Generalizing power grid network maps

Abstract

Stromnetzpläne werden üblicherweise in geografischen Informationssystemen (GIS) als Vektordaten modelliert, wobei einzelne Leitungen mit einer Genauigkeit im Bereich weniger Zentimeter erfasst werden. Eine Herausforderung ergibt sich bei der Darstellung solcher Pläne in kleineren Maßstäben: Die Leitungen überlagern einander, was zu einer unleserlichen Kartendarstellung führt.Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung eines Generalisierungsalgorithmus für Stromleitungspläne, der die Eingangsdaten in eine vereinfachte Darstellung überführt, um die Lesbarkeit bei kleineren Maßstäben zu verbessern. Die Wiener Netze stellten dafür reale Netzdaten zur Verfügung und fungierten im Rahmen eines Design-Science-Research-Prozesses (DSR) als Stakeholder bei der Anforderungserhebung.Der Algorithmus gliedert sich in drei Phasen: (i) Vorverarbeitung, bei der die Eingangsdaten eingelesen und aufbereitet werden,(ii) Konstruktion eines Trassennetzwerks in Form eines Graphen,(iii) Erzeugung der finalen Darstellung durch versetztes Zeichnen erkannter Parallelen auf Basis eines konfigurierbaren Maßstabsparameters.Das Ergebnis wurde anhand von drei Metriken evaluiert: Fréchet-Distanz, Anzahl akuter Winkel und Anzahl von Kreuzungen. Während der Evaluation wurden mehrere Problembereiche identifiziert: 21,4% der Leitungen konnten nicht erfolgreich verarbeitet werden, da bereits in der Konstruktionsphase Verbindungen fehlten. Zudem wurde deutlich, dass für sehr kleine Maßstäbe eine zusätzliche Verdrängungsstrategie notwendig ist. Die Performanz des Algorithmus erwies sich als zufriedenstellend: Der gesamte Datensatz konnte in 1 Stunde und 56 Minuten verarbeitet werden.Abschließend wurden die definierten Anforderungen überprüft: Von insgesamt zwölf Anforderungen wurden vier vollständig erfüllt, vier teilweise erfüllt und drei nicht erfüllt. Eine Anforderung konnte aufgrund unzureichender Spezifikation nicht evaluiert werden.

Power grid maps are commonly modeled in geographic information systems (GIS) as vector data, where single power lines are drawn geographically accurately with distances of a few centimeters. A challenge arises when these detailed plans need to be viewed at smaller map scales, as the power lines are prone to overlaying and cluttering, which results in an unreadable map representation.This thesis presents the development of a power line generalization algorithm, which transforms the original plan into a generalized map, readable at smaller output scales. Wiener Netze provided real-world network data of the Viennese power grid, and also guided the development by establishing requirements during the Design Science Research (DSR) process.Der Algorithmus gliedert sich in drei Phasen:(i) preprocessing, where the input data is read and prepared,(ii) constructing a line graph from the preprocessed data,(iii) generating the final map by offsetting detected parallel lines according to a configurable scale parameter.The algorithm was then evaluated by three metrics: Fréchet distance, acute angles count, and crossing counts. During evaluation, several problem areas were identified. 21.4\% of the total lines could not be processed successfully due to missing connections during the line graph construction. For support of smaller scales, the need for a simplification strategy has been highlighted. In terms of performance, the algorithm processes the complete dataset in 1 hour and 56 minutes.Finally, the established requirements were evaluated: out of twelve in total, four were fully met, four were partially met, and three were not met. One requirement could not be evaluated due to insufficient specification.