GIS电网拓扑及其在ORACLE数据库中的实现

张 鹰，贺 彦

（1.湖州电力局，浙江 湖州 313000；2.清华同方股份有限公司，北京 100083）

目前已经有很多供电企业建立了电网GIS（Geographic Information System，地理信息系统），但真正实用、在用、好用的并不多。笔者认为，造成这种情况的一个重要原因是，系统设计时仅将其定位成在电子地图上展现电网（即面向“空间实体的拓扑[1-2]展现”）的系统，而没有将其看作是管理电网电气设备及其导电关系（即电网拓扑）的系统。事实上，基于此类设计初衷的系统，大多无法满足电网拓扑的应用需求，很难做到实用化。电网GIS要实用化，不仅要支持空间实体及其拓扑的管理，更重要的是应支持电网拓扑的管理，如拓扑分析、潮流计算等[3]，其中电网拓扑建模是关键和基础。

1 电网拓扑模型

1.1 CIM简介[4]

电力系统 CIM（Common Information Model，公共信息模型）是IEC 61970标准的核心，最初是为不同厂家开发的EMS（Energy Management System，能量管理系统）集成而提出。CIM采用面向对象的建模技术，提供了一套用对象类、属性及其关系来表示电力系统资源的标准方法，为各种应用提供了与平台无关的、统一的电力系统逻辑描述。CIM由若干个包组成，包括：核心包（Core）、拓扑包（Topology）、电线包（Wires）等。

1.2 拓扑包

拓扑包定义了电力系统导电设备之间的电气连接关系，如图1所示。每个导电设备（Con-ducting Equipment）都有1个或者n个端点（Terminal）； 端点通过连接点（Connectivity Node）相连接，一个连接点可与多个端点相连。

1.3 拓扑模型的理解

图2说明了通常的电气接线图及其CIM表示（右侧），其中实心圆点和大圆盘分别表示导电设备的端点和连接点。从图2可以看出，在CIM中，两个导电设备的连接是通过将前者的端点与一个连接点相连，再通过该连接点与后者的端点相连来表示的。例如，图中的“碧湖206开关”与“10 kV电缆”有电气连接关系，在CIM里被表示为：“碧湖206开关”的端点T2被连接到连接点Node2，同时Node2又被连接到“10 kV电缆”的端点T3，即通过Node2将开关和电缆连在一起。

图2 接线图的CIM表示

2 拓扑的“表”表示

用“表”（或称“表格”）表示拓扑是计算机存储和编程的需要。一般需要经过以下步骤：

（1）对所有设备的端点以及连接点分别进行统一编号。

（2）设置3张表：导电设备表，用于描述导电设备基本属性。端口表，用于描述每个端点与哪个连接点相连。节点表，用于描述每个连接点被连到哪些端点。

（3）在各表中建立其相应关系。

图3给出了图2所示电网拓扑的“表”表示。

图3 拓扑的“表”表示

3 拓扑在ORACLE数据库中的实现

图4 拓扑在ORACLE表中存储

由于输配电GIS中存在大量的架空线段、电缆线段、电气连接线、母线段等设备，这些设备的共同特点是线状、端口数目固定为2个（称之为Segment对象），如果按图3表结构来存储，需要3条记录，存储空间较大。若专为Segment对象建一张表，并将其首、末端口作为Segment整体的两个属性来存储，则只需1条记录，见图4。这样，既节省了存储空间，又提高了查找速度。图4所示的各表及其结构是在图3所示的存储组织基础上经过优化，并结合查询需求和ORACLE数据库的特性而设计的（省去了连接点表），表中的JUNC表示连接点编号，PORT_ID表示端口编号，而GADGET_ID和SEG_ID则对应于导电设备编号。

以图4中“碧湖260开关”与电气连接线的连接为例，详细说明此拓扑在ORACLE表中的具体实现：“碧湖260开关”对应设备表的GADGET_ID＝3399324记录，其在端口表中有2个端口（即2条记录），其中3399326端口（开关的下端口）的JUNC是3709305。另外，与“碧湖260开关”相连的电气连接线存储在SEGMENT表中，其 SEG_ID＝3709189， 该记录的 HEAD_JUNC＝3709305。由于它与开关下端口的JUNC编号相同，所以可知两者相连。

4 拓扑的内存表示

虽然任何应用程序都可以通过访问ORACLE数据库获取电网拓扑，但不够直观和方便，解析、存取过程繁琐，同时也会造成系统整体性能的下降。因此，系统必须解决的问题是如何把电网拓扑的基础服务集中到一个模块，并按标准接口提供上层应用，使各项应用无需了解拓扑存储细节即可获得电网拓扑。

如图5所示，“持久化”模块就能解决这个问题。该模块随系统启动被加载到内存，运行时将存储在外存（磁盘）上ORACLE数据库中的电网拓扑表转换成内存对象，并支撑所有上层应用（如图形服务模块、电网建模模块等）按对象方式进行存取。

这种方案的优点是：

（1）通过内存对象的封装技术屏蔽数据库存储的细节，保持了拓扑的完整性和一致性。如果使用ORACLE SQL语句直接访问，则会破坏这一约束。

（2）通过对象和指针来访问内存对象，比直接用SQL访问数据库的性能更高，更适合于与高级语言（如C++/C）对接。

图5 拓扑的内/外存转换示意图

5 结语

电网拓扑模型是电网GIS的核心，系统是否具有覆盖“输变配低”的电网拓扑是衡量其是否符合电网GIS的一个主要特征。在电网GIS中按CIM标准建模、不依赖于GIS平台进行模型管理是开发电网GIS系统的重要技术原则。本文为开发实用有效的电网GIS系统提出了电网拓扑模型建立和数据处理的方法和技术，供相关人员借鉴。

[1]涂美义，李星.基于GIS空间实体的自动拓扑模型设计与实现[J].中国地质大学学报，2005，3（01）∶0028-0031.

[2]周顺平，李华，杜小平.空间实体的拓扑构建[J].中国地质大学学报，2006，31（05）∶0590-0595.

[3]张伯明.高等电力网络分析（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2007.

[4]刘靖辉，赵洪山.电力系统CIM模型在ORACLE数据库中的实现[G].中国高等学校电力系统及其自动化专业第22届学术年会.2006.