馬 瀟，王景朝，莫 娟，黃 彭，劉 蕊
（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）
摘 要： 針對(duì)智能電網(wǎng)快速發(fā)展背景下電力工程項(xiàng)目的新形勢(shì)，總結(jié)了目前電網(wǎng)工程數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用情況，分析了應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出了基于GIS的電力信息模型概念，詳細(xì)介紹了電力信息模型的組織結(jié)構(gòu)和構(gòu)建方法。以此為基礎(chǔ)搭建數(shù)字化信息平臺(tái)，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)提供有力支撐。
關(guān)鍵詞： 電力信息模型；地理信息系統(tǒng)；智能電網(wǎng)
0 引言
近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。因此，電網(wǎng)信息化建設(shè)工作就顯得尤為重要，數(shù)字化智能電網(wǎng)也應(yīng)運(yùn)而生[1]。
隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，尤其是城市電力網(wǎng)絡(luò)的變化更新，傳統(tǒng)的作業(yè)方式已不能滿足電網(wǎng)工程繁重的設(shè)計(jì)管理工作的需要。城市電網(wǎng)線路往往是由數(shù)十個(gè)至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)和線段組成的樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于經(jīng)濟(jì)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(diào)度運(yùn)行、設(shè)計(jì)和檢修維護(hù)部門都離不開這些接線圖。目前許多單位應(yīng)用AUTOCAD等繪圖軟件來(lái)繪制圖紙，而數(shù)據(jù)的管理意識(shí)則相對(duì)薄弱，結(jié)果是線路的圖形和數(shù)據(jù)分離，對(duì)用戶使用十分不便。
本文提出的電力信息模型涵蓋電網(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全過(guò)程，集成了地理信息系統(tǒng)、三維建模技術(shù)、協(xié)同技術(shù)、數(shù)據(jù)交互技術(shù)等信息技術(shù)，包含地理信息、模型信息、工程信息、過(guò)程信息，集智能化、協(xié)同化、可視化、標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)工程的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)電力信息模型在全生命周期中的應(yīng)用，大大增進(jìn)了電網(wǎng)工程各階段各專業(yè)間的協(xié)作性，將電網(wǎng)工程信息化、自動(dòng)化水平提升到一個(gè)新的高度。
1 數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，電力系統(tǒng)非常先進(jìn)，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(shù)。自20世紀(jì)70年代開始，國(guó)外電力公司逐步引入了地理信息來(lái)記錄資產(chǎn)和設(shè)備的地理位置，通過(guò)記錄設(shè)備之間的關(guān)系，建立電力設(shè)備和管道的網(wǎng)絡(luò)模型，這些模型主要用于電網(wǎng)圖形管理和網(wǎng)絡(luò)分析。Bechtel公司、BVI公司經(jīng)過(guò)近20年的時(shí)間自行開發(fā)了集成度較高的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件包，開發(fā)出以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心、網(wǎng)絡(luò)為支撐的集成軟件系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的共享，使得設(shè)計(jì)部門、采購(gòu)部門、工程施工管理部門、工程費(fèi)用控制部門、公司高層管理職員之間的信息傳輸實(shí)現(xiàn)了全計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到了集成化及協(xié)同化的目的[3]。
我國(guó)電力行業(yè)從20世紀(jì)80年代中期就提出引用數(shù)字化技術(shù)的構(gòu)想，目前正處于起步階段[4]。初期的應(yīng)用主要集中在配電系統(tǒng)管理方面，隨著數(shù)字化技術(shù)的建設(shè)發(fā)展和企業(yè)管理水平的上升，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，覆蓋了輸電、變電、配電、營(yíng)銷、調(diào)度、通信等方面，各環(huán)節(jié)對(duì)工程信息的需求也更加詳細(xì)、具體[5]。但在應(yīng)用的過(guò)程中，出現(xiàn)了種種問(wèn)題，主要體現(xiàn)在電網(wǎng)工程各階段自成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)相互獨(dú)立。由于業(yè)務(wù)范圍不同、平臺(tái)建設(shè)時(shí)間不同等問(wèn)題，各個(gè)環(huán)節(jié)之間缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，各部門僅依據(jù)各自需求獲取工程信息，信息無(wú)法在不同環(huán)節(jié)的平臺(tái)與平臺(tái)之間進(jìn)行交互，被分割成一個(gè)個(gè)信息孤島，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息準(zhǔn)確高效的共享[6]。而且，由于在不同平臺(tái)中信息被重復(fù)錄入，不僅增加了人工的工作量，準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性也無(wú)法保證。以目前輸變電工程為例，在設(shè)計(jì)階段中，各設(shè)計(jì)單位都建立了各自的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，但平臺(tái)之間數(shù)據(jù)無(wú)法流通，提交施工單位的工程信息還需要重新錄入，未實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的無(wú)縫連接[7]。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大，設(shè)計(jì)單位間也沒(méi)有確定的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性等方面也存在一些問(wèn)題。
2 電力信息模型
電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目往往由電力公司牽頭，由設(shè)計(jì)單位、施工單位、設(shè)備供應(yīng)商等多個(gè)企業(yè)共同參與完成[8]。電力信息模型以工程項(xiàng)目所有有效數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行電網(wǎng)模型的構(gòu)建，所有單位在同一平臺(tái)實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(duì)比。
電力信息模型按照工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的發(fā)展階段以時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建模型框架，將產(chǎn)生的所有信息保存在電網(wǎng)模型中，并以信息為主線，將電網(wǎng)工程各階段有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來(lái)，為電網(wǎng)工程全生命周期管理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。本文按照電網(wǎng)工程發(fā)展階段介紹各階段電力信息模型內(nèi)容。
2.1 規(guī)劃階段
在規(guī)劃階段，主要任務(wù)是進(jìn)行各電壓等級(jí)的電網(wǎng)規(guī)劃。在此階段電力信息模型提供基礎(chǔ)的地理信息數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀電網(wǎng)數(shù)據(jù)和各種專題數(shù)據(jù)，輔以運(yùn)維階段產(chǎn)生的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立規(guī)劃平臺(tái)，輔助進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃。規(guī)劃后生成電網(wǎng)規(guī)劃圖和電壓等級(jí)、項(xiàng)目周期、建設(shè)規(guī)模等規(guī)劃數(shù)據(jù)，保存至電力信息模型中供設(shè)計(jì)階段使用。
2.2 設(shè)計(jì)階段
設(shè)計(jì)作為工程建設(shè)的龍頭，為后續(xù)施工、運(yùn)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(chǔ)數(shù)據(jù)，建立選線平臺(tái)，進(jìn)行選線、選站、工程量統(tǒng)計(jì)和預(yù)估、電子模版排位、導(dǎo)線選型、金具串選型、桿塔規(guī)劃等工作。在初設(shè)和施工圖設(shè)計(jì)階段中，電力信息模型提供航空影像、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化平臺(tái)，進(jìn)行路徑優(yōu)化和站址優(yōu)化、斷面量測(cè)和工程量統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)選線排塔結(jié)果進(jìn)行機(jī)電計(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，電氣、結(jié)構(gòu)、測(cè)量、水文、地質(zhì)、技經(jīng)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(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)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(dǎo)線金具串等型號(hào)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(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的輸變電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)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(tái)，為施工過(guò)程提供直觀化和精細(xì)化管控。同時(shí)產(chǎn)生的施工過(guò)程數(shù)據(jù)錄入電力信息模型中供運(yùn)維階段使用。
2.4 運(yùn)維階段
在運(yùn)維階段，以工程建設(shè)階段的數(shù)字化成果為基礎(chǔ)，建立生產(chǎn)管理平臺(tái)和運(yùn)行檢修平臺(tái)，為生產(chǎn)運(yùn)維服務(wù)產(chǎn)生運(yùn)行數(shù)據(jù)。
3 電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)
依靠電力信息模型，建立電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)，是從根本上解決各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)無(wú)法互聯(lián)互通的信息孤島問(wèn)題的唯一途徑。
構(gòu)建電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)需從用戶、終端、用戶接口、基礎(chǔ)應(yīng)用、軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)層面進(jìn)行梳理，確定電力信息模型的數(shù)據(jù)流及應(yīng)用場(chǎng)景，建立完善的系統(tǒng)架構(gòu)。圖2為系統(tǒng)架構(gòu)圖。
采用“分而治之”的思想，對(duì)電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)進(jìn)行分解，可以將其分為數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)接口、業(yè)務(wù)應(yīng)用三個(gè)層面進(jìn)行分析。
3.1 數(shù)據(jù)信息
數(shù)據(jù)信息指電網(wǎng)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(chǔ)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(jìn)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(lái)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(duì)數(shù)字化航片衛(wèi)片信息進(jìn)行處理的結(jié)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(dá)空間實(shí)體是通過(guò)描述構(gòu)建世界坐標(biāo)系下目標(biāo)的邊界來(lái)進(jìn)行的，按照目標(biāo)的形狀可以將其分為點(diǎn)、線、面等幾種類型。可以使用線的長(zhǎng)度、區(qū)域間的距離等特征參數(shù)信息來(lái)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(wǎng)專題、經(jīng)濟(jì)民生、地震地質(zhì)圖等。
（2）電力模型包括桿塔、金具串、電力設(shè)施設(shè)備等。電力模型文件各相關(guān)元素包括：紋理貼圖、元數(shù)據(jù)、要素屬性、時(shí)間標(biāo)識(shí)、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(nèi)容：
唯一性。屬性類別及命名的唯一性：?jiǎn)蝹€(gè)模型、紋理對(duì)應(yīng)單個(gè)命名，不允許模型、紋理相同命名。
完整性。模型的各項(xiàng)屬性值全面完整，模型要素全面，不允許重復(fù)或者遺漏；模型分類完整。
真實(shí)性。模型庫(kù)中各元素內(nèi)容與真實(shí)需求一致；更新內(nèi)容及時(shí)入庫(kù)，保持模型庫(kù)的動(dòng)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(jié)構(gòu)、屬性、模型關(guān)系在同一層次上應(yīng)保持一致，在不同層次上應(yīng)符合統(tǒng)一的體現(xiàn)規(guī)則。
可擴(kuò)展性。模型的元數(shù)據(jù)具有可擴(kuò)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(shè)計(jì)本工程過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。建立工程數(shù)據(jù)庫(kù)的主要目標(biāo)是使工程數(shù)據(jù)作為一種可管理的資源來(lái)處理。
工程數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)管理技術(shù)構(gòu)建，首先整理出業(yè)務(wù)實(shí)體和關(guān)系實(shí)體，獲得實(shí)體-關(guān)系模型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原理和理論獲得數(shù)據(jù)庫(kù)的物理關(guān)系模型，最后提供構(gòu)建共享數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中建立數(shù)據(jù)庫(kù)。
3.2 數(shù)據(jù)接口
電網(wǎng)工程從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工建設(shè)再到運(yùn)行維護(hù)，每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)化的交互內(nèi)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(zhǔn)確有效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按照數(shù)據(jù)類型劃分，數(shù)據(jù)接口分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口兩類。
（1）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)指具有一定結(jié)構(gòu)性、可以劃分為固定的基本組成要素、能通過(guò)一個(gè)或多個(gè)二維表來(lái)表示的數(shù)據(jù)。其一般存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，具有一定邏輯結(jié)構(gòu)，可用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的表或視圖進(jìn)行交互。圖4為交互流程。
（2）非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不固定，無(wú)法使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，只能以各種類型的文件形式存放。這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在生成之后會(huì)存儲(chǔ)到相應(yīng)工程的工程文件夾中，通過(guò)對(duì)該文件建立相應(yīng)的索引，系統(tǒng)通過(guò)索引可以快速定位，找到所需交互的文件，并通過(guò)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(wù)應(yīng)用
電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)應(yīng)用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各個(gè)階段，包含規(guī)劃設(shè)計(jì)評(píng)審、物資招標(biāo)采購(gòu)、施工監(jiān)理監(jiān)管、生產(chǎn)運(yùn)維管理多個(gè)子平臺(tái)協(xié)同工作，每個(gè)子平臺(tái)又具備各自的功能，以協(xié)同設(shè)計(jì)子平臺(tái)為例。
電網(wǎng)工程協(xié)同設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是以優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率，最大限度地減少設(shè)計(jì)工作時(shí)間，達(dá)到設(shè)計(jì)工作可視化、流程化、智能化、數(shù)字化的效果。其適應(yīng)工程可研、初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)、竣工圖設(shè)計(jì)四個(gè)設(shè)計(jì)階段，提供選線排位、導(dǎo)地線選型、絕緣配合、桿塔規(guī)劃、防雷接地、桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、成果生成、成果校審、資料提交等功能。圖6為設(shè)計(jì)平臺(tái)功能流程圖。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)工程應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了電力信息模型的概念，并以此為基礎(chǔ)闡述了電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)的構(gòu)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(diǎn)，實(shí)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(dǎo)，以工程數(shù)據(jù)全過(guò)程數(shù)字化管理為發(fā)展目標(biāo)，推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，提高電網(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)度、運(yùn)行、檢修各階段數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)提供有力支撐。
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