基于CIM/SVG的電力系統圖模數據融合技術

蔡文婷, 方文崇, 朱 文, 劉沛林, 夏 偉

(1. 南方電網數字電網研究院有限公司 智能輸配電與智慧能源事業部, 廣東 廣州 510000; 2. 中國南方電網有限責任公司 電力調度控制中心, 廣東 廣州 510000; 3. 廣東電網有限責任公司 東莞供電局, 廣東 東莞 523000)

隨著調度自動化系統與企業管理信息化系統的產生,研究人員采用各級調度自動化主站系統EMS維護變電站圖模數據,采用GIS平臺來維護完整的輸電、配電圖模數據,但兩者間尚未建立有效圖模交互和共享機制,無法實現輸變配拓撲貫通,影響調度自動化主站系統與GIS平臺間協同應用的開展,制約了輸變電可靠性、站線變戶關系、調度自動化與一體化系統間的圖模共享等應用,直接影響了企業工業化與信息化的有效融合[1]。

基于調度主站與電網GIS平臺建設現狀,為滿足圖模交互和共享應用需求,支撐一張網協同應用,迫切需要開展輸變配一體化圖模數據融合機制研究。周博曦等[2]研究了基于CIM/SVG交互技術的配電饋線單線圖自動繪制算法;梁國迪[3]以面向對象統一建模理論為依據,構建了基于CIM與SVG相結合的電網信息模型,實現了電網實體與圖形拓撲的交互;潘琪等[4]將電網導出的SVG圖形應用于調度停電計劃信息處理軟件的圖形操作界面,并以SVG圖形作為人機接口實現對CIM數據操作。但基于公共信息模型CIM和可縮放矢量圖格式SV技術的圖模交互校核規則,目前鮮有文獻涉及。

本文通過梳理圖模校核規則自主開發了一套圖模校驗與接入工具系統,實現輸變配一體化圖模數據融合,并應用于多個地市局大量變電站,旨在滿足減少圖模維護工作量、多廠家型號圖模校驗、協同數據變更及業務應用等需求。

1 CIM/SVG技術

1.1 公共信息模型CIM

公共信息模型CIM是一種高度抽象模型,可以用模型表示電力系統主要對象[5]。CIM采用對象類與屬性的設計方法,描述了電力系統資源之間的相互關系[6]。支持以XML文檔為載體,使用RDF schema規范,方便實現不同賣方獨立開發的管理系統或多個管理系統之間的集成,如能量管理系統EMS、配電管理系統DMS。

CIM模型中的對象劃分為多個包,每個包表示電力系統模型的某個部分[7]。在不同標準中,CIM包的定義不同,例如IEC 61970 Part 301標準中,CIM包定義為核心包、拓撲包、負荷模型包、域包、發電包、量測包、停運包、保護包、電線包。CIM包中的類圖展示了該包中所有類及其關系,包括3種基本靜態關系:泛化關系、關聯關系、聚集關系。

1.2 可縮放矢量圖格式SVG

SVG(scalable vector graphics)是一種圖像文件格式,由W3C聯盟基于XML開發的可縮放矢量圖形標準語言[8-9]。SVG提供矢量圖形、圖像及文本3種圖像對象類型,圖形有矩形、圓形、橢圓形、線段、多邊形、折線、路徑7種。圖像對象可進行多種操作,包括合并、分組、樣式添加、標記、變換等;特征集包括嵌套變換、剪切路徑、Alpha蒙板、濾鏡效果、模板對象和其他擴展。

SVG可通過代碼來繪制圖像,且具有支持多工具操作、方便圖像檢索及定位、下載速度快、可壓縮性強、可伸縮(不影響圖像質量)、精準顏色定位等優點。因此可擴展電力系統的圖像軟件互相操作能力,實現多源異構數據之間的交換,滿足多廠家型號圖模校驗需求,確保調度自動化主站系統與GIS平臺間的圖模交互工作常態高質量、高效開展。

2 圖模校核規則

根據圖模交互規范,借鑒配網圖模交互經驗,依據變電站圖模特點梳理出公共校驗、CIM模型校驗、SVG圖形校驗3類12項校驗規則,如圖1所示。

圖1 圖模校驗規則Fig.1 Checking rules of graph model

2.1 公共校驗

公共校驗包括圖模文件編碼格式校驗和文件名命名校驗。調度自動化主站系統基于地市局部署,全網存在多個廠家、多個型號調度自動化主站系統,因此各廠家輸出的變電站圖模編碼格式不同,圖模文件編碼格式校驗要求統一以UTF-8進行編碼。

CIM圖模文件按照“地調名稱_變電站名稱_FAC_更新時間戳.xml”格式進行命名;SVG圖模文件按照“地調名稱_變電站名稱_FAC_更新時間戳.svg”進行命名。其中變電站名稱要求在地市局地調范圍內唯一,時間戳按照秒級轉換。如佛山地調的500 kV佛山變電站的圖模生成時間為2020年8月8日13點10分5秒,則CIM圖模文件命名為“佛山_500 kV佛山變電站_FAC_1596863405.xml”,SVG圖模文件命名為“佛山_500 kV佛山變電站_FAC_1596863405.svg”。

2.2 CIM模型校驗

CIM模型校驗包含語法校驗、語義校驗、參數完整性校驗、關聯一致性校驗、拓撲完整性校驗5項校驗規則,如表1所示。

表1 CIM模型校驗規則Tab.1 CIM model checking rules

CIM-XML文件必須滿足XML的語法,這部分由XML解析器完成校驗,語義必須符合CIM/RDF Schema中規定的模式規范。CIM-XML中包含了大量參數信息,需要對CIM-XML文件中關鍵屬性、名稱屬性、字符串長度等參數的完整性進行校驗,判斷其是否能接入模型。若CIM-XML文檔中類與類之間有包含雙向關聯的,則必須確保從關聯任一側到另一側所描述的信息一致且正確。在CIM中,拓撲關系主要是通過端子與節點來描述的。根據電力系統實際情況,在導入CIM-XML文檔前針對模型拓撲的完整性和正確性進行校驗。

2.3 SVG圖形校驗

SVG圖形校驗包括圖層定義校驗、圖元定義校驗、模型數據校驗、拓撲表達校驗及文本對象校驗,如表2所示。出于導入系統對文本對象進行分層展現的需要,對于文本對象在TextClass圖層內,根據文本標注關聯的設備對象類型來細分層級。表達方式為link-layer=“xxx”(設備所在圖層名)。

表2 SVG圖形校驗規則Tab.2 SVG graphic checking rules

3 圖模數據融合系統開發

圖2為圖模數據融合系統的實現路徑。整個實現路徑包括調度維護變電站圖模、調度導出變電站圖模、GIS監聽圖模更新通知、GIS校驗變電站圖模、GIS導入變電站圖模、GIS完成輸變配模型拼接、GIS發布最新圖模開展應用等模塊。

圖2 圖模數據融合系統實現路徑Fig.2 Implementation route of graph model data fusion system

1) 調度維護變電站圖模模塊。該模塊為調度的基本功能,是圖模融合的前提條件。

2) 調度導出變電站圖模模塊。參照IEC61968/61970標準規范,并結合電網公司實際運行情況約定基本電網設備表達,以CIM/SVG描述性語言進行表達,作為調度系統EMS與GIS系統間的中間語言。

3) GIS監聽圖模更新通知模塊。GIS部署監聽服務,監聽調度導出的變電站圖模更新情況(根據圖模文件的新增、刪除、文件修改時間等信息),生成更新任務單。

4) GIS校驗變電站圖模模塊。基于圖模校驗規則,提供對離線的EMS圖模校驗功能,圖模校驗流程如圖3所示。根據不同調度自動化廠家型號個性化模型與圖形,開展獨立適配模塊,確保不同調度自動化廠家導出的變電站圖模數據可導入到GIS平臺。通過CIM模型解析圖模生成中間結構,形成設備層次樹。根據中間結構分析拓撲島,采用SVG進行著色并校驗,最終顯示校驗結果。

圖3 GIS校驗圖模流程Fig.3 Flow chart for graph model checking of GIS

5) GIS導入變電站圖模模塊。針對校驗通過后的變電圖模文件,基于GIS平臺的輸電建模框架,結合GIS維護的變電站對象進行關聯和內部接線圖導入操作,將調度自動化系統導出的變電圖模數據在GIS系統中自動生成。導入流程如圖4所示。

圖4 GIS導入圖模流程Fig.4 Flow chart of GIS graph model importing

6) GIS完成輸變配模型拼接模塊。結合GIS維護的變電站連接進出線輸電線路和配電線路信息,將變電站站內進出線開關與線路相關聯,實現輸變配一張圖拼接。

7) GIS發布最新圖模開展應用模塊。實現變電圖模數據的版本化管理,通過GIS內部完成任務變更。在進行一次變更變電圖模數據融合時,支持審核發布的流程,確保變電圖模數據穩定性與更新及時性。

4 驗證與分析

本文選取南方電網東莞、惠州、佛山3個地市局的500 kV東莞站、110 kV斑樟站、110 kV白坭站變電站進行圖模數據融合試點實驗。其中,3個地市局EMS圖模分別由南瑞繼保、南瑞科技、東方電子3方廠家進行輸出。

根據文件名和編碼規則,加載本地EMS圖模文件并進行導入。采用CIM模型校核規則對導入文件進行校核,校核通過后解析圖模,生成通過相應對象表示標簽屬性值及子對象鏈表等的中間結構,形成設備層次樹。SVG根據中間結構分析拓撲島,逐項進行檢驗。圖模映射關系結構中,表示SVG圖形的元數據關聯,PSR_Ref的屬性ObjectID表示圖形對象的id,必須為“RdfID”,ObjectName表示圖形名稱。拓撲結構中,LinkObjectIDnd和LinkObjectIDznd表示首末連接關系,HeadId和TailId表示連接線或者連接線的id,LinkId表示連接點的id;文本對象結構中,TextClass表示文本對象,x、y表示文本對象插入坐標,font-size表示字體大小,font-width表示字體寬度,font-height表示字體高度,fill表示字體填充,rgb表示字體顏色。

校核通過后進行導出操作,導出文件是以CIM作為接口的SVG圖形文件,分圖層對設備對象進行存儲。解析XML RDF時會讀入當前圖層以及層次之下各圖層的設備。數值是實時鏈接數據庫,獲取對應的當前值。以110 kV茶園變電站雍斑甲線1 257為例進行EMS圖模效果和GIS導出效果展示,如圖5所示。在圖模分析過程中,發現內部接線存在開關直連的情況,按照現有規范在輸出給配網自動化系統時需要虛擬一條長度為0的電氣連接線來表達開關的拓撲關系,這種特殊處理不利于GIS與自動化之間的圖模檢查校驗,在一些特殊情況下容易增加圖模處理出錯的概率。本文提出的融合技術支持所有電氣設備輸出拓撲關系,可去除該特殊處理邏輯,降低圖模輸出的復雜度,從而大幅減少GIS與自動化平臺之間圖模一致性校驗的工作量。

圖5 110 kV茶園站圖模Fig.5 Graph model of 110 kV Chayuan station

從數據校驗與接入結果來看,基于CIM/SVG電力系統圖模數據融合技術是可行的,實現了EMS變電站圖模在調度主站與GIS平臺之間的數據交互。同時支持多廠家不同型號圖模校核,縮短了圖模維護工作時間。但在圖模接入驗證過程中,發現了一些圖模規范、主站廠家輸出細節等方面的問題,部分問題描述及解決方案總結如表3所示。

表3 問題描述及解決方案Tab.3 Problem description and solutions

5 結束語

當前電網公司的調度與生產業務口分別維護變電站的接線圖模型數據,調度業務口通過調度自動化系統EMS完成建模,生產業務口通過地理信息系統GIS完成建模。兩個系統之間未建立有效的圖模交互與共享機制,無法實現輸變電拓撲貫通,影響調度系統與GIS平臺協同應用的開展。本文基于CIM/SVG技術,完成了EMS和GIS異構系統混合信息拼接及跨多系統的輸變電GIS圖模的增量拼接與電子化移交,實現了調度主站與電網GIS平臺輸變配一體化圖模數據融合、共享,實現了數據維護源頭的統一,確保數據及時、準確更新,有效支撐了輸變配一張網的拓撲貫通與集成應用。在圖模融合技術研究的基礎上,開發了一套圖模數據融合系統。通過試點實驗工作驗證了所提融合技術的正確性及可行性。