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【绘芯滑轨屏推荐】 电力系统是结构复杂、覆盖面大、地域分布广阔的一种网络系统，系统中的各个对象之间存在着极其复杂的电气连接关系与集成兼容关系。随着近年来电力行业信息化程度的不断的提高，如何在以计算机为基础的电子世界中描述现实世界中电网所存在的各种拓扑关系成为当前的一个重要研究课题。本文提出了建立基于通用地理信息系统平台的电网逻辑拓扑及地理接线拓扑构想，并对其中涉及到的数据结构、设备模型、关键技术、电网参数等方面进行了研究和分析。
地理信息系统是在计算机软、硬件都存在的环境的支撑下，能够实现对空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟、计算和显示的一门融计算机技术、数据库技术、电网安全及计算机图形学于一体的跨专业新技术，具有强大的图形处理及空间分析能力。本文在对地理信息系统的空间数据结构进行分析的基础上，针对电网逻辑拓扑图的具体形态及电力行业内涵提出了建立拓扑的设备模型，充分利用当前成熟的面向对象技术，将电网中的每类设备都抽象成为图纸空间中的图元对象，并同时定义了电气连接点图多元的对象化使其能够响应多种不同的事件，方便今后的应用分析。对于绘图过程中可能产生的各种微小偏差也同时给出了相应的解决办法，从而最大限度地保证了绘制的准确性。此外，还详细描述了逻辑拓扑的形成过程及方法以及对拓扑编辑的管理流程。由于图形及属性数据都采用统一的GIS数据结构进行描述，因此真正实现了图形、属性、设备的一体化，解决了长期困扰电力部门的图形、属性及设备分离问题。
电网的管理实际是一种对基于一定区域上的点、线、面对象的管理，其中既有图形数据，也有属性数据，还有设备参数等，从而构成了具有空间特定内涵的地理信息体系。利用先进的GPS全球定位技术能够快捷、迅速、动态的建立、更新电网数据。对于所采集的GPS数据不能直接导入地理信息系统系统，必须进行数据校正及坐标转换，入库后的数据在通过地理信息系统平台建立拓扑关系之前还需经特定的编辑处理才能生成所需的拓扑数据等，本文对此都进行了较为全面的论述。
最后详述了借助标准开发工具及通用GIS平台对本文所述设计思想进行的实现过程，并对研究的结果进行了总结，同时对本课题的进一步研究方向及当前地理信息系统技术在电力系统的发展趋势也作了讨论。
关键词：地理信息系统 电网拓扑 全球定位系统 自动成图
Power system is complicated structure, and has a broad, regional distribution, a network system, the system in of each object exists between the extremely complex electrical connections and integration compatible relations. In recent years, with the electric power industry information degree unceasing enhancement, how in computer-based electronic world the description of the existing let the real world of topological relationships become the one of the important research subject. This paper puts forward the general geographic information system based on the platform of logical topology and geographic wiring grid topology idea, and one related to data structure, equipment model, the key technology, network parameters was studied and analyzed.
Geographic information system is in computer software and hardware are existence of environmental the support, will be able to realize the space of data collecting, management, operation, analysis, simulation, calculation and display a be in harmony of the computer technology, database technology, network security and computer graphics in one of the cross major new technology, with powerful graphics and spatial analysis ability. In this paper the geographic information system of space data structure on the basis of the analysis of network topology logic for the specific shape of the electric power industry and the connotation of the equipment and offers a topological model, make full use of the current mature object-oriented technology, will be in the grid equipment are abstract drawings each become the graphical object space, and also define the electrical connection diagram of the multiple objectivity can response many different kinds of events, convenient application analysis in the future. For drawing might occur during the process of all kinds of small deviation also presents the corresponding solution, thus maximize the accuracy of the draw. In addition, a detailed description of the formation process of logical topology and the method of topological editor and the management process. Due to the graphics and attribute data are using GIS data structure of the unified description, so to achieve a truly graphics, properties, and the integration of the equipment, solved the power sector graphics, attributes, and separation equipment.
Power grid management is actually a certain region of based on the dot, line, face object management, both graphic data, also have attribute data, and equipment such as parameters, thus constituted a space of the connotation of specific geographic information system. The use of advanced GPS (global positioning satellite) technology can be quick, quick, dynamic, the establishment of update power grid data. For the collected GPS data cannot be directly into the geographic information system, the need for data correction and coordinate transformation, the data storage in through the geographic information system platform established before topological need to the specific editing processing to creation of the necessary topology data, this paper makes a comprehensive discusses.
Finally, details with standard development tools and general GIS platform to the article stated the realization process of design thoughts, and the research results are summarized, and this project of further research direction and the geographic information system technology in the development of electric power system trend also discussed.
Keywords：Geographic Information System (GIS) network topology Global Position System (GPS) Auto Mapping
1.1 前 言
受美国前副总统戈尔提出的“数字地球”理念的启发，电力工作者提出了数字电网的概念。数字地球这样一个巨大的软件工程需要世界各国共同完成。同样，数字电网也是一个相当大的软件工程，与“数字地球”的用数字化手段处理地球问题，最大限度地利用信息资源的核心思想相似，数字电网是用数字化手段处理电网的各种问题，是实际大电网在虚拟世界的全信息仿真。人们可在任意时段，采集任意地区电力生产运行的详细资料；可以在电脑上清楚地找到大电网所有的雷害区、鸟害区、污闪区；可以迅速地找到电网的事故地点，并可随时取得电网运行的第一手实时资料，人们甚至还可以在这个全信息的数字电网上进行大规模的仿真、反事故演习和新设备的试运行等。从本质上说，数字电网就是将实际大电网上分散的信息数据，拿到了电脑网络上“集中共享”，它使得物理形态的大电网有了一种数字化的表述方式。数字电网改变了我们对电网的传统的描述方式，它是以图形化的信息，而非传统的数据、表格来叙述电网的运行与变化。这种对电网叙述方式的变化，意味着传统的电网经营、管理理念正面临一场新的革命。
电力系统自身的特殊性使其具有大区互联及对电网的安全运行要求高的特点，但由于电网分布在广阔的城乡地域上，随着电力系统的发展，电网架结构日益复杂。同时，在生产运行过程中，由于电力行业涉及的环节和领域众多，而不同部门的信息组织和管理呈“分散运作”的特点，应用平台不一，行业内部也没有统一数据编码，加之在具体实施过程中缺乏总体规划，前期的系统咨询论证不够充分，导致后期各领域的应用子系统繁多，体系混乱，难以兼容，从而在电力系统内部形成了诸多的“信息化孤岛”，导致各系统的信息私有化和数据不能充分共享、冗余度高。如何联接“信息化孤岛”无疑就是数字电网形成的基础。考虑到电力系统在空间上的分散性，系统中对象的大量信息都属于空间信息的范畴，空间数据是电力系统中任何应用的核心对象，在这个核心的基础上，能够方便地搭建新的应用、无缝地集成和发展已有的应用。因此，以地理位置信息为主线，采用电力地理信息系统的系统组织方式，在此基础上架构电力系统的应用可以提高数据共享、一致性，增强信息的直观表达，有效地消除“信息化孤岛”。
地理信息系统，简称GIS(Geographic Information System)，是介于信息科学、空间科学与地球科学之间的交叉科学。是计算机、软件、地理数据以及用来有效地获取、存储、修改、操作、分析和显示所有与地理有关信息的有机集合体。简单地说，GIS是一个包含和使用地理位置信息的计算机系统。GIS系统以其混合数据结构和独特的空间分析功能独树一帜。它能够将地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需求准确真实、图文并茂地输出给用户，并借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。
GIS=CAD(计算机辅助制图)
+DATABASE(数据库)
+SPATIALOPERATION(空间操作)
一个典型的地理信息系统通常包括三个基本部：计算机系统(硬件、软件)、地理数据库系统、应用人员与组织机构，如图1.1所示。
通常认为，GIS系统的共同特征是：
1) GIS系统是一个计算机软件系统；
2) GIS系统是基于数据库系统或多媒体数据库系统的信息系统；
3) GIS系统处理的数据是具有地理特征的空间数据，既具有统计的特征又具有空间的特征。
GIS系统的基本功能是对空间信息及其相关的属性信息的处理，因此GIS系统和其它数据处理系统的主要区别就是空间信息的查询和分析，并且能够迅速而及时地更新数据库，大规模地综合与地理分布有关的信息。
由于GIS系统发展的多源性，其功能具有可扩充性以及应用的广泛性，按照GIS系统中的数据流程，可将GIS系统的基本功能分为五类十种，即采集、检验与编辑；数据的格式化、转换、概化；存储与组织；分析；显示。
1) 数据采集、检验与编辑主要用于获取数据，保证GIS系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性和数据值逻辑一致无错等；
2) 数据的格式化是指不同数据结构的数据间的变换;数据转换包括数据格式转化和数据比例尺的变换;数据概化包括数据平滑、特征集结等；
3) 数据的存储与组织实际上是一个数据集成的过程，是建立GIS系统数据库的关键步骤，其中涉及到空间数据和属性数据的组织；
4) 查询、检索、统计、计算功能是GIS系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；
5) 分析功能是GIS系统与其它计算机系统的根本区别。GIS系统最主要的分析功能是空间信息分析和模型分析:空间信息分析是GIS系统的核心功能；
模型分析是在GIS系统支持下分析和解决问题的方法体现。
在电力系统中，设备管理一般面对两类资料:一类是地图。地图上标注的地物和地理坐标紧密联系在一起，如变电站、用户及杆塔等电力设备的位置，这称为空间定位数据;另一类为电力设备运行情况与潮流分布等数据，它们和地理坐标无法直接联系，是非空间定位数据。电力GIS系统的主要功能就是综合分析与检索空间定位数据，利用数据库技术把电力设备的空间定位数据与属性数据一一对应联系起来，从而提高调度员和设备维修人员了解设备工况与处理设备故障的能力。综上所述，电力GIS可定义为利用计算机技术、网络技术将电网分布、台帐及实时信息按其实际空间位置表达给用户，集空间查询统计、运行维护、分析管理等功能为一体的应用系统，是一种直接融入现代电力生产经营活动之中的、全新的信息化管理工具。
由于电力系统中的输配电网络、发电厂及设备、负荷等都是按地理分布的，为了方便地管理电力系统中的各类设施，电力部门建立了一些电力图形信息系统，以计算机为介质来传递图形信息和设备信息，但这些电力图形信息系统存在以下不足:
1) 传统的CAD技术虽然也能够描述图形数据的拓扑关系，处理非图形属性数据，但它只是作图功能强大，数据库管理功能相对较弱，并且传统的数据库系统只能解决二维表数据的处理，不能描述图形的拓扑关系，一般没有空间概念，即使存储了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询；
2) 将图形信息和属性信息结合在一起的电力图形信息系统的图形之间不存在拓扑关系，没有存储设备之间的数据结构，不能够判断拓扑关系，难以进行潮流分析计算等与连通性有关的高级应用。
针对电力图形信息系统存在的上述不足，人们开始应用GIS技术来开发包含电网设施图形信息的计算机应用系统，这样就开发成功了传统的电力GIS系统。它的空间映射模型如图1.2所示。
在传统电力GIS系统中，电网设备、设施图形符号被标注在电子地图上，设备属性信息被存放于数据库中，图形与属性信息之间建立了一一对应的映射关系，能够实现图形属性之间的双向查询以及在地理图形上的一些区域的分析功能(如某一范围内的设备统计等)。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，当传统电力GIS系统作为贯穿于整个供电生产环节的生产信息协同处理环境时，存在着很大的局限性，必须要有一种专门技术来改善传统电力GIS系统对拓扑空间和电物理空间的描述能力，AM/FM/GIS系统应运而生，它的空间映射模型如图1.3所示。AM(Automated Mapping)是自动绘图(包括制作、编辑、修改与管理图形)，它是整个自动绘图与设备管理技术的支撑核心;FM(Facilities Management)是设备管理(包括各种设备及其属性的管理)，它实现了传统电力GIS系统的全部功能。电力GIS系统发展到电力AM/FM/GIS系统，才开始真正进入电力生产环节，并引起了电力生产经营业务流程的革命性变革，而AM/FM/GIS技术本身也在电力应用需求的促动下，得以脱胎于传统GIS技术而成为一个具有相对独立性的计算机应用技术分支。
1.3.3.1面向电网的建模
电力系统控制对象通常具有复杂的电力物理结构，但通用GIS系统模型大多集中于对地理空间属性的描述，没有结合实际电网的特征，面向电网的建模能力比较弱，因此，电力GIS能成功应用于电力系统的关键在于支持建立电力行业所特有的空间分析模型，即电力GIS应当支持面向电力用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与电力用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策。目前，对于地理信息系统中的电力专业建模研究主要有以下三个方向:
1) 通过面向对象技术。用对象(实体属性和操作的封装)、对象类结构(分类和组装结构)、对象间的通讯来描述客观世界，为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径。这种技术本身就为模型的定义和表示提供了有效的手段，因而在面向对象的GIS基础上研究面向对象的模型定义、生成和检验，应当比在传统GIS上用传统方法要容易得多；
2) 基于icon的用户建模界面。建模过程中的对象和空间分析操作均以icon形式展示给用户，用户亦可自定义icon。用户在对icon的定义、选择和操作中完成模型的定义和检验。这种方法较之AML这类二次开发的宏语言要方便和直观得多；
3) GIS与其他的模型和知识库的结合。这是许多应用领域面临的一个非常实际的问题即存在于GIS之外的模型和知识库如何与GIS系统祸合成一个有机整体的问题。
1.3.3.2时空电力GIS的研究
电力GIS所描述的对象往往具有很强的时间敏感性，即电力系统具有时态特征。随着时间的推移，空间对象的特征会发生变化，而这种变化规律在电力求解过程中起着十分重要的作用，但目前大多数系统都不能很好地支持地理对象和组合事件时间维的处理，仅将这样的应用背景作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题，因此，如何设计并运用时空电力GIS来描述、存储、操作、查询、分析和显示电力对象的时态特征以及整体系统结构设计，也是一个重要的研究领域。
1.3.3.3 三维GIS的研究
从本质上说，电力GIS处理的空间数据是三维连续分布的，但目前的电力GIS大多提供了一些较为简单的三维显示和操作功能，与真三维表示和分析还有很大差距。真正的三维GIS必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决三维空间操作和分析问题。目前的主要研究方向包括:(1)三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化;(2)三维数据的生成和管理;(3)地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。
1.3.3.4 SCADA与AM/FM/GIS的集成
SCADA系统为电力系统中输电控制中心的EMS系统与配电控制中心的DMS系统提供电网的实时动态数据，电力GIS系统则能够提供地理信息、设备属性数据、用户数据等静态数据，同时，由于电力GIS系统有一般的图形制作、编辑与管理功能，而且其突出的特点是具有较强的空间数据分析和关联分析功能，因此，SCADA/EMS/DMS通过S以DA与AM/FM/GIS的系统集成将会把电力设备的地理位置信息、静态属性和动态属性有机地结合起来，为输配电的管理带来极大的帮助，目前这已成为输配电网的一个新技术发展方向。SCADA系统与电力GIS系统集成所采用的接口技术，将会直接影响GIS系统的实时响应速度，当前在现场广泛采用双缓冲技术、SCADA服务器、过滤传送技术、IAC触发等技术来实现两系统的互联。
GIS系统因为其强大的数据分析功能、空间分析功能己被广泛应用于电力系统中与空间信息有密切关系的各个方面，例如M. Kobayshi利用GIS系统来帮助分析1995年神户大地震对众多电杆损坏的影响， T. Shindo利用GIS系统对1992－1995年日本雷电放电位置进行分析等。由于输电网地域广阔，经过地区的地形复杂，引入GIS技术可为下一步施工运行管理和工程模拟电算提供信息保证，从而进行工程优化设计，并且可以满足电压等级的提高和电网容量的增大要求，以及输电线路运行的可靠性和故障排除及时迅速的要求。在发电厂方面，由于火电厂地下管道复杂，采用GIS系统技术来管理、维护电厂地下管网己成为一个主要的应用方面;同时，采用GIS系统技术后使整合不同变电站不同地理位置的电气设备在线监测信息也成为可能。
由于配电网包括有众多地理位置各异的设备、网络、用户等，因此GIS系统在配电网方面的应用得到了广泛的重视。由参考文献15，16，18可知:在配电网运行方面，目前国内已经有很多部门正在探索将GIS系统与调度自动化系统、用电管理系统等集成以实现配电系统自动化，从而提高配电网的管理水平。在负荷管理中充分利用GIS系统的地理信息及网络分析功能，完成对电网负荷的管理。在配电网规划方面，针对配电网规划的复杂性，将GIS及AI(人工智能)引入配电网规划问题研究，结合了GIS系统空间及网络分析的拓扑特性和A1方法的鲁棒性及高效性两者的优点，实现了配电网规划的可视化、自动化及地理图形化，使规划的交互性更强。通过这种方法不仅能得出规划网络方案，而且能直接得到网络规划方案的地理接线图:另外，由于地理信息引入规划中，加之GIS的网络分析功能，使得规划过程更有效、规划结果更准确。在计算机辅助规划设计中，用GIS系统技术来帮助分析决策，或者综合运用GIS系统和遗传算法来实现配电网优化规划;有的研究者提出基于GIS系统的城市电网规划计算机辅助决策系统来优化城市电网的规划结果，解决城市电网规模大、不确定和不精确因素多及涉及领域广等问题。
综上所述，GIS系统技术在电力系统，特别是在配电电网中己经得到了广泛的应用，可以预见，随着电力系统信息化的逐步深入发展，电力GIS的应用将更加广泛。
电网拓扑数据是电力GIS中的一个重要组成部分，是电力GIS系统建设成败的关键要素之一。电网拓扑数据应准确地描述电网一次图、地理图、单线图、沿布图、站所图等所包含的所有设备设施。电网拓扑数据包括与GIS格式的地理图形数据相匹配的、具有准确设备设施空间坐标的电网地理图形拓扑数据及只表达电网设备设施之间逻辑连接关系而没有空间坐标的电网逻辑图形拓扑数据两部分。
对于电力GIS中的高级应用如潮流计算、理论线损计算、停供电分析、电网规划等，除本身算法复杂外，电网拓扑数据的构成也是关键环节。当前大部分电力GIS系统都是以GIS空间数据库作为基础数据库， 电力GIS系统中的高级应用所需的静态数据(电网拓扑数据)都来自电力GIS空间数据库。但电力系统的拓扑描述方式和通常意义上的GIS对拓扑关系的描述方式存在着不一致的问题：在GIS中，拓扑结构数据用来描述空间目标问的关系，而实际空间物体一般被抽象为点、线、面。因此地理信息系统研究的三种重要拓扑概念分别是：(1)连接性：弧段在结点处的互相连接关系。(2)多边形区域定义：多边形与弧段的拓扑关系表现了多边形区域定义。(3)邻接性：通过定义弧段的左右边及其方向性来判断左右多边形的邻接性。但电力系统内部应用数据的“结构化组织”是按电网运行规则完成，这种“组织”的特征是以描述电网结构及运行逻辑(电网模型)为主，目的是保证各种电力应用分析操作具有较高的运行效率，因此地理信息系统中所构建的原始拓扑数据不能满足电力系统中配电管理信息系统高级分析的。所以，在以空间数据库为基础的电力GIS系统中，如何将GIS方式描述的拓扑数据转换为电力系统能够处理的拓扑数据即如何建立基于GIS平台的电网拓扑，就成为电力GIS中真正实施高级应用的一个关键问题。
由以上分析可知，GIS系统是一个空间数据及设备描述、管理的平台，并非是针对电力分析应用设计的专用平台，因此，对电力GIS中电网拓扑数据的研究对于建立实用的电力地理信息系统，促进电力行业的信息化，提高电力系统管理的现代化水平，具有重要的学术和实用意义。
针对当前地理信息系统平台以及电力GIS系统的实际情况和发展，对基于GIS平台的电力拓扑生成在实用和理论上进行了两方面的研究:
1) 利用当前先进的面向对象技术并结合电力系统对电网一次图、单线图等表示电网逻辑结构的拓扑图的实际使用情况，对图中常见的设备进行分析并针对GIS系统开发平台的特点建立相应各种电力设备的数据模型，构建方便、快捷的制图手段并提供能够在其上进行各种分析的图纸平台。在实际应用中则通过建立各种电气设备的设备图元对象实现相应的数据模型并将图形与属性数据统一存储于GIS数据库中，在电力图形管理中真正实现了图形、属性的一体化，解决了长期困扰电力部门的图数分离问题。
2) 结合目前先进的GPS全球定位技术，利用GPS采集的地理空间数据模拟实际电网的空间分布，在电子地图背景上生成与实际设备地理空间坐标相一致并能够简捷、明了表现各设备之间拓扑关系的电网地理拓扑数据。由于GPS接收机使用的坐标系统与GIS系统的坐标系统通常不一致及美国四川大学硕士学位论文政府的SA干扰政策，必须对采集的数据在入库前进行校正处理。对于入库后的数据，在生成网络拓扑图之前在线路图上应该作一些特定的打断处理及相关节点的合并操作以便于拓扑处理后生成相应的具有特定物理意义的节点，对此本文都进行了详尽的论述。
3) 对电力拓扑数据和GIS数据采用统一的数据结构进行描述和存储，为在电力GIS上进行便捷的高级应用分析开发打下良好的基础。
2.1 GIS系统地理数据类别分析
地理数据也称为空间数据(Spatial Data)，是GIS系统的操作对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，它实质上就是指以地球表面空间为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，主要包括数字、文字、图形、图像和表格等数据，这些数据可以通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其它系统输入GIS。GIS正是通过对这些地理数据的采集、管理、分析和成果输出建立数据实体，从而达到再现现实世界的目的。
虽然GIS处理的数据种类繁多，但对于系统中目标实体的描述数据可分为三种类型:空间特征数据、时间属性数据及专题属性数据，通常将时间和专题属性数据结合在一起共同作为属性特征数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据。
空间特征数据主要指图形实体数据，它记录的是空间实体的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻物体的空间关系，这是将地理信息系统同其它各种数据库管理系统相区别的最显著标志。空间特征数据的一个重要特点是它包含有拓扑关系，即网结构元素中节点、弧段和面域之间的邻接、关联与包含等关系，这是地理实体之间的重要空间关系，是地理实体的空间定义手段。它从质的方面或从总体方面反映了地理实体之间的结构关系，它的主要内容包括:
1) 空间定位—能确定在什么地方有什么事物或发生什么事情;
2) 空间量度—能计算诸如物体的长度、面积、物体之间的距离和相对方位等;
3) 空间结构—能获得物体之间的相互关系，对于空间数据处理来说，物体本身的信息固然重要，而物体之间的关系信息(如分布关系、拓扑关系等)也同样重要，因为它是空间数据处理中所特别关心的事情，涉及全面问题的解决;
4) 空间聚合—空间数据与各种专题信息相结合，实现多介质的图、数和文字信息的集成处理，可为应用部门、区域规划和决策部门提供综合性的依据
综上所述，空间特征数据是联系地理实体的各种非图形数据的纽带，对空间特征数据的描述是整个GIS系统建立的基础。通常情况下，按照数据所表达的内容，空间特征数据又分为几何数据和关系数据。
2.1.1.1几何数据
几何数据是描述地理实体本身的位置和形状大小等的量度信息。通过对地理实体或现象及它们的相互关系、分布特征、空间特征进行分析和抽象，可以从几何角度把空间目标划分为以下五种类型:
1) 点状目标。点状目标是零维空间目标，它是在空间中有确定位置但没有长度和面积的目标，具有至少一个属性，包括独立地物点、结点。点是三维数据模型中最基本的元素，逻辑上不可再分，但这些都是针对某个比例尺或分辨率而言，“点”是抽象的而不是真正的几何点。曲线、曲面或其它形体的目标均可用有序点集表示，如在一定比例尺下可将一个变电站抽象为一个点。
2) 线状目标。线状目标是一维空间目标，它是在空间中有确定位置且端点由两个点状目标界定的一定长度的目标。线状目标由一条或若干条弧段组成，其上每个点不多于两个邻点，各点有相同的属性并至少有一个属性，可以表示电缆、输电线之类的线状对象。
3) 面状目标。面状目标是二维空间目标，是在空间中有确定位置，并由若干个线状目标所界定的有长度和面积的目标。面状目标由周边弧段组成，它的内部点可以有多于三个的邻点，面内每个点至少具有一个共同的属性。供电区域、湖泊等在GIS系统中都是常见的面对象。
4) 体状目标。体状目标是三维空间目标，是由封闭表面围成的空间对象，也是欧氏空间中非空、有界的封闭子集，其边界是有限面的并集，同时，其上各点也都至少具有一个共同属性。
5) 复杂目标。复杂目标是由上述四种目标中若干个目标所组成。
2.1.1.2关系数据
地理信息系统中各类空间对象之间都具有严密的空间关系，虽然对GIS系统来说，直接的空间定位方法是确定坐标，但人类对点状、线状、面状空间目标的定位一般不是通过获取其地理坐标，而是通过确定某一目标与其它地理目标间的相对空间位置来确定，如输电线路的走向、各种电力设备之间的位置关系等。事实上，连接是一种关系，“关系”也是一种数据，甚至可以说是广义的、更重要的数据，各种应用及空间分析都离不开关系数据。因此，将描述各个不同地理实体之间的空间关系(邻接、关联、包含、连通等)的数据称为关系数据，其表达手段是建立实体之间的连接信息。
电力地理信息系统中的空间特征数据包括地理GIS数据、电网地理图形数据、电网逻辑图形数据和其它图形数据。
地理信息系统中的时间属性和专题属性的处理常常非常相似。空间和时间是客观事物存在的形式，两者之间是互相联系而不能分割的。时间属性是指地理实体的时间变化或数据采集的时间等，为地理信息系统增加了动态性质。
专题属性指的是实体所具有的各种性质，如年降雨量、植被类型或土壤类型等，表示了地理实体的本质特征，是地理实体相互区别的质量准绳。专题属性通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示。
包含时间属性数据及专题属性数据的属性特征数据，既是与地理实体相联系的变量或意义，也是对地理实体进行说明和解释的各个地理单元中的社会、经济、工业建设或其它专题数据，是地理单元的纵深描述。这些数据的总和，能够从本质上对地理物体进行相当全面的描述，可看作是地理物体多元信息的抽象，是某一时刻地理物体的静态信息模型。
由于属性一般是经过抽象的概念，是通过分类、命名、量算、统计得到的，因此属性特征数据通常的表达手段是字符串或统计观测值。此外，由于属性通常分为定性和定量两种，因此属性特征数据也分为两种，定性属性特征数据包括名称、类型、特性等，定量属性特征数据包括数量和等级等。属性特征数据，特别是其中的专题属性数据是GIS系统的主要处理对象，表示处理对象的特征。它们和地理位置并没有直接的联系，而是对地理单元/实体专题内容更广泛、更深刻的描述和对空间特征数据的强有力的补充。它们在GIS系统中占很大比重，甚至占绝对优势，居于主导地位，可以提供在地理背景与地理单元图形信息的基础上进行综合性分析及深层次的应用分析，为管理、规划与决策提供地理定位和显示分布特征等参考信息。此外，任何一个地理实体都至少拥有一个属性，GIS系统的分析、检索和表示也主要是通过对属性的操作运算来实现。并且由于属性都是与特定的空间实体相关联，因此要准确全面地描述一个空间实体，必须对其给出直观、精确的表示，才能对属性数据进行有效的存储和处理。
由此可见，为了准确反映现实世界，必须要定义好空间特征数据和属性特征数据之间的对应关系，还要确定数据入口，保证系统中图形和属性的完整性和一致性。
电力地理信息系统中的属性特征数据包括各种设备设施的台帐、运行、影像等数据。
2.2 GIS系统数据模型分析
地理信息系统中最常用的两种图形数据组织方式为矢量模型和栅格模型。在矢量模型中，用点(point)、线(line)、面(Shape)表达世界;在栅格模型中用空间单元(cell)或像元(pixel)来表达。图2.1为对空间数据结构两种类型的描述示意。
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图2.1（a）栅格模型
图2.1（b）矢量模型
图2.1空间数据结构的模型示意图
栅格模型将工作区域的平面表象按一定分解力度进行行和列的规则划分，形成许多网格，即采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象，它的数据结构实际上是像元阵列，数学实质就是矩阵。作为栅格数据中最基本信息存储单元的像元，其空间位置可以由行号和列号确定，属性则用像元的取值表示，如图2.1(a)所示。因此，栅格模型具有“属性明显、位置隐含”的特点。在栅格数据模型中，点实体被表示为一个像元;线实体则表示为在一定方向上联接成串的相邻像元集合;面实体由聚集在一起的相邻像元集合表示。它的这种数据结构便于计算机对面状要素进行处理。
由于栅格数据中的每个像元在一个网格中只能取值一次，因此同一像元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格，每个笛卡尔平面网格表示一种属性或同一属性的不同特征，即栅格数据结构要完整地实现对现实世界的描述必须分层组织存储。同时，用栅格数据表示的地理对象元素是不连续的，是经过量化和近似离散的数据结果。这意味着在一定面积内，如果要想精确地刻画点、线、多边形和符号等图形要素，就需要有高分辨率的像元，但这样却要占用更大的存储空间，同时对数据的处理效率也会随着数据的增加而相应降低，对于对存储空间及效率比较敏感的系统来说，这是栅格数据结构一个很大的缺点。
矢量是具有一定大小和方向的量，数学上和物理上也把它称为向量。矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标(x，y)的有序集合。矢量数据模型将空间目标对象从形态上分为点、线、面三种基本图形，其中点用空间坐标对表示;线是由一系列相连的点或中间点(vertices)组成，每个中间点也是一个空间坐标对，即线用一串坐标对组成;面是由线组成的闭合多边形。它通过记录目标的边界，尽可能精确无误地表现空间目标对象，即用边界或表面来表达对·象的面或体要素，如图2.1(b)所示，同时采用标识符(identifier)表达它的属性来描述实体对象。因此，矢量模型具有“位置明显、属性隐含”的特点。
在矢量数据结构中，其坐标空间假定为连续空间，不必像栅格数据结构那样进行量化处理，因此矢量模型更能精确地确定实体的空间位置，从而更适于表达图形对象和进行高精度制图。
栅格和矢量结构最根本的不同在于表达空间的方法。矢量数据以点、线、面方式编码并以(x，y)坐标串储存管理，是表现离散空间特征的最佳方式;栅格数据是通过一系列网络单元表达连续地理特征。矢量数据结构与栅格数据结构的比较见表2.1。
表2.1矢量数据结构与栅格数据结构的比较
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矢量数据结构 |
栅格数据结构 |
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数据存储量小 |
数据存储量大 |
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空间位置精度高 |
空间位置精度低 |
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空间关系描述全面，对线状、网络状事物的分析方便 |
难以表达线状、网络状事物，难以建立网络连接关系 |
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对图形及其属性可进行方便检索、更新和综合 |
便于面状数据处理 |
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输出简单容易，绘图细腻、精确、美观 |
输出速度快，但输出的地图粗糙、不美观 |
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数据结构复杂 |
数据结构简单 |
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数据获取速度慢 |
可以快速获取大量数据 |
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数学模拟困难 |
数学模拟方便 |
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多种地图叠合分析较困难 |
多种地图叠合分析方便 |
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不能直接处理数字图像信息 |
能直接处理数字图像信息 |
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边界复杂、模糊的食物难以名描述 |
容易描述边界复杂、模糊的事物，便于处理三维连续表面 |
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图形操作可按任意比例缩放，基本不变形 |
图形操作过程中易出现变形、失真等不协调现象 |
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普通地图可直接数字化 |
普通地图须按矢量方式数字化 |
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输出的费用较高 |
图形能过直接由绘图设备输出，技术开发费用较低 |
2.3电力地理信息系统中电网表达方式的分析和选择
在电力系统中，导线、电缆、变电站以及开闭所是构成电网图形的基本元素，因此，在电力GIS系统中，管理的对象主要是由这些电气设备所构成的“点伙”“线”、“面”三种几何要素。同时，由于电力网络拓扑结构是进行潮流分析、负荷预测、停电分析等高级应用的基础而这些高级应用分析又是电力GIS系统中的重要功能模块，是电力GIS功能的电力专业延伸，因此，要求构造的网络拓扑能够方便、灵活地表达电网内部的逻辑组织并且具有良好的网络分析能力。此外，考虑到电力系统本身的特点，系统的稳定性以及数据的处理效率也是一个很重要的方面。电网络拓扑图中的图形、属性数据不应只存在于某一图形中，应该能够与系统中的地理空间数据无缝集成、充分共享，在网络环境下能够高效地传输，从而避免数据交换过程中可能会出现的性能降低或数据不兼容现象的发生，因此，最好能够使用与地理数据相同的数据结构。由于电力地理信息系统是建立在国家基础信息地理信息系统的基础之上，其中需要添加的电力专业图资信息主要都采用数字化方法输入，对于遥感信息、格网数字地面模型并没有过多的需求，并且矢量数据模型在反映网络信息方面具有独特的优势，在表示电力线路这样的线状地物方面具有直观性、便于进行网络分析，因此，在构建电力系统的地理信息系统时主要采用的是矢量数据结构。
所以，在综合考虑上述几点以及对矢量数据结构和栅格数据结构的特点进行比较分析后(见表2.1)认为:在构造电力网络拓扑图时采用矢量数据结构，同时通过空间数据库引擎(Spatial Database Engine，SDE)SDE，实现对空间数据的存取。SDE通过对空间数据的深层次分析，采用高效的存储和检索方法来处理数据，因而使海量的空间数据存储问题得到了有效的解决，从而能够更好地满足电力行业的特殊需求，取得更好的效果。数据存取的体系架构的如图2.2所示。
3.1电网数据的逻辑划分
电网是由许多电气设备连接而成，可以将其抽象为许多对象的集合，其中每一个对象都具有确定的状态，例如“闭合”、“断开”等，同时一个对象也可能同时具有几个状态，并且在不同的时间还可能具有不同的状态，我们把电网中存在的全体对象的描述符都罗列出来就称为电网的对象组成描述。对象组成描述只表达出了电网由哪些对象所组成，在实际情况中，某些对象之间总存在着这样或那样的相互联系，而相互联系的可能性又是多种多样的，因此，如果要清晰全面地描述一个实际存在的电网，对于对象之间一切可能的联系即它们之间的“拓扑关系”也必须加以全面的描述。描述电网数据的逻辑划分如图3.1所示。
其中对象描述中的潜在状态在电网分析的过程中对电网对象能够具有的状态进行了限制，避免出现现实世界中不可能出现的非法状况，从而保证实现对对象所能够具有的状态的正常合理的表达。
3.2电网描述
在电力系统日常的分析应用中，通常将电网的逻辑结构提炼出来抽象为各种电网逻辑拓扑示意图进行描述，通过此类抽象，除去了一些相对应用分析无用的信息，使工作人员能够对电网结构一目了然，专注于所关心的对象，不会受到太多无用信息的干扰，从而使工作效率得到提高。
电网逻辑拓扑图主要表现的是电网中各个设备元件之间的逻辑连接关系，包括单线图、站所联络图、配网接线图等。典型的电网逻辑拓扑图如图3.2所示。
在电网逻辑拓扑图的操作界面上，需要将电网中的电气设备用规范的图形符号形象地加以表示，称这些规范的图形符号为设备图元。虽然电网中电气设备众多，但类型有限，从图3.2中可见，在电网逻辑拓扑图中包含的典型对象为母线、线路(包括电缆)、变压器、开关刀闸等。在图纸空间中，母线和线路(包括电缆)可以抽象为矢量数据模型中的线对象;开关刀闸抽象为面对象;变压器根据其常用的电气符号形式抽象为几个简单对象组成的复合对象。对于处于电网的不同位置，但具有共同电气特点的同类设备例如分段开关、联络开关等对于电网分析来说它们之间是没有什么区别的，都是起到断开电气连接的作用，所以应具有相同的图元符号，即图元样式。这些具有相同图元样式的不同设备图元，通过在数据库中添加设备名称加以区分，它们相互之间的逻辑连接就形成了网络的结构约束。
电网中的元件之间存在着各种拓扑关系，比如线路和开关的连接关系、变压器和线路的连接关系等，这些拓扑关系和代表各个电气元件的符号组合在一起就形成了一个复杂的“网”，这个“网”不但包含了其中各元件之间的逻辑关系，还应该包含一系列如元件的制造厂家、当前运行状态、投运日期等属性数据。根据图3.2，可以对电网定义如下:
式中B，L，BR，T离D分别代表母线、线路(包括电缆)、开关、变压器及其它电力设备如电抗器等，i，j，m，n，t分别表示电网中的母线数、线路(包括电缆)数、开关刀闸数、变压器数以及其它电力设备例如电抗器等的数量。母线又可细分为发电厂母线、变电站母线、开闭所母线、负荷母线，开关刀闸分为母联开关、出线开关、分段开关和联络开关，线路分为架空导线及电缆，变压器分为双绕组变压器及三绕组变压器。
要建立通用的网络结构模型，必须要有完备的电气设备知识表示。在面向对象技术的类的抽象理论支持下，为进一步描述电网，可将组成电网的电气设备模型统一定义为:
设备名
设备ID
编码/名称：
类别：
关联属性：
管理属性：
其它设备模型的定义都由其派生而来。模型中的“设备功”是按照GIS开发平台的统一编码规则赋予设备的一个系统中唯一标识符;“编码/名称”是按照实际电力系统中对设备的编码/命名规则赋予设备的一个行业标识符，如的断路器编码可以是106，一条线路的名称既可以是黎福线又可以编码为1046等;“类别”用于标识设备所属的具体实例，例如一条母线到底是表示变电站母线还是代表负荷母线等;“关联属性”用于指出电网中各类元件之间的逻辑连接关系;“管理属性”主要用于电网的运行维护管理，可分为安装属性和运行属性两类，其中记录了生产运行中所需的一些设备特征数据。
由上节分析可知，电网逻辑拓扑图中包含的主要设备为母线、线路、开关、变压器等，对其可分别定义如下:
在电网拓扑图中，根据母线安装地点的不同可将其划分为四类，分别称为发电厂母线、变电站母线、开闭所母线、负荷母线，因此，可对母线模型定义如下:
（3-2）式中刀刀是地理信息系统对母线对象的唯一标识符，用以进行母线对象的确认;BCode为母线名称或电力行业编码的描述;BTpye描述的是母线所属的类型(发电厂母线、变电站母线开闭所母线、负荷母线);BVRank描述了母线的电压等级;BState描述母线的当前运行状态;MP中记录了与母线的运行维护相关的管理信息，如母线生产厂家、出厂日期等信息。
利用母线模型构成网络时，具体规则为:
1) 在不同类型的图中，母线代表不同的设备。厂站接线图中，一个母线图元可以代表现实世界中的一条母线，但在配网接线图中一条母线可抽象成为一个实际的变电站或开闭所等;
2) 如果在己有的母线图元上增加母联开关，则系统自动在添加开关处将该母线分割为两个母线图元，同时与母联开关的逻辑连接关系也将被自动记入母联开关的连接属性中;
3) 在生成母线时，将生成的母线看作图纸空间中的一个线对象;
4) 由于同一条母线上可以连接不定数目的多条出线，因此母线模型中不方便设置记录连接关系的连接属性，在分析时要用到的母线与其它元件之间的连接关系可从与其相联的出线开关、母联开关或线路中获得。
由于电网本身结构的复杂性和运行人员工作方便的需要，实际中的一条线路在图纸空间中不一定用一条直线表示，可能在考虑图形的美观、看图的方便及线路的实际走向的前提下通过多个线段的连接来表达一条完整的线路。因此首先定义线路元的概念:网络图形中描述线路的独立线段称为线路元，具体可定义为:
(3-3) 式中ELId是系统分配给线路元的唯一标识ID，通过它可以唯一地找到相关的线路元对象;ELCode是该线路元所在线路的编码名称或线路名称，通过它可将线路元与其所表达的线路相关联;ELTpye记录的是线路元所表达线路的分类信息(架空导线或电缆);ELVRank为对线路电压等级的描述;ELTopo记录了线路元的拓扑描述信息，存储在逻辑上与其相连接的电气对象的Id号;.M尸为线路相关的管理属性描述。
利用线路元构成网络图时，具体规则为:
1) 一个线路元可以表示一条实际线路或线路上的一段;
2) 如果在己有的线路元上添加新的开关元件，则系统自动将这个线路元分割为两个新的线路元并分配新的Id号，同时会在线路元、开关的连接属性中分别记录新的连接信息;
3) 线路元不允许两端同时悬空，因为这在现实世界中是不存在的。这种情况出现时应给予适当地提示，它只可能出现一端悬空、与其它线路元相连、与某些母线相连或与开关相连这四种情况。
根据线路元模型，可以得到如下的线路模型:
(3-4)式中n为组成该线路的线路元的数目，且线路和相应的线路元之间应满足关系式EL;(ELCode)=LCode，i=1,2,3,…，n。LCode为线路的线路编码或线路名称，{
}为线路元的集合，即线路是线路元的集合。同时，在利用线路模型构成网络拓扑图时，除了要遵循线路元的规则之外，还必须注意，同一条线路上不同材料的段应定义为不同的线路元，这样才能在图形界面上清晰地表示出线路的固有特征，以便于以后的分析应用。
开关是电网中的重要设备，网络拓扑是由开关状态所确定，开关状态的变化所引起的网络潮流分布的改变决定了网络的运行约束条件。在基于地理信息系统的基础上形成电网拓扑图时可对开关定义如下:
(3-5) 式中BRId为GIS系统平台分配给开关对象用于进行辨识的一个全系统唯一的标识符;BRCode为开关在电力生产中的编码;BRTpye指出了开关所属的种类:母联开关、分段开关、出线开关等;BRState。确定了开关当前所处的状态:断开或闭合;BRTopo说明开关与其它电气对象之间的连接关系;MP中存储了与开关相关的部分管理信息。
形成网络图形时，定义开关的规则为:
1) 若在已经存在的开关上添加一条线路或母线，则自动将线路或母线打断，形成两个新的对象并同时记录三者之间的连接关系，将开关添加到线路或母线对象上时也作同样处理;
2) 开关不可能一端或两端都悬空，由于其为两端口元件，必须有两个电气对象与其相连接，与多于两个对象相连时也是不可能的，因此，在填充开关拓扑关系时当非法情况出现时能够进行检测并给以适当的提醒。
变压器承担着从电气上连接几个不同电压等级的电力网络的任务，对它的图形模型可采取如下的定义:
(3-6)式中TId是变压器在图纸空间中的唯一标识;TCode为变压器的编码或名称;TType指出该变压器的类型:双绕组变压器或三绕组变压器;TConn表明变压器原副边各绕组的接线方式;MP存储变压器生产厂家、绝缘试验等运行维护相关信息。
由于变压器与线路、开关的连接关系在线路与开关模型中都已经进行定义，因此变压器模型中不需要再定义它们之间的连接关系。
当利用变压器形成网络图时，具体规则为:
1) 变压器为两端口(双绕组)或三端口(三绕组)元件，因此最多能够与三个电气对象直接相连;
2) 变压器不可能直接与母线相连，必须通过断路器，这样才符合现实世界中的情况，因此在改变与变压器直接相连接的电气元件的连接属性时应进行合法性检测。
电网中除了上述四类主要电气元件外还有诸如接地刀闸、电抗器等其它的电力设备，对于这些设备在图纸空间中可统一定义如下:
(3-7) 式中EDId与上述己描述的各设备一样，是GIS系统平台对所添加对象的唯一标识;EDcode是对象的设备编号或名称;EDType指出了设备的类型，根据设备不同的种类对用户显示不同的设备图元;MP为与该设备的运行维护相关的基础资料。
由于这些设备也都是无一例外的直接与线路或开关相连，它们之间的连接关系也都已存储于与其相连的线路或开关中，因此在它们的模型中也不用再定义它们之间的连接关系。
3.3设备图元的分析设计
通过上节对电网中主要设备模型的定义并考虑到逻辑拓扑图的作图特点及GIS平台矢量数据模型的具体应用情况，决定选用GIS矢量数据结构中的CAD数据集(复合数据集)来实现对电网逻辑图的制作。
由于应用目标不同，CAD软件和GIS软件在描述空间地物方面各有侧重。CAD着重描述空间对象的图形表达(比如:颜色、线型等)，而忽略了属性数据及空间对象之间的拓扑关系。CAD数据集(如DWG和DGN)允许混合存储多种类型的图形对象，甚至一些复杂对象。GIS侧重于描述空间对象的关系(如拓扑关系)及空间对象的属性信息，在图形表达方面稍有欠缺，一般不支持复杂对象。考虑到电网中有的电气设备对象不能够以简单的点、线、面来表示，在过去这就涉及到一个分层管理各类设备的问题，从而增加了系统设计的复杂性。同时，由于对于GIS平台中单一的矢量数据集结构如线数据集，要求集合内的对象都必须具有相同的渲染风格(如颜色、线形等)，这样的数据组织形式无形中又为今后的电网分析结果的表示增加了管理及设计上的复杂性。因此，单一的数据组织形式不适合于电网逻辑图对图形的组织要求。
GIS中的CAD数据结构在数据组织方面同时考虑到CAD和GIS的需求，提供点、线、面等分类数据集，允许建立和存储拓扑关系，同时也提供复合数据集。复合数据集允许存储管理不同类型的几何对象，如点、线、面、文字、圆弧、圆、椭圆等对象，并针对CAD的特点，能够实现复合对象，允许把多个其它类型的对象组合为一个对象。它的上述特点正好弥补了单一数据集的缺点，同时对于数据的管理及以后的分析也能够带来极大的好处，因此比较适合于完成对电网逻辑图的组织管理。
随着数据库技术的发展，采用面向对象的方式描述和存储空间数据成为当今GIS软件发展的方向。利用面向对象技术，数据库中不用记录设备图元的坐标位置，只需记录相应的连接关系即可识别设备之间的逻辑关系。借助于GIS系统对图形数据的强大处理能力，将GIS开发平台原有的“数据模型”进行重新包装，使其能够满足电力行业制图在相关符号方面的要求。这些符号的数学模型为这些符号提供了网络拓扑连接关系，这些符号的属性如颜色、线的类型和线的粗细等用来表示网络的不同运行状态和不同的元件类型。同时还可以编写相应的代码使对象响应各类不同的事件并进行处理，为以后在电网图上进行各种操作与分析打下一个良好的基础。
在逻辑拓扑图中，虽然用户操作的是各种形象的设备图元，但对于绘图及各类分析行为，系统操作的最终对象都是后台的数据库，因而必须在图元对象与数据之间建立明确的对应连接关系。通过图元的对象化，符号的外观、形状及位置等属性数据都存于GIS开发平台自带的数据库中，由GIS系统进行管理维护，从而将空间对象的属性和行为结合起来，真正实现了图形属性的一体化，能够实现从操作界面检索并展现相关属性数据。对电网图中的电气设备对象定义通用类，使其具有如下功能:
1) 根据每一具体图元的类型明确图元的样式;
2) 明确图元所具有的各类属性;
3) 明确图元在拓扑图中的逻辑连接关系。
根据上节的电气设备通用模型可对图元通用对象定义描述如下:
图元通用对象
{图元主键(ID号);
图元种类;
图元连接关系;
图元属性列表}
具体的各类电气设备对象都是在此通用对象的基础上根据各自的特点对其扩展而成。例如对开关对象可定义为:
开关对象:
{ID号;
开关种类;
A端连接对象ID号;
B端连接对象ID号;
设备编号;
型号;
・
・
・}
若通过图形界面添加电气设备，系统便首先生成一个图元对象，同时会将当前绘图操作的类型值保存于图元种类中，由图元种类可确定当前图元样式及图元所应具有的各类属性。每个图元对象靠主键建立与数据库的对应连接，通过主键及图元种类共同对各类事件进行相应的响应。
3.4电网逻辑图的图形化处理
电气设备在物理特性上都有电气接口，与外界相连时都是从电气接口进行连接，因此对于电力专业制图有必要定义图中出现的每个元件对象的电气连接点，只有在电气连接点的连接才认为设备之间是互连的。在建立设备图元对象时，其电气连接点也相应地自动定义并确定。
电气连接点的个数及每个连接点的位置随设备的不同而不同。对于固定端口元件的电气连接点定义为该元件的电气接口，在GIS平台上通过在电气接口处增加一个隐藏不可见的点对象来实现，如图3.3所示。对于母线等没有固定电气接口的设备，将其整个实体都定义为电气连接点。
电气连接点结构中记录与其相连的图元对象ID号，其数据结构如图3.4所示。
由于用鼠标绘图时线段之间的连接难免会有一些微小的偏差，这些偏差的存在会直接影响元件之间的连接关系，使原来直接相连的设备之间错误地变成不相连，从而直接影响整幅图的拓扑结构，进而影响到以后在该图上进行的所有相关操作，因此有必要认为在允许的偏差范围内的线段之间是相互连接的，从而正确表达制图者的思想，这就需要对线段之间存在的微小间距进行处理以消除这种误差。
一般对这种误差的消除有两种方法:一种是不改变图形，当判断两元件之间应该互联时，对图形不做任何改动，直接在设备连接属性中添加其它设备ID;另一种是在此类情形下移动图形，先消除此类误差，使元件之间实际上形成连接，然后再在连接属性中添加设备ID。
对于有固定电气连接点的图元对象，由于电力设备都是通过逻辑上定义的电气连接点互连，因此判断元件之间的连接关系只需判断当前图元对象电气连接点与其它电气设备的相对位置关系即可。定义一阀值a，利用GIS开发平台的点缓冲分析功能，通过遍历整个图层的数据集可得到位于以当前元件对象电气连接点为中心的缓冲α内的所有电气连接点或其它设备图元对象，根据所得对象的不同，相应的判断方法也有所不同。
1) 若为电气连接点，则根据此电气连接点通过GIS平台提供的空间查询操作就可得到它所代表电气接口的设备ID，从而能够判断两者是否相连。示意图如图3.5所示;
2) 若为母线、线路等可从中间打断或建立连接关系的对象，则判断连接是否合法，若合法，则根据消除误差方法的不同及位置关系的不同或将电气连接点移至其上或将线路等对象从电气连接点处打断，形成事实上的连接或直接填充连接属性。判断示意图如图3.6所示。
对于不存在固定电气连接点的母线对象，由于其只能通过线路、断路器等具有固定电气连接点的对象与其它对象相连接，因此只能通过对整个母线对象执行缓冲分析，找出落于缓冲区内的电气连接点进而进行进一步的处理。判断示意图如图3.7所示。
对于能够从中间打断的线路对象，如线路T接时，由于此时与其相连的对象所属的电气连接点坐标与线路当前已有的电气连接点坐标不一致，所以只能通过对线路对象进行线缓冲分析，得出邻近对象的电气连接点进行进一步的处理。T接处理示意图3.8所示。
绘图偏差处理的流程图如图3.9所示。
3.5拓扑关系的建立
由于电气设备都是通过电气连接点互联，因此在图纸空间中遍历电气连接点中存储的连接属性就可获得设备图元之间的逻辑关系。对图3.2所示的电网接线图，可得各电气连接点的连接属性内容如表3.1所示:
表3.1 电气连接点关系表
|
电气连接点号 |
DI1 |
ID2 |
ID3 |
|
① |
2 |
3 |
|
|
② |
3 |
4 |
|
|
③ |
4 |
5 |
6 |
|
④ |
6 |
7 |
13 |
|
⑤ |
13 |
14 |
15 |
|
⑥ |
7 |
8 |
|
|
⑦ |
9 |
10 |
|
|
⑧ |
10 |
11 |
|
|
⑨ |
8 |
9 |
|
|
⑩ |
1 |
2 |
|
表3.2 元件对象连接关系表
|
元件ID |
所连元件1 |
所连元件2 |
所连元件3 |
所连元件4 |
|
2 |
3 |
1 |
|
|
|
3 |
2 |
4 |
|
|
|
4 |
3 |
5 |
6 |
|
|
5 |
4 |
6 |
… |
|
|
6 |
4 |
5 |
7 |
13 |
|
7 |
6 |
13 |
8 |
|
|
8 |
7 |
9 |
|
|
|
9 |
10 |
8 |
|
|
|
10 |
9 |
11 |
|
|
|
13 |
6 |
7 |
14 |
15 |
当对电气连接点①进行扫描时，可知元件对象2、3在逻辑上相连接的，因此可分别在元件2的连接属性中添加元件3的ID，在元件3的连接属性中添加元件2的ID，从而在分析时可不经电气连接点，而是直接从元件对象中得到，因此能够减少数据的传输量，提高分析效率。照此建立的元件之间的连接关系见表3.2。
将表中连接关系与图3.2相对应，可见结果十分正确。建立拓扑关系的流程图如图3.10所示。
3.6电网拓扑图的图形化管理
通过电网图图形绘制及编辑平台，可以将实际电网形象、直观地展现在计算机屏幕上，再通过GIS平台相应的数据库连接引擎将电网图中的设备图元对象与面向对象的数据库进行连接，实现对图纸空间的管理和维护。此外，在管理过程中还应对现实世界中不可能存在或不允许存在的各种状态进行识别判断，这样能够有效地提高图形的质量，为在生成的电网图上进行各种电力专业分析打下坚实的基础。主要工作流程如图3.11所示。
4.1 电网设施的地理分布特征分析
电网主要由发、输、变、配、用电设备组成，各类设备分布在广阔的地理空间中。杆塔、变压器、开关刀闸等设施在地理空间中都呈典型的点状分布。变电站、开闭所、电厂等虽然在现实世界中与城市行政区相似，呈现出面状分布的特征，但在电力行业的分析应用中，它们一般都被抽象为逻辑意义上的一个点，因此也可以将其作为点状分布的特殊情况看待。线路(包括主干线路、分支线路以及电缆)与地物空间中的街道、河流一样，都属于地理空间中的线状分布元素，它们反映的是离散的点与点之间的一种连通关系，具体到电力系统中来就是反映杆塔、变电站、电厂、开关刀闸等电力设施之间的逻辑连接关系。因此，电网设施在空间上具有典型的点、线地理分布的特征，对分析应用中所需的拓扑信息(设备之间连接关系)可采用“不完全拓扑结构”进行描述，而不需要包含“面”拓扑信息的“完全拓扑结构”。
同时，随着当前电力建设如火如荼的进行及城市的快速发展，新增及变更各类电力设施的频率也越来越高，因此，在具有典型点、线地理分布特征的基础上，电网设施的地理分布还具有很大的变动性及不确定性。
虽然电网设施在地理分布上呈现出上述特点，但它们之间并不是孤立存在的，在它们之间还存在着地理和逻辑上的密切联系，如点与点之间可能存在着两个杆塔的杆距问题，点与线之间可能存在着变压器、开关刀闸的挂靠问题，线与线之间可能有主干线与分支线的层次问题以及线路之间的交叉跨越问题等。
4.2源数据的分析研究
针对电网所具有的上述特点，为了更好地管理数量众多、分布广阔的各种电力设施，提高电力行业的服务水平，旧的管理手段已不适应形势发展的需要，因此，必须引进新技术、新方法，在这样的背景下，GPS+GIS系统进入了电力行业应用。依靠GPS全球定位系统采集的电力设施地理数据，经GIS系统处理后，以电子地图作为电网的背景，在电网层中构造出架空线、电缆、杆塔、开关、酉配变等电网设备，并且能够表示架空线等的连线关系，开关的通断等专业属性，以及不同的电压等级的表示。GIS与GPS技术在电力行业的结合应用，极大地改变了电网源数据的获取、存储、更新、使用的方式，人们不仅可以清晰的了解电力设备的地理位置，而且能够方便地进行设备的位置变更、电网分析等操作，极大地方便了电网的维护、管理工作。
全球定位系统(Global Positioning System一GPS)是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，并成功地应用于大地测量、航空摄影测量、野外考察和勘探的定位、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，甚至进入到人们的日常生活中，例如汽车、旅游、探险等方面的定位。
随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，它的应用领域也在不断地开拓，目前已遍及国民经济的各个部门。
GPS系统的基本特点:
1) 全球覆盖连续导航定位，全天候工作:24颗卫星，且分布科学合理，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可以连续同步地观测4颗以上卫星，能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间，不受天气的影响，实现全球、全天候连续导航定位;
2) 定位精度高:单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级;
3) 被动式全天候导航定位。这种导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多用户;
4) 抗干扰性能好、保密性强:GPS采用数据通讯的特殊编码技术，即伪噪声码技术，因而具有良好的抗干扰性和保密性;
5) 功能多，应用广:随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域也在不断扩大。
定义：基准站——放置在已知上进行观测的静态接收机称为基准站；
流动站——相对于基准站而言，任何外业刘冬GPS接收机称为流动站。
GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号（三颗以上）得到该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。但由于系统结构及卫星信号存在噪音等原因，通常得到的空间位置信息都有大于10米的误差，为得到更高的定位精度，通常需要对GPS接收机采集的数据进行差分校正。其原理是采用相对定位的原理，对两不同测点利用差分方式消去大部分共同误差而获取较高的精度。因此，在进行电网设施地理定位的同时，还应在已知的坐标点处架设基准站，由基准站的GPS接收机提供测量中所出现的共同误差，从而达到消除部分误差，提高测量精度的目的。基准站的选取应尽量均匀分布在待测区域的中央和边缘。
电网中各类设备当前的地理位置坐标，均可通过GPS接收机获得。目前市场上的GPS接收机按用途大致可分为导航型、测地型和授时型等几类，考虑到由于电网中设备本身周围环境的复杂性，很多地点不便于汽车等大型机械设备的进入，测地型GPS接收机不能用于实时动态测量，因此从实用性及性价比考虑流动站可选择导航型GPS接收机。它具有操作简便、能够满足野外动态测量的要求，测量数据经过处理后完全能够满足电力行业的测量精度要求。基准站由于对于数据的校正处理较为重要，要求能够提供高精度的地理空间坐标，因此在有条件的情况下可选择测地型GPS接收机。
对于电网设备，在测量中不仅要记载它们的空间坐标，同时还应记录下该设备所具有的属性数据，因此，在进行实测之前还应该建立关于各类设备相应属性的数据字典，即有用户自定义的属性表，并使用特定的软件上传到GPS流动站上，在实测时GPS流动站就可根据所建立的数据字典自动建立相应的属性字段。向属性字段中添加属性值，如变压器容量、线路名称等，这个过程既可以通过配置一台PDA，也可以使用一体化的流动测量终端来实现，即GPS接收机和PDA集成在一个设备上。通过PDA向GPS接收机采集回来的数据中添加设备的属性信息有助于在GIS空间生成各设备的地理分布图时自动完成相关属性，提高了GIS数据中图形数据和属性数据的兼容性及工作的自动化程度，使数据的采集、更新、处理过程更为快捷。
在需要获得地理位置的地点按照GPS接收机的提示，可快速完成地理坐标的采集。此外，由于GPS的测量精度受接收卫星信号的多少和强弱而定，大气中电离层、对流层或附近高大物体对卫星与GPS接收机之间的通信都存在着一定的影响，因此在雷电天气或直接在高大建筑物下进行测量工作时为了得到相对比较满意精度的测量值，最好使GPS接收机连续与卫星通信一段较长的时间，使GPS可以多次计算，从而提高定位精度。
GPS数据初始处理流程如图4.1所示。
GPS定位过程中，存在着三部分误差:一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差;第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等，因此应对GPS采集数据进行校正。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。
根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即:位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，都是由基准站提供改正数，由流动站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果，所不同的是:基准站所提供改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。
1) 伪距法:
GPS接收机根据接收所选卫星发来的导航信息和星钟校正参数的时间，能算出接收机到卫星的“距离”，如果测量到三颗卫星的“距离”，则分别以三颗卫星发射时刻的卫星位置(按发射的星历参数确定)为中心，根据测得的“距离”画出三个球，其交点便是用户的三维位置。
但是由于接收机的本机钟对星载原子钟存在偏差，上面所测的“距离”并不能代表卫星到接收机的真实距离，人们把这种距离称作“伪距离”(简称伪距)，伪距法由此得来，对第工颗星来说，伪距R，的表达式为:
(4-1)式中：
——真距；c——光速；
——信号传播延时；
——用户钟相对GPS时间的偏差；
——卫星钟相对于GPS时间的偏差。
正因为用户钟与GPS时间不能精确同步，故每次测量总会有一个固定的偏差，这种偏差使定位产生不定性。如果我们再测量一个到第四颗卫星的伪距，则这时由用户钟偏差造成的定位不定性就产生一个由四个相交球面所围成的误差体积，我们从每个伪距测量中加上或减去这个固定值就消去了该固定体积，结果得到四个球面相交于一点，这就是用户的三维位置。实际上，这只需观测至四颗卫星的伪距并接收卫星的导航信息，解算四个方程就可得到。具体实现过程如下所述:
基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距
和收集全部卫星的星历文件(A，e，ω，Ω，i，t)等，利用已采集的轨道根数按下式自动计算出第j颗卫星的地心坐标
：
(4-2)同时可由当地测绘部门或通过GPS接收机连续观测5个小时以上等方法取得基准站的精确地心坐标
，这样，可求出每一时刻卫星j到基准站的真距:
(4-3) 此时可得到伪距改正数
及其变化率
：
（4-4）
（4-5）利用基准站提供的、，用户移动站可得出经过改正的伪距：
,其中
为参考时刻。
（4-6）利用改正后的伪距，只要观测四颗卫星就可以按下式计算流动站的坐标: 
(4-7) 从而得到校正后的用户流动站坐标。
2) 差分法:
差分工作时首先必须架设基准站，在选取的测绘控制点处利用GPS接收机导出的坐标与控制点的已知坐标是不一样的，存在误差。即:
(4-8)
式中X，Y，Z为GPS接收机实测的坐标，
，
，
为已知的基准站精确坐标，ΔX，ΔY，ΔZ为坐标改正数。通过坐标改正数对解算的用户坐标进行修正:
(4-9)
这样可消去公共性误差(卫星误差、大气层效应误差)。由于SA对测量的影响是一种慢变化的偏差，在近距离内相同，故差分校正也可将其消去，但先决条件是基准站和用户移动站所观测的是同一组卫星。工作时，在一个地区(可达几百公里范围)设置一台差分基准站即可。
3) 波相位差分:
载波相位差分技术又称为RTK技术(real time kinematic)，与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给流动站，流动站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行处理，能够给出厘米级的定位结果。
由参考文献[36，38]可得载波相位观测量:
（4-10）式中
为首次观测值所对应的相位整周数;
为开始跟踪后相位的整周变化数;
为测量相位中不足一周的小数部分; λ为载波波长。
实现载波相位差分的方法分为两类:修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将其得到的载波相位修正量
发送给流动站，以改正其载波相位，然后根据下式即可求解流动站坐标。
(4-11) 差分法中流动站和基准站同时在两个不同的历元时刻
，
观测两颗卫星p，q，基准站将采集的载波相位发送给流动站，这样流动站可获得8个载波相位观测值。对于这些原始观测值，可以对它们进行有目的的线性组合，例如可在同卫星平p（q）的同历元（），而不同接收机之间求差;可在同接收机同历元（）而不同卫星p(q)的之间求差;可在同接收机、同卫星p（q）而不同历元（）之间求差，这样每次可得到四个不同的一次差分方程。在此基础上，可在接收机和卫星之间，接收机和历元之间以及卫星与历元之间求二次差，每次可得到两个不同的二次差分方程。在二次差分的基础上还可进行接收机、卫星及历元之间的三次差分。这三次差分的结果都可以认为是流动站的虚拟观测值，通过对这些虚拟观测值方程作一定的线性化处理后应用最小二乘法即能够解算出流动站坐标。其中前者为准RTK技术，后者才为真正的RTK技术。
由以上差分校正原理可知，基准站在差分处理中有着比较重要的地位，如果不能找到合适的己知准确坐标的己知点(如测绘控制点)，则可以运用GPS接收机进行静态定位作较长时间的观测，求取此点坐标，然后以此点作为基准站进行差分校正处理。
GPS数据的差分处理是通过基准站GPS提供的改正数完成的，改正数可实时利用调制解调器对数据进行编码，通过无线通信技术完成基准站与流动站之间的实时接收和发送，同步提供高精度的地理坐标。同时也可对所采集的GPS数据进行事后数据处理，不实时提交成果和实时评定成果质量，在此情况下若基准站开机时间完全覆盖流动站数据采集时间，流动站文件和匹配的基准站文件覆盖率就能达到100%，否则流动站采集的个别地物将不会被差分校正。实时差分和后差分处理的工作过程示意图分别如图4.2，4.3所示。
GPS定位数据是基于WGS-84地心坐标系，要使GPS定位信息正确的显示在数字地图上，我国1:10000和大于1:10000的地形图规定采用3度分带的高斯—克吕格投影，因此必须将GPS定位结果即大地坐标(L，B)转换为本地高斯平面坐标(x，y)。一般要通过两步转换，首先将WGS-84的大地坐标(L，B)转换为对应于WGS一84椭球的高斯坐标平面
, 然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标 强制符合到本地高斯平面坐标系统，以实现GPS定位信息在数字地图中的正确匹配。由于差分GPS的工作区域相对于GPS控制网来说要小得多，一般在5050平方公里以内，因此采用在二维平面上进行相似变换的方法已经能够满足工程需要。
1) 从WGS一84大地坐标(L，B)转换为本地高斯平面坐标(x，y)
高斯正算公式:GPS所接收到的WGS-84大地坐标(L，B)转换为高斯平面坐标, 由参考文献[37]可得:
（4-12）式中
,
为投影带中央子午线精度，
为常数206265，用于将度分秒单位转化为弧度单位，卯酉圈曲率半径:
, 辅助变量:n=ecosB,t=tanB,椭球第一偏心率：
，椭球第二偏心率：
,a,b分别为参考椭球的长短半轴，在参考椭球后为二常量，偏率：
, x为自赤道至纬度为B的平行圈的子午线弧长，计算公式为:
(4-13) 并根据所选用大地坐标系的不同可分别选取克拉索夫斯基椭球或1975年国际椭球的有关参数即可求出X。
2) 平面坐标转换
平面坐标转换的目的就是将高斯平面坐标 转换为与数字地图中的定位信息相匹配的当地国家坐标系或独立坐标系下的高斯平面坐标。下面以 转换为西安80坐标系中的
为例，说明其实现过程。
将X换算成
的坐标转换的公式为:
（4-14）式中
为坐标原点平移向量，K为尺度系数，R为旋转矩阵
，D为当前获得的底薪误差所产生的平移向量。
转换时首先可根据已知的至少两个公共点分别在WGS-84坐标系和西安80坐标系中的高斯平面坐标，求出两个坐标系之间的旋转参数α和尺度系数k，然后将待求点与其中一个公共点的坐标转换公式相减并移项可得以下公式:
(4-15)式中
，
为ι在为ι点在西安80坐标系中坐标，
为ι点在WGS-84中坐标，
，
为公共点在西安80坐标系中坐标;
为公共点在WGS-84中坐标。利用此公式可计算任一点在西安80坐标系中的坐标。
GPS数据坐标转换的流程如图4.4所示。
4.3GPS数据与GIS系统的复合处理
采集到的GPS数据首先必须从PDA或GPS接收机中上传至PC机中才能用相关件进行诸如差分校正等处理，这可以通过Microsoft ActiveSync软件来完成。它能够通过USB口或红外线接口等与PC机的对接，实现各种智能终端(PDA、GPS接收机等)与计算机两者之间的快速同步数据资料交换。
数据经过差分校正及坐标处理后，由于最终的目的是将这些改正后的数据导入到GIS数据库中，以完成相关数据库的建立或更新，因此还必须将结果保存为GIS系统能够读取的文件格式，如Are/InfoE00，Maplnfo MIF，Are/InfoCoverage，Arc View SHP等矢量交换文件格式或二进制文件格式。
GPS数据从开始采集的准备工作到输出GIS格式的数据文件的整体处理流程如图4.5所示。
根据预先编辑的数据字典中各种设备的地理外在特征的不同，PDA能够自动将GPS采集到的数据组织保存为不同类型的数据集合，如将线路数据保存为线类型的数据集，将杆塔数据保存为点类型的数据集等。考虑到电网中广泛分布着例如开关、杆塔、线路等多种不同类型的设备，若将这些设备放在一层统一管理则会带来系统设计及管理上的复杂性，因此有必要对这些具有不同特征的对象采用分层管理的方式。
将GPS接收机采集回的数据在GIS系统中分为杆塔、架空线路、电缆、变压器、开关、分接箱、变电站及电厂八个图层分别进行管理。变电站及电厂在电子地图上虽然外观呈现为面对象，但为了电网分析的方便，在形成拓扑时将其等价处理为一个点对象;杆塔、变压器、开关、分接箱在地图上虽然呈现的地理特征为点对象，但可以通过GIS平台提供的强大符号功能在上述设备的相应位置处显示形象直观的电力图符;架空线路、电缆在GIS数据库中表现为线对象，在显示时可根据电力行业规范选择不同的线型和颜色来表示线路材质(架空线路或电缆)及运行状态的不同。
采用这种分层管理的方式，在非线路层中只记录各设备的地理位置信息及相关的属性信息，但线路层除了记录线路本身的地理位置及相关属性信息外，还记录了线路两端点的一些信息，这些信息实际上就是线路所连接的设备，如开关、杆塔等，利用这些信息可以构成设备和线路的拓扑连接关系。
4.4电网地理接线图拓扑关系的形成
构建网络拓扑关系就是由一般线数据集或网络线数据集经过计算并存储线数据集中线对象之间相互连通的拓扑关系过程。其结果是生成新网络数据集或修改、更新已存在的网络线数据集。
空间实体之间的拓扑关系是GIS空间分析和决策的基础，常常涉及到不同类型数据集之间的操作，它是指地理对象在空间位置上的相互关系，包括相邻(touch)、包含(in)、相交(cross)、部分覆盖(overlap，或“交叠”)和相离(disjoint)五种基本拓扑关系。由于电网结构中最重要的是线路之间的相互连接关系，因此在形成电网拓扑的过程中，主要处理的是网络线数据集内各对象的拓扑关系，以保证数据集拓扑的一致性，便于以后各种各样的查询和分析操作的进行。
节点——一条折线或线段的端点称为节点。节点又可具体分为悬节点、假节点和真节点三类
悬节点——当一条折线或线段的端点没有与任何其它折线或线段的端点重合时，这个端点就称为悬节点。
假节点——当一条折线或线段的端点与另一条折线或线段的端点有重合，且重合处这两个端点同时存在，这样的点
真节点——当一条折线或线段的端点与另外至少两条折线或线段的端点重合，并且重合处只有一个点，则这样的点就是真节点。
悬节点、假节点和真节点之间的显著区别是:悬节点处只有一条弧(折线或线段)，假节点处有且只有两条弧，而真节点处则有至少三条弧。
顶点——一条折线的中间转折点称为顶点，折线的端点不是顶点，而是节点。
悬线——带有悬节点的折线段或线段成为悬线。
Fuzzy容限——Fuzzy容限是指图层的精度(分辨率)，代表顶点(Vertex)和节点(Node)之间的最小距离。也就是说，在此距离之内的两个点可以视为重合。
临近点——两两之间距离小于指定容限(Fuzzy Tolerance)的两个或者多个节点被称为临近点。
由于拓扑处理处理的对象是线路数据集，因此在构建电网拓扑之前应在线路图中进行一些预处理。开关、变压器、分接箱在各个对象之间的电气连接关系中起着纽扣作用，因此必须首先在线路图上对它们进行处理。为了在建立拓扑时在有开关、变压器或分接箱的地方生成相应的真节点，所以应先在相应的位置将线路打断，建立相应的假节点。对于物理上交叉的线路，在交叉点处也应该将其打断为两条线路，以得到假节点，相跨越的线路则可不作任何处理，以与现实情况相符合。
在线路上建立相应的假节点后可进行邻近节点的合并(见图4.6)及假节点
的合并操作，通过这两种操作可将预先建立的多个假节点合并为拓扑图上的一个真正的节点，这些新建立的节点在随后建立的拓扑图中就可以代表开关、变压器等电力设备。完成以上拓扑编辑处理之后，就可以应用GIS开发平台所提供的方法对线路数据集进行拓扑操作构建电网拓扑关系。网络拓扑关系建立后，将生成新的网络(Network)数据集，同时生成节点表。节点表将作为网络数据集的子数据集(Subdataset)而存在。构建网络拓扑关系流程如图4.7所示。
对于初始生成的网络拓扑图中所包含的节点，还必须手工或编写程序添加其所应具有的相关属性，如该节点所代表的设备类型(开关、变压器、用户等);对于线路，由于在进行拓扑处理之前已经具有了相关属性，拓扑之后的拓扑图中系统就会自动添加相同属性，因此不必作类似处理。
5.1结论
本文是在作者参与实际科研项目的基础上完成的。在此基础上，主要对在基于通用GIS平台基础上的电网拓扑关系生成方法作了比较深入的研究，并将研究所得到的成果应用到工程实践中，取得了较为满意的结果。通过“基于地理信息系统系统平台的电网拓扑生成研究”课题的研究，作者取得了以下研究成果:
1) 本文首先介绍了目前GIS系统中通常所用的两种数据结构——栅格数据和矢量数据结构，并且在此基础上他们的优缺点进行了比较和分析，并得出了个子适用范围，最终作者认为在简历电网的逻辑拓扑图时应选择矢量数据结构；
2) 根据电网数据的逻辑划分研究了逻辑拓扑图中的电网图形模型并提出了逻辑关系建立的方法及对相应图形系统的处理流程，通过GIS平台提供的强大图形处理能力快速、方便地完成逻辑拓扑图的建立;
3) 以电网设备的地理分布特点为基础提出通过GPS全球定位系统来快速、准确地建立、更新电网设施的地理数据信息。详细说明了数据的采集、处理的原理、过程以及通过GIS平台建立真正的电网地理拓扑的过程;
4) 在Windows系列操作系统平台上，选择Oracle8x数据库，用Visual Basic和SuperMapIII进行集成开发，实现了基于GIS系统平台的电网逻辑拓扑及地理接线拓扑的生成。
5.2展望
通过学习和研究，作者取得了上述一些成绩，但仍有很多工作没有很好地开展。作者认为，本文所研究的课题还可以在以下几个方面作进一步的研究和改进:
1) 对于逻辑拓扑图中电气对象的标注功能目前还不完善，不太尽如人意，必须单独进行处理，因此可以进一步的考虑进行将图纸空间中的图形对象与标注对象自动关联的研究，当在图形对象的属性中输入名称时能够自动产生一个与其相对应的标注对象，从而使编辑工作变得更加简捷;
2) 根据电网地理图自动生成电网单线图在本文中还没有论及，这种不同类型的图形之间的转化需要更加灵活、特殊的拓扑结构描述手段，可以在考虑增加某些特殊字段的基础上经过一定的处理流程加以实现，是自动成图方面的一个值得继续深入研究下去的新课题;
3) 将SCADA实时监控信息引入电网地理接线拓扑图中，当开关状态变化时自动触发一系列事件，对电网进行分析、判断，以期达到设备与信息的最大共享，全面反映电力系统及设备的宏观运行状态。
总之，地理信息系统凭借其强大的空间分析能力、图形管理能力及形象的管理手段，已被应用于电力系统中与空间信息密切相关的各个方面，并成为电力行业自动化系统当前的新技术发展方向和电气工程学科的新兴交叉学科研究领域之一。
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