馬  瀟，王景朝，莫  娟，黃  彭，劉  蕊

　　（中國電力科學研究院，北京 100192）

　　摘  要： 針對智能電網快速發(fā)展背景下電力工程項目的新形勢，總結了目前電網工程數(shù)字化技術的應用情況，分析了應用中存在的問題，提出了基于GIS的電力信息模型概念，詳細介紹了電力信息模型的組織結構和構建方法。以此為基礎搭建數(shù)字化信息平臺，為建設堅強智能電網提供有力支撐。

　　關鍵詞： 電力信息模型；地理信息系統(tǒng)；智能電網

0 引言

　　近年來，國家電網公司加快建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協(xié)調發(fā)展，具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網。因此，電網信息化建設工作就顯得尤為重要，數(shù)字化智能電網也應運而生[1]。

　　隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，尤其是城市電力網絡的變化更新，傳統(tǒng)的作業(yè)方式已不能滿足電網工程繁重的設計管理工作的需要。城市電網線路往往是由數(shù)十個至上百個節(jié)點和線段組成的樹狀網絡結構，由于經濟的迅速發(fā)展、用戶增多、線路改造頻繁，致使線路接線圖也不得不隨之改變，調度運行、設計和檢修維護部門都離不開這些接線圖。目前許多單位應用AUTOCAD等繪圖軟件來繪制圖紙，而數(shù)據(jù)的管理意識則相對薄弱，結果是線路的圖形和數(shù)據(jù)分離，對用戶使用十分不便。

　　本文提出的電力信息模型涵蓋電網工程規(guī)劃、設計、施工、運維全過程，集成了地理信息系統(tǒng)、三維建模技術、協(xié)同技術、數(shù)據(jù)交互技術等信息技術，包含地理信息、模型信息、工程信息、過程信息，集智能化、協(xié)同化、可視化、標準化于一體[2]。電力信息模型作為一種完善的工具和手段，符合電網工程的發(fā)展趨勢，通過電力信息模型在全生命周期中的應用，大大增進了電網工程各階段各專業(yè)間的協(xié)作性，將電網工程信息化、自動化水平提升到一個新的高度。

1 數(shù)字化技術應用現(xiàn)狀

　　在歐美等發(fā)達國家，電力系統(tǒng)非常先進，電力工程已較早地融入了地理信息系統(tǒng)等數(shù)字化技術。自20世紀70年代開始，國外電力公司逐步引入了地理信息來記錄資產和設備的地理位置，通過記錄設備之間的關系，建立電力設備和管道的網絡模型，這些模型主要用于電網圖形管理和網絡分析。Bechtel公司、BVI公司經過近20年的時間自行開發(fā)了集成度較高的多專業(yè)協(xié)同設計軟件包，開發(fā)出以數(shù)據(jù)庫為核心、網絡為支撐的集成軟件系統(tǒng)并在此基礎上進一步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的共享，使得設計部門、采購部門、工程施工管理部門、工程費用控制部門、公司高層管理職員之間的信息傳輸實現(xiàn)了全計算機化和網絡化，達到了集成化及協(xié)同化的目的[3]。

　　我國電力行業(yè)從20世紀80年代中期就提出引用數(shù)字化技術的構想，目前正處于起步階段[4]。初期的應用主要集中在配電系統(tǒng)管理方面，隨著數(shù)字化技術的建設發(fā)展和企業(yè)管理水平的上升，其應用范圍逐漸擴大，覆蓋了輸電、變電、配電、營銷、調度、通信等方面，各環(huán)節(jié)對工程信息的需求也更加詳細、具體[5]。但在應用的過程中，出現(xiàn)了種種問題，主要體現(xiàn)在電網工程各階段自成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)相互獨立。由于業(yè)務范圍不同、平臺建設時間不同等問題，各個環(huán)節(jié)之間缺乏統(tǒng)一協(xié)調，各部門僅依據(jù)各自需求獲取工程信息，信息無法在不同環(huán)節(jié)的平臺與平臺之間進行交互，被分割成一個個信息孤島，無法實現(xiàn)信息準確高效的共享[6]。而且，由于在不同平臺中信息被重復錄入，不僅增加了人工的工作量，準確性與實時性也無法保證。以目前輸變電工程為例，在設計階段中，各設計單位都建立了各自的數(shù)字化設計平臺，但平臺之間數(shù)據(jù)無法流通，提交施工單位的工程信息還需要重新錄入，未實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的無縫連接[7]。由于基礎數(shù)據(jù)量大，設計單位間也沒有確定的數(shù)據(jù)標準和數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)完整性和準確性等方面也存在一些問題。

2 電力信息模型

　　電網建設項目往往由電力公司牽頭，由設計單位、施工單位、設備供應商等多個企業(yè)共同參與完成[8]。電力信息模型以工程項目所有有效數(shù)據(jù)作為模型的基礎，進行電網模型的構建，所有單位在同一平臺實時共享數(shù)據(jù)，以網狀結構交互信息[9]。圖1為電力信息模型與傳統(tǒng)電力工程管理模型對比。

　　電力信息模型按照工程從規(guī)劃、設計、施工到運維的發(fā)展階段以時間順序組織，跨越多部門、多階段，制定統(tǒng)一的電力數(shù)據(jù)標準，構建模型框架，將產生的所有信息保存在電網模型中，并以信息為主線，將電網工程各階段有機地關聯(lián)起來，為電網工程全生命周期管理提供了堅實的基礎，保證了數(shù)據(jù)信息的實時性與準確性。本文按照電網工程發(fā)展階段介紹各階段電力信息模型內容。

　　2.1 規(guī)劃階段

　　在規(guī)劃階段，主要任務是進行各電壓等級的電網規(guī)劃。在此階段電力信息模型提供基礎的地理信息數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀電網數(shù)據(jù)和各種專題數(shù)據(jù)，輔以運維階段產生的生產運行數(shù)據(jù)，建立規(guī)劃平臺，輔助進行電網規(guī)劃。規(guī)劃后生成電網規(guī)劃圖和電壓等級、項目周期、建設規(guī)模等規(guī)劃數(shù)據(jù)，保存至電力信息模型中供設計階段使用。

　　2.2 設計階段

　　設計作為工程建設的龍頭，為后續(xù)施工、運維提供了大量的數(shù)據(jù)，是電力信息模型最重要的組成部分。在可研階段中，電力信息模型提供高分辨率衛(wèi)星影像、電子地圖和專業(yè)數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，建立選線平臺，進行選線、選站、工程量統(tǒng)計和預估、電子模版排位、導線選型、金具串選型、桿塔規(guī)劃等工作。在初設和施工圖設計階段中，電力信息模型提供航空影像、激光雷達數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化平臺，進行路徑優(yōu)化和站址優(yōu)化、斷面量測和工程量統(tǒng)計，并根據(jù)選線排塔結果進行機電計算及結構計算。同時，在設計過程中涉及多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，電氣、結構、測量、水文、地質、技經等專業(yè)在同一線路模型中共享信息，共同工作，保證涉及數(shù)據(jù)的準確性和實時性。設計后生成數(shù)字變電站模型及數(shù)字線路模型，包含線路路徑、桿塔排位數(shù)據(jù)、桿塔導線金具串等型號及材料量信息，供后續(xù)階段使用。

　　2.3 施工階段

　　在施工階段，在地理信息數(shù)據(jù)及規(guī)劃設計階段產生的輸變電工程勘測設計資料的基礎上，結合數(shù)字變電站模型及數(shù)字線路模型，提供監(jiān)理施工管理平臺，為施工過程提供直觀化和精細化管控。同時產生的施工過程數(shù)據(jù)錄入電力信息模型中供運維階段使用。

　　2.4 運維階段

　　在運維階段，以工程建設階段的數(shù)字化成果為基礎，建立生產管理平臺和運行檢修平臺，為生產運維服務產生運行數(shù)據(jù)。

3 電網工程信息一體化平臺

　　依靠電力信息模型，建立電網工程信息一體化平臺，是從根本上解決各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)無法互聯(lián)互通的信息孤島問題的唯一途徑。

　　構建電網工程信息一體化平臺需從用戶、終端、用戶接口、基礎應用、軟件平臺、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫等多個層面進行梳理，確定電力信息模型的數(shù)據(jù)流及應用場景，建立完善的系統(tǒng)架構。圖2為系統(tǒng)架構圖。

　　采用“分而治之”的思想，對電網工程信息一體化平臺進行分解，可以將其分為數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)接口、業(yè)務應用三個層面進行分析。

　　3.1  數(shù)據(jù)信息

　　數(shù)據(jù)信息指電網工程各階段中電力信息模型中包含的數(shù)據(jù)，分為電力模型數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)三部分。

　　（1）地理信息數(shù)據(jù)是電力信息模型中的基礎數(shù)據(jù)，分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩種。

　　柵格數(shù)據(jù)是指離散化的空間數(shù)據(jù)，即將連續(xù)空間使用二維影像等使用規(guī)則覆蓋方式或不規(guī)則覆蓋方式進行整體覆蓋，可以使用尺寸、形狀、方位和間距等特征參數(shù)信息來描述柵格數(shù)據(jù)。由此可見，柵格數(shù)據(jù)就是基于像素劃分的空間數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)具體又分為DRG、DEM和DOM數(shù)據(jù)。DRG一般是二維的；DEM數(shù)據(jù)一般是三維的；DOM是基于DEM，對數(shù)字化航片衛(wèi)片信息進行處理的結果，可以是二維或三維。電力信息模型中使用的柵格數(shù)據(jù)包括航片、衛(wèi)片、地形圖、照片等。

　　矢量數(shù)據(jù)模型表達空間實體是通過描述構建世界坐標系下目標的邊界來進行的，按照目標的形狀可以將其分為點、線、面等幾種類型。可以使用線的長度、區(qū)域間的距離等特征參數(shù)信息來描述矢量數(shù)據(jù)。電力模型中使用的矢量數(shù)據(jù)包括電網專題、經濟民生、地震地質圖等。

　　（2）電力模型包括桿塔、金具串、電力設施設備等。電力模型文件各相關元素包括：紋理貼圖、元數(shù)據(jù)、要素屬性、時間標識、備注文檔等。除了格式要求外，模型的建立還需要制定統(tǒng)一的建模規(guī)則，其總體原則包括以下內容：

　　唯一性。屬性類別及命名的唯一性：單個模型、紋理對應單個命名，不允許模型、紋理相同命名。

　　完整性。模型的各項屬性值全面完整，模型要素全面，不允許重復或者遺漏；模型分類完整。

　　真實性。模型庫中各元素內容與真實需求一致；更新內容及時入庫，保持模型庫的動態(tài)活性。

　　邏輯一致性。三維模型數(shù)據(jù)分類、分層、數(shù)據(jù)結構、屬性、模型關系在同一層次上應保持一致，在不同層次上應符合統(tǒng)一的體現(xiàn)規(guī)則。

　　可擴展性。模型的元數(shù)據(jù)具有可擴展性，模型的屬性值可以更改、替換、刪除。

　　（3）工程數(shù)據(jù)指基本信息、線路路徑、塔位信息、桿塔規(guī)劃等設計本工程過程中產生的數(shù)據(jù)。建立工程數(shù)據(jù)庫的主要目標是使工程數(shù)據(jù)作為一種可管理的資源來處理。

　　工程數(shù)據(jù)庫采用關系型數(shù)據(jù)管理技術構建，首先整理出業(yè)務實體和關系實體，獲得實體-關系模型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫設計原理和理論獲得數(shù)據(jù)庫的物理關系模型，最后提供構建共享數(shù)據(jù)庫的方法，在關系數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)庫。

　　3.2 數(shù)據(jù)接口

　　電網工程從規(guī)劃設計到施工建設再到運行維護，每個階段都會產生數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口即各階段間數(shù)據(jù)交互的工具。制定規(guī)范化的交互流程、標準化的交互內容和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)約是保證數(shù)據(jù)交互工作準確有效的關鍵環(huán)節(jié)。按照數(shù)據(jù)類型劃分，數(shù)據(jù)接口分為結構化數(shù)據(jù)接口和非結構化數(shù)據(jù)接口兩類。

　　（1）結構化數(shù)據(jù)指具有一定結構性、可以劃分為固定的基本組成要素、能通過一個或多個二維表來表示的數(shù)據(jù)。其一般存儲在關系數(shù)據(jù)庫中，具有一定邏輯結構，可用關系數(shù)據(jù)庫的表或視圖進行交互。圖4為交互流程。

　　（2）非結構化數(shù)據(jù)是指結構化數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結構不固定，無法使用關系型數(shù)據(jù)庫存儲，只能以各種類型的文件形式存放。這些非結構化數(shù)據(jù)在生成之后會存儲到相應工程的工程文件夾中，通過對該文件建立相應的索引，系統(tǒng)通過索引可以快速定位，找到所需交互的文件，并通過系統(tǒng)的通信功能移交給接收方。圖5為交互流程。

　　3.3 業(yè)務應用

　　電網工程信息一體化平臺應用于規(guī)劃、設計、施工、運維各個階段，包含規(guī)劃設計評審、物資招標采購、施工監(jiān)理監(jiān)管、生產運維管理多個子平臺協(xié)同工作，每個子平臺又具備各自的功能，以協(xié)同設計子平臺為例。

　　電網工程協(xié)同設計主要目標是以優(yōu)化設計手段，提升設計質量，提高設計效率，最大限度地減少設計工作時間，達到設計工作可視化、流程化、智能化、數(shù)字化的效果。其適應工程可研、初設、施工圖設計、竣工圖設計四個設計階段，提供選線排位、導地線選型、絕緣配合、桿塔規(guī)劃、防雷接地、桿塔設計、基礎設計、成果生成、成果校審、資料提交等功能。圖6為設計平臺功能流程圖。

4 結束語

　　本文介紹了目前國內外電網工程應用數(shù)字化技術的現(xiàn)狀，提出了電力信息模型的概念，并以此為基礎闡述了電網工程信息一體化平臺的構建方法與原則。電力信息模型在可視化、協(xié)同化、智能化等方面具有顯著的優(yōu)點，實現(xiàn)了全生命周期下數(shù)據(jù)的共享。電力信息模型以數(shù)據(jù)為核心，以數(shù)據(jù)的橫向集成、豎向貫通為指導，以工程數(shù)據(jù)全過程數(shù)字化管理為發(fā)展目標，推動數(shù)字化技術在智能電網中的應用，提高電網工程規(guī)劃、設計、施工、調度、運行、檢修各階段數(shù)據(jù)信息準確性與實時性，為建設堅強智能電網提供有力支撐。

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