電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計一體化平臺

苗培青，李越，黃偉，王鈺

(1.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南市250021;2.華北電力大學(xué)，北京市102206)

0 引言

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷完善和人民生活水平的不斷提高，對電能的需求和電能質(zhì)量要求也不斷提高，急需通過新建或改造電網(wǎng)以滿足地區(qū)供電需求。電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行依賴堅強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，合理的電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計成為一項重要工作。

電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計的結(jié)果建立在可靠的原始資料和科學(xué)的規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，當(dāng)前的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計工作存在諸多問題。一方面，數(shù)據(jù)資料缺乏科學(xué)管理。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，原始資料的信息量越來越大，人工收集資料需花費(fèi)大量精力，并且造成數(shù)據(jù)冗余，準(zhǔn)確性差等，最終影響電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果。因此，提高數(shù)據(jù)的管理水平是目前規(guī)劃設(shè)計部門亟待解決的問題。另一方面，不能適應(yīng)“大規(guī)劃”要求。國家電網(wǎng)“三集五大”體系提出了“大規(guī)劃”:實施規(guī)劃統(tǒng)一編制、統(tǒng)一管理，建立包含各專業(yè)、貫穿各層次、涵蓋多電壓等級的統(tǒng)一規(guī)劃體系。但是由于各地區(qū)在規(guī)劃、研究能力上存在較大差異，難以滿足各級電力公司對電網(wǎng)規(guī)劃研究不斷提高的質(zhì)量和進(jìn)度要求。目前，國內(nèi)已經(jīng)在電網(wǎng)規(guī)劃的數(shù)據(jù)管理［1-4］、可視化［5-7］等方面開展較多的研究工作。由于規(guī)劃與設(shè)計之間存在數(shù)據(jù)交互與共享，但目前還未開展基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的規(guī)劃與設(shè)計一體化研究。

綜上所述，電網(wǎng)規(guī)劃與工程設(shè)計一體化平臺的建立是十分必要的，可以實現(xiàn)全省電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一設(shè)計，提升規(guī)劃設(shè)計工作的可視化水平，能夠為電網(wǎng)發(fā)展評估決策提供技術(shù)支撐，并有利于加快培養(yǎng)電網(wǎng)規(guī)劃研究專業(yè)技術(shù)人才，提升規(guī)劃設(shè)計工作的效率和科學(xué)性。因此，國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求，開展了電網(wǎng)規(guī)劃與工程設(shè)計一體化平臺的研究。項目通過建立院級的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，為電網(wǎng)規(guī)劃與工程設(shè)計提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐，并以此數(shù)據(jù)中心為紐帶，通過數(shù)據(jù)接口有效集成規(guī)劃設(shè)計各功能單元。一體化平臺通過GIS技術(shù)［8-9］實現(xiàn)可視化功能，使電網(wǎng)規(guī)劃與工程設(shè)計業(yè)務(wù)更加直觀、形象。

1 一體化系統(tǒng)總體思路和遵循原則

1.1 系統(tǒng)研發(fā)思路

充分利用電網(wǎng)已建成的用電信息管理系統(tǒng)和監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(production management system，PMS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)出網(wǎng)架自動規(guī)劃、計劃自動排序、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計套用的規(guī)劃設(shè)計編制與評審系統(tǒng)。

負(fù)荷預(yù)測是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，采用以用電信息采集系統(tǒng)的分布、分類負(fù)荷為基準(zhǔn)，用先進(jìn)的預(yù)測模型自動預(yù)測短、長期負(fù)荷預(yù)測值，經(jīng)人工干預(yù)形成規(guī)劃、可研設(shè)計用數(shù)據(jù)。

規(guī)劃是重點，采用先進(jìn)的粒子群算法尋找最佳(變電)站群組合和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而求出最優(yōu)負(fù)荷增量支路(線路)和站點(變電站)，完成一定負(fù)荷水平下的電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)。

可行性研究以建設(shè)年負(fù)荷預(yù)測值校核規(guī)劃計劃排序，計算路徑優(yōu)化和站址的優(yōu)化調(diào)整。

設(shè)計初設(shè)階段校核可研數(shù)據(jù)正確與否，校核輸入輸出與站址的協(xié)調(diào)性，校核站址地質(zhì)條件對建站的造價調(diào)整。施工設(shè)計按選取的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案完成設(shè)計。

建立在工程量計算基礎(chǔ)上的設(shè)計概算與工程結(jié)算是工程造價分析的基礎(chǔ)，是綜合評價工程效益、投資回報率的前提。為了實現(xiàn)上述一體化系統(tǒng)總體設(shè)計思路，需遵循相應(yīng)原則。

1.2 遵循原則

規(guī)范化原則:嚴(yán)格遵循《電力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)章程》、《國家電網(wǎng)公司規(guī)劃設(shè)計內(nèi)容深度規(guī)范》，以及國家電網(wǎng)公司編碼規(guī)范、平臺功能規(guī)范等相關(guān)的國家或行業(yè)規(guī)范。

標(biāo)準(zhǔn)化原則:參照IEC61968/61970、ISO等國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，為平臺/系統(tǒng)間的互操作提供保障。

先進(jìn)性原則:研究數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、智能優(yōu)化技術(shù)、圖形可視化技術(shù)、三維可視化技術(shù)，建立先進(jìn)模型和實用算法，突破平臺建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

安全性原則:按照《國家電網(wǎng)公司應(yīng)用軟件通用安全要求》保證信息的安全性，并保證數(shù)據(jù)在處理和傳輸全過程的安全性，具有一定的抗攻擊性。

高復(fù)用原則:在平臺開發(fā)過程中充分考慮省公司已有軟硬件設(shè)備設(shè)施及電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)，盡可能繼承和復(fù)用有價值的軟硬件資源和數(shù)據(jù)資源，避免資源浪費(fèi)，重復(fù)投資。

積木化原則:平臺建設(shè)采用分層、分塊、分階段的設(shè)計和開發(fā)的思想，逐步建立健全各項功能，最終形成一體化平臺。

2 總體架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計一體化平臺采用多層技術(shù)架構(gòu)，在應(yīng)用軟件的各層結(jié)構(gòu)模型中，定義了詳細(xì)的接口規(guī)范，將數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和界面層分離，實現(xiàn)了多種應(yīng)用之間的松耦合集成，以快速、靈活的方式響應(yīng)業(yè)務(wù)需要對系統(tǒng)的要求。

整個平臺基于構(gòu)架開發(fā)，采用業(yè)界主流的SOA架構(gòu)技術(shù)，便于平臺的開發(fā)、管理和維護(hù)。系統(tǒng)接口按照標(biāo)準(zhǔn)的web service封裝，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)和服務(wù)的集成，具體如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計一體化平臺的總體應(yīng)用方式是集中部署、分級應(yīng)用，分別建立數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用服務(wù)中心［10］。數(shù)據(jù)中心主要存儲規(guī)范化后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及規(guī)劃方案數(shù)據(jù)、設(shè)計方案數(shù)據(jù)等。應(yīng)用服務(wù)中心集成國網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃平臺、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、可視化工程設(shè)計系統(tǒng)以及接口服務(wù)系統(tǒng)。各類人員包括數(shù)據(jù)管理人員、規(guī)劃人員和設(shè)計人員等可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問相應(yīng)的應(yīng)用功能。可視化設(shè)計系統(tǒng)與省公司GIS系統(tǒng)之間采用國網(wǎng)GIS服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交互，與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的web service方式進(jìn)行交互，降低系統(tǒng)之間的耦合度，便于后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)和升級。系統(tǒng)的部署結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是用來存儲電網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)劃方案數(shù)據(jù)、設(shè)計方案數(shù)據(jù)以及其他各類管理數(shù)據(jù);模型服務(wù)器用來存儲電網(wǎng)公共信息模型(common information model，CIM)、可縮放矢量圖形(scalable vector graphics，SVG)等各類模型數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)管理應(yīng)用服務(wù)器可實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、修改、查詢、報表等功能;規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用服務(wù)器可實現(xiàn)基于GIS的電網(wǎng)網(wǎng)架方案的瀏覽、線路桿塔方案的智能優(yōu)化以及基于計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)的變電站初設(shè)方案生成等;應(yīng)用接口服務(wù)器采用web service標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)可視化設(shè)計平臺與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)等系統(tǒng)間標(biāo)準(zhǔn)化交互，并為與其他系統(tǒng)交互預(yù)留接口;各類工作站包括數(shù)據(jù)管理工作站、統(tǒng)一規(guī)劃工作站、可研設(shè)計工作站，以瀏覽器方式為用戶提供平臺的訪問功能。

圖1 平臺技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technology architecture of platform

圖2 系統(tǒng)部署示意圖Fig.2 System deployment diagram

3 系統(tǒng)功能

建立滿足電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計需要的數(shù)據(jù)中心，集成國網(wǎng)規(guī)劃平臺和現(xiàn)有仿真分析及設(shè)計任務(wù)軟件，達(dá)到數(shù)據(jù)共享;完成基于GIS和CAD的線路和變電站自動化設(shè)計，實現(xiàn)一體化、向?qū)健⒖梢暬碾娋W(wǎng)規(guī)劃與可行性設(shè)計統(tǒng)一系統(tǒng)平臺，平臺功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 平臺功能模塊圖Fig.3 Function module of platform

3.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

建立滿足電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計需要的數(shù)據(jù)中心，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和項目管理庫，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的入庫和維護(hù)工作，積累電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。主要功能包括設(shè)計數(shù)據(jù)中心關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲模型;利用或者開發(fā)專門數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)從省公司和經(jīng)研院的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)自動提取所需業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);開發(fā)專門的B/S維護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的人工錄入和維護(hù)。

3.2 可視化工程設(shè)計子系統(tǒng)

實現(xiàn)電網(wǎng)可視化設(shè)計，包括基于GIS的線路自動化設(shè)計和基于CAD的變電站自動化設(shè)計。具體功能包含電網(wǎng)設(shè)計項目的統(tǒng)一管理;基于GIS的電網(wǎng)網(wǎng)架可視化瀏覽;基于GIS信息的線路及桿塔自動排位［11-13］;變電站典型設(shè)計方案庫維護(hù);基于典型方案的變電站自動化設(shè)計;集成潮流計算、短路計算等主要電氣計算功能，實現(xiàn)對規(guī)劃設(shè)計網(wǎng)架的技術(shù)評估;電網(wǎng)仿真分析結(jié)果的可視化，可將電氣計算結(jié)果在GIS上進(jìn)行動態(tài)展示;設(shè)計文檔自動化，實現(xiàn)設(shè)計文檔部分內(nèi)容的格式化、自動化輸出。

3.3 數(shù)據(jù)接口子系統(tǒng)

實現(xiàn)web service接口，便于實現(xiàn)本平臺系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，主要功能包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、網(wǎng)架數(shù)據(jù)服務(wù)和設(shè)計數(shù)據(jù)服務(wù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)是指提供負(fù)荷數(shù)據(jù)、規(guī)劃設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)等;網(wǎng)架數(shù)據(jù)服務(wù)是指提供變電站、線路等信息，便于規(guī)劃子系統(tǒng)與設(shè)計子系統(tǒng)的集成;設(shè)計數(shù)據(jù)服務(wù)是指發(fā)布變電站、線路等的設(shè)計方案結(jié)果。

3.4 自動優(yōu)化功能

通過研發(fā)和鑲嵌現(xiàn)行成熟的系統(tǒng)軟件，自動優(yōu)化生成目標(biāo)網(wǎng)架，并對規(guī)劃目標(biāo)電網(wǎng)和現(xiàn)行電網(wǎng)進(jìn)行定期復(fù)核和計算校驗。自動網(wǎng)架優(yōu)化，包括變電站布點優(yōu)化和網(wǎng)架支路優(yōu)化建設(shè)(站群布點優(yōu)化及先后排序優(yōu)化和網(wǎng)架支路建設(shè)優(yōu)選);線路路徑的自動優(yōu)化設(shè)計選線(本線路路徑優(yōu)化);變電站站址自動選址優(yōu)化;無功補(bǔ)償優(yōu)化布點。

3.5 自動計算和校驗功能

基于圖形處理進(jìn)行安全穩(wěn)定計算;設(shè)備選型計算;電網(wǎng)線損理論計算;在三維模型下的工程量按計價分類計算與統(tǒng)計;按定額計價單進(jìn)行的概預(yù)算計算及結(jié)算計算編制;工程造價計算分析;投資回收計算。進(jìn)行潮流計算及供電能力(N－1潮流)校核;無功電壓平衡計算。進(jìn)行安全穩(wěn)定(N－1故障動熱穩(wěn)定)校驗及可靠性校驗;概預(yù)算計算與方案優(yōu)化比較。

3.6 信息一體化規(guī)劃設(shè)計平臺

集成國網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃平臺的功能，基于規(guī)劃方案進(jìn)行線路和變電站工程設(shè)計方案的生成。實現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計及審查信息施工建設(shè)共享，施工管理信息系統(tǒng)輔助管控，結(jié)算共享設(shè)計、物資招標(biāo)和施工變更信息，自動計算工程量和編制預(yù)、結(jié)算，實現(xiàn)信息化辦公。

4 關(guān)鍵技術(shù)

電網(wǎng)規(guī)劃與工程化設(shè)計一體化平臺的研究建立在對當(dāng)前的規(guī)劃設(shè)計工作進(jìn)行深入、廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，考慮國網(wǎng)公司“三集五大”對電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計工作的新要求，充分借鑒已有相關(guān)成果和經(jīng)驗，全面整合電網(wǎng)公司和經(jīng)研院各種數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用系統(tǒng)，遵循國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，研究先進(jìn)實用的模型和算法，綜合運(yùn)行多種主流的計算機(jī)軟件技術(shù)，面向用戶的特點和使用習(xí)慣，研發(fā)可視化的電網(wǎng)規(guī)劃和工程設(shè)計一體化平臺，關(guān)鍵技術(shù)路線如下。

4.1 先進(jìn)的模型和算法

建立一體化平臺后，可以利用GIS模塊以及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫信息，建立數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行各專題的空間分析，然后對每條備選線路沿線的影響因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，為工程線路方案設(shè)計比選以及變電站選址和進(jìn)出線設(shè)計提供數(shù)據(jù)信息支撐。

同時，合理地選取電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計方案的評價指標(biāo)，實現(xiàn)規(guī)劃和設(shè)計指標(biāo)選取的全面性和指標(biāo)的可獲得性，力求使選取的指標(biāo)具有代表性、多角度、易得性，做到規(guī)劃設(shè)計技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價完整、準(zhǔn)確。

4.2 多源數(shù)據(jù)混合建模技術(shù)

利用計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及可視化技術(shù)開發(fā)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)庫，可以有效地管理規(guī)劃數(shù)據(jù)和輔助電網(wǎng)規(guī)劃，并且便于定期進(jìn)行滾動規(guī)劃，提高規(guī)劃水平。結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用B/S結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)規(guī)劃信息收集可以在網(wǎng)上進(jìn)行，可以改善目前落后的規(guī)劃手段和方法，提高工作效率和電網(wǎng)規(guī)劃的科學(xué)性。

4.3 基于GIS和AutoCAD的可視化技術(shù)

一體化平臺可實現(xiàn)與省公司GIS平臺的對接，基于《國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)GIS空間信息服務(wù)平臺服務(wù)調(diào)用規(guī)范》中的數(shù)據(jù)類型規(guī)范、服務(wù)接口規(guī)范，實現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息和電網(wǎng)網(wǎng)架(系統(tǒng)圖、單線圖、站內(nèi)圖)模型的可視化瀏覽;基于IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)解析，以及規(guī)范中的空間分析、電網(wǎng)拓?fù)浞治龅雀呒墤?yīng)用功能，實現(xiàn)電網(wǎng)仿真分析計算。

通過深入研究 AutoLisp、ActiveX Automation、ObjectARX、AutoDeskRealDWG等AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)與Net平臺開發(fā)技術(shù)的完美融合。重點研究基于典型變電站初設(shè)方案實現(xiàn)的變電站設(shè)計方案的生成技術(shù)，實現(xiàn)由變電站規(guī)劃方案輔助生成CAD圖紙方案，供設(shè)計專工進(jìn)行二次修改，降低設(shè)計人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。

4.4 面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計與開發(fā)

系統(tǒng)廣泛采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ梢暬瘓D元體系設(shè)計、可視化窗口體系設(shè)計、插件化模塊組織等。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)提供的各種概念和技術(shù)組織代碼，實現(xiàn)系統(tǒng)的重要功能，控制開發(fā)的復(fù)雜性。

鑒于本平臺運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，本項目選擇VisualStudio.Net開發(fā)平臺，滿足 B/S、C/S混合開發(fā)，以及與WEBGIS和AutoCAD的嵌入式開發(fā)，既保證了數(shù)據(jù)管理軟件的易用性，也保證了規(guī)劃設(shè)計軟件的專業(yè)性和運(yùn)行效率。

4.5 模塊化松耦合體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對本平臺內(nèi)不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互，基于并擴(kuò)展IEC61970CIM模型，分別定義基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訪問、規(guī)劃數(shù)據(jù)訪問和設(shè)計數(shù)據(jù)訪問，以及業(yè)務(wù)調(diào)用的web服務(wù)格式，實現(xiàn)接口服務(wù)的統(tǒng)一發(fā)布、管理、訪問和控制，盡量降低不同系統(tǒng)之間的耦合程度，實現(xiàn)松耦合。

5 結(jié)語

綜上所述，通過建立數(shù)據(jù)中心，為經(jīng)研院電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的各業(yè)務(wù)單元提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，能夠有效提高規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性與合理性。在GIS平臺的支持下，基于數(shù)據(jù)中心進(jìn)行各專題的空間分析，實時展現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)，結(jié)合地形、環(huán)境等因素來確定變電站的最佳位置和輸電線路最優(yōu)路徑，并選取合理的指標(biāo)對其綜合效益進(jìn)行評價。通過融合國網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃平臺，整合現(xiàn)有電網(wǎng)仿真分析工具。電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計一體化平臺可實現(xiàn)規(guī)劃研究、工程可研、技術(shù)評價、經(jīng)濟(jì)分析等多項功能，實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的系統(tǒng)化、可視化，提高了規(guī)劃成果的統(tǒng)一管理和利用效率。

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