盛大凱，郄鑫，胡君慧，吳志力，齊立忠

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052)

0 引言

國家電網(wǎng)公司提出加快建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合［1］，其中信息化是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基本途徑［2］。信息化的關(guān)鍵之一是對各種信息資源進(jìn)行深層次、多元參數(shù)融合、協(xié)同處理，為項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行各階段提供更為詳實(shí)的工程信息。建立信息模型是實(shí)現(xiàn)信息共享的有效手段，以公共信息模型(common information model，CIM)為例，CIM是以面向?qū)ο蟮姆绞矫枋隽穗娏ο到y(tǒng)各領(lǐng)域的模型，是IEC 61970的核心內(nèi)容［3］。早期的 CIM主要內(nèi)容為能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)信息模型中的對象，目前已經(jīng)逐漸擴(kuò)展到電力系統(tǒng)運(yùn)行的所有公共對象［4］。該模型標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重于電網(wǎng)運(yùn)行階段，注重智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

目前電網(wǎng)成體系的工程信息模型研究較少。本文從信息技術(shù)與工程技術(shù)的角度，系統(tǒng)地分析輸變電工程信息化各階段應(yīng)用重點(diǎn)及數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用情況，提出了電網(wǎng)信息模型(grid information model，GIM)概念。GIM是依托地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)，將電網(wǎng)的組成元素?cái)?shù)字化，以信息模型為載體，集成每個(gè)元素全壽命周期內(nèi)的信息，實(shí)現(xiàn)信息的高效、準(zhǔn)確、全面的應(yīng)用。

1 輸變電工程信息化初步梳理

1.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的龍頭，只有抓住源頭，才能把握住信息流的主脈。在工程設(shè)計(jì)的初始階段建立起信息載體，才能服務(wù)好后續(xù)工作，才能將工程各階段的海量信息整合應(yīng)用。近年來，伴隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與應(yīng)用，研究建立以設(shè)備模型為載體的設(shè)計(jì)信息集成技術(shù)(包含三維圖形、地理信息、工程結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化化數(shù)據(jù))，推動了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使設(shè)計(jì)成果正逐步從工程設(shè)計(jì)圖紙向數(shù)字化設(shè)計(jì)成果過渡［5-6］。

1.2 施工階段

施工是工程建設(shè)的重要階段，近年來在輸變電工程施工管理中正逐步探索應(yīng)用以可視化模型為基礎(chǔ)的施工管理平臺，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工程進(jìn)度可視化，現(xiàn)場施工模擬三維化，使管理者和其他相關(guān)工作人員能夠真實(shí)、直觀、全面地了解工程建設(shè)情況，綜合管理各單位的信息，提高管理水平［7］。

1.3 運(yùn)行階段

目前國家電網(wǎng)公司建立了生產(chǎn)管理系統(tǒng)(production management system，PMS)，以設(shè)備管理為核心，涵蓋了設(shè)備管理、缺陷管理、檢修試驗(yàn)管理、故障管理、檢修試驗(yàn)管理等多項(xiàng)業(yè)務(wù)［8］。近年來基于GIS的PMS系統(tǒng)研究應(yīng)用也在一些地區(qū)取得了進(jìn)展，以福建省為例，初步建立一個(gè)基于GIS，集成輸電、變電等一體化電力生產(chǎn)管理系統(tǒng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了生產(chǎn)階段信息化建設(shè)水平［9］。

1.4 小結(jié)

從以上分析可以看出，輸變電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、物資采購、施工、運(yùn)行各個(gè)階段均有對輸變電工程的設(shè)備信息模型和地理信息模型的共同需求。

2 GIM概念的提出

電網(wǎng)需要建立一個(gè)全新的輸變電工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等各階段使用的信息模型，將各階段的數(shù)據(jù)資料收集整合，包含在信息模型中，讓工程全壽命周期中各個(gè)階段的工作人員使用該模型時(shí)，都能獲得精確完整的數(shù)據(jù)。

從2002年來，國際建筑行業(yè)興起了以建筑信息模型(building information model，BIM)為核心的建筑信息化應(yīng)用。BIM綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構(gòu)件性能，將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個(gè)單獨(dú)的建筑模型中，而且還包括施工進(jìn)度、建造過程、維護(hù)管理等過程信息［10］。

BIM技術(shù)雖然具備全過程信息共享的理念，但是由于僅局限于單一建筑模型，與電網(wǎng)這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比差異性較大，同時(shí)需求推動不足。

此外，國內(nèi)發(fā)電行業(yè)提出了數(shù)字化電廠概念，通過設(shè)計(jì)單位進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，為業(yè)主提供包括三維立體設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)文件及資料、工程建設(shè)過程中的管理資料，輔助業(yè)主建立平臺，收集項(xiàng)目投產(chǎn)后的運(yùn)行記錄資料，為管理和運(yùn)行提供即時(shí)有效的決策參考資料和依據(jù)［11］。這與BIM系統(tǒng)有相似之處，但規(guī)模及作用更為重要。目前發(fā)電行業(yè)正在研究分層控制等技術(shù)，因其需求明確，業(yè)主正在逐步推動有關(guān)研究。電廠相對電網(wǎng)而言，可以看成電網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

目前電網(wǎng)的現(xiàn)狀是:各階段自成系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間對工程信息有著共性需求，但是由于業(yè)務(wù)劃分和平臺建設(shè)不同期等原因，信息被分割成一個(gè)個(gè)孤島，無法實(shí)現(xiàn)高效的信息共享。由于信息重復(fù)錄入，不僅增加了大量工作，同時(shí)也降低了信息的正確性。以目前輸變電工程為例，設(shè)計(jì)階段的正逐步探索應(yīng)用的三維數(shù)字化模型僅在設(shè)計(jì)院內(nèi)部初步實(shí)現(xiàn)了信息共享，未實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的跨平臺應(yīng)用。其他系統(tǒng)的工程信息還需要人工錄入，由于設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)完整率和參數(shù)完整率2個(gè)方面也不同程度存在一些問題［8］。

通過總結(jié)不同行業(yè)的研究情況，研究信息技術(shù)在輸變電工程應(yīng)用特點(diǎn)，考慮到輸變電工程各階段信息需求各有側(cè)重，提出GIM概念。GIM梳理共性需求，將可傳承性的輸變電工程信息加以規(guī)范，建立統(tǒng)一的模型框架和描述方式，實(shí)現(xiàn)不同平臺的采集及應(yīng)用。

GIM是一種方法，通過與之配套的技術(shù)才能有效實(shí)施，這些技術(shù)包括CAD技術(shù)、參數(shù)化建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)等。GIM技術(shù)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，研究通用的模型接口技術(shù)和統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)，建立貫穿輸變電工程全過程的信息模型。

3 GIM技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢

3.1 虛擬性

從輸變電工程設(shè)計(jì)伊始開始建立實(shí)體模型，并作為信息的載體，推進(jìn)工程全過程的可視化、虛擬化。目前的技術(shù)已經(jīng)具備建立數(shù)字化三維虛擬模型(以數(shù)字地球?yàn)槔?，已?jīng)從二維向三維跨越［12］)，同時(shí)電網(wǎng)自身的特點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)與GIS高度整合，相關(guān)模型數(shù)據(jù)與GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分層顯示。

3.2 關(guān)聯(lián)性

按照不同需求，確定建立統(tǒng)一的模型接口和信息分層，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)中不同信息需求各方之間信息協(xié)同，向設(shè)計(jì)階段延伸可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)專業(yè)間的信息傳遞、共享，推進(jìn)協(xié)同設(shè)計(jì);作為開放式的信息載體可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、建管、物資、運(yùn)行等各單位之間信息傳遞和共享，解決數(shù)據(jù)斷層，實(shí)現(xiàn)工程信息一次錄入多次采用。建立以GIM為基礎(chǔ)的承載信息的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)跨平臺共享及信息采集。

3.3 仿真性

利用GIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)輸變電工程模擬施工、模擬搶修、模擬漫游等功能，同時(shí)具備與在線監(jiān)測信息的關(guān)聯(lián)接口，可以為生產(chǎn)部門提供結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種培訓(xùn)工作。

3.4 全壽命周期性

利用GIM技術(shù)，可以大幅提高數(shù)據(jù)采集的能力。利用GIM的共享知識信息資源，可以為設(shè)備從采購到報(bào)廢的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)。

3.5 安全性

根據(jù)電力系統(tǒng)等級保護(hù)要求，GIM屬于非控制區(qū)，作為信息模型，按照“標(biāo)準(zhǔn)先行，試點(diǎn)應(yīng)用”的原則進(jìn)行安全防護(hù)，按照分階段、分區(qū)域設(shè)置不同的查詢和應(yīng)用等級，確保工程信息安全可靠。GIM框架如圖1所示。

圖1 GIM框架Fig.1 Frame of GIM

4 GIM的建立

研究建立GIM，是實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)階段信息流和業(yè)務(wù)流融合的重要舉措，GIM需要貫穿工程建設(shè)的整個(gè)過程，這就需要工程建設(shè)的各階段的參建單位以及后期的運(yùn)行單位共同參與。

輸變電工程設(shè)計(jì)是整個(gè)工程信息的起點(diǎn)，因此建立GIM的前提是工程設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)，否則設(shè)計(jì)單位將進(jìn)行大量的重復(fù)性工作。近年來伴隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步，在設(shè)計(jì)單位內(nèi)部，設(shè)計(jì)信息傳遞的日益便捷，多專業(yè)、跨區(qū)域、多平臺整合之勢日趨顯現(xiàn)。特別是以三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)為代表的新設(shè)計(jì)技術(shù)在輸變電工程中不斷得以應(yīng)用，為GIM提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)單位是建立模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工程設(shè)計(jì)信息覆蓋工程建設(shè)的全過程，包括:可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖階段、竣工圖階段。電網(wǎng)信息流程如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)信息流程Fig.2 Grid information process

4.1 數(shù)據(jù)接口

建立GIM，首先要解決的是信息斷層問題。在信息錄入階段斷層主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)文件與各應(yīng)用平臺之間無法互聯(lián)互通，因此需要從數(shù)據(jù)層面分析各階段信息需求。同時(shí)單靠設(shè)計(jì)信息與各平臺進(jìn)行接口研究還不能解決信息孤島問題，需要構(gòu)建以GIM為基礎(chǔ)的工程數(shù)據(jù)庫才可以將信息流和業(yè)務(wù)流進(jìn)行進(jìn)一步的融合。

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備種類繁多，數(shù)量巨大。首先建立三維數(shù)字化模型，涵蓋結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)框架，以三維數(shù)字化模型為載體，通過多種信息采集手段實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的信息化管理，通過建立通用的GIM接口可以實(shí)現(xiàn)采購、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝階段的工程數(shù)據(jù)庫共享整合，進(jìn)而通過在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行階段的信息掌控，提高設(shè)備全壽命周期管理水平。以某工程桿塔為例:通過設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)確定桿塔的基本參數(shù)要求、總體外型尺寸要求及相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)，提出三維數(shù)字化模型;設(shè)計(jì)方案審查后，確定主要技術(shù)參數(shù)信息，主要以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲在模型中，設(shè)計(jì)單位將信息傳遞給物資采購平臺;在確定生產(chǎn)廠家后，由設(shè)計(jì)單位將有關(guān)生產(chǎn)制造信息錄入到模型中，并將模型和有關(guān)圖紙進(jìn)一步提交給施工平臺和施工管理平臺;施工單位和建設(shè)管理單位將施工情況補(bǔ)充完善，由設(shè)計(jì)單位將包含竣工圖及前期全部內(nèi)容的信息移交給運(yùn)行單位;根據(jù)桿塔檢修、運(yùn)維的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備全壽命周期的管控。輸電線路信息模型如圖3所示。

GIM研究的目的是以電網(wǎng)中主要組成元素(變電站設(shè)備、線路桿塔等)為切入點(diǎn)，分析現(xiàn)有的海量數(shù)據(jù)，梳理出在輸變電工程建設(shè)階段各個(gè)信息平臺之間的共同點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)的融合研究，以GIM為基礎(chǔ)推動信息數(shù)據(jù)的一次錄入多次采用，構(gòu)建具有可視化、全壽命周期智能電網(wǎng)應(yīng)用平臺。

圖3 輸電線路信息模型Fig.3 Information model of power transmission line

5 構(gòu)建智能電網(wǎng)信息共享平臺

一些學(xué)者通過研究認(rèn)為數(shù)字地球再加上物聯(lián)網(wǎng)就可走向智慧地球［12］，從某種角度而言，電網(wǎng)信息模型與傳感器技術(shù)的深度整合，構(gòu)建智能電網(wǎng)信息共享平臺，將可以進(jìn)一步推進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。

國家電網(wǎng)公司正在建立輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)開放的信息技術(shù)框架，規(guī)范各類輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)重要輸變電設(shè)備狀態(tài)和關(guān)鍵運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警、評估等功能。在線監(jiān)測系統(tǒng)如果與前期模型信息進(jìn)行整合［13］，可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建以電網(wǎng)信息模型為基礎(chǔ)的工程數(shù)據(jù)庫，為在線監(jiān)測系統(tǒng)提供更為詳實(shí)的工程模型，推動建設(shè)、運(yùn)行等各應(yīng)用層的信息關(guān)聯(lián)，最終融合輸變電工程規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行階段的信息流和業(yè)務(wù)流。智能電網(wǎng)信息共享平臺建設(shè)構(gòu)想如圖4所示。

6 下一步發(fā)展及建議

智能電網(wǎng)的建設(shè)是逐步使電網(wǎng)具有智能化的過程［14］，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要一系列的新技術(shù)、新設(shè)備的支撐，輸變電工程建設(shè)階段的信息化應(yīng)用，將促進(jìn)電網(wǎng)智能化進(jìn)程。以數(shù)字化設(shè)計(jì)為代表的新一代設(shè)計(jì)技術(shù)正在逐步改變輸變電工程設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)單位具備提交更豐富、詳實(shí)和精細(xì)的數(shù)字化設(shè)計(jì)成果［3］。以此為基礎(chǔ)，充分利用這些設(shè)計(jì)成果研究建立具有通用性的GIM，推動輸變電工程全過程的信息化建設(shè)。同時(shí)加強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，推進(jìn)三維數(shù)字化評審、三維模擬化施工、可視化施工管理、可視化物資采購供應(yīng)管理、在線監(jiān)測可視管理等應(yīng)用平臺建設(shè)，推動電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流融合。

圖4 智能電網(wǎng)信息共享平臺建設(shè)構(gòu)想Fig.4 Idea of sharing platform for smart grid technology information

現(xiàn)階段GIM還存在以下幾個(gè)方面的問題需要深入研究:

(1)標(biāo)準(zhǔn)研究。以BIM為例，BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣借助了IFC標(biāo)準(zhǔn)［15］，實(shí)現(xiàn)了不同軟件之間交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)［16］。相比之下更為復(fù)雜的GIM目前也存在信息標(biāo)準(zhǔn)和接口不統(tǒng)一的情況。以設(shè)計(jì)階段三維模型為例，目前已經(jīng)存在DWG、DGN等多種格式數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息存儲方式各異，各應(yīng)用階段尚沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。這就需要開展以GIM為基礎(chǔ)的工程數(shù)據(jù)中心建設(shè)研究，分析模型接口和編碼標(biāo)準(zhǔn)，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)各應(yīng)用平臺接受和使用。研究所形成的標(biāo)準(zhǔn)也將促進(jìn)我國在電網(wǎng)建設(shè)階段技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢。

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。隨著云時(shí)代的來臨，大數(shù)據(jù)(big data)吸引了越來越多的關(guān)注。輸變電工程信息作為大數(shù)據(jù)重要組成部分，也已成為電網(wǎng)企業(yè)重要的資產(chǎn)。推動以GIM為基礎(chǔ)的工程數(shù)據(jù)庫的研究，進(jìn)一步提高電網(wǎng)企業(yè)獲取和收集信息的能力，同時(shí)需開展分區(qū)分級應(yīng)用研究和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，提高信息的安全性。另外進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究，推進(jìn)信息存儲與共享。

(3)信息挖掘技術(shù)。數(shù)據(jù)分析能力正在成為企業(yè)的核心競爭力。通過建立GIM，為信息挖掘技術(shù)的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，下一階段需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析的研究。

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