CN102403718A - 基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法，基于Arcgis空间分析实现电网资源空间连接关系自动生成和基于深度优先搜索的网络拓扑关系生成。本发明技术方案基于Arcgis要素之间的空间连接关系及要素的业务属性自动维护电网资源空间连接关系；根据正确的连接关系，使用深度优先算法快速生成网络拓扑关系。该技术方案解决了配电网中设备间连接关系维护烦琐，电网变化后电网的网络拓扑重构的问题，使用该技术方案可以解决城市配电网中的电源追溯、供电范围、供电半径、停电模拟等应用。

Description

基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法

技术领域

本发明涉及智能电网之城市配电网技术领域，尤其是涉及一种基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法。

背景技术

ArcGIS是美国ESRI公司在全面整合了GIS(地理信息***)与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其它多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表GIS最高技术水平的全系列GIS产品。ArcGIS是一个全面的，可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完善的GIS***提供完整的解决方案。本发明主要涉及Arcgis 的Arcgis Engine产品。

配电***是电力***中的将发、输电***与用户连接起来的重要环节。电力的需求日益增长的同时，对供电质量也提出了更高的要求。而用户停电故障大部分就是由配电网络发生故障引起的。在坚强电网的前提下，把电网建设成智能电网，首要难题就是发明一种对电网的可视化展现及连接关系的维护、网络拓扑的分析方法。但配电网络结构庞大且复杂，由于在故障或负荷转移过程中操作了开关的开合，使得网络结构经常发生变化。作为配电网络分析的，网络拓扑的计算需要进行一步提高，因此迫切需要一个好的网络拓扑算法。

       目前配电***中电网资源的连接关系维护主要依靠人工完成，这样绘图人员需要操作的步骤太多：在GIS图上绘制一个电网设备时，除了空间绘图操作、关联设备属性外还需要配置该设备与多个电网设备间的连接关系，删除时也需要找出与删除设备相关的设备的连接关系，并对这些关系进行重新维护；传统的这种方式在GIS图上增改一个电网设备时需要配置的参数太多、步骤复杂、对绘制人员的要求太高，并且容易出错。因此对电网资源连接关系维护的关键性技术问题在于：以何种算法将繁杂的电网资源连接关系人工维护配置这一步在电网GIS图绘制与维护中去掉，由计算机自动进行维护，而且不会产生错误；以及根据计算机生成的电网资源连接关系很方便的生成电网拓扑，为电网上的电源追溯、供电半径、供电范围、停电分析等应用提供服务。

配电***是电力***中的将发、输电***与用户连接起来的重要环节。电力的需求日益增长的同时，对供电质量也提出了更高的要求。而用户停电故障大部分就是由配电网络发生故障引起的。在坚强电网的前提下，把电网建设成智能电网，首要难题就是发明一种对电网的可视化展现及连接关系的维护、网络拓扑的分析方法。但配电网络结构庞大且复杂，由于在故障或负荷转移过程中操作了开关的开合，使得网络结构经常发生变化。作为配电网络分析的，网络拓扑的计算需要进行一步提高，因此迫切需要一个好的网络拓扑算法。

       目前配电***中电网资源的连接关系维护主要依靠人工完成，这样绘图人员需要操作的步骤太多：在GIS图上绘制一个电网设备时，除了空间绘图操作、关联设备属性外还需要配置该设备与多个电网设备间的连接关系，删除时也需要找出与删除设备相关的设备的连接关系，并对这些关系进行重新维护；传统的这种方式在GIS图上增改一个电网设备时需要配置的参数太多、步骤复杂、对绘制人员的要求太高，并且容易出错。因此对电网资源连接关系维护的关键性技术问题在于：以何种技术方案将繁杂的电网资源连接关系人工维护配置这一步在电网GIS图绘制与维护中去掉，由计算机自动进行维护，而且不会产生错误；以及根据计算机生成的电网资源连接关系很方便的生成电网拓扑，为电网上的电源追溯、供电半径、供电范围、停电分析等应用提供服务。

发明内容

为了自动生成配电网资源的连接关系和网络拓扑关系，本发明提供一种基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法。

本发明的技术方案为一种基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法，包括以下步骤：

步骤1，对在Arcgis上绘制的空间要素进行空间分析，得到电网资源设备的空间连接关系；

步骤2，利用步骤1中所得电网资源设备的空间连接关系，进行深度优先搜索，搜索结果形成电网资源设备的拓扑连接树。

而且，步骤1的实现包括以下步骤，

步骤1.1，初始化，包括遍历设备图层，取出电网资源设备信息，生成设备表，.初始化最大的连接点ID初值为0；

步骤1.2，以变电站内线路上断路器为起点生成电网资源设备的空间连接关系，执行以下步骤，

步骤1.2.1，取站内断路器相连的出线加入分析列表；

步骤1.2.2，通过加入分析列表的列表顺序来取未分析的线srcLine，找与线srcLine相接的导线中不存在于分析列表中的导线加入到分析列表；

步骤1.2.3，从分析列表中取一条以线srcline为父线的相关线tarline, 判断线srcLine和线tarLine是否中点相交，若是中点相交，则获取相交的中点，将中点作为相交点，若非中点相交，则将相连端点作为相交点；

步骤1.2.4，判断线tarline的两端点与步骤1.2.3中确定的相交点之间的关系，若相交点已有生成的连接点则不再生成连接点，取得已经生成的连接点ID，并进入下一步骤1.2.5；若无则查步骤1所得设备表，判断该相交点是否有导电设备，有导电设备则取设备资源ID，无导电设备则取导线资源ID，生成连接点记录，加入拓扑连接表中，取得已经生成的连接点ID，进入下一步骤1.2.5；

步骤1.2.5，根据步骤1.2.4所得连接点ID生成拓扑连接关系，从拓扑连接表中取表中最大的连接点ID加1后替换步骤1.2.4所得连接点ID；

步骤1.2.6，通过加入分析列表的列表顺序来取下一未分析的线要素，判断是否还有未分析的线，有则返回步骤1.2.2进行循环查找，直到遍历整条线路，生成该线路上的所有导电设备的拓扑连接关系；否则结束流程，所得拓扑连接表提供电网资源设备的空间连接关系。

而且，步骤2进行深度优先搜索时，根据电网资源设备的电气状态，判断是否需要继续向下进行搜索。

而且，步骤2的实现包括以下步骤，

步骤2.1，查询站内外连接关系表找到站内断路器，判断站内断路器的电气状态，若是闭状态则结束流程，若是合状态，则将根结点写入拓扑树表，进入步骤2.2；

步骤2.2，查询站内外连接关系表，找出站内断路器相连的出线节点的导线资源ID，将站内断路器相连的出线节点写入拓扑树表，并将与站内断路器相连的出线节点为当前分析的连接点S，写入临时分析表；

步骤2.3，将内存中节点深度加1；

步骤2.4，从步骤1所得拓扑连接表中，查找与临时分析表的连接点S相关的所有线，然后从临时分析表查找相关线的所有连接点，并且过滤掉临时分析表及拓扑树表中已存在的连接点，将所得节点写入节点关系表，同时将所得节点作为生成的新的树节点写入拓扑树表，从临时分析表中删除连接点S；

步骤2.5，查询节点关系表，从中取出新生成的节点，并检测节点的电气状态；若节点的电气状态为断开，则该节点不写入临时分析表，直接进入步骤2.6，该节点不参与接下来的分析；若节点的电气状态为闭合，则将该节点写入临时分析表tmp_currtermce，然后进入步骤2.6；

步骤2.6，判断临时分析表中是否有新记录，有新纪录时，从临时分析表中取出下一个连接点作为当前分析的连接点S，返回执行步骤2.3；当临时分析表中无新记录时，分析结束；所得拓扑树表提供电网资源设备的拓扑连接树。

本发明基于Arcgis进行电网GIS图上的电网资源的连接关系计算处理，自动维护电网资源的连接关系，解除了传统手工维护电网资源连接关系的烦琐操作；本发明将电网资源的电气状态，连接关系有机的结合起来，实现效率高，能够满足配电网毫秒级的电网拓扑分析处理要求，良好的用户体验效果。

附图说明

图1为电网资源的空间连接关系示意图；

图2为本发明实施例的电网资源的空间连接关系生成流程图；

图3为本发明实施例的电网拓扑树生成流程图；

图4为本发明实施例的流程图。

具体实施方式   

本发明技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行流程。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但下述实施例不应理解为对本发明的限制。参见图4，实施例的流程如下：

步骤1，对在Arcgis上绘制的空间要素进行空间分析，形成要素的空间连接关系；

根据Arcgis要素的空间位置，以及要素的所属线路属性进行空间连接关系计算，根据空间感知的敏感阈值参数计算，对空间图形绘制过程中连接误差进行处理，将有效连接区域增强，从而得到设备资源的连接关系。

实施例的步骤1实现包括以下步骤，参见图2：

步骤1.1，初始化，包括遍历设备图层（点类型），取出设备信息，生成设备表；初始化最大的连接点ID初值为0。最大的连接点ID表示最大连接点编号，即目前的最大连接点数，起始编号为0。在后续步骤1.2每查找到一个连接点，最大连接点编号加1，作为设备表中第一列值，唯一标识每个连接点。

启动后首先生成连接点。除导线外所有电网设备（导电设备）都生成一个连接点，导线与导线有连接关系，但无其它导电设备参与该连接点的也作为一个连接点。并给连接点自动编一个唯一编号，将电网设备的全网唯一编号作为连接点的资源ID，就生成了设备表，如下表1。如图1中空心圆点都为电网设备，如图中1001、1002、1003、1004、1005； 1#、2#、3#、4#、5#是导线的全网唯一编号。实心圆点为导线与导线的连接点，没有除导线外的电网设备参与，因为没有实际的设备，以与他相连的一条导线来代替标识这个点，如图中导线1#两端的连接点，都用1#标识。连接点在拓扑连接表(实施例建立的拓扑连接表见表7)中唯一，无实际意义，连接点的端子对一连接点唯一，无实际意义。

表1

连接点	端子	资源ID	点坐标
				1	0	1001	x,y
2	0	1#	x,y
				3	0	1004	x,y
4	0	1002	x,y
				5	0	1003	x,y
6	0	1005	x,y

其中，连接点的端子都初始化为0。

步骤1.2，以变电站内线路上断路器为起点生成电网资源的空间连接关系，即开始以变电站所在连接点（变电站站内线路上断路器）为当前点，执行以下步骤：

步骤1.2.1，取站内断路器相连的出线加入分析列表，即根据记录配置的站内外连接关系找到与当前点相连的导线，将导线的资源ID存入分析列表中，实施例建立的分析列表见表2。

    步骤1.2.2，通过加入分析列表的列表顺序来取未分析的线要素，即从分析列表中按***顺序取一条线srcLine，找与其相接的导线中不存在于分析列表中的导线加入到分析列表。

实施例第一次运行到步骤1.2.2时，取步骤1.2.1中存入分析列表的第一条记录（srcline），查找时根据Arcgis要素的空间位置，以及要素的所属线路属性进行空间连接关系计算，根据预设空间感知的敏感阈值参数计算，对空间图形绘制过程中连接误差进行处理，找出与该条记录中导线相连的导线的资源ID，存入分析列表中。具体计算属于现有技术，空间感知的敏感阈值参数可根据具体情况由本领域技术人员设定，本发明不予赘述。

步骤1.2.3，从分析列表中取一条以线srcline为父线的相关线tarline, 判断线srcLine和线tarLine是否中点相交，若是中点相交，则获取相交的中点，将中点作为相交点，若非中点相交，则将相连端点作为相交点。

步骤1.2.4，判断线tarline的两端点与步骤1.2.3中确定的相交点之间的关系，方式为：通过坐标值判断相交点是否已生成连接点，若已有生成的连接点则不再生成连接点，取得已经生成的连接点ID，并进入下一步骤1.2.5，若无则查步骤1所得设备表，判断该相交点是否有导电设备，有导电设备则取设备资源ID，无导电设备则取导线资源ID，生成连接点记录，加入拓扑连接表中，取得已经生成的连接点ID，进入下一步骤1.2.5。

步骤1.2.5，根据上一步骤1.2.4的连接点ID生成拓扑连接关系，方式为：从拓扑连接表中取表中最大连接点ID加1后作为连接点ID；取该连接点的编号和最大端子数，生成拓扑记录，更新拓扑连接表中。

步骤1.2.6，通过加入分析列表的列表顺序来取下一未分析的线要素，判断是否还有未分析的线，有则返回步骤1.2.2进行循环查找，直到遍历整条线路，生成该线路上的所有导电设备的拓扑连接关系。否则说明已经循环遍历变电站所有出线，即可结束流程，所得拓扑连接表即生成的全图所有导电设备的拓扑连接关系。

为便于理解本发明技术方案起见，提供实施例导线连接关系生成流程中的分析列表见表2～6：

表2

资源ID	端点类型	父线	点坐标
				1#	端点		x,y
2#	中点	1#	x,y
				3#	端点	1#	x,y
4#	端点	1#	x,y

如表2所示，其中提供了与1#导线有连接关系的导线。

表3

资源ID	端点类型	父线	点坐标
				1#	端点		x,y
2#	中点	1#	x,y
				3#	端点	1#	x,y
4#	端点	1#	x,y

如表3所示，与2#导线有连接关系的导线只有1#导线，但1#导线已经在分析列表中，所以不再添加。

表4

资源ID	端点类型	父线	点坐标
				1#	端点		x,y
2#	中点	1#	x,y
				3#	端点	1#	x,y
4#	端点	1#	x,y
				4#	端点	3#	x,y
5#	端点	3#	x,y

如表4所示，其中与3#导线有连接关系的导线只有1#导线，但1#导线已经在分析列表中，所以不再添加，还有4#和5#导线，将其添加到分析列表中。

表5

资源ID	端点类型	父线	点坐标
				1#	端点		x,y
2#	中点	1#	x,y
				3#	端点	1#	x,y
4#	端点	1#	x,y
				4#	端点	3#	x,y
5#	端点	3#	x,y

如表5所示，其中与4#导线有连接关系的导线只有1#和3#导线，但1#和3#导线已经在分析列表中，所以不再添加。

表6

资源ID	端点类型	父线	点坐标
				1#	端点		x,y
2#	中点	1#	x,y
				3#	端点	1#	x,y
4#	端点	1#	x,y
				4#	端点	3#	x,y
5#	端点	3#	x,y

如表6所示，其中与5#导线有连接关系的导线只有3#导线，但3#导线已经在分析列表中，所以不再添加。

分析列表中的资源ID是对电网设备的唯一编号；端点类型中，端点即导线两端的点，中点即导线上除两端的点外的其它点。

实施例最后生成的拓扑连接表见下表7：

表7

连接点	端子	资源ID	点坐标
				1	0	1001	x,y
1	1	1#	x,y
				2	0	1#	x,y
2	1	1#	x,y
				2	2	3#	x,y
3	0	1004	x,y
				3	1	3#	x,y
4	0	1002	x,y
				4	1	2#	x,y
1	2	2#	x,y
				2	3	4#	x,y
5	0	1003	x,y
				5	1	4#	x,y
3	2	5#	x,y
				6	0	1005	x,y
6	1	5#	x,y

步骤2，将基于空间连接关系生成电网资源的拓扑连接树型关系；

利用步骤1中生成的电网资源空间连接关系，进行深度优先搜索，根据电网资源的状态属性（电气状态开或合），判断是否需要继续向下进行搜索，形成电网资源的拓扑连接树。 

生成电网资源的拓扑连接树型关系时，可按如下规则：

1、检测节点对应设备的电气状态，仅对带电设备生成节点记录；

2、节点信息中包含当前节点、父节点、根节点的资源ID，连接父节点的导线的资源ID、节点深度等信息；

3、以站内断路器为树的根节点，深度为0；

4、以站内断路器在GIS图中的出线为第一个节点，深度为1；

5、循环对最底层节点分析，查找与当前节点相连的所有导线，再找出与导线相关的所有新节点生成记录，直到无节点产生。

参见图3，实施例具体实现步骤2的流程如下：

步骤2.1，启动后首先查询站内外连接关系表（表relstation_line，见下表8所示），根据站内外连接关系配置信息，查找到站内断路器，判断站内断路器的电气状态，若是闭状态则结束流程，若是合状态，则将根结点写入拓扑树表（表top_tree，见下表9所示）。

实施例将根结点写入拓扑树表的填写方式为，连接点、父连接点、两连接点间导线、连接点深度为0； 连接点资源ID，父连接点资源ID，根节点资源ID相同。

为便于理解本发明技术方案起见，提供实施例具体实现步骤2时建立的各表如下。具体实施时，本领域技术人员可以自行设定程序建表方式。

表8

站内设备资源ID	站外设备资源ID
		2222300543	1#

注：站内设备资源ID指变电站内出线断路器资源ID，站外设备资源ID指连接站内断路器的导线资源ID。

表9

连接点ID	连接点资源ID	两节点间导线	连接点深度	根连接点资源ID	父连接点资源ID
						0	2222300543	0	0	2222300543	2222300543
1	1#	1#	1	2222300543	2222300543

步骤2.2，查询站内外连接关系表relstation_line，找出相应断路器所对应的出线节点的导线资源ID。将合状态的断路器相连的出线节点写入拓扑树表，以出线节点作为分析起点，将出线节点写入临时分析表（表tmp_currtermce，见下表10所示）。

表10

连接点ID	节点资源ID	父节点资源ID
			1#	1#	2222300543

实施例采用以下两个步骤实现：

步骤2.2.1，将出线节点写入拓扑树表，实施例的拓扑树表填写方法：父连接点、根连接点为0；节点深度为1；父节点资源ID、根节点资源ID为站内断路器资源ID；连接点：通过出线资源ID查找该线上所有连接点中有一个端子的连接点（一个端子即一条记录）。

步骤2.2.2，将与断路器相连的出线节点为分析起点，写入临时分析表tmp_currtermce。实施例通过查询表top_tree中节点深度为1的记录，得到与断路器相连的出线节点。

步骤2.3，将内存中节点深度加1。

步骤2.4，临时分析表中当前分析的连接点记为连接点S，首次执行步骤2.4时，连接点S即步骤2.2所得出线节点。从表top_connection（即步骤1所建立拓扑连接表，见表7）中，查找与临时分析表tmp_currtermce连接点S相关的所有线，然后从临时分析表tmp_currtermce查找相关线的所有连接点，并且过滤掉临时分析表tmp_currtermce自己及拓扑树表中已存在的连接点；

将查询结果写入节点关系表（表TMP_RELATION，参见下表11），同时将这些节点作为生成的新的树节点写入拓扑树表，从临时分析表tmp_currtermce中删除连接点S。

表11

步骤2.5，查询节点关系表TMP_RELATION，从中取出新生成的节点，并检测节点电气状态；若节点设备状态为断开，则该节点不写入临时分析表tmp_currtermce，直接进入步骤2.6；该节点不参与接下来的分析；若节点设备状态为闭合，则将该节点写入临时分析表tmp_currtermce，然后进入步骤2.6。

步骤2.6，判断临时分析表tmp_currtermce是否有新记录，即判断写入新记录数是否为0。还有新纪录时，按***临时分析表的顺序取出下一个连接点作为当前分析的连接点S，返回执行步骤2.3。当临时分析表tmp_currtermce中无记录时，分析结束。所得拓扑树表提供电网资源的拓扑连接树，即是根据本发明技术方案自动生成的电网拓扑关系。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对在Arcgis上绘制的空间要素进行空间分析，得到电网资源设备的空间连接关系；

步骤2，利用步骤1中所得电网资源设备的空间连接关系，进行深度优先搜索，搜索结果形成电网资源设备的拓扑连接树。

2.如权利要求1所述基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法，其特征在于：步骤1的实现包括以下步骤，

步骤1.1，初始化，包括遍历设备图层，取出电网资源设备信息，生成设备表，.初始化最大的连接点ID初值为0；

步骤1.2，以变电站内线路上断路器为起点生成电网资源设备的空间连接关系，执行以下步骤，

步骤1.2.1，取站内断路器相连的出线加入分析列表；

步骤1.2.2，通过加入分析列表的列表顺序来取未分析的线srcLine，找与线srcLine相接的导线中不存在于分析列表中的导线加入到分析列表；

步骤1.2.3，从分析列表中取一条以线srcline为父线的相关线tarline, 判断线srcLine和线tarLine是否中点相交，若是中点相交，则获取相交的中点，将中点作为相交点，若非中点相交，则将相连端点作为相交点；

步骤1.2.4，判断线tarline的两端点与步骤1.2.3中确定的相交点之间的关系，若相交点已有生成的连接点则不再生成连接点，取得已经生成的连接点ID，并进入下一步骤1.2.5；若无则查步骤1所得设备表，判断该相交点是否有导电设备，有导电设备则取设备资源ID，无导电设备则取导线资源ID，生成连接点记录，加入拓扑连接表中，取得已经生成的连接点ID，进入下一步骤1.2.5；

步骤1.2.5，根据步骤1.2.4所得连接点ID生成拓扑连接关系，从拓扑连接表中取表中最大的连接点ID加1后替换步骤1.2.4所得连接点ID；

步骤1.2.6，通过加入分析列表的列表顺序来取下一未分析的线要素，判断是否还有未分析的线，有则返回步骤1.2.2进行循环查找，直到遍历整条线路，生成该线路上的所有导电设备的拓扑连接关系；否则结束流程，所得拓扑连接表提供电网资源设备的空间连接关系。

3.如权利要求1或2所述基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法，其特征在于：步骤2进行深度优先搜索时，根据电网资源设备的电气状态，判断是否需要继续向下进行搜索。

4.如权利要求3所述基于Arcgis的电网拓扑关系生成方法，其特征在于：步骤2的实现包括以下步骤，

步骤2.1，查询站内外连接关系表找到站内断路器，判断站内断路器的电气状态，若是闭状态则结束流程，若是合状态，则将根结点写入拓扑树表，进入步骤2.2；

步骤2.2，查询站内外连接关系表，找出站内断路器相连的出线节点的导线资源ID，将站内断路器相连的出线节点写入拓扑树表，并将与站内断路器相连的出线节点为当前分析的连接点S，写入临时分析表；

步骤2.3，将内存中节点深度加1；

步骤2.4，从步骤1所得拓扑连接表中，查找与临时分析表的连接点S相关的所有线，然后从临时分析表查找相关线的所有连接点，并且过滤掉临时分析表及拓扑树表中已存在的连接点，将所得节点写入节点关系表，同时将所得节点作为生成的新的树节点写入拓扑树表，从临时分析表中删除连接点S；

步骤2.5，查询节点关系表，从中取出新生成的节点，并检测节点的电气状态；若节点的电气状态为断开，则该节点不写入临时分析表，直接进入步骤2.6，该节点不参与接下来的分析；若节点的电气状态为闭合，则将该节点写入临时分析表tmp_currtermce，然后进入步骤2.6；

步骤2.6，判断临时分析表中是否有新记录，有新纪录时，从临时分析表中取出下一个连接点作为当前分析的连接点S，返回执行步骤2.3；当临时分析表中无新记录时，分析结束；所得拓扑树表提供电网资源设备的拓扑连接树。

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