研發電網信息模型(GIM)技術，構建智能電網信息共享平臺

盛大凱，郄鑫，胡君慧，吳志力，齊立忠

(國網北京經濟技術研究院，北京市 100052)

0 引言

國家電網公司提出加快建設堅強智能電網，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合［1］，其中信息化是建設堅強智能電網的基本途徑［2］。信息化的關鍵之一是對各種信息資源進行深層次、多元參數融合、協同處理，為項目規劃、設計、生產運行各階段提供更為詳實的工程信息。建立信息模型是實現信息共享的有效手段，以公共信息模型(common information model，CIM)為例，CIM是以面向對象的方式描述了電力系統各領域的模型，是IEC 61970的核心內容［3］。早期的 CIM主要內容為能量管理系統(energy management system，EMS)信息模型中的對象，目前已經逐漸擴展到電力系統運行的所有公共對象［4］。該模型標準主要側重于電網運行階段，注重智能電網調度技術支持系統的實際應用。

目前電網成體系的工程信息模型研究較少。本文從信息技術與工程技術的角度，系統地分析輸變電工程信息化各階段應用重點及數字化技術應用情況，提出了電網信息模型(grid information model，GIM)概念。GIM是依托地理信息系統(geographic information system，GIS)，將電網的組成元素數字化，以信息模型為載體，集成每個元素全壽命周期內的信息，實現信息的高效、準確、全面的應用。

1 輸變電工程信息化初步梳理

1.1 設計階段

設計是工程建設的龍頭，只有抓住源頭，才能把握住信息流的主脈。在工程設計的初始階段建立起信息載體，才能服務好后續工作，才能將工程各階段的海量信息整合應用。近年來，伴隨著數字化設計技術的研究與應用，研究建立以設備模型為載體的設計信息集成技術(包含三維圖形、地理信息、工程結構化和非結構化化數據)，推動了數字化設計技術的廣泛應用，使設計成果正逐步從工程設計圖紙向數字化設計成果過渡［5-6］。

1.2 施工階段

施工是工程建設的重要階段，近年來在輸變電工程施工管理中正逐步探索應用以可視化模型為基礎的施工管理平臺，實現現場工程進度可視化，現場施工模擬三維化，使管理者和其他相關工作人員能夠真實、直觀、全面地了解工程建設情況，綜合管理各單位的信息，提高管理水平［7］。

1.3 運行階段

目前國家電網公司建立了生產管理系統(production management system，PMS)，以設備管理為核心，涵蓋了設備管理、缺陷管理、檢修試驗管理、故障管理、檢修試驗管理等多項業務［8］。近年來基于GIS的PMS系統研究應用也在一些地區取得了進展，以福建省為例，初步建立一個基于GIS，集成輸電、變電等一體化電力生產管理系統，進一步加強了生產階段信息化建設水平［9］。

1.4 小結

從以上分析可以看出，輸變電工程規劃、設計、物資采購、施工、運行各個階段均有對輸變電工程的設備信息模型和地理信息模型的共同需求。

2 GIM概念的提出

電網需要建立一個全新的輸變電工程設計、施工、運行等各階段使用的信息模型，將各階段的數據資料收集整合，包含在信息模型中，讓工程全壽命周期中各個階段的工作人員使用該模型時，都能獲得精確完整的數據。

從2002年來，國際建筑行業興起了以建筑信息模型(building information model，BIM)為核心的建筑信息化應用。BIM綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構件性能，將一個建筑項目整個生命周期內的所有信息整合到一個單獨的建筑模型中，而且還包括施工進度、建造過程、維護管理等過程信息［10］。

BIM技術雖然具備全過程信息共享的理念，但是由于僅局限于單一建筑模型，與電網這種網狀結構相比差異性較大，同時需求推動不足。

此外，國內發電行業提出了數字化電廠概念，通過設計單位進行三維設計，為業主提供包括三維立體設計模型、設計文件及資料、工程建設過程中的管理資料，輔助業主建立平臺，收集項目投產后的運行記錄資料，為管理和運行提供即時有效的決策參考資料和依據［11］。這與BIM系統有相似之處，但規模及作用更為重要。目前發電行業正在研究分層控制等技術，因其需求明確，業主正在逐步推動有關研究。電廠相對電網而言，可以看成電網的一個節點。

目前電網的現狀是:各階段自成系統，不同系統之間對工程信息有著共性需求，但是由于業務劃分和平臺建設不同期等原因，信息被分割成一個個孤島，無法實現高效的信息共享。由于信息重復錄入，不僅增加了大量工作，同時也降低了信息的正確性。以目前輸變電工程為例，設計階段的正逐步探索應用的三維數字化模型僅在設計院內部初步實現了信息共享，未實現與其他系統的跨平臺應用。其他系統的工程信息還需要人工錄入，由于設備基礎數據量大，數據完整率和參數完整率2個方面也不同程度存在一些問題［8］。

通過總結不同行業的研究情況，研究信息技術在輸變電工程應用特點，考慮到輸變電工程各階段信息需求各有側重，提出GIM概念。GIM梳理共性需求，將可傳承性的輸變電工程信息加以規范，建立統一的模型框架和描述方式，實現不同平臺的采集及應用。

GIM是一種方法，通過與之配套的技術才能有效實施，這些技術包括CAD技術、參數化建模技術、數據庫技術、GIS技術等。GIM技術以數據庫為基礎，研究通用的模型接口技術和統一的編碼系統，建立貫穿輸變電工程全過程的信息模型。

3 GIM技術的特點與優勢

3.1 虛擬性

從輸變電工程設計伊始開始建立實體模型，并作為信息的載體，推進工程全過程的可視化、虛擬化。目前的技術已經具備建立數字化三維虛擬模型(以數字地球為例，已經從二維向三維跨越［12］)，同時電網自身的特點需要實現與GIS高度整合，相關模型數據與GIS系統實現分層顯示。

3.2 關聯性

按照不同需求，確定建立統一的模型接口和信息分層，實現工程建設中不同信息需求各方之間信息協同，向設計階段延伸可以實現各設計專業間的信息傳遞、共享，推進協同設計;作為開放式的信息載體可以實現設計、建管、物資、運行等各單位之間信息傳遞和共享，解決數據斷層，實現工程信息一次錄入多次采用。建立以GIM為基礎的承載信息的數據庫，實現跨平臺共享及信息采集。

3.3 仿真性

利用GIM技術，可以實現輸變電工程模擬施工、模擬搶修、模擬漫游等功能，同時具備與在線監測信息的關聯接口，可以為生產部門提供結構化和非結構化的工程數據，實現各種培訓工作。

3.4 全壽命周期性

利用GIM技術，可以大幅提高數據采集的能力。利用GIM的共享知識信息資源，可以為設備從采購到報廢的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據。

3.5 安全性

根據電力系統等級保護要求，GIM屬于非控制區，作為信息模型，按照“標準先行，試點應用”的原則進行安全防護，按照分階段、分區域設置不同的查詢和應用等級，確保工程信息安全可靠。GIM框架如圖1所示。

圖1 GIM框架Fig.1 Frame of GIM

4 GIM的建立

研究建立GIM，是實現工程建設階段信息流和業務流融合的重要舉措，GIM需要貫穿工程建設的整個過程，這就需要工程建設的各階段的參建單位以及后期的運行單位共同參與。

輸變電工程設計是整個工程信息的起點，因此建立GIM的前提是工程設計必須實現數字化設計，否則設計單位將進行大量的重復性工作。近年來伴隨著計算機軟、硬件技術的進步，在設計單位內部，設計信息傳遞的日益便捷，多專業、跨區域、多平臺整合之勢日趨顯現。特別是以三維數字化設計技術為代表的新設計技術在輸變電工程中不斷得以應用，為GIM提供了數據基礎。設計單位是建立模型的關鍵環節，其工程設計信息覆蓋工程建設的全過程，包括:可行性研究階段、初步設計階段、施工圖階段、竣工圖階段。電網信息流程如圖2所示。

圖2 電網信息流程Fig.2 Grid information process

4.1 數據接口

建立GIM，首先要解決的是信息斷層問題。在信息錄入階段斷層主要體現在設計文件與各應用平臺之間無法互聯互通，因此需要從數據層面分析各階段信息需求。同時單靠設計信息與各平臺進行接口研究還不能解決信息孤島問題，需要構建以GIM為基礎的工程數據庫才可以將信息流和業務流進行進一步的融合。

4.2 數據結構

電網運行設備種類繁多，數量巨大。首先建立三維數字化模型，涵蓋結構化和非結構化的數據框架，以三維數字化模型為載體，通過多種信息采集手段實現對設備的信息化管理，通過建立通用的GIM接口可以實現采購、生產、運輸、安裝階段的工程數據庫共享整合，進而通過在線監測技術實現設備運行階段的信息掌控，提高設備全壽命周期管理水平。以某工程桿塔為例:通過設計單位設計確定桿塔的基本參數要求、總體外型尺寸要求及相關地理信息數據，提出三維數字化模型;設計方案審查后，確定主要技術參數信息，主要以結構化數據存儲在模型中，設計單位將信息傳遞給物資采購平臺;在確定生產廠家后，由設計單位將有關生產制造信息錄入到模型中，并將模型和有關圖紙進一步提交給施工平臺和施工管理平臺;施工單位和建設管理單位將施工情況補充完善，由設計單位將包含竣工圖及前期全部內容的信息移交給運行單位;根據桿塔檢修、運維的數據，實現對設備全壽命周期的管控。輸電線路信息模型如圖3所示。

GIM研究的目的是以電網中主要組成元素(變電站設備、線路桿塔等)為切入點，分析現有的海量數據，梳理出在輸變電工程建設階段各個信息平臺之間的共同點，進行系統的融合研究，以GIM為基礎推動信息數據的一次錄入多次采用，構建具有可視化、全壽命周期智能電網應用平臺。

圖3 輸電線路信息模型Fig.3 Information model of power transmission line

5 構建智能電網信息共享平臺

一些學者通過研究認為數字地球再加上物聯網就可走向智慧地球［12］，從某種角度而言，電網信息模型與傳感器技術的深度整合，構建智能電網信息共享平臺，將可以進一步推進智能電網技術的應用。

國家電網公司正在建立輸變電設備狀態監測系統，建立統一的標準開放的信息技術框架，規范各類輸變電設備狀態監測裝置的數據處理，實現重要輸變電設備狀態和關鍵運行環境的實時監測、預警、評估等功能。在線監測系統如果與前期模型信息進行整合［13］，可以實現構建以電網信息模型為基礎的工程數據庫，為在線監測系統提供更為詳實的工程模型，推動建設、運行等各應用層的信息關聯，最終融合輸變電工程規劃、建設、運行階段的信息流和業務流。智能電網信息共享平臺建設構想如圖4所示。

6 下一步發展及建議

智能電網的建設是逐步使電網具有智能化的過程［14］，是復雜的系統工程，需要一系列的新技術、新設備的支撐，輸變電工程建設階段的信息化應用，將促進電網智能化進程。以數字化設計為代表的新一代設計技術正在逐步改變輸變電工程設計，使設計單位具備提交更豐富、詳實和精細的數字化設計成果［3］。以此為基礎，充分利用這些設計成果研究建立具有通用性的GIM，推動輸變電工程全過程的信息化建設。同時加強對物聯網技術的進一步研究和應用，推進三維數字化評審、三維模擬化施工、可視化施工管理、可視化物資采購供應管理、在線監測可視管理等應用平臺建設，推動電網公司的數據流和業務流融合。

圖4 智能電網信息共享平臺建設構想Fig.4 Idea of sharing platform for smart grid technology information

現階段GIM還存在以下幾個方面的問題需要深入研究:

(1)標準研究。以BIM為例，BIM技術的應用和推廣借助了IFC標準［15］，實現了不同軟件之間交換設計數據［16］。相比之下更為復雜的GIM目前也存在信息標準和接口不統一的情況。以設計階段三維模型為例，目前已經存在DWG、DGN等多種格式數據信息，數據信息存儲方式各異，各應用階段尚沒有統一的數據接口。這就需要開展以GIM為基礎的工程數據中心建設研究，分析模型接口和編碼標準，制定統一的標準，促進各應用平臺接受和使用。研究所形成的標準也將促進我國在電網建設階段技術優勢轉化為先進的標準優勢。

(2)網絡傳輸和數據庫技術。隨著云時代的來臨，大數據(big data)吸引了越來越多的關注。輸變電工程信息作為大數據重要組成部分，也已成為電網企業重要的資產。推動以GIM為基礎的工程數據庫的研究，進一步提高電網企業獲取和收集信息的能力，同時需開展分區分級應用研究和網絡技術研究，提高信息的安全性。另外進行新型結構的數據庫技術研究，推進信息存儲與共享。

(3)信息挖掘技術。數據分析能力正在成為企業的核心競爭力。通過建立GIM，為信息挖掘技術的研究提供了數據基礎，下一階段需要加強數據分析的研究。

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