马  潇，王景朝，莫  娟，黄  彭，刘  蕊

　　（中国电力科学研究院，北京 100192）

　　摘  要： 针对智能电网快速发展背景下电力工程项目的新形势，总结了目前电网工程数字化技术的应用情况，分析了应用中存在的问题，提出了基于GIS的电力信息模型概念，详细介绍了电力信息模型的组织结构和构建方法。以此为基础搭建数字化信息平台，为建设坚强智能电网提供有力支撑。

　　关键词： 电力信息模型；地理信息系统；智能电网

0 引言

　　近年来，国家电网公司加快建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网。因此，电网信息化建设工作就显得尤为重要，数字化智能电网也应运而生[1]。

　　随着我国电力工业的发展，尤其是城市电力网络的变化更新，传统的作业方式已不能满足电网工程繁重的设计管理工作的需要。城市电网线路往往是由数十个至上百个节点和线段组成的树状网络结构，由于经济的迅速发展、用户增多、线路改造频繁，致使线路接线图也不得不随之改变，调度运行、设计和检修维护部门都离不开这些接线图。目前许多单位应用AUTOCAD等绘图软件来绘制图纸，而数据的管理意识则相对薄弱，结果是线路的图形和数据分离，对用户使用十分不便。

　　本文提出的电力信息模型涵盖电网工程规划、设计、施工、运维全过程，集成了地理信息系统、三维建模技术、协同技术、数据交互技术等信息技术，包含地理信息、模型信息、工程信息、过程信息，集智能化、协同化、可视化、标准化于一体[2]。电力信息模型作为一种完善的工具和手段，符合电网工程的发展趋势，通过电力信息模型在全生命周期中的应用，大大增进了电网工程各阶段各专业间的协作性，将电网工程信息化、自动化水平提升到一个新的高度。

1 数字化技术应用现状

　　在欧美等发达国家，电力系统非常先进，电力工程已较早地融入了地理信息系统等数字化技术。自20世纪70年代开始，国外电力公司逐步引入了地理信息来记录资产和设备的地理位置，通过记录设备之间的关系，建立电力设备和管道的网络模型，这些模型主要用于电网图形管理和网络分析。Bechtel公司、BVI公司经过近20年的时间自行开发了集成度较高的多专业协同设计软件包，开发出以数据库为核心、网络为支撑的集成软件系统并在此基础上进一步实现了数据库的共享，使得设计部门、采购部门、工程施工管理部门、工程费用控制部门、公司高层管理职员之间的信息传输实现了全计算机化和网络化，达到了集成化及协同化的目的[3]。

　　我国电力行业从20世纪80年代中期就提出引用数字化技术的构想，目前正处于起步阶段[4]。初期的应用主要集中在配电系统管理方面，随着数字化技术的建设发展和企业管理水平的上升，其应用范围逐渐扩大，覆盖了输电、变电、配电、营销、调度、通信等方面，各环节对工程信息的需求也更加详细、具体[5]。但在应用的过程中，出现了种种问题，主要体现在电网工程各阶段自成系统，数据相互独立。由于业务范围不同、平台建设时间不同等问题，各个环节之间缺乏统一协调，各部门仅依据各自需求获取工程信息，信息无法在不同环节的平台与平台之间进行交互，被分割成一个个信息孤岛，无法实现信息准确高效的共享[6]。而且，由于在不同平台中信息被重复录入，不仅增加了人工的工作量，准确性与实时性也无法保证。以目前输变电工程为例，在设计阶段中，各设计单位都建立了各自的数字化设计平台，但平台之间数据无法流通，提交施工单位的工程信息还需要重新录入，未实现与其他系统的无缝连接[7]。由于基础数据量大，设计单位间也没有确定的数据标准和数据接口，数据完整性和准确性等方面也存在一些问题。

2 电力信息模型

　　电网建设项目往往由电力公司牵头，由设计单位、施工单位、设备供应商等多个企业共同参与完成[8]。电力信息模型以工程项目所有有效数据作为模型的基础，进行电网模型的构建，所有单位在同一平台实时共享数据，以网状结构交互信息[9]。图1为电力信息模型与传统电力工程管理模型对比。

　　电力信息模型按照工程从规划、设计、施工到运维的发展阶段以时间顺序组织，跨越多部门、多阶段，制定统一的电力数据标准，构建模型框架，将产生的所有信息保存在电网模型中，并以信息为主线，将电网工程各阶段有机地关联起来，为电网工程全生命周期管理提供了坚实的基础，保证了数据信息的实时性与准确性。本文按照电网工程发展阶段介绍各阶段电力信息模型内容。

　　2.1 规划阶段

　　在规划阶段，主要任务是进行各电压等级的电网规划。在此阶段电力信息模型提供基础的地理信息数据、现状电网数据和各种专题数据，辅以运维阶段产生的生产运行数据，建立规划平台，辅助进行电网规划。规划后生成电网规划图和电压等级、项目周期、建设规模等规划数据，保存至电力信息模型中供设计阶段使用。

　　2.2 设计阶段

　　设计作为工程建设的龙头，为后续施工、运维提供了大量的数据，是电力信息模型最重要的组成部分。在可研阶段中，电力信息模型提供高分辨率卫星影像、电子地图和专业数据作为基础数据，建立选线平台，进行选线、选站、工程量统计和预估、电子模版排位、导线选型、金具串选型、杆塔规划等工作。在初设和施工图设计阶段中，电力信息模型提供航空影像、激光雷达数据和专题数据作为基础数据，建立优化平台，进行路径优化和站址优化、断面量测和工程量统计，并根据选线排塔结果进行机电计算及结构计算。同时，在设计过程中涉及多专业协同作业，电气、结构、测量、水文、地质、技经等专业在同一线路模型中共享信息，共同工作，保证涉及数据的准确性和实时性。设计后生成数字变电站模型及数字线路模型，包含线路路径、杆塔排位数据、杆塔导线金具串等型号及材料量信息，供后续阶段使用。

　　2.3 施工阶段

　　在施工阶段，在地理信息数据及规划设计阶段产生的输变电工程勘测设计资料的基础上，结合数字变电站模型及数字线路模型，提供监理施工管理平台，为施工过程提供直观化和精细化管控。同时产生的施工过程数据录入电力信息模型中供运维阶段使用。

　　2.4 运维阶段

　　在运维阶段，以工程建设阶段的数字化成果为基础，建立生产管理平台和运行检修平台，为生产运维服务产生运行数据。

3 电网工程信息一体化平台

　　依靠电力信息模型，建立电网工程信息一体化平台，是从根本上解决各系统间数据无法互联互通的信息孤岛问题的唯一途径。

　　构建电网工程信息一体化平台需从用户、终端、用户接口、基础应用、软件平台、数据传输、数据库等多个层面进行梳理，确定电力信息模型的数据流及应用场景，建立完善的系统架构。图2为系统架构图。

　　采用“分而治之”的思想，对电网工程信息一体化平台进行分解，可以将其分为数据信息、数据接口、业务应用三个层面进行分析。

　　3.1  数据信息

　　数据信息指电网工程各阶段中电力信息模型中包含的数据，分为电力模型数据、地理信息数据、工程数据三部分。

　　（1）地理信息数据是电力信息模型中的基础数据，分为栅格数据和矢量数据两种。

　　栅格数据是指离散化的空间数据，即将连续空间使用二维影像等使用规则覆盖方式或不规则覆盖方式进行整体覆盖，可以使用尺寸、形状、方位和间距等特征参数信息来描述栅格数据。由此可见，栅格数据就是基于像素划分的空间数据。栅格数据具体又分为DRG、DEM和DOM数据。DRG一般是二维的；DEM数据一般是三维的；DOM是基于DEM，对数字化航片卫片信息进行处理的结果，可以是二维或三维。电力信息模型中使用的栅格数据包括航片、卫片、地形图、照片等。

　　矢量数据模型表达空间实体是通过描述构建世界坐标系下目标的边界来进行的，按照目标的形状可以将其分为点、线、面等几种类型。可以使用线的长度、区域间的距离等特征参数信息来描述矢量数据。电力模型中使用的矢量数据包括电网专题、经济民生、地震地质图等。

　　（2）电力模型包括杆塔、金具串、电力设施设备等。电力模型文件各相关元素包括：纹理贴图、元数据、要素属性、时间标识、备注文档等。除了格式要求外，模型的建立还需要制定统一的建模规则，其总体原则包括以下内容：

　　唯一性。属性类别及命名的唯一性：单个模型、纹理对应单个命名，不允许模型、纹理相同命名。

　　完整性。模型的各项属性值全面完整，模型要素全面，不允许重复或者遗漏；模型分类完整。

　　真实性。模型库中各元素内容与真实需求一致；更新内容及时入库，保持模型库的动态活性。

　　逻辑一致性。三维模型数据分类、分层、数据结构、属性、模型关系在同一层次上应保持一致，在不同层次上应符合统一的体现规则。

　　可扩展性。模型的元数据具有可扩展性，模型的属性值可以更改、替换、删除。

　　（3）工程数据指基本信息、线路路径、塔位信息、杆塔规划等设计本工程过程中产生的数据。建立工程数据库的主要目标是使工程数据作为一种可管理的资源来处理。

　　工程数据库采用关系型数据管理技术构建，首先整理出业务实体和关系实体，获得实体-关系模型，然后根据数据库设计原理和理论获得数据库的物理关系模型，最后提供构建共享数据库的方法，在关系数据库中建立数据库。

　　3.2 数据接口

　　电网工程从规划设计到施工建设再到运行维护，每个阶段都会产生数据。数据接口即各阶段间数据交互的工具。制定规范化的交互流程、标准化的交互内容和统一的数据规约是保证数据交互工作准确有效的关键环节。按照数据类型划分，数据接口分为结构化数据接口和非结构化数据接口两类。

　　（1）结构化数据指具有一定结构性、可以划分为固定的基本组成要素、能通过一个或多个二维表来表示的数据。其一般存储在关系数据库中，具有一定逻辑结构，可用关系数据库的表或视图进行交互。图4为交互流程。

　　（2）非结构化数据是指结构化数据以外的数据，数据结构不固定，无法使用关系型数据库存储，只能以各种类型的文件形式存放。这些非结构化数据在生成之后会存储到相应工程的工程文件夹中，通过对该文件建立相应的索引，系统通过索引可以快速定位，找到所需交互的文件，并通过系统的通信功能移交给接收方。图5为交互流程。

　　3.3 业务应用

　　电网工程信息一体化平台应用于规划、设计、施工、运维各个阶段，包含规划设计评审、物资招标采购、施工监理监管、生产运维管理多个子平台协同工作，每个子平台又具备各自的功能，以协同设计子平台为例。

　　电网工程协同设计主要目标是以优化设计手段，提升设计质量，提高设计效率，最大限度地减少设计工作时间，达到设计工作可视化、流程化、智能化、数字化的效果。其适应工程可研、初设、施工图设计、竣工图设计四个设计阶段，提供选线排位、导地线选型、绝缘配合、杆塔规划、防雷接地、杆塔设计、基础设计、成果生成、成果校审、资料提交等功能。图6为设计平台功能流程图。

4 结束语

　　本文介绍了目前国内外电网工程应用数字化技术的现状，提出了电力信息模型的概念，并以此为基础阐述了电网工程信息一体化平台的构建方法与原则。电力信息模型在可视化、协同化、智能化等方面具有显著的优点，实现了全生命周期下数据的共享。电力信息模型以数据为核心，以数据的横向集成、竖向贯通为指导，以工程数据全过程数字化管理为发展目标，推动数字化技术在智能电网中的应用，提高电网工程规划、设计、施工、调度、运行、检修各阶段数据信息准确性与实时性，为建设坚强智能电网提供有力支撑。

参考文献

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

　　[4] 李功新.基于GIS的电网生产管理系统建设与应用[M].北京:科技出版社,2008:74

　　[5] 陈树勇,宋书芳,李兰欣,等.智能电网技术总述[J].电网技术,2009,33(8):1-4

　　[6]张建新.建筑信息模型在中国工程设计行业中应用障碍研究[J].工程管理学报,2010,24(4):387-392

　　[7]邓加娜,胡茂林,莫平浩.数字地球及其在电力勘测设计中的应用[J].电力勘测设计,2006(5):48-52

　　[8]张洋.基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D].北京：清华大学,2009.

　　[9]王要武.工程项目信息化管理[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.