基于CIM/G的图形多版本管理与展示

许 花, 宁 剑, 黄 昆,4, 张 勇, 江长明, 张 哲

(1. 南瑞集团公司(国网电力科学研究院), 江苏省南京市 211106; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106; 3. 国家电网公司华北分部, 北京市 100053; 4. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏省南京市 211106)

基于CIM/G的图形多版本管理与展示

许 花1,2, 宁 剑3, 黄 昆1,2,4, 张 勇3, 江长明3, 张 哲3

(1. 南瑞集团公司(国网电力科学研究院), 江苏省南京市 211106; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106; 3. 国家电网公司华北分部, 北京市 100053; 4. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏省南京市 211106)

针对智能电网调度控制系统在基于时间维度的图形管理与展示方面的不足,提出一种基于CIM/G的图形多版本管理与展示技术,使用CIM/G文件作为持久化存储介质,根据模型版本划分相应的图形版本标识,实现变化图形版本存储和图形多版本安全隔离,进而实现图形多版本的构建管理技术方案,同时给用户提供图形任意版本快速浏览、图形多版本差异集中展示的方法。该项技术已在华北电力调控分中心试点应用,可满足多项业务应用对多时态版本图形的需求,提升了调控系统对图形版本构建、存储、展示等方面的管控能力。

电网图形; 多版本管理; 版本调阅; 差异分析

0 引言

智能电网调度控制系统(简称D5000)[1]图形支撑平台一直承担着电网维护、电网监视、调度操作等非常重要的工作。随着电网建设快速发展,图模一体化应用显得尤为重要,不同应用使用图形支撑平台统一建模和绘制图形[2]。根据调控运行一体化要求,需从年、月、日前、日内等全时间维度实现对电网规划、方式安排、调度计划等业务进行支撑,提升大电网预控能力,及时掌握系统运行薄弱环节,实现调度业务的精益化和在线化,这对电网图形和模型的协同管理提出了更高的要求。

图形支撑系统为调度自动化系统提供了电网图模统一维护和展示的界面工具,图形版本管理与模型版本管理具有同等重要性。文献[3-4]介绍了电网控制系统图形子系统的体系构架和电力系统图形描述规范,图形管理以CIM/G文件为介质存储在文件服务器的指定目录[5],图形公共服务定时保存图形集形成多个历史版本,但是对图形多版本构建、管理和展示方面研究甚少。文献[6-8]提出了不同的电网模型版本管理方法,但是未来图形版本管理仅提及单一未来时态图模维护,并且未进行深入研究。

目前图形支撑平台为电网运行控制和调度生产管理提供了良好的支撑,但在电网图形管理和展示方面还存在以下不足。

1)未来模型可同时构建多个版本且相互隔离,而图形支撑系统以当前图形集为唯一版本进行图模维护和图形更新,已不能满足多专业、多用户对未来图模多版本并发维护的需求。

2)图形公共服务采用定时保存图形集方式形成图形历史多版本,但实际变化图形较少,导致冗余的图形文件多,对存储空间的消耗带来很大影响。

3)图形版本投在线是将图形集重新投在线,图形文件多,影响发布效率,并且维护产生的错误图形投在线过程中会直接对电网监视和决策产生影响,需增加图形绘制自校验。

4)缺乏图形版本调阅展示手段,不支持图形多版本差异集中展示,难以满足用户直观感受图形版本变化的需求。

针对上述情况,本文提出了一种基于CIM/G的图形多版本管理与展示技术。在图模多版本维护环境下建立图形多版本管理与展示子系统,根据模型版本信息创建图形版本标识,以CIM/G文件作为图形存储介质,实现图形多版本增量存储和安全隔离,子系统增加画面自校验功能完善图形版本投在线管理流程,提供图形版本调阅及图形多版本差异展示方法。在不影响调度控制系统稳定运行的前提下,实现图模多版本一体化维护和版本变化图形增量存储,使用户可以查阅图形版本及对应模型版本下的断面数据,通过图形多版本展示追溯分析图模版本变化。

1 架构设计

基于CIM/G的电网图形多版本管理与展示是在D5000基础平台上设计的模型多版本系统中结合实际应用需求增加的新功能[9]。在模块化设计的基础上对图形多版本构建存储、图形版本快速浏览、图形多版本集中展示等方面进行设计开发,图形多版本管理与展示子系统架构如图1所示。图形多版本子系统与在线系统通过网络代理进行图形数据交互,可以有效防止图形多版本创建与维护过程中对运行系统造成影响。

图1 基于CIM/G的图形多版本管理与展示架构图Fig.1 Diagram of multi-version graphics management and display based on CIM/G

图形多版本管理与展示子系统是根据模型多版本信息为每个图形版本建立唯一存储标识,进行图模一体化维护[10],图形采用CIM/G文件作为图形实体存储介质,从而实现了图形多版本创建、维护和存储,为图形多版本展示提供了版本数据信息。

图形多版本管理实现了电网图形版本构建、维护、存储和发布功能。图形根据模型版本唯一标识为每个图形版本分配名称唯一且相互隔离的文件目录进行创建,模型版本创建时从在线系统模型数据库中高速抽取当前时刻断面模型[11]。维护人员指定模型版本号启动图形编辑器,建立图模版本维护环境,在图形编辑器中统一建模和绘制图形,并进行图形自校验,新增、修改的模型和图形保存至对应的模型版本和图形版本下,可根据设备名在图形界面中快速定位。图形编辑器为多用户、多业务版本模型和图形同时维护提供了高效的功能支撑。图模版本环境下图模维护保存时,自动备份图形历史版本,基于轻量级文件管理服务[12]分版本持久化存储到文件服务器,每个版本仅包含变化图形集合。未来模型校验发布到在线系统后,通知图形服务将对应版本的图形集进行模型数据关键字转换[13]、图形投在线和在线图形历史版本自动备份。

图形多版本展示提供了图形版本调阅和图形多版本差异集中展示功能。图形浏览器采用并行加载的方法高效解析CIM/G文件,基于画面服务获取对应模型版本下的数据,实现同一版本图模数据展示。图形多版本差异集中展示重点实现了具有高度可扩展性的画面窗口集成展示框架和CIM/G文件差异分析方法,画面窗口集成实现了通用的画面多主题集成展示技术,解决了多窗口频繁切换的问题,CIM/G文件差异分析是以当前浏览的图形版本为比较对象,选择目标版本进行图形内容差异查找的过程。

2 关键技术

2.1 图形多版本构建管理

2.1.1图形版本构建存储

在图模多版本维护环境中,首先构建未来规划模型版本,创建后的模型版本具备版本唯一编号、时间标签、业务建模范围等信息,未来图形版本构建是以当前时刻运行系统图形为基础,根据模型版本唯一编号创建图形版本唯一编号,构建图模版本一致的图模维护环境,用户即可使用图形多版本子系统界面工具对图形和模型开展维护工作。

图模多版本维护环境可以启用多个业务应用的图模维护环境,图形多版本子系统对图形版本采用独立的文件目录存储图形和图元文件,从而为多版本图形并发维护提供相互隔离、高速存取的数据环境,版本图形相关文件存储目录结构如图2所示。图形版本中的Element目录用于存储图元,图元根据设备类型进行了详细分类,如Breaker(断路器)目录、Disconnector(刀闸)目录等。Display目录用于存储图形,图形根据图形类型进行了详细分类,如Fac(厂站图)、Scada(应用图)等。图形版本构建后,以当前时刻运行系统图形集为基线,图形版本仅存储变化或新增的图形文件,减少了冗余文件存储。图形编辑器维护版本图形完毕,进行网络保存调用文件更新服务根据当前图形版本号持久存储到文件服务器指定目录下。

图2 图形版本相关文件存储目录结构Fig.2 Storage directory structure of graphic version file

图形多版本子系统和在线运行系统统一采用变化图形自动存储历史版本机制。编辑图形保存成功时,图形会自动保存历史版本至相关图形版本的history_graph文件目录中,然后基于时间维度进行子目录划分,最小时间精度为小时,精确记录图形版本变化过程,满足用户追溯任意版本图形变化痕迹的需求。

2.1.2图形版本维护

图模版本维护环境以CIM/G,CIM/E作为图模版本全量内容的存储介质,采用轻量级文件数据库支撑模型结构化查询语言(SQL)的查询修改需求。自动化维护人员以当前图形集为基线,通过图形编辑工具对相应图模版本维护环境的图形和模型进行一体化维护。

图3是CIM/G图形文件的版本变化过程,以当前维护图形(A图)为例说明。用户指定模型版本号启动图形编辑器进行图模一体化维护,若模型版本号为ver_3_11,当前维护的A图对应的图形版本标识为ver_3_11,当前时刻运行系统图形集为graph,使用图形编辑器编辑A图,若A图属于ver_3_11,则以ver_3_11下的A图为基准进行编辑,若A图仅属于graph,则以graph下的A图为基准,下装A图到ver_3_11下进行编辑。

图3 CIM/G图形的版本变化Fig.3 Version changes of CIM/G graphic

图形提供了数据库属性录入框、管理工具、检索器等图模交互界面进行统一建模和绘制图形。在图形编辑器中新增或点选已有设备图元后,用户在数据库属性框中新增或修改设备模型信息至当前模型版本下,完成图模统一维护,使用管理工具可快速查找和更改当前编辑图形的设备信息。图模一体化维护可以降低系统维护的难度,实现设备模型的可视化维护。同一图形版本维护环境下,图形编辑保存通过更新图形信息表锁定域实现签入签出机制,防止发生冲突[14]及各客户端相互覆盖。图形信息表记录了图形版本信息,A图文件也记录图形版本信息ver_info,保证文件服务器的图形文件信息和图形信息表信息在一致情况下进行维护。

2.1.3图形校验与投在线

图形编辑器提供了设备图元关联关系的基本校验,根据图形上设备电器属性和设备之间的拓扑连接关系对每类设备进行校验,如端子空挂、设备关键字重复、线路两端厂站反向等,校验结果根据重要等级以列表的方式进行告警,点击列表记录可快速定位设备对象进行检查,为设备节点入库提供了有效的检验手段,对未来规划图形版本投入运行系统提供了保障。

本文的图形版本投在线是在模型版本投在线成功后,模型发布服务通过消息通知图形发布服务进行图形版本投在线。图形版本投在线根据未来模型和在线模型转换规则,转换CIM/G文件中的模型数据信息,修改图形文件版本信息并自动在线网络保存,维护信息写入在线系统的图形信息表,图形成功投在线,同时备份历史图形版本,实现了图模版本同步更新。图形多版本子系统仅对与模型版本对应的版本变化图形集投在线,避免了无变化图形重复投在线的问题,因而大大降低了图形发布量,提高了图形发布效率。

2.2 图形版本调阅

图形版本调阅是图形浏览器触发图形指定版本进行图形文件下装、CIM/G文件解析、图模数据展示的过程。图形版本调阅呈现给用户同一版本图形和模型数据,适用于调度管理人员追溯任意图形版本查看图模数据的应用场景,图模版本联动展示流程如图4所示。

在图形多版本管理界面中,用户指定图形文件和图形版本启动图形浏览器,文件客户端以该版本图形文件绝对路径为关键信息发送图形文件请求,文件服务端获取响应后从文件服务器指定文件目录获取图形文件下装到工作站。图形调用文件解析模块根据硬件实际的核数和加载图元的数量创建出合适数量的解析线程进行并行加载,并进行任务的调度与管理。文件解析模块可以充分利用现代处理器多核的优势,将图形文件拆分为不同图元的指针,然后以任务的形式分配给每一个核进行并行加载,解析完成后进行画面展示和画面数据异步刷新。数据刷新客户端组装画面信息通过代理服务发送数据请求,其中画面信息包括画面数据和图形版本号,数据刷新服务端获取响应后向对应模型版本的公共信息模型小应用实时库请求数据,返回数据推送给图形展示。

图4 未来图模版本联动Fig.4 Linkage of future graphics version and model version

在图模多版本维护环境中,图形浏览器还支持根据时间选择某历史时刻下的图形断面进行调阅。图形根据所选时间获取对应的历史图形版本进行文件下装、解析,调用模型相关服务获取同一时间段模型数据,实现历史图模反演。图形版本调阅操作简便,直观展示了同一版本或同一时间段的图模断面,保证了图模数据一致性。

2.3 图形多版本差异集中展示

本文还提供了图形多版本差异集中展示方法,即装载同一图形文件的不同版本,利用画面窗口集成方式展示不同版本图形文件并进行差异比较,图形浏览界面可快速定位差异图元,从而基于时间尺度直观感受图形的动态变化,提升了图形多版本的展示水平。

2.3.1画面窗口集成技术

画面窗口集成是将画面展示内容集成在子窗口中,与图形浏览窗口水平分割浏览区域进行数据集中展示。该技术采用的是消息驱动模式,图形框架收到特定界面操作消息后动态生成界面窗口实例,并将其加载到画面集成窗口中,画面集成窗口可以同时展示一个或多个独立窗口内容,如图5所示。在图形浏览窗口中,用户可以通过画面区域选择自动截取框选内容发送到独立窗口中进行监视,也可以通过右键点击画面操作关联其他画面集中展示。该展示框架具有图形界面定制灵活、与应用消息通信便捷的特点,满足了用户对重点关注内容的集中展示需求。

图5 画面集成窗口展示Fig.5 Integration window display of graphics

画面窗口集成技术具有高度可扩展性,实现了不同画面的集中监视和操作,解决了多窗口频繁切换的问题,满足了用户对重点关注内容的集中展示需求。图形多版本差异集中展示采用画面窗口集成技术中的独立窗口展示方式与图形浏览界面共同展示两个不同版本的图形,图形集成窗口停靠在图形浏览界面下方,提供了图形不同版本集中展示的方法。

2.3.2基于CIM/G的差异分析方法

同一图形文件的不同版本分别存放于对应版本存储目录中,图形浏览器给用户提供了选择不同版本进行差异展示的方法。基于CIM/G的差异分析是以当前图形版本为基础,选择目标版本进行差异分析的过程。数据查找一般分为顺序匹配、二分查找和哈希查找,从实现算法效率比较,哈希查找方法因查找速度快,查询、插入、删除容易操作等原因而获得了广泛应用。基于CIM/G不同版本的差异分析是解析不同版本的同一图形,根据CIM/G文件中图元编号唯一及图元内部属性唯一的特点,以图元编号作为关键码值,快速查找相同编号的图元,比较其属性值,最终获取不同版本图形中所有差异图元信息。

图元类型和图元属性繁多,图形提供了友好的图元及图元属性配置界面,可自定义每类图元的比对属性集。以华北500 kV静海站的当前版本与上一版本比较为例,图形浏览器并行加载快速解析当前时间图形版本,同时二级哈希存储所有图元相关信息〈图元编号,〈属性,值〉〉,用户继续选择同图某一版本快速解析,以图元编号为关键字进行差异比较,差异主要包括已有的图元、新增的图元或删除的设备图元,以画面窗口集成的方式集中展示图形两个版本,可通过自动定位展示差异图元,鼠标移至图元位置展示详细差异信息,见附录A图A1。

图形多版本集中展示及差异分析可在图形界面快速比对同一图形不同版本的差异,全方位、多角度展示电网图形不同版本,满足了大电网图模管理的迫切需求。

2.4 图形多版本应用

本文提出的基于CIM/G的电网图形多版本管理与展示技术已在华北电力调控分中心试点应用,该子系统基于模型多版本信息实现了图形多版本构建、维护、存储、发布和展示功能,取得了较好的效果,见附录A图A1和图A2。

根据调控运行一体化要求,图形多版本子系统实现了基于模型版本构建图形版本的方法,可同时构建多个安全隔离的图模版本维护环境,从时间维度实现对电网规划、方式安排、调度计划等业务的支撑,提升了大电网预控能力。例如,华北电网京津唐地区500 kV电压等级变电站线路破口,相应220 kV电压等级线路接入该供电区域,用户需要构建图模版本维护环境维护未来态图模数据,计算投产后在预想方式下该电网附近的供电能力;锡盟—廊坊特高压送端风电、火电基地投产后,或者鄂尔多斯—保定送端能源基地投产后,用户需要构建图模版本维护环境进行网省未来图模构建、融合和应用等。图形多版本子系统解决了多专业、多用户对未来图模多版本并发维护的问题,弥补了D5000在未来图模维护方面的不足。

目前华北网调智能调度控制系统中文件服务器上的图形集目录大小近600 MB,有近4 300个图形文件(地调图形集会更大),每幅图平均143 KB,采用图形公共服务定时保存图形集的方式,默认按“天”定时保存一个历史版本占用空间约600 MB,存半年需要近100 GB空间,会消耗大量的存储空间,为防止空间占满,需根据实际情况设置保存图形历史版本最长时间。华北网调实际修改图形每天仅有几幅图甚至更少,若平均每天修改5个图形文件,每天保存占用空间不到1 MB,因此采用变化图形自动存储版本机制可以有效记录图形变化痕迹,防止了无变化图形冗余备份,减少了存储空间的消耗,避免了无变化图形重复投在线的问题,因而大大降低了图形发布量,提高了图形发布效率。

图形多版本子系统还完善了图形版本调阅方法,便于用户进行历史反演、事故追忆、未来预测等图模数据展示;增加了图形多版本差异集中展示功能,用户可以通过图形可视化方式比较图形不同版本分析电网结构变化。图形多版本子系统提升了图模版本一体化的管理水平和图形多版本展示的支撑能力。

3 结语

根据本文提出的基于CIM/G电网图形多版本管理与展示技术,在基于调控系统的模型多版本管理系统中,按照电网自动化人员对图模版本维护的需求和图模一体化原则,实现了图形多版本管理与展示子系统,适用于多业务同时构建图模版本环境进行图模一体化并发维护,图形多版本采用轻量级文件管理服务进行统一管理和维护,具有可靠性高、实时性高、部署简单、易于维护等特点,保证图形多版本存储安全。本文涉及的图形多版本差异集中展示目前仅实现了两个版本的比较,版本间的差异展示采用逐步定位方式展示,后续需进一步实现多个图形版本以多窗口方式集中展示,版本间的差异展示根据差异重要等级进行分类标注,更直观地展示图形多版本差异。

本文在完成过程中,受到国家电网公司华北分部科技项目“面向特高压建设的大电网未来态模型技术研究”的资助,谨此致谢。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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CIM/GBasedMulti-versionManagementandDisplayofGraphics

XUHua1,2,NINGJian3,HUANGKun1,2,4,ZHANGYong3,JIANGChangming3,ZHANGZhe3

(1. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing211106, China;2. NARI Technology Co. Ltd., Nanjing211106, China;3. North China Branch of State Grid Corporation of China, Beijing100053, China;4. State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control, Nanjing211106, China)

In view of the inadequacy of graphic management and display based on time dimensions in the smart grid dispatching and control system, this paper proposes a multi-version management and display technology of graphics based on CIM/G. The method takes the use of CIM/G files as the lasting storage medium of multi-version graphics, and divides the corresponding graphic version marks according to model version number to realize incremental storage of variable graphics and the security isolation among multiple versions. And then the technical scheme of constructing and managing multi-version graphics are realized. Also proposed is the way to browse an arbitrary graphic version, and realize centralized display between different graphic versions. This technology has become a pilot application in North China Electric Power Control Sub Center, which meets the demands of multiple business applications towards multi-temporal version graphics, and enhances the control ability of system control to create, demonstrate, store the future graphic version, etc.

graphics of power grid; multi-version management; version retrieval; difference analysis

2017-03-16;

2017-07-19。

上网日期: 2017-09-19。

许 花(1983—),女,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统自动化。E-mail： xuhua@sgepri.sgcc.com.cn

宁 剑(1986—)男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统自动化。E-mail: ning.jian@nc.sgcc.com.cn

黄 昆(1981—)男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统自动化。E-mail: huangkun@sgepri.sgcc.com.cn

(编辑万志超)