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摘要：在电网中，GIS是保障电网可靠运行的一种重要的管理体系。在配电网出现故障时，配电管理体系最为核心的任务即要在尽可能短时间之内恢复供电，所以对故障实现准确定位与隔离，并向抢修组及时反馈以开展抢修工作，这是确保电网安全运行的关键要素。同时，因配网系统设备较多且结构较复杂，致使出现故障的情况多变，再者由于配电网的闭环构造和开环运行特性，对抢修工作造成了极大困难，所以，最佳抢修路径的确定能大幅提升抢修速度，以确保事故抢修的高效性。
关键词：GIS系统；配电网故障；故障定位；最佳路径
1、引言
在配电网系统中，通过对地理信息系统（GIS）的运用，使配电网以往随意的管理方式得到极大改观，推动配电网运行管理开始向高效性、科学性转变，使配电网的运行安全性得到提升，为实现配电网的自动化提供了条件。配电网故障抢修最佳路径是以GIS为基础提出的，在GIS系统中，故障抢修最佳路径通常来说相当于最短交通路径问题，其工作原理是按照发生事故位置和抢修人员所在地，以在最短时间内安排人员进入现场进行抢修，以降低停电的时间。文中提出基于GIS配电网的故障定位和故障抢修最短路径数学模型，并采用Dijkstra算法完成最佳路径的分析过程，然后通过实际应用验证此方法的正确性。
2、GIS技术应用及基于GIS的配电网模型
2.1 GIS平台选用
配电网中的GIS系统与普通的GIS平台存在一定差别，其对软件功能开发具有更高需求，应针对电力企业对GIS的特定要求，以尽可能有针对性的完善软件功能，使GIS系统平台和计算机软件开发有效结合，再按照配电网系统的数据特征，选用易于维护和操作的GIS平台所以，容错性能、二次开发水平、数据共享与一致、拓扑分析性能以及转换数据水平等都是GIS平台选用时需考虑的要素。ESRI公司提供的ArcGIS产品，是当前发展最健全的地理数据信息分析软件，能够较好的实现上述平台的选用要求，同时ArcGIS二次开发水平也可以确保配电网在故障定位方面的较好实现，极强的拓扑分析性能能够有效完成最佳路径的确定功能。所以，文中选择基于ArcGIS Engine平台来完成系统功能设计工作。
2.2 ArcGIS Engine技术
ArcGIS为ESRI公司所开发的完整GIS系统平台。在此平台的帮助下，能够有效实现地理信息系统研发以及地理数据信息的编辑、查找、储存、分析、发布等功能，是当前被广泛应用的一种GIS平台。ArcGIS平台可支持移动装置应用、桌面应用及服务浏览器形式运用等，主要包括ArcGIS Sever、ArcGIS Desktop、ArcGIS Engine、ArcGIS Mobile等部分。在使用上其功能主要包括：管理与编辑空间数据信息的功能，可支持许多数据库形式；制图表达和高级制图功能；空间分析与地理信息处理等扩展功能；3D可视化功能等。
图1 基于GIS的配电网模型
2.3 基于GIS的配电网模型
建立以GIS系统为基础的配电网模型（如图1），其中不但要包括地理基础信息，还应包含配电网相关信息。地理基础信息，指配电网系统的地理背景信息，包括水系、建筑、地貌、交通等信息。配网信息是指配电网中各类设施相关信息，如变站、塔架、开关等装置。这些设备的地理数据信息可组成配电网的空间数据系统，同时设备型号、规格等参数构成配电网系统属性信息。在将具体配网抽象化时可将其分成几类，包括如变压器等装置组成的点集，配电网路线等组成的线集，变电站、配电站等组成的面集等。通过充分结合配电网和GIS系统优势，建立以GIS为基础的配电网数据模型，从而使配电网具体运行过程中的运行管理问题得到有效解决，同时也促使配电网GIS程序的开发速度在不断提升。
3、配电网系统故障定位分析
（1）以分段器、重合器为基础的故障定位
该定位方式是利用控制分段器、重合器动作次数与时间来完成的（见图2）。其定位程序是：在某线路位置出现故障后，通过重合器跳闹保护，使馈线电路的电压降为0，接着使分段器切断，可看到分段开关延迟切断。因此，该定位方式存在的缺陷是：延迟故障断开时间，重合器有限分段造成故障区域变大，供电恢复难以达到网络的最优重构。
图2 以分段器、重合器为基础的馈线自动化
（2）以FTU为基础的故障定位
配电网中以FTU为基础的故障定位体系是通过SCADA来实现功能的。在配电网装置出现故障后，FTU会检验出分段开关事故电流进而发出越限警报信号，然后SCADA系统会按照FTU上传的事故电流信号切断相应分段开关。该故障定位方法主要包括两种算法，一种是基于图论知识算法，按照配电网系统拓扑模型来定位故障（如统一矩阵计算方法）；另一种是基于人工智能的寻优算法，比如遗传算法（Genetic Algorithms）、神经网络算法（Artificial Neural Network）、模糊理论（Fuzzy Theory）、专家系统（Expert System）等。因树形网、辐射形网和环形网为开环状态运行，所以馈线的沿线开关是否存在过流电流是判定故障的重要根据。
4、基于GIS的故障定位和最佳抢修路径分析
4.1 故障定位和最佳抢修路径的数学模型
尽管配电网的故障地点为随机发生的，但因配电网路线通常都是沿路架设的，所以对所有线路的故障均可假定是发生在配电网拓扑图端点位置，并假设将与故障点距离最近端点定为故障点，然后将故障点认定为在相应拓扑路线端点处，如此有关配电网故障定位后的最佳路径确定问题便转为寻找最短交通路线问题。最佳抢修路径的评价准则主要包含路线最短、用时最少及路线拥挤度最低等，通常而言，所有路线的通行时间都和它自身条件存在紧密的相关性，如道路等级、长度及占用状况等，每个城市都有其自身的设定方式。按照配电网故障抢修特征，文中设定行车用时最少为故障抢修最佳路径的评判方式。在查找最佳抢修路径时，路径计算过程中的路权为不会随时间改变的一个固定不变量，其最常用算法即采用Dijkstra路径最短静态算法。
4.2 最佳路径设计
配电网故障抢修的最短路径问题，最终可归入到通过ArcGIS engine系统进行路线计算以确定最短路径的分析过程之中。数据模型网络储存一般包含逻辑网络与几何网络等形式。几何网络主要包括网络中的具体点、线，并且这些点、线均以点要素与线要素形式进行存储。为便于对此网络内所有参与要素进行追踪，在所有的该要素类属性表内均添入一些特征字段。而在逻辑网络中包括一系列表，用以储存和建立有关网络要素的操作信息，该类文件数据信息的建立工作是在通过要素类创建网络时所开展，用户一般不能直接进入逻辑网络。逻辑网络与几何网络间存在相互关联，几何网络的信息改变需反馈给逻辑网络进行更改和存储。
4.3 Dijkstra算法和实现
Dijkstra算法理念是在确保局部路线最短的条件之下通过GIS平台对图中任一点到源点的最佳路径进行查询，直至所有点都查完，然后从总体中找出最佳抢修路径。在导进地理图形信息后，利用ArcGIS engine平台系统的强大功能，便可自动形成道路拓扑模型图，然后采用成熟算法，并配合GIS平台的强大拓扑作用，可以使配电网故障定位和最佳路径选定得以高效、准确的完成，并获得满意效果。
从上述分析过程可得，要得到最佳路径应确定两个重要模块：其一是赋予道路权值；另一个是按照所赋权值道路拓扑确定最短路段（用时最少）。
（1）边权值的赋予方式
在特定时期内，路段拓扑模型会保持不变（路段结构不变），然而路段权值会伴随时段变化而进行相应调整。一般来说，道路权值为初始化问题，所以赋予权值时，要依旧采取分开偏移因子与允许通行时间的形式进行处理，即对拓扑图，启动分析网络功能中的Trace By Distance方法，获得道路长度，之后按照之前的权值确定方式算出G图内所有边权值；偏移因子以数组进行储存，在每次分析过程中，按照分析时间来给定偏移因子值，接着在软件分析时，对权值动态变化，使它和所研究时间段保持相同。如此处理的优势是降低了系统的初始化次数，并节省运行时间，在拓扑结构不改变条件下，正常许用权值便会不变。
为了降低程序运行时间，每个路段方向和许用权值都可作为路段拓扑属性，由于在GIS系统中，拓扑属性段以Resistance A与Resistance B分别代表正向和反向权值，在确定配电网抢修最佳路径时，反向权值代表无穷大。如此在分析过程中，只要读出拓扑属性即可，降低了所用的变量数，节省了储存空间。
（2）实例研究
按照上述的算法，对图3以点0为源点进行最优路径研究， 表1列出了由源点O到各个节点处的最优路径情况。
5、结语
通过实践证明，通过采用文中所给定基于GIS的配电网故障定位和最佳抢修路径数学模型与方法，可以使配电网的管理质量得到极大提升，从而提高了电力供应质量，具有良好的推广价值，对促进电力系统的稳定运行具有重要意义。
参考文献：
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[2] 邓小勇，郑勇. 基于GIS的配电网最佳抢修路径分析方法[J]. 电工技术，2005（11）：12-14.
[3] 胡保东. 基于B/S模式的高压配电网GIS的研究与开发[J]. 办公自动化：综合月刊，2012，（12）：37-38.
论文作者:李晓强
论文发表刊物:《河南电力》2018年18期
论文发表时间:2019/3/13
标签：配电网论文; 路径论文; 故障论文; 拓扑论文; 系统论文; 算法论文; 最短论文; 《河南电力》2018年18期论文;