面向智能電網二元復雜網絡的電力統一空間信息模型

劉匯慧，楊成月，吳麗莎，張翼英

（1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.國網信息通信產業集團公司深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518031；3.國網安徽電力安慶供電公司，安徽 安慶 230061；4.天津科技大學計算機科學與信息工程學院，天津 300222）

運營技術廣角

面向智能電網二元復雜網絡的電力統一空間信息模型

劉匯慧1，楊成月2，吳麗莎3，張翼英4

（1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.國網信息通信產業集團公司深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518031；3.國網安徽電力安慶供電公司，安徽 安慶 230061；4.天津科技大學計算機科學與信息工程學院，天津 300222）

智能電網融合了電力網和電力通信網（以下簡稱二元網絡），是現代電網的升級和跨越。針對電力空間信息模型存在的信息共享、專題應用及動態展示等難題，提出了面向智能電網二元網絡的統一空間信息模型。分析了電力企業二元網絡統一模型管理需求，按照抽象、實體、業務3個層次構建了二元網絡的幾何對象、拓撲關系、臺賬參數的概念模型與邏輯模型，實現了基于公共信息模型的電力二元網絡統一空間信息模型表達、建模和一體化管理。

智能電網；二元網絡；統一空間信息模型；概念模型；邏輯模型

1 引言

隨著智能電網建設的推進，電力網能量流和電力通信網信息流交織在一起，并且業務交互日益頻繁，最終使得未來智能電網在很大程度上將發展成為由信息通信網和物理電力網構成的相互依存的二元復合網絡［1］。電力地理信息系統（geographic information system，GIS）為面向智能電網的二元網絡資源信息化管理提供了強大的支撐［2］。電力地理信息系統逐步由輸電GIS、配電GIS、通信GIS等單個孤立地理信息系統向企業級空間信息共享服務平臺演進。電力GIS在面對多域多態電力業務資源的信息化管理，需要結合通信技術、網絡技術和GIS技術，從專業化、集成化向統一化演進，以降低空間信息的冗余度，提高GIS綜合智能化決策能力。

但是電力GIS具有很強的專業性和區域性，既不規范，也不統一，在信息共享、專題應用及動態展示等方面實現困難。同時，智能電網支撐能源互聯網的發展，更加要求電力企業二元網絡必須高度融合、進行統一管理，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化應用；要求網絡專題圖能夠準確、實時、直觀地反饋二元網絡變化。那么，面向智能電網的二元網絡，僅通過集成的演進方式很難從根本上實現涉及空間信息的業務融合和空間數據的無縫共享。而且它會不斷地增加資源維護的工作量并帶來大量的冗余數據，數據現勢性無法保證。同時數據更新容易出錯，很難及時發現并糾正，在錯誤網絡專題圖應用中很可能造成錯誤調度，造成人身傷亡事故。本文提出基于多業務管理模型的電力統一空間信息模型 （power unified spatial information model，PUSIM），是解決上述問題的有效方法。PUSIM依托電力企業現代管理理念，面向資源優化和應用整合，以企業級電力GIS一體化平臺為基礎，可有效提升GIS應用水平，提升業務GIS的綜合決策能力，增強企業核心競爭力，從而能夠更好地支撐和推動智能電網的快速、健康發展。

2 電力空間信息模型

2.1 IEC CIM國際電網公共信息模型標準

CIM（common information model）是一個抽象模型，描繪了電力企業中所有的主要對象，包括這些對象的公共類、屬性以及對象之間的關系等。由于CIM對電力系統對象的描述本質上是抽象的，因此CIM具有廣泛應用空間，這一標準可以理解為是在任何一個領域使集成成為可能的一個工具，只要那里需要一個公用系統模型來促進各種應用和系統之間的互操作性和插入兼容性，而且這和任何一種特定的實現無關。IEC CIM標準的建立為電力企業各系統數據建模和系統間數據交換與集成提供了基礎［3］。

2.2 SG-CIM國家電網公司公共信息模型標準

為滿足SG-ERP建設目標，國家電網公司在IEC系列標準基礎上對CIM進行擴展，并形成了統一信息模型（SG-CIM）標準。SG-CIM 直接引用IEC61970／61968CIM 中與國家電網公司相符的內容；此外，SG-CIM中亦包含CIM未涵蓋、但依據國家電網公司需求進行了個性化擴展的內容。SG-CIM實現了不同層面、不同系統、不同結構的數據統一表達和統一訪問途徑，完成了不同應用系統之間的通用數據共享方案［4］。但是SG-CIM模型未考慮通信設備；對于GIS模型僅僅是從系統集成角度考慮。特別是基于SG-CIM標準來設計電力空間信息模型的相關研究內容還未見報道。

3 電力業務對統一空間信息模型需求分析

3.1 電力業務資源需求

（1）數據共享

電力通信網是保證電網安全可靠運行的基礎，主要隨電網建設而同步敷設。因此，電力業務資源在空間資源范圍內的相同點或相似點達到95%；而電力GIS作為管理電力業務資源最有效的平臺之一，各業務GIS應用之間存在平臺版本、資源模型、管理粒度、應用模式等方面的不統一，造成多域多態網絡下的資源建設不能有效保證其資源的完整性和唯一性。因此，迫切需要建立電力空間統一信息模型，以達到統一GIS平臺、規范資源建設以及避免資源冗余的目的，實現電力業務資源合理有效和完整共享。

（2）數據維護

電力二元網絡縱橫交錯、資源類型繁多，一般通過傳統的測繪、制圖方法進行資源信息運維。圖紙保存歷史數據，但實際情況是不斷變化的，因而不可避免地導致圖紙信息的過時和不準確。更為棘手的是多域多態網絡資源的運維，由于受各不同專業運維人員的維護，因此極易出現同一對象多人維護且維護信息不一致現象，缺乏資源維護的有效聯動性，對公共資源而言是一種浪費。

3.2 電力業務應用需求

（1）生產管理

將電網地理信息、設備接線圖、實時監測信息、業務流程信息、設備臺賬和維護信息等數據有機結合，進行統一管理。

（2）營銷管理

將GIS技術應用于新裝／增容／變更、線損管理、計量點管理、客戶關系管理、客戶聯絡管理等業務，為用電管理和用電咨詢提供依據，提高客戶服務響應速度。

（3）防災應急

基于GIS整合生產管理GIS、營銷管理GIS等業務信息，實現跨地域、跨部門的空間數據共享，基于GIS電網在線綜合評估、搶險救災、資源分配、輔助調度、災患綜合治理與應急演練集于一體，實現防災、減災、治災和應急全過程管理，提供可視化和智能化輔助應急指揮手段［5］。

（4）電網規劃

為電網規劃專責提供歷史斷面電網、現狀電網和未來規劃電網的全面動態空間信息資料；在地理圖上進行可視化的電網規劃設計，開展變電站站址以及輸配電線路路徑設計優選；基于GIS的負荷預測和電網規劃方案優選，提高 電 網 規 劃 設 計 水 平［6］。

4 電力統一空間信息模型

統一空間信息模型PUSIM構建了抽象、實體及業務網絡層次模型，建立了對象數據模型、統一拓撲模型和場景應用模型，在應用靈活性、資源共享性、決策綜合性、運維復雜度和業務融合度方面比傳統電力GIS模型有了根本性的變化，這些變化將對地理網絡模型、實體網絡模型、業務網絡模型以及模型應用的研究工作帶來挑戰。下面擬從網絡層次模型、統一拓撲模型和應用場景模型等方面進行分析討論。

4.1 網絡分層模型

電力GIS由現實地理空間中一系列電力特征以及電力特征之間的關系組成。其中，電力特征是指用于描述電力領域中具有空間或時空位置的客觀實體或現象的地理對象。在綜合業務應用中，電力特征網絡具有描述、承載和計算等作用；同時具有復雜性和多樣性的特點，要求數據描述詳細、應用表達靈活和智能分析全面。從場景、空間以及層次3個維度描述電力特征概念如下：

Power_Feature= ＜ID，SCENE（space／leυel），SPACE（scale／leυel），LEVEL＞

其中，ID表示電力特征獨一無二的標識；SCENE表示電力特征的場景屬性，它可隨空間（space）變化而變化，也可隨層次（leυel）變化而變化；SPACE表示電力特征的空間屬性，它可隨場景變化而變化；LEVEL表示電力特征的層次屬性。

針對電力業務資源，從數據和應用兩方面，深入剖析電力業務資源的動／靜態、直接／間接、共性／個性等表達的特點，形成抽象、實體、業務3層網絡的層次框架（如圖1所示）。

圖1 PUSIM網絡分層示意

在PUSIM中，Power_Feature所表達的電力業務資源實體在信息化應用中主要通過對象、屬性、關系進行描述（如圖2所示）。其中，實時數據是資源實體相關的實時信息（性能數據、狀態信息、SCADA（supervisory control and data acquisition）等）。電力業務資源實體在GIS上通過點、線、面3種組合方式進行展示。

圖2 電力實體資源描述

PUSIM中各層級的對象之間存在映射關系（如圖3所示），使得比傳統電力GIS單一模型在數據共享、靈活展示、綜合分析方面具有優勢，且更加智能化。電力業務資源空間表達的網絡分層模型是電力統一空間信息模型的核心思想。

圖3 PUSIM 3層結構關系

4.2 統一拓撲模型

GIS空間拓撲關系龐大而又復雜，從Egenhofer等人［7，8］提出 4-交集模型和9-交集模型，到區域連接計算（region connection calculation，RCC）模 型［9，10］，再 到 CBM （calculus based method）空間拓撲關系分類方法［11］以及基于層次分類方法（hierarchy based method，HBM）等，均對空間拓撲關系進行了深入研究。體現了很強空間拓撲表達能力、完備性與互斥性等。電力二元網絡拓撲關系除了在GIS上進行空間拓撲表達外，更需要表達設備對象之間的拓撲關系以及關系的動態變化，主要分為物理拓撲連接和邏輯拓撲連接。通過邏輯拓撲關系和物理拓撲關系形成更加完整的拓撲結構。

（1）物理拓撲單元

在PUSIM中的物理拓撲關系，可以通過空間對象拓撲關系或者物理對象屬性進行拓撲關系描述。其對象之間的連接關系遵循IEC CIM拓撲包容關系模型的抽象描述，具體是對點和線的計算和分析，用線來表述電力設備，用節點來表述連接關系。

圖4是電網中典型的拓撲關系，連接對象是PUSIM物理對象或者邏輯對象，兩連接對象端點通過連接節點模型建立連接關系。附加屬性補充，以描述設備附加屬性，同時可附加電網參數。對應關系見表1，其附屬信息見表2。

圖4 電力二元網典型物理拓撲關系

表1 電網物理拓撲單元連接關系

表2 拓撲模型的附加屬性字段

（2）邏輯拓撲單元

邏輯拓撲描述的是物理設備對象或邏輯設備對象之間（或內部）在應用上的一種邏輯關系，這個邏輯關系在網絡運行中是動態變化的。如開關和通信設備 （如圖5所示），并建立關系映射（見表3），來描述圖5各個容器對象內的邏輯連接。

圖5 電力二元網絡中邏輯對象關系示意

表3 PUSIM容器對象內的邏輯關系映射

4.3 應用場景模型

在電力二元網絡業務應用中，往往根據業務應用需求來設計應用展示和獲取信息來源，稱為業務場景。它隨需求的變化而變化，體現場景對信息資源和信息展示的動態性和實時性。選取電力GIS應用的兩個典型的業務場景——運行類場景和監視類場景，進行分析。

（1）運行類場景

運行類場景，描述的是電力二元網絡中相關聯資源的一種網狀拓撲模式，如傳輸系統網絡圖、電路路由圖、設備邏輯拓撲圖、潮流圖、單線圖、電系圖、聯絡圖、饋線圖等，通過拓撲關系直觀反映電網業務網絡的組織方式。運行類場景中的網絡拓撲（Voperation）是由規則決定的一系列業務對象及對象關系組成，它是實時動態變化的，規則不同，場景中網絡圖也不同。

其中，x代表運行類場景規則，由于在PUSIM模型中存在函數fobj、frelation，使得任何一個業務對象及關系存在與之對應的實體對象及關系，從而可靈活地實現運行類場景應用的業務網絡在GIS平臺上的自動成圖展示。

所以存在對應實體網絡 Vreal（x）=f（Voperation（x），即：

· 同專業類業務應用采用Voperation（x）模式進行表示；

· 跨專業類業務應用需通過Vreal（x）模式進行鏈接，如：

其中，Voperation（x）、V’operation（x）為跨專業的兩個業務網絡模型。

· 當 Voperation（x）發生變化時，Vreal（x）不一定發生 變化，這樣在電力二元網絡中業務頻繁變更的情況下，大大提高了業務場景應用的靈活性，降低資源維護的復雜度（如圖6所示）。

（2）監視類場景

監視類場景建立在運行類場景等基礎之上、綜合反映資源實時狀態的一種網絡拓撲模式，并對實時狀態可能引起的一些變化進行分析展示。電力二元網絡中網絡運行狀態監視、網絡資源利用率、故障影響范圍等屬于監視類場景。

網絡運行狀態監視在運行類場景基礎上顯示資源運行狀態。當網絡發生狀態告警或者性能告警時，網絡運行狀態監視場景會接收到告警信息并準確定位。設定（V1，V2，V3，…，Vn）為一組運行類場景）為一組監視類場景，Obji為告警對象，則存在：

圖6 業務場景變化示意

· 當 Obji∈｛Bobj｝，在Vm場景中將Obji圖元符號更換告警符號，或者繪制一個告警符號，其告警坐標Alarm（x，y）=Obji（x，y）+offset，依據實際需要而定。

· 當 Obji∈｛Bobj_relation｝，在Vm場景中不能直接通過對象坐標來獲取告警對象，需要經過一定故障診斷方法 ，如人工神經網絡方法［12］、基于專家系統方法［13］、貝葉斯網絡的方法［14］、信息理論方法［15］、數據挖掘技術和粗糙集方法［16］等幾種故障診斷方法在電力二元網絡應用進行分析評價。通過對告警信息診斷，確定故障對象，進行一定信息換算過程，才能準確地進行故障定位。下面列舉一個在光纜在線監測［14］應用中的故障定位案例（如圖7所示）。

圖7中A-E代表一條敷設光纜軌跡，B、D均為A-E光纜段的拐點（例如地井、桿塔），當A-E光纜發生中斷告警時，告警信息除了包含光纜對象，還包括故障中斷長度信息，若要在Vm場景中精準地顯示故障源位置，需要進行長度與坐標換算。

圖7 光纜敷設空間軌跡

A（x1，y1）與 B（x2，y2）的長度 SAB計算式：

其中，r=6 378.137（地球半徑，單位為km）。

依據斜率公式，直線段 P1→P2中任意長度 l（P1→P）的點P坐標可表示為：

那么，故障點 C（xc，yc）的坐標可表示為：

其中，點 A（xa，ya）、B（xb，yb）、D（xd，yd）、E（xe，ye）均可通過 A-E對象在V中獲取。Lac代表故障測距，∑Sab代表A-B折線段總長度。

考慮到電網中諸多因素而引起實際物理長度與模型中軌跡長度偏差，例如電纜懸垂、光纜盤留、桿塔接頭盒等因素。那么，存在偏差因子k，使得：

當 Obji∈｛Batt_relation｝，在Vm場景中可將Obji圖元符號更換告警符號，或者映射到相關對象上進行展示，具體實現可依據需求靈活制定。

網絡資源利用率在運行類場景基礎上顯示網絡運行中資源利用情況，依據設定的閾值進行監視預警，如通信網中光纜或光纖中業務承載量以及電網中線路的負荷量等。在單一業務場景中或許很難體現資源的利用情況，當多個業務場景疊加后會在實體網絡中產生權重矩陣W（具體計算值在統計類場景描述），權重矩陣中元素值的大小可反映實體網絡資源的利用情況，通過其最大最小值分析實體網絡區段中的隱患和業務網絡規劃的合理性。

5 結束語

本文分析了電力業務在資源共享、業務融合、深化應用等方面對統一空間信息模型的需求。構建了符合電網特征的PUSIM，實現電力二元網絡幾何對象、拓撲路由、臺賬參數的統一表達、建模與一體化管理，解決了電力二元網絡空間資源信息模型的全覆蓋、業務流全融合、信息資源共享的難題，達到了PUSIM對于GIS圖形、拓撲關系、臺賬參數一體化管理的先進水平，并基于多版本管理技術可以為電力企業網絡空間資源全壽命周期管理提供模型方面的支撐。隨著二三維一體化技術的發展，基于PUSIM可擴展支持三維GIS模型，實現全景全息建模、業務全過程、二三維一體化的電力GIS時空信息模型與應用是下一步研究的重點。

［1］梅生偉，王瑩瑩，陳來軍.從復雜網絡視角評述智能電網信息安全研究現狀及若干展望［J］.高電壓技術，2011，37（3）：672-679.MEI S W，WANG Y Y，CHEN L J.Overviews and prospects of the cyber security of smart grid from the view of complex network theory［J］.High Voltage Engineering，2011，37（3）：672-679.

［2］王浩浩，管霖，邱生敏，等.基于地理信息系統的大規模配電網可靠性評估方法［J］.電網技術，2011，35（4）： 92-97.WANG H H，GUAN L，QIU S M，et al.A method to evaluate reliability of large-scale distribution network based on geographic information system ［J］.Power System Technology，2011， 35（4）： 92-97.

［3］周云成，許童羽，付立思.基于CIM和SOA的電力GIS系統架構［J］.電網技術， 2014，38（4）： 1115-1121.ZHOU Y C，XU T Y，FU L S.Electric power GIS system architecturebased on CIM and SOA ［J］.PowerSystem Technology，38（4）：1115-1121.

［4］王家凱.電力企業數據中心公共信息模型的研究與應用［D］.北京：華北電力大學，2011.WANG J K.Research and application aboutcommon information model of power enterprise data center ［D］.Beijing：North China Electric Power University，2011.

［5］楊成月.基于物聯網與空間信息技術的電網應急指揮系統［J］.電網技術， 2013， 37（6）： 1632-1638.YANG C Y.Power grid emergency command system based on internet of things and spatial information technologies ［J］.Power System Technology，2013，37（6）： 1632-1638.

［6］肖白，楊修宇，穆鋼，等.基于元胞歷史負荷數據的負荷密度指標法［J］.電網技術， 2014， 38（4）： 1014-1019.XIAO B，YANG X Y，MU G，et al.A load density index method based on historical data of cell load［J］.Power System Technology，2014， 38（4）： 1014-1019.

［7］PULLAR D V，EGENHOFER M J.Toward formal defmitions of topological relations among spatial objects ［C］／The 3rd InternationalSymposium on SpatialData Handling，August 17-19，1988，Sydney，Australia.［S.l.：s.n.］，1988：225-241.

［8］EGENHOFER M J，HERRING JR.Categorizingbinary topological relationships between regions，lines and points in geographic database［R］.1991.

［9］RANDELL D A，CUI Z，COHN A G.A spatial logic based on regions and connection ［C］／The 3rd International Conference on Principles of Knowledge Representation and Reasoning，Oct 1，1992，Cambridge，MA，USA.San Francisco：Morgan Kaufmann Publishers，1992：165-176.

［10］COHN A G.A hierarchical representation of qualitative shape based on connection and convexity［C］／International Conference COSIT’97，October 15-18，1997，Pennsylvania，USA.Heidelberg：Springer，1995：311-326.

［11］CLEMENTINI E，FELICE D P，OOSTEROM P.A small set of formaltopologicalrelationshipssuitableforend-userinteraction［C］／／The3rd InternationalSymposium on Advancesin Spatial Databases，June 23-25，1993，Singapore.New York：ACM Press，1993：277-295.

［12］姚建剛，關石磊，陸佳政，等.相對溫度分布特征與人工神經網絡相結合的零值絕緣子識別方法［J］.電網技術， 2014， 36（2）：170-175.YAO J G，GUAN S L，LU J Z，et al.Identification of zero resistance insulators by combining relative temperature distribution characteristics with artificial neural network［J］.Power System Technology，2014，36（2）： 170-175.

［13］HUANG Y C.Fault section estimation in power system using a novel decision support system ［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2002，17（2）：439-444.

［14］孫明蔚，童曉陽，劉新宇，等.運用時序貝葉斯知識庫的電網故障診斷方法［J］.電網技術， 2014， 38（3）： 715-722.SUN M W，TONG X Y，LIU X Y，et al.A power system fault diagnosis method using temporal bayesian knowledge bases［J］.Power System Technology，2014，38（3）： 715-722.

［15］湯磊，孫宏斌，張伯明，等.基于信息理論的電力系統在線故障診斷［J］.中國電機工程學報，2003， 23（7）： 5-11.TANG L，SUN H B，ZHANG B M，et al.Online fault diagnosis for power system based on informationtheory ［J］.Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2003， 23（7）： 5-11.

［16］張旭，程雪婷，趙冬梅.基于粗糙集的電網操作票規則提?。跩］.電網技術， 2014，38（6）： 1600-1605.ZHANG X，CHENG X T，ZHAO D M.Rule extraction of network operation ticket for power system based on the rough sets ［J］.Power System Technology，2014， 38（6）： 1600-1605.

［17］石軍.基于通信GIS系統的光纜在線監測設計與實現 ［D］.成都：電子科技大學，2011.SHI J.Design and implementation of optical fiber cable online monitoring based on communication GIS system ［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011.

Power unified spatial information model for smart grid dual complex network

LIU Huihui1，YANG Chengyue2，WU Lisha3，ZHANG Yiying4
1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China 2.China Gridcom Co.，Ltd.，State Grid Information&Telecommunication Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518031，China 3.State Grid Anhui Electric Power Company，State Grid Anqing Power Supply Company，Anqing 230061，China 4.College of Computer Science and Information Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300222，China

Smart grid refers to the next generation power grid in which the electricity distribution and management are upgraded by combining the power grid and power communication network （called dual network）.According to the problems，such as the power spatial information sharing of multi-business integration problem，the thematic application and the dynamic display etc，the new power unified spatial information model（PUSIM）was proposed for smart grid dual network.Based on the abstract layer，entity layer and business layer，PUSIM builded the geometric object，topology relationship and the conceptual model and logical model of account property for the dual network，and constructed the unified model，expression and integration management for the dual network based on common information model.

smart grid，dual network，unified spatial information model，conceptual model，logical model

TP399

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016148

2016-03-20；

2016-05-11

張翼英，winzyy@163.com

劉匯慧（1978-），女，武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室博士生，武漢大學測繪學院助理實驗員，主要研究方向為時空GIS、地理學時空數據分析和時空軌跡大數據分析等。

楊成月（1977-），男，博士，國網信息通信產業集團公司深圳市國電科技通信有限公司副總經理、高級工程師，主要從事能源互聯網、電力GIS與電力物聯網相關信息化工作。

吳麗莎（1973-），女，國網安徽電力安慶供電公司高級工程師，信息通信公司經理，主要從事電力系統信息、通信網絡設計建設、安全運行、應用維護理論研究和管理以及智能電網、智能變電站新技術新設備等應用管理相關的信息化工作。

張翼英（1973-），男，博士后，天津科技大學海河學者特聘教授，主要研究方向為物聯網及其安全、安全密鑰、智能電網和GIS信息安全等。