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(wǎng)快速發(fā)展背景下電力工程項目的新形勢,，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(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,，為建設(shè)堅強智能電網(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,，國家電網(wǎng)公司加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展,，具有信息化,、自動化、互動化特征的堅強智能電網(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)運而生[1]。

　　隨著我國電力工業(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)計管理工作的需要。城市電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，由于經(jīng)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(diào)度運行、設(shè)計和檢修維護部門都離不開這些接線圖,。目前許多單位應(yīng)用AUTOCAD等繪圖軟件來繪制圖紙,，而數(shù)據(jù)的管理意識則相對薄弱，結(jié)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(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計,、施工,、運維全過程，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(wǎng)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(yīng)用,，大大增進了電網(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、自動化水平提升到一個新的高度,。

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(shù)。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(chǎn)和設(shè)備的地理位置,，通過記錄設(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(shè)計軟件包,，開發(fā)出以數(shù)據(jù)庫為核心,、網(wǎng)絡(luò)為支撐的集成軟件系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的共享，使得設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(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)用范圍逐漸擴大,，覆蓋了輸電、變電,、配電,、營銷、調(diào)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(yīng)用的過程中,，出現(xiàn)了種種問題，主要體現(xiàn)在電網(wǎng)工程各階段自成系統(tǒng),，數(shù)據(jù)相互獨立,。由于業(yè)務(wù)范圍不同、平臺建設(shè)時間不同等問題,，各個環(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(shè)計階段中,，各設(shè)計單位都建立了各自的數(shù)字化設(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)量大,，設(shè)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(wǎng)建設(shè)項目往往由電力公司牽頭,，由設(shè)計單位,、施工單位、設(shè)備供應(yīng)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(chǔ),，進行電網(wǎng)模型的構(gòu)建，所有單位在同一平臺實時共享數(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比。

　　電力信息模型按照工程從規(guī)劃,、設(shè)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(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)工程各階段有機地關(guān)聯(lián)起來,，為電網(wǎng)工程全生命周期管理提供了堅實的基礎(chǔ),，保證了數(shù)據(jù)信息的實時性與準確性。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)是進行各電壓等級的電網(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),，輔以運維階段產(chǎn)生的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，建立規(guī)劃平臺,，輔助進行電網(wǎng)規(guī)劃,。規(guī)劃后生成電網(wǎng)規(guī)劃圖和電壓等級、項目周期,、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)計階段使用。

　　2.2 設(shè)計階段

　　設(shè)計作為工程建設(shè)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(chǔ)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(shè)和施工圖設(shè)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(chǔ)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(jié)果進行機電計算及結(jié)構(gòu)計算,。同時,，在設(shè)計過程中涉及多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，電氣,、結(jié)構(gòu),、測量、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)的準確性和實時性,。設(shè)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(shè)計階段產(chǎn)生的輸變電工程勘測設(shè)計資料的基礎(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,，為施工過程提供直觀化和精細化管控,。同時產(chǎn)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(shè)階段的數(shù)字化成果為基礎(chǔ),，建立生產(chǎn)管理平臺和運行檢修平臺，為生產(chǎn)運維服務(wù)產(chǎn)生運行數(shù)據(jù),。

3 電網(wǎng)工程信息一體化平臺

　　依靠電力信息模型,，建立電網(wǎng)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(gòu)建電網(wǎng)工程信息一體化平臺需從用戶,、終端、用戶接口,、基礎(chǔ)應(yīng)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(yīng)用場景，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，對電網(wǎng)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(wù)應(yīng)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(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,。

　?。?）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(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)模型表達空間實體是通過描述構(gòu)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?？梢允褂镁€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(wǎng)專題,、經(jīng)濟民生,、地震地質(zhì)圖等。

　?。?）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(nèi)容：

　　唯一性,。屬性類別及命名的唯一性：單個模型、紋理對應(yīng)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(nèi)容與真實需求一致,；更新內(nèi)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(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。

　?。?）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)計本工程過程中產(chǎn)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(guān)系型數(shù)據(jù)管理技術(shù)構(gòu)建,，首先整理出業(yè)務(wù)實體和關(guān)系實體,，獲得實體-關(guān)系模型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計原理和理論獲得數(shù)據(jù)庫的物理關(guān)系模型,，最后提供構(gòu)建共享數(shù)據(jù)庫的方法,，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)庫,。

　　3.2 數(shù)據(jù)接口

　　電網(wǎng)工程從規(guī)劃設(shè)計到施工建設(shè)再到運行維護，每個階段都會產(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、標準化的交互內(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。

　?。?）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、能通過一個或多個二維表來表示的數(shù)據(jù),。其一般存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,，具有一定邏輯結(jié)構(gòu)，可用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表或視圖進行交互,。圖4為交互流程。

　?。?）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，無法使用關(guān)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在生成之后會存儲到相應(yīng)工程的工程文件夾中，通過對該文件建立相應(yīng)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(wù)應(yīng)用

　　電網(wǎng)工程信息一體化平臺應(yīng)用于規(guī)劃、設(shè)計,、施工,、運維各個階段，包含規(guī)劃設(shè)計評審,、物資招標采購,、施工監(jiān)理監(jiān)管、生產(chǎn)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(shè)計子平臺為例。

　　電網(wǎng)工程協(xié)同設(shè)計主要目標是以優(yōu)化設(shè)計手段,，提升設(shè)計質(zhì)量,，提高設(shè)計效率,，最大限度地減少設(shè)計工作時間，達到設(shè)計工作可視化,、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,、竣工圖設(shè)計四個設(shè)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(shè)計,、基礎(chǔ)設(shè)計、成果生成,、成果校審,、資料提交等功能。圖6為設(shè)計平臺功能流程圖,。

4 結(jié)束語

　　本文介紹了目前國內(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,，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(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、施工,、調(diào)度,、運行、檢修各階段數(shù)據(jù)信息準確性與實時性,，為建設(shè)堅強智能電網(wǎng)提供有力支撐,。

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