電網(wǎng)規(guī)劃與設計一體化平臺

苗培青，李越，黃偉，王鈺

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

0 引言

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)。隨著我國產(chǎn)業(yè)結構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)定運行依賴堅強的網(wǎng)架結構，合理的電網(wǎng)規(guī)劃和設計成為一項重要工作。

電網(wǎng)規(guī)劃和設計的結果建立在可靠的原始資料和科學的規(guī)劃方法的基礎上，當前的電網(wǎng)規(guī)劃設計工作存在諸多問題。一方面，數(shù)據(jù)資料缺乏科學管理。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，原始資料的信息量越來越大，人工收集資料需花費大量精力，并且造成數(shù)據(jù)冗余，準確性差等，最終影響電網(wǎng)規(guī)劃結果。因此，提高數(shù)據(jù)的管理水平是目前規(guī)劃設計部門亟待解決的問題。另一方面，不能適應“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)劃與設計一體化研究。

綜上所述，電網(wǎng)規(guī)劃與工程設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)一設計，提升規(guī)劃設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支撐，并有利于加快培養(yǎng)電網(wǎng)規(guī)劃研究專業(yè)技術人才，提升規(guī)劃設計工作的效率和科學性。因此，國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院根據(jù)自身業(yè)務需求，開展了電網(wǎng)規(guī)劃與工程設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)劃設計各功能單元。一體化平臺通過GIS技術［8-9］實現(xiàn)可視化功能，使電網(wǎng)規(guī)劃與工程設計業(yè)務更加直觀、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)，利用計算機與網(wǎng)絡技術開發(fā)出網(wǎng)架自動規(guī)劃、計劃自動排序、標準設計套用的規(guī)劃設計編制與評審系統(tǒng)。

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

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

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

設計初設階段校核可研數(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。施工設計按選取的標準設計方案完成設計。

建立在工程量計算基礎上的設計概算與工程結算是工程造價分析的基礎，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)總體設計思路，需遵循相應原則。

1.2 遵循原則

規(guī)范化原則:嚴格遵循《電力系統(tǒng)設計技術章程》、《國家電網(wǎng)公司規(guī)劃設計內(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)范等相關的國家或行業(yè)規(guī)范。

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

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

安全性原則:按照《國家電網(wǎng)公司應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備設施及電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)，盡可能繼承和復用有價值的軟硬件資源和數(shù)據(jù)資源，避免資源浪費，重復投資。

積木化原則:平臺建設采用分層、分塊、分階段的設計和開發(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

2.1 總體架構

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

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

2.2 系統(tǒng)部署結構

電網(wǎng)規(guī)劃與設計一體化平臺的總體應用方式是集中部署、分級應用，分別建立數(shù)據(jù)中心和應用服務中心［10］。數(shù)據(jù)中心主要存儲規(guī)范化后的基礎數(shù)據(jù)，以及規(guī)劃方案數(shù)據(jù)、設計方案數(shù)據(jù)等。應用服務中心集成國網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃平臺、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、可視化工程設計系統(tǒng)以及接口服務系統(tǒng)。各類人員包括數(shù)據(jù)管理人員、規(guī)劃人員和設計人員等可以通過網(wǎng)絡訪問相應的應用功能?？梢暬O計系統(tǒng)與省公司GIS系統(tǒng)之間采用國網(wǎng)GIS服務標準進行交互，與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間采用標準的web service方式進行交互，降低系統(tǒng)之間的耦合度，便于后續(xù)系統(tǒng)的維護和升級。系統(tǒng)的部署結構如圖2所示。

其中，數(shù)據(jù)庫服務器是用來存儲電網(wǎng)規(guī)劃基礎數(shù)據(jù)、規(guī)劃方案數(shù)據(jù)、設計方案數(shù)據(jù)以及其他各類管理數(shù)據(jù);模型服務器用來存儲電網(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)管理應用服務器可實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)的錄入、修改、查詢、報表等功能;規(guī)劃設計應用服務器可實現(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)化以及基于計算機輔助設計(computer aided design，CAD)的變電站初設方案生成等;應用接口服務器采用web service標準，可實現(xiàn)可視化設計平臺與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)等系統(tǒng)間標準化交互，并為與其他系統(tǒng)交互預留接口;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 平臺技術架構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)有仿真分析及設計任務軟件，達到數(shù)據(jù)共享;完成基于GIS和CAD的線路和變電站自動化設計，實現(xiàn)一體化、向?qū)?、可視化的電網(wǎng)規(guī)劃與可行性設計統(tǒng)一系統(tǒng)平臺，平臺功能結構如圖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)劃設計需要的數(shù)據(jù)中心，包括基礎數(shù)據(jù)庫和項目管理庫，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)的入庫和維護工作，積累電網(wǎng)規(guī)劃設計的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。主要功能包括設計數(shù)據(jù)中心關系數(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)務系統(tǒng)自動提取所需業(yè)務數(shù)據(jù);開發(fā)專門的B/S維護系統(tǒng)，實現(xiàn)部分業(yè)務數(shù)據(jù)的人工錄入和維護。

3.2 可視化工程設計子系統(tǒng)

實現(xiàn)電網(wǎng)可視化設計，包括基于GIS的線路自動化設計和基于CAD的變電站自動化設計。具體功能包含電網(wǎng)設計項目的統(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］;變電站典型設計方案庫維護;基于典型方案的變電站自動化設計;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)劃設計網(wǎng)架的技術評估;電網(wǎng)仿真分析結果的可視化，可將電氣計算結果在GIS上進行動態(tài)展示;設計文檔自動化，實現(xiàn)設計文檔部分內(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，主要功能包括基礎數(shù)據(jù)服務、網(wǎng)架數(shù)據(jù)服務和設計數(shù)據(jù)服務。其中，基礎數(shù)據(jù)服務是指提供負荷數(shù)據(jù)、規(guī)劃設計基礎參數(shù)等;網(wǎng)架數(shù)據(jù)服務是指提供變電站、線路等信息，便于規(guī)劃子系統(tǒng)與設計子系統(tǒng)的集成;設計數(shù)據(jù)服務是指發(fā)布變電站、線路等的設計方案結果。

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)化生成目標網(wǎng)架，并對規(guī)劃目標電網(wǎng)和現(xiàn)行電網(wǎng)進行定期復核和計算校驗。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(站群布點優(yōu)化及先后排序優(yōu)化和網(wǎng)架支路建設優(yōu)選);線路路徑的自動優(yōu)化設計選線(本線路路徑優(yōu)化);變電站站址自動選址優(yōu)化;無功補償優(yōu)化布點。

3.5 自動計算和校驗功能

基于圖形處理進行安全穩(wěn)定計算;設備選型計算;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;按定額計價單進行的概預算計算及結算計算編制;工程造價計算分析;投資回收計算。進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;概預算計算與方案優(yōu)化比較。

3.6 信息一體化規(guī)劃設計平臺

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

4 關鍵技術

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

4.1 先進的模型和算法

建立一體化平臺后，可以利用GIS模塊以及相應數(shù)據(jù)庫信息，建立數(shù)據(jù)庫并進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行統(tǒng)計分析，為工程線路方案設計比選以及變電站選址和進出線設計提供數(shù)據(jù)信息支撐。

同時，合理地選取電網(wǎng)規(guī)劃與設計方案的評價指標，實現(xiàn)規(guī)劃和設計指標選取的全面性和指標的可獲得性，力求使選取的指標具有代表性、多角度、易得性，做到規(guī)劃設計技術和經(jīng)濟評價完整、準確。

4.2 多源數(shù)據(jù)混合建模技術

利用計算機技術和數(shù)據(jù)庫技術以及可視化技術開發(fā)電網(wǎng)規(guī)劃設計數(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，并且便于定期進行滾動規(guī)劃，提高規(guī)劃水平。結合先進的網(wǎng)絡技術，采用B/S結構，電網(wǎng)規(guī)劃信息收集可以在網(wǎng)上進行，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)劃的科學性。

4.3 基于GIS和AutoCAD的可視化技術

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空間信息服務平臺服務調(diào)用規(guī)范》中的數(shù)據(jù)類型規(guī)范、服務接口規(guī)范，實現(xiàn)基礎地理信息和電網(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標準進行電網(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)拓撲分析等高級應用功能，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，實現(xiàn)AutoCAD二次開發(fā)技術與Net平臺開發(fā)技術的完美融合。重點研究基于典型變電站初設方案實現(xiàn)的變電站設計方案的生成技術，實現(xiàn)由變電站規(guī)劃方案輔助生成CAD圖紙方案，供設計專工進行二次修改，降低設計人員的工作強度，提高工作效率。

4.4 面向?qū)ο蟮能浖O計與開發(fā)

系統(tǒng)廣泛采用面向?qū)ο蟮姆椒?，包括可視化圖元體系設計、可視化窗口體系設計、插件化模塊組織等。利用面向?qū)ο蠹夹g提供的各種概念和技術組織代碼，實現(xiàn)系統(tǒng)的重要功能，控制開發(fā)的復雜性。

鑒于本平臺運行環(huán)境的復雜性，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)劃設計軟件的專業(yè)性和運行效率。

4.5 模塊化松耦合體系結構設計

針對本平臺內(nèi)不同業(yè)務系統(tǒng)之間的復雜交互，基于并擴展IEC61970CIM模型，分別定義基礎數(shù)據(jù)訪問、規(guī)劃數(shù)據(jù)訪問和設計數(shù)據(jù)訪問，以及業(yè)務調(diào)用的web服務格式，實現(xiàn)接口服務的統(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)劃設計的各業(yè)務單元提供基礎數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)規(guī)劃設計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，能夠有效提高規(guī)劃設計的科學性與合理性。在GIS平臺的支持下，基于數(shù)據(jù)中心進行各專題的空間分析，實時展現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)，結合地形、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，并選取合理的指標對其綜合效益進行評價。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)劃與設計一體化平臺可實現(xiàn)規(guī)劃研究、工程可研、技術評價、經(jīng)濟分析等多項功能，實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃設計的系統(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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