离散的点与点之间的一种连通关系。在图上以直线、圆弧或折线的形式存在。面状分布。配电网中的变电站、开闭所、用户单位和城市的行政区划等属于面状分布，在图上以面的形式存在。3.2电力GIS中实体的简单拓扑关系 点一点关系 线路中的节点与杆塔点重叠(架设关系)，杆塔点与悬挂在其上的电气设备点的重叠。 点一线关系

8、配电网中的点一线关系表现在点与线的重叠与连接上，如杆塔点位于线上，而变压器与线路的某一端点连接，线和线间是通过节点相关联的。 点一面关系 配电网中的点一面关系表现在点与面的包含和连接关系上，如一台变压器被其供电区域包含。线一线关系 配电网中的线一线关系表现在线与线的重叠与跨越关系上，当配电网的一条线路与另一条线路交叉时形成跨越，而当两条线路同杆架设时则两线实体重叠。 线一面关系 配电网中的线一面关系表现在线与面的跨越关系上，当配电线路与建筑物等重叠时，则形成跨越关系。 面一面关系 配电网中的面一面关系表现现在重叠覆盖关系上，如供电区域与行政区域的重叠。3.3 电力 GIS 数据结构空间数据 空

9、间数据可以表示为变电站、用户单位、配电设备的位置等，这些配电网的空间数据由点、线、面等对象构成。属性数据 属性数据包括电力设备运行情况(设备的投运日期、材料、运行状态、最近一次检修日期等)、用户的负荷类型。它们和地理坐标无直接的关系，是非空间定位数据。这些配电网属性数据由链表、树、索引等结构组成，由关系数据库管理。拓扑关系在电力GIS中，每个相关电力设备的点、线、面实体的属性中都包括相互之间的连接关系，形成树状的供电路径，为处理配电网GIS的拓扑分析，将依附于杆塔上的开关刀闸作为数据结构中的节点定义，在输入开关刀闸时，存储该点的空间坐标。开关刀闸之间使用架空线或电缆连接，定义线实体(架空线或电

10、缆)时，用该线的首尾坐标(即电杆的坐标)记录。这样，电线就是电杆之间拓扑关系的指针，这一方法就把线路和杆塔用数据结构的方法定义和存储起来。通过记录拓扑关系，就能存储杆塔、线路的相连关系、变电站内进出线的对应关系，在这一基础上就能实现对线路的拓扑分析。配电网中线路之间存在交叉、跨越、并架、分支等涉及三维空间关系，由于DMS中真正关心的并不是各线路的实际高度，因此，在处理这些拓扑关系时由相应的交叉跨越记录表说明涉及到的相关线路之间的空间关系。3.4电力 GIS 数据组织输电网络GIS中的信息分层 1) 输电地理背景图层根据需要记录山川河流、城镇街道、人口及有关自然资源。 2) 变电站图层记录区域中

11、各变电站位置、管理归属、源电压等级、电站容量及设备分布情况等。对于各变电站，又细分为几个图层：各类主设备的分布、站中一次接线及电缆、各类管道的分布与走向、二次接线及二次设备的连接分布等。 3) 输电线路图层记录不同电压等级的线路的分布与走径。对于不同电压等级的线路也可分成不同图层，可以分层记录、查看，也可叠加合并查看。 4) 线路杆塔位置图层记录不同线路各杆塔位置及所处地理环境，杆塔的属性数据可记录杆塔的技术参数、接线方式、相序等。 5) 塔上设备图层记录安装在杆塔上的输电设备的地理位置和属性信息。 6) 标注层记录有关地理对象的名称、说明、图幅号等。 配电网络GIS中的信息分层 1) 配电网

12、地理街道背景图层。该图层显示整个配电线路网络所处的地理环境，包括城市区域、街道、河流、工矿建筑物、交通设施(铁路、公路、道路等)、管线设施(通信线、水管道、燃气管道等)。 2) 配电网中大中用户分布图层。记录用户位置、用户档案及用电有关数据。 3) 配电线路分布图层。记录不同配电线路的走向和相关属性。 4) 配电线路杆塔分布图层。记录各杆塔分布位置和属性。 5) 配电网主设备信息层。如互感器避雷器分布图层、开关刀闸分布图层、变压器分布图层、开闭所分布图层、线路交差跨越分布图层等。 6) 标注层。记录有关地理对象的名称、描述、图幅号等。四、电力GIS与SCADA集成4.1 SCADA 系统概述S

13、CADA （Supervisory Control And Data Acquisition）是电网调度自动化系统的简称，实现了电网数据采集、监控，其主要功能包括：电网主接线及运行实时工况，电网控制，异常事故报警及打印，数据处理，数据转发，运行日报表的打印及召唤打印，多种网络互联，信息的综合查询等。4.2 SCADA与GIS集成的有点配电网数据量大、对地理信息的依赖性强、把电网 GIS 提供的设备信息和空间信息与 SCADA 提供的实时运行状态信息有机地结合起来，有利于更加有效地管理地调管辖范围内的配电网、输电网。1）GIS 向 SCADA 提供地理位置信息背景、离线图形数据和设备参数。 SC

14、ADA系统向 GIS 提供输电、配电电源点的实时数据，在地图上实时动态地显示出来，这样增强了系统对数据的表现能力。 2)提供调度员操作所需的全面的信息，尤其是设备的地理位置信息。无论是遥控操作、还是现场操作，其调度决策的正确可靠性都大大提高，减轻了调度员工作的劳动强度，提高了效率。 3)SCADA 获取的运行数据结合地理信息及配电设备的参数信息，为更好地把握配电网的运行状况提供了保障；经过数据分析处理，可以提供网络的实时拓扑结构。 4.3 SCADA 与 GIS 集成的实现技术标准接口库方式 由双方约定标准接口库格式后，由 SCADA 系统将实时遥测、遥信数据和历史数据写入关系型数据库，GIS

15、 通过标准接口库获取和交换实时数据。 调用数据库应用程序接口 SCADA系统对外界提供了一套数据库应用程序接口 DB_API，GIS 通过调用该函数获得 SCADA实时信息。 系统结构 在 SCADA 系统与 GIS 之间放置一台数据处理服务器，在数据处理服务器上编制一个接收模块，完成将 SCADA 系统采集到的实时数据和历史数据转换到 GIS使用的大型数据库中.四、GIS在电力领域中的应用方向4.1 电力设备管理 对馈线（线路）进行统一管理，提供对馈线的查询、统计，拉闸停电分析及属性条件查询等功能。 按属性进行统计和管理，如在指定范围内对馈线的长度统计，对变压器和客户容量的统计管理。 对所有

16、的设备进行图形和属性指标的录入、编辑、查询、定位等。 能描述配电网的实际走向和布置，并能反映各个变电站的一次主接线图及位置。4.2 电网运行 模拟操作与空间分析：在GIS平台上对各电压等级线路上的开关、刀闸进行闭合操作，并实时显示运行方式改变后电网中线路和设备供电、停电状态，进行停电范围分析； 供电点源与范围分析：通过电力网中的拓扑结构图，可以跟踪到某条线路的供电电源点，如变电站的出线或某个区域的供电点源。当在GIS中选择某个变电站或配电所时，可以自动展示该变电站或配电所的供电范围，或全部的用电用户信息； 负荷分析：GIS与各种负荷控制系统集成，在GIS平台上直观显示各负荷点的分布，查询分析各

17、负荷点的负荷信息，查询负控设备和负控用户档案，对负荷异常情况进行分析； 电网运行辅助管理：对电力运行网中的线路进行线路阻抗的自动计算、短路电流计算、各线路的负荷预测、系统负荷的负荷预测、电网运行安全性分析等，同时GIS具有强大的拓扑结构自动分析、生成功能计算出断电的影响范围、动态阻抗以及辅助给出电网负荷转移方案。4.3 调度管理与维护4.3.1 调度管理 利用GIS的电子地图显示功能，显示并定位所查询信息：利用先进的监控技术监控电网设备的运行状况，实时观测电压、电流、有功电量、无功电量、通信、电度、开关状态信号等，可以了解设备运行情况、及时发现异常，提高故障处理响应速度。 利用GIS的网络分析

18、功能，分析出最短路径：线路出现故障时，系统可为抢修人员提供最佳路径分析，便于在电子地图中迅速寻找从起点到终点的最佳路径。 利用GIS的缓冲区分析功能，锁定区域范围：当计划或故障停电时，可根据选择的停电线路自动跟踪出电网中最近的刀闸，并自动决策出最小停电范围的最优化停电隔离点，同时可根据设备情况分析停电区域内的负载情况，提供多种负荷转移解决方案，提高电网的供电可靠性和服务质量。 利用GIS的网络拓扑功能，实现紧急负荷转移：当发生系统事故时，快速隔离故障区域，通过操作开关将发生故障馈线的部分负荷转移到其他馈线上，及时恢复非故障区域的政策供电。4.3.2 电网维护 移动巡视：根据电力设备的地理分布及

19、其周围情况，运行人员能快速确定合理的电力设备巡检内容，结合GPS，可以对巡视人员进行实时跟踪定位，并将巡视过程和结果在GIS电网图上进行查询和展示； 故障定位：GIS根据刀闸控制关系，进行上游刀闸查询和刀闸控制范围查询等，是运行人员能快速准确地了解点源控制点，便于巡检中发现事故隐患时，较快地切断电源； 抢修与应急指挥：结合GPS，对抢修车辆进行实时监控和回放，系统记录车辆的运行轨迹、速度、状态等，当有应急抢修任务时，通过指挥中心的GIS平台，可以快速定位抢修车辆的位置和分析最短路径，立即制定抢修方案，及时排除电力故障； 数据检测管理：在GIS电网图上，对电力负荷测量、接地测量、交叉跨越测量等信

20、息的管理、查询和展示4.4 输变电管理输变电管理主要是在地理背景图上对输变电区域内的各种地理信息以及各种杆塔参数、电力设备设施等进行综合分析、监测和管理，以辅助电网的规划、设计、施工、运行管理和科学决策多维展示智能决策预警报警配电网状态数据整合动态分析输电网在线监测背景地图三维模型空间数据设备台帐PMSSCADA智能巡检雷电定位GIS功能GISGIS监测数据GIS在输电网在线监测系统中的应用除设备管理外，输变电管理还有如下应用： 线路设计：可根据供电范围及其他要求，利用地形、水系、道路信息等进行叠加分析，筛选出符合条件的变电站的地址、变压器位置以及高压杆塔位置等，为设计人员提供参考依据； 线路

21、操作及空间分析：在模拟方式和在线方式两种状态下，GIS 可对输配电线路进行多种操作及空间分析，并准确显示配电网中各开关、电压互感器、电流互感器中的信息和数据。包括： 开关、闸刀、熔丝操作及供停电范围分析； 供电点源分析：任意线路的供电电源点追踪 配变供电范围分析：配变所的供电范围和用户显示 限电/停电通知管理：自动根据选中的变配电站、开关站的某一条出线或线路上某一段线进行限电通知单或停电通知单的自动生成。4.5 配电网规划 现状配电网数据管理。包括配网图形编辑维护、配电网现状图形展示等。 现状配电网评估。包括配电网拓扑提取、指标计算及评估、专题生成、统计报表等。 配电网规划：包括规划基础数据采

22、集、负荷分析与预测、规划制图、规划成果综合管理等。地理信息规划数据电器数据可视化软件和程序拓扑分析及算法GIS数据分析软件电气计算软件可视化辅助方案形成经济评价方案校验传统规划使用数据数据层实现平台辅助应用层4.6 营销管理配网线损分析配电网监测分析用电安全隐患预警营销信息可视化用地方案优化用地情况分析异常用地分析用地设备智能控制智能化电费催缴智能化预付费管理电费风险预警数据采集、智能控制远程设置与控制数据共享停限电影响分析故障检测与处理重要用户管理增值客户管理智能化保修管理营配一体化分析智能化营销管理智能化电费管理智能化量测与控制智能化客户服务配电营销一体化体系电力GIS系统示例RS 和 G

23、IS 技术在输电线路优选中的应用评价指标体系初拟东、中、西线方案 西方案地形起伏较小，坡降较小;沿线以沉积岩为主，变质岩次之、岩浆岩最少;地质构造较复杂，活动断裂(龙门山断裂带)穿过线路缓冲区;不良地质作用以滑坡、崩塌为主，泥石流次之，线路经过区域矿点相对较少，以页岩矿矿点和铅锌矿点为主，对线路影响较小。 中方案一直沿涪江河谷，地形起伏较适中，坡降适中;沿线以沉积岩（砂岩、碳酸盐、）为主，变质岩（变质砂岩、千枚岩）次之、岩浆岩最少;地质构造较复杂，活动断裂(龙门山断裂带)穿过线路缓冲区，除此之外还有实测几条性质不明断层;不良地质作用以滑坡、崩塌为主，泥石流次之，对线路有一定的影响。 东方案从南

24、坝到老九 0 三厂这一段地形起伏较适较大、坡降适中外其他段地形起伏很小;沿线以沉积岩（砂岩、碳酸盐、灰岩）为主，变质岩（变质砂岩、千枚岩）次之、岩浆岩最少;地质构造较为复杂，活动断裂(龙门山断裂带)穿过线路缓冲区，除此之外还有实测几条性质不明断层;不良地质作用分布较少;线路经过区域矿点相对较少对线路影响较小。 线路优化：地貌信息提取西线地势变化线路西方案不同地形地貌类型统计高程分级图坡度图坡向图地貌图地质构造图断层分布图土地利用现状图不良地质现象信息提取（1）不稳地斜坡 不稳定斜坡主要分布在平通一带河岸边及草鞋沟至响岩坝等地段。（2）崩塌 崩塌在拟选线路两侧的陡崖或陡坎较发育，一般规模较小。 （3）泥石流 典型泥石流的流域可划分为形成区、流通区及堆积区三个区段。（4）滑坡 对滑坡进行影像判读，一是确定一个地貌部位是否有滑坡分布；二是根据滑坡的特征及其与周围地物之间的相关分析，确定滑坡所属类型。（5）岩溶塌陷 根据地质地貌条件，通过遥感图像分析可获取两类岩溶塌陷遥感信息塔基的确定分区与评价