地理信息系统GIS技术在电力行业中的典型应用

JimYCaiFeb.,20001地理信息系统GIS技术在电力行业中的典型应用樊纪元,蔡运清摘要:地理信息系统GIS技术和十多年前关系数据库一样,在电力行业的使用越来越广.从电网设备管理,配网的电网分析规划,以及中国目前最关心,北美目前追求的配网运行调度中的掉电管理系统均为最常见GIS的应用.但GIS还是一个没有国际标准的基本开发平台工具.在各个GIS平台产品上开发的,针对电力行业的应用虽可以分为上面三大类,细细再分实际是成百上千种应用.一.GIS的基本概念首先,地理信息系统GIS和大家非常熟悉的关系数据库RDB一样是一个基本工具软件.利用关系数据库RDB我们可以开发出各种应用.同样利用GIS我们也必须开发非常具有针对性的应用.地理信息系统GIS同样和关系数据库系统一样,用于管理各种信息.关系数据库利用基本二维表格来管理数据,地理信息系统GIS的基本信息单位则为点,线,面(SpatialData,立体数据),每个信息单位可具有多种属性.地理信息系统GIS内部有两个数据库:立体数据数据库和属性数据数据库(AttributesDatabase).立体数据数据库的存贮与管理依厂家的不同而不同,只有DXF格式是目前各厂家均接受的立体数据输入输出格式.属性数据数据库各厂家均采用商业化的关系数据库[4].关系数据库系统利用索引来查询,手段是利用国际标准化的SQL语言,查询结果仍为数据表.GIS的数据查询,目前无任何标准,但查询的结果为图形.查询方式有定位(Locate&Highlight),地理经度纬度某一点;地理属性查询(SpatialQuery),及地理关系查询如网络拓扑,谁和谁的距离,那个区包含那个区方面查询等;缓冲区查询(Buffering),如某公路两侧10米的绿化情况;覆盖查询(Overlay),简单地讲,就是将同一地理范围内的各种地图复合为一张新地图.电力行业绝大部分GIS应用,目前仅仅利用了地理信息系统GIS的定位和地理属性查询两个功能.由于这个原因,很多利用GIS技术的电力行业应用程序并不使用专用地理信息系统GIS开发平台,以达到降低成本,简化数据准备的目的.二.电力行业使用GIS的各种应用及特点JimYCaiFeb.,20002北美电力行业使用GIS技术较早.这与他们调度管理方式密切相关.调度方面,北美配电电网调度员不仅负责电网运行的调度,同时还负责现场维护人员的调度.通常这些现场维护人员没有固定办公室,甚至无办公室.在分配他们任务时,调度员必须提供工作单图纸,告诉他们那里取备品备件,甚至如何到达维修点.通常调度员调度台一面是实时电网计算机系统,一面是一大堆图纸和设备报表.所以北美利用地理信息系统GIS技术的第一个目标就是取代调度台上的图纸和报表.这类应用就是AM/FM(自动地图/设备管理).在GIS技术日益普遍,具有GIS功能的软件成本大大降低的大环境下,各厂家一方面将原本非常独立的电网规划及分析软件集成到AM/FM,使电网规划及分析软件的数据更准确,其结果更易查询.另一方面,作为一个新的商机,很多厂家不利用GIS开发平台,独立开发出具有基本AM/FM/GIS功能的配网分析规划软件,其中国际上最典型的是SPARD软件包.大家都知道配网调度中,由于经济原因不可能得到全部低压配网(20KV,13.5K,12KV,10KV,6KV,220V,110V)的实时远动信息,在目前强调供电可靠性和服务质量的情况下,利用地理信息系统GIS定位和地理属性查询的功能,再结合电力公司的其它工具,开发出的一些功能可以大大弥补缺乏实时远动信息带来的被动.这类应用和电力相应功能一起就是当前全世界配电行业津津乐道的掉电管理系统(OMS–OutageManagementSystems)[1].电力行业使用GIS的各种应用总结起来可以分为三大类:.自动地图/设备管理.配网规划,电网分析.配网的运行维护调度自动地图/设备管理应用AM/FM的主要特点是计算机结构的分布式.数据有设备固有参数,设备的维护数据(一次,二次等管理上不同层次的维护数据),设备的地理位置,设备图纸,设备价格/价值,最终用户的地址电表等.在北美,AM/FM涉及的内容非常广,从变电站的变压器到马路上的路灯均是AM/FM管理的内容[3].而且在北美煤气和电力通常是一个公司,所以AM/FM中自然也包括了有关煤气调度管理的大量数据.在环境保护日益重视的今天,很多电力公司也把环境保护数据纳入AM/FM.各种数据的来源不一样,以及在正常使用更新过程中的更新更不会是一两个人来完成.这些决定了AM/FM的分布性.AM/FM应用是所有应用中最基本,但又是最困难的.这体现在三个方面.1.AM/FM的功能设计如何适应电力公司现有的管理模式,或者,对中国来讲,更可以反过来说,中国配电电力公司如何调整现有的管理模式来充分利用AM/FM的功能以实现管理水平的提高;2.建立AM/FM所需基本数据的艰巨性.将数字地图,现有图纸及其它资料全部输入到AM/FM是一件不能马上见效,工作量具大的前期工作.北美有一个统计,在实施一个AM/FM工程的费用中,这部分的费用占整个项目费用的90%.项JimYCaiFeb.,20003目工程周期(除掉订货时间)需要一年到四年时间.3.日常使用中的更新及维护.为了保证数据数据的准确正确,由于在电力公司内部使用面广,数据更新的点多,对电力公司内部的平均技术水平要求高,不是说象SCADA系统一样,有一两明白的人可以解决整个电力公司AM/FM的正常使用维护的.AM/FM的分布性同时还带来维护AM/FM数据完整的困难,即数据不能相互矛盾.通常厂家会提供一些完整性检验的工具.但在实际中不是很容易办好.配网规划,电网分析利用GIS技术的配网规划电网分析总是基于电网每一个或几个典型状态来进行分析.因此结构相对独立.取决于规划和分析的内容,你并不一定非要等你整个AM/FM应用完全建立以后才能使用.例如在SPARD软件包中,利用电力公司现有的AUTOCAD图纸及电网的电参数,不仅实现了基本的AM/FM功能,同时可以实行小区负荷预测,变电站选点等基本配网规划,配网平衡不平衡潮流(10KV,220V),配网网损分析,电压/无功分析,配置等分析功能.SPARD甚至可以分析什么设备/线路故障影响用户面的分析显示.使用这类专用软件成本低,维护简单.配网的运行维护调度现代配网运行调度的最高层次应用是掉电管理系统OMS.它具有三个基本功能:故障点检测;维护抢修人员计算机调度;故障隔离及恢复供电.实现这些功能需要将电力公司几乎所有的计算机系统集成在一起[2].包括用户信息系统CIS(即中国的用电管理系统和报检电话),AM/FM,SCADA,DMS,自动读表系统AMR,人员调度系统,变电站自动化.这里仅仅谈GIS技术在这个方面的应用.GIS技术在运行调度中最简单的应用,AM/FM的地理图形.调度系统利用AM/FM的图形作为调度系统画面的背景画面.这个图形目前均利用DXF格式输入到实时调度系统.而在掉电管理系统中,最关键的是配网网络模型(Connectivity)的建立.这个模型必须是动态的.也就是说,根据SCADA,AMR,报检电话,现场维护操作的数据变化这个模型应马上反映出来当前的网络拓扑.这个网络拓扑必须是基于AM/FM.这个网络拓扑在OMS中在两个地方使用:故障点/设备定位和DMS.故障点/设备定位是利用AM/FM的网络拓扑,以及GIS的地理查询功能,加以常用的模糊逻辑算法(或有些OMS系统声称的特殊算法),基于多个报检电话和/或自动读表系统掉电自动报告来确定故障点/设备.北美90年统计的数据表明,OMS的这个功能平均降低30%的故障定位时间.DMS功能中实时潮流计算,电压分析/控制,恢复供电分案的制定,FDIR的实现均需要配网的网络拓扑如此多的应用需要配网网络模型,自然带来的问题是如何保证配网网络模型的一致性和可管理维护性.目前国际上唯一的一个技术源数据库(SourceDatabase)解决了这个问题[2].其基本思路是OMS和DMS的JimYCaiFeb.,20004数据完全由AM/FM自动生成,包括图形画面.当然为了达到这个目的,AM/FM需要针对SCADA和DMS增加相应的功能及数据定义.对报检电话子系统,AM/FM自然具有用户信息.目前实现的源数据库技术,已经将SCADA,DMS,负荷控制,自动读表,报检电话的定义完全统一管理.一个设备在这个数据库中只有一个定义.再子系统中某个数据发生变化,其他子系统自动更新.如,SCADA的RTU/FTU及现有点的定义仅仅需要在源数据库中定义一次.在源数据库中,这个RTU/FTU点同时与该个点对应设备的定义描述在一起.这样在SCADA运行中这个点状态或模拟量的变化会马上反映到AM/FM,负荷控制,报检电话子系统及OMS中.反过来,OMS调度改变了某个源数据库中定义的非远控负荷闸刀状态,SCADA,报检电话子系统,负荷控制,读表子系统会自动反映相应的变化.另外,SCADA画面可以直接显示AM/FM数据库数据即设备参数,用户参数,维护记录,而不是在SCADA实时数据库中预先定义后对应数据点,然后利用一个固定程序去更新.三.中国电力行业利用GIS技术应注意的问题首先中国电力行业要明确利用GIS技术要解决什么问题.解决问题的好坏应有一个科学的指标.提高供电可靠性,电压质量,用户服务水平,这些指标如何科学化数字化[5].提高管理水平应该落实到管理效益数字的变化上.第二,在使用GIS技术应用时,特别要注意到中国配网调度管理的现有模式.国际上的经验表明,买技术设备容易,为了使用这些设备技术而需要管理方式的改变难!往往是因为管理方式不能改变,而导致技术设备的浪费.第三应该注意现有基本数据及使用经验的累积.选定实际可行的短期中期目标.产品的选择应最适用的.这里容易产生的错觉是,GIS开发平台好,就认为该平台上开发的AM/FM等应用就好.四.结论地理信息系统GIS技术在电力行业具有广泛的应用.典型的三大类应用:自动地图/设备管理;配网规划,电网分析;配网的运行维护调度.在中国情况下,建议先发展第二类的应用:基于GIS技术配网规划,电网分析,以积累经验和数据.欢迎与作者联系:[e-mail]五.参考文献[1].蔡运清“DMS–当前的国际现状”电力系统自动化1997年[2]JohnMuench,JimSutterfield,樊纪元,蔡运清“在实际现场实现配电自动化的经验”JimYCaiFeb.,200051999年北京输配电国际会议[3]GITA[4]OpenGISConsortium,Inc.[5]蔡运清“现代配网调度管理的评价”电力自动化设备2000年樊纪元ACSEMS/DMS产品开发部经理蔡运清ACS中国市场部经理2000年3月1日于Sunnyvale,CaliforniaJimYCaiFeb.,20006ApplicationofGIStechnologytoElectricUtilitiesJiYuanFan,JimYCaiAdvancedControlSystems,Inc.2755NorthwoodsPkwyNorcross,GA30071U.S.AKeywords:GIS,TroubleCall,DMS,AM/FM关键字:GIS,报检电话,配电管理系统,自动地图/设备管理AbstractGIStechnologyhasagrowingnumberofapplicationinelectricutilitiesjustlikeaRDBadecadeago.Ithasbeenusedinfacilitymanagement,distributionnetworkanalysis/planning,andalsoahottopicinthenorthernamerica-outagemanagementsystem