馬  瀟，王景朝,，莫  娟,，黃  彭，劉  蕊

　?。ㄖ袊?guó)電力科學(xué)研究院,，北京 100192）

　　摘  要： 針對(duì)智能電網(wǎng)快速發(fā)展背景下電力工程項(xiàng)目的新形勢(shì)，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(wèn)題,，提出了基于GIS的電力信息模型概念,，詳細(xì)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(tái),，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)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(lái),，國(guó)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(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展,，具有信息化,、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的堅(jiān)強(qiáng)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(yùn)而生[1],。

　　隨著我國(guó)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(jì)管理工作的需要,。城市電網(wǎng)線路往往是由數(shù)十個(gè)至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)和線段組成的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，由于經(jīng)濟(jì)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(yùn)行,、設(shè)計(jì)和檢修維護(hù)部門(mén)都離不開(kāi)這些接線圖,。目前許多單位應(yīng)用AUTOCAD等繪圖軟件來(lái)繪制圖紙，而數(shù)據(jù)的管理意識(shí)則相對(duì)薄弱,，結(jié)果是線路的圖形和數(shù)據(jù)分離,，對(duì)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(jì),、施工、運(yùn)維全過(guò)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(guò)程信息,，集智能化、協(xié)同化,、可視化,、標(biāo)準(zhǔn)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(shì),，通過(guò)電力信息模型在全生命周期中的應(yīng)用，大大增進(jìn)了電網(wǎng)工程各階段各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)作性,，將電網(wǎng)工程信息化,、自動(dòng)化水平提升到一個(gè)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(dá)國(guó)家,，電力系統(tǒng)非常先進(jìn),，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(jì)70年代開(kāi)始,，國(guó)外電力公司逐步引入了地理信息來(lái)記錄資產(chǎn)和設(shè)備的地理位置,，通過(guò)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(guò)近20年的時(shí)間自行開(kāi)發(fā)了集成度較高的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件包,，開(kāi)發(fā)出以數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的共享,，使得設(shè)計(jì)部門(mén),、采購(gòu)部門(mén)、工程施工管理部門(mén),、工程費(fèi)用控制部門(mén),、公司高層管理職員之間的信息傳輸實(shí)現(xiàn)了全計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到了集成化及協(xié)同化的目的[3],。

　　我國(guó)電力行業(yè)從20世紀(jì)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(kuò)大，覆蓋了輸電,、變電,、配電、營(yíng)銷(xiāo),、調(diào)度,、通信等方面,，各環(huán)節(jié)對(duì)工程信息的需求也更加詳細(xì)、具體[5],。但在應(yīng)用的過(guò)程中,，出現(xiàn)了種種問(wèn)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(dú)立,。由于業(yè)務(wù)范圍不同、平臺(tái)建設(shè)時(shí)間不同等問(wèn)題,，各個(gè)環(huán)節(jié)之間缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào),，各部門(mén)僅依據(jù)各自需求獲取工程信息，信息無(wú)法在不同環(huán)節(jié)的平臺(tái)與平臺(tái)之間進(jìn)行交互,，被分割成一個(gè)個(gè)信息孤島,，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息準(zhǔn)確高效的共享[6]。而且,，由于在不同平臺(tái)中信息被重復(fù)錄入,，不僅增加了人工的工作量，準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性也無(wú)法保證,。以目前輸變電工程為例,，在設(shè)計(jì)階段中，各設(shè)計(jì)單位都建立了各自的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),，但平臺(tái)之間數(shù)據(jù)無(wú)法流通,，提交施工單位的工程信息還需要重新錄入，未實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的無(wú)縫連接[7],。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大,，設(shè)計(jì)單位間也沒(méi)有確定的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性等方面也存在一些問(wèn)題,。

2 電力信息模型

　　電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目往往由電力公司牽頭,，由設(shè)計(jì)單位、施工單位,、設(shè)備供應(yīng)商等多個(gè)企業(yè)共同參與完成[8],。電力信息模型以工程項(xiàng)目所有有效數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行電網(wǎng)模型的構(gòu)建,，所有單位在同一平臺(tái)實(shí)時(shí)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(duì)比,。

　　電力信息模型按照工程從規(guī)劃,、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的發(fā)展階段以時(shí)間順序組織，跨越多部門(mén),、多階段,，制定統(tǒng)一的電力數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)地關(guān)聯(lián)起來(lái),，為電網(wǎng)工程全生命周期管理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),，保證了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)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(jìn)行各電壓等級(jí)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(zhuān)題數(shù)據(jù),，輔以運(yùn)維階段產(chǎn)生的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立規(guī)劃平臺(tái),，輔助進(jìn)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(jí)、項(xiàng)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(jì)階段使用。

　　2.2 設(shè)計(jì)階段

　　設(shè)計(jì)作為工程建設(shè)的龍頭,，為后續(xù)施工,、運(yùn)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(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),，建立選線平臺(tái),，進(jìn)行選線,、選站,、工程量統(tǒng)計(jì)和預(yù)估、電子模版排位,、導(dǎo)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(jì)階段中,，電力信息模型提供航空影像、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和專(zhuān)題數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化平臺(tái),，進(jìn)行路徑優(yōu)化和站址優(yōu)化,、斷面量測(cè)和工程量統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)選線排塔結(jié)果進(jìn)行機(jī)電計(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算,。同時(shí),，在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及多專(zhuān)業(yè)協(xié)同作業(yè)，電氣,、結(jié)構(gòu),、測(cè)量、水文,、地質(zhì),、技經(jīng)等專(zhuān)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(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,。設(shè)計(jì)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(dǎo)線金具串等型號(hào)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(jì)階段產(chǎn)生的輸變電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)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(tái),，為施工過(guò)程提供直觀化和精細(xì)化管控。同時(shí)產(chǎn)生的施工過(guò)程數(shù)據(jù)錄入電力信息模型中供運(yùn)維階段使用,。

　　2.4 運(yùn)維階段

　　在運(yùn)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(tái)和運(yùn)行檢修平臺(tái),，為生產(chǎn)運(yùn)維服務(wù)產(chǎn)生運(yùn)行數(shù)據(jù),。

3 電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)

　　依靠電力信息模型，建立電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái),，是從根本上解決各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)無(wú)法互聯(lián)互通的信息孤島問(wèn)題的唯一途徑,。

　　構(gòu)建電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)需從用戶、終端,、用戶接口,、基礎(chǔ)應(yīng)用、軟件平臺(tái),、數(shù)據(jù)傳輸,、數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)層面進(jìn)行梳理，確定電力信息模型的數(shù)據(jù)流及應(yīng)用場(chǎng)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(duì)電網(wǎng)工程信息一體化平臺(tái)進(jìn)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(gè)層面進(jìn)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,。

　　（1）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(jìn)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(lái)描述柵格數(shù)據(jù),。由此可見(jiàn),，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(duì)數(shù)字化航片衛(wèi)片信息進(jìn)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(dá)空間實(shí)體是通過(guò)描述構(gòu)建世界坐標(biāo)系下目標(biāo)的邊界來(lái)進(jìn)行的，按照目標(biāo)的形狀可以將其分為點(diǎn),、線,、面等幾種類(lèi)型,?？梢允褂镁€的長(zhǎng)度、區(qū)域間的距離等特征參數(shù)信息來(lái)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(zhuān)題,、經(jīng)濟(jì)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(shí)間標(biāo)識(shí),、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(lèi)別及命名的唯一性：?jiǎn)蝹€(gè)模型,、紋理對(duì)應(yīng)單個(gè)命名,，不允許模型、紋理相同命名,。

　　完整性,。模型的各項(xiàng)屬性值全面完整，模型要素全面,，不允許重復(fù)或者遺漏,；模型分類(lèi)完整。

　　真實(shí)性,。模型庫(kù)中各元素內(nèi)容與真實(shí)需求一致,；更新內(nèi)容及時(shí)入庫(kù)，保持模型庫(kù)的動(dòng)態(tài)活性,。

　　邏輯一致性,。三維模型數(shù)據(jù)分類(lèi)、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(kuò)展性。模型的元數(shù)據(jù)具有可擴(kuò)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(jì)本工程過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),。建立工程數(shù)據(jù)庫(kù)的主要目標(biāo)是使工程數(shù)據(jù)作為一種可管理的資源來(lái)處理。

　　工程數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)體和關(guān)系實(shí)體,，獲得實(shí)體-關(guān)系模型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原理和理論獲得數(shù)據(jù)庫(kù)的物理關(guān)系模型,，最后提供構(gòu)建共享數(shù)據(jù)庫(kù)的方法,，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　3.2 數(shù)據(jù)接口

　　電網(wǎng)工程從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工建設(shè)再到運(yùn)行維護(hù),，每個(gè)階段都會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確有效的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。按照數(shù)據(jù)類(lèi)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(lèi),。

　?。?）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(guò)一個(gè)或多個(gè)二維表來(lái)表示的數(shù)據(jù),。其一般存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，具有一定邏輯結(jié)構(gòu),，可用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的表或視圖進(jìn)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(wú)法使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ),，只能以各種類(lèi)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(huì)存儲(chǔ)到相應(yīng)工程的工程文件夾中，通過(guò)對(duì)該文件建立相應(yīng)的索引,，系統(tǒng)通過(guò)索引可以快速定位,，找到所需交互的文件，并通過(guò)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(tái)應(yīng)用于規(guī)劃,、設(shè)計(jì)、施工,、運(yùn)維各個(gè)階段,，包含規(guī)劃設(shè)計(jì)評(píng)審,、物資招標(biāo)采購(gòu),、施工監(jiān)理監(jiān)管、生產(chǎn)運(yùn)維管理多個(gè)子平臺(tái)協(xié)同工作,，每個(gè)子平臺(tái)又具備各自的功能,，以協(xié)同設(shè)計(jì)子平臺(tái)為例。

　　電網(wǎng)工程協(xié)同設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)手段,，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量,，提高設(shè)計(jì)效率，最大限度地減少設(shè)計(jì)工作時(shí)間,，達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì),、竣工圖設(shè)計(jì)四個(gè)設(shè)計(jì)階段，提供選線排位,、導(dǎo)地線選型,、絕緣配合、桿塔規(guī)劃,、防雷接地,、桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì),、成果生成,、成果校審、資料提交等功能,。圖6為設(shè)計(jì)平臺(tái)功能流程圖,。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了目前國(guó)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(tái)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(diǎn),，實(shí)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(dǎo),，以工程數(shù)據(jù)全過(guò)程數(shù)字化管理為發(fā)展目標(biāo)，推動(dòng)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(jì)、施工,、調(diào)度,、運(yùn)行、檢修各階段數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性,，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)提供有力支撐,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 張文亮,劉壯志,王明俊,等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):1-11

　　[2] 曹陽(yáng),姚建國(guó),楊勝春,等.智能電網(wǎng)核心標(biāo)準(zhǔn)IEC61970最新進(jìn)展[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(17):1-4

　　[3] H Edward Goldberg.The Building Information Model[J].CADalyst.Eugene,2004,21:56-58

　　[4] 李功新.基于GIS的電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京:科技出版社,2008:74

　　[5] 陳樹(shù)勇,宋書(shū)芳,李蘭欣,等.智能電網(wǎng)技術(shù)總述[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(8):1-4

　　[6]張建新.建筑信息模型在中國(guó)工程設(shè)計(jì)行業(yè)中應(yīng)用障礙研究[J].工程管理學(xué)報(bào),2010,24(4):387-392

　　[7]鄧加娜,胡茂林,莫平浩.數(shù)字地球及其在電力勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2006(5):48-52

　　[8]張洋.基于BIM的建筑工程信息集成與管理研究[D].北京：清華大學(xué),2009.

　　[9]王要武.工程項(xiàng)目信息化管理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.