模型驱动的全景图技术在电网运行驾驶舱中的应用

何伊妮， 曹伟， 顾礼斌， 唐羿轩， 李勇刚

(1.广西电网电力调度控制中心，广西 南宁 530023；2. 北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

电力系统运行驾驶舱(Power System Operation Cockpit，POC)是一体化电网运行智能系统(Operation Smart System,OS2)的顶层应用和人机交互入口，通过运行服务总线(Operation Service Bus，OSB)提供的标准接口方式，获取OS2基础资源平台(Basic Resource Platform，BRP)、运行控制系统(Operation Control System，OCS)、运行管理系统(Operation Management System，OMS)的数据和应用支持，采用态势感知(SA)和任务导向技术，提供全面反映电网关键运行状态、预测和控制关键运行风险的“一站式”解决方案。

如图1所示，POC在OS2网、省、地三级主站部署，其核心是通过运行KPI(关键性能指标)监视和预警、信息挖掘、辅助决策、控制确保电力系统始终运行在正常区域。POC提供了运行KPI引擎和驾驶环境的功能，在驾驶过程中充分调用底层数据、画面和应用服务，不会重复建设BRP、OCS和OMS的功能。

图1 电力系统运行驾驶舱在OS2主站系统中的定位

目前驾驶舱中的决策视图是事先构造，不能动态生成，但电网运行决策具有主题的广泛性和视图的不确定性，驾驶舱静态预制显然无法更好地满足决策需要。

而要实现驾驶舱中视图场景的动态显示就需要利用自动成图技术，其核心是将应用决策的对象视图基于抽象后的区域模型自动绘制在驾驶舱界面上，同时将相应的测量与分析决策数据也一并展示，且在此过程中无需人工干预，自动推出场景视图，便于调度运行人员快速理解并完成决策过程，为驾驶舱技术提供更高层次的应用条件。

本文利用广度优先方法，实现对大规模电网模型的分层抽象计算，形成规格化的空间点线模型，借助自动布局与布线技术，自动生成电网多侧面全景视图以及与应用相对应的主题视图，融合了电网的宏观与微观决策视野，较好地满足了电力系统运行驾驶舱的需要。

电网全局模型构建的颗粒度是比较细致的物理层，是微观层面的。利用模型的抽象与压缩技术将其切片为相互关联的多层次模型视图，并在实体模型基础上构建虚拟对象，形成宏观视图，进而构造出空间点线模型，再利用自动布局布线方法生成电网全景视图。

国内外自动成图技术主要集成在商用软件包，通常为潮流图的自动绘制上，总体比较简化，没有深入到站内主接线和元件，也没有处理电网复杂馈线结构的能力。国内外自动成图技术往往是在原始模型基础上自动生成小范围的单一视图，缺乏模型抽象基础上的全景视图模式，且实用化程度有待发展[1-7]。

1 电力系统驾驶舱动态视图生成思路

驾驶舱动态视图由自动成图模块实现，其内容主要分为两类：一是电力系统全景视图，包括分层抽象的多层次视图表达，融合电网的宏观与微观决策视野；另一类是应用主题视图，主要是指可视化的应用决策方法。这两种模式都需要在全局或特定区域模型基础上，利用自动成图技术实现图形化展示。

电网联络关系复杂，用户对象庞大，不加以任何形式的处理直接将其模型视图自动绘制，其生成的图形庞杂，微观化有余，宏观不足，在驾驶舱有限的屏幕空间里不能提供更多的决策信息，因此需要提供不同粒度的图形文件给电网调度决策机构。

驾驶舱中模型驱动的全景视图自动生成系统，基于电网CIM模型以及厂站的GIS坐标信息，其数据源分别来自于GIS系统以及EMS和DMS系统。

自动成图系统自动生成多侧面视图、应用片网图等，生成SVG图形文件直接显示或导入源系统显示，并自动建立量测映射关系，其数据流程见图2。

图2 POC自动成图流程

2 电网多侧面主题视图模型生成方法

图3 电网分层视图

电网多侧面视图需要涵盖宏观与微观决策视野，以保证在有限的屏幕空间内浏览到完整的电网结构与逻辑关系。此外，对于应用主题类视图，其对应的基础也是电力系统模型，因而可以将POC中的应用场景统一为基于电网模型的电网多侧面主题视图，模型视图一般可以划分为系统厂站层、联络关系层、开关及重要用户层、用户层，如图3所示。也可以根据应用的需要在基础模型上抽象出特殊的模型视图，如合环路径、故障区域和恢复方案等。

厂站层描述厂站之间的上游拓扑连接关系，联络层描述变电站下游馈线之间的联络关系，开关层则省略非重要用户节点，而用户层与电网模型的最小颗粒度相对应，是基础层。

分层视图的划分也可以有其他原则，不同的视图在拓扑关系表达上应该一致，不相互矛盾。

2.1 驾驶舱视图模型建立

电网模型基于IEC 61970/IEC61968标准的CIM，涵盖输电网和配电网，为了适应驾驶舱视图自动成图对空间点线模型的描述需要，对电网模型作适当扩展，主要是对站外低压设备包容进容器类对象中，进而将低压电网模型转换为容器+连接线段，与空间点线模型一致。

图4 容器与设备关系

图5 设备拓扑关系描述

站外设备容器的原始对象是馈线(虚拟设备)，需要将其修改为虚拟厂站电压等级，以实现与站内设备对象容器描述一致，见图4和图5。

站外需要扩展为容器的对象主要是分支T型节点，包括有设备和无设备2种类型，见图6。

站外设备虚拟容器扩展算法如下：

(1)依据原始模型关系，建立一组设备与馈线之间一对多的映射关系，以便于将循环控制在馈线内部，提升效率。

图6 馈线T接点

(2)循环馈线内部设备对象，将其原始容器关系如开闭所、环网柜和分支箱等标注于节点上。

(3)循环馈线分支，查找分支关联的2个节点上是否有原始容器标识，如无则扩展一个新的虚拟厂站及虚拟电压等级容器，将节点置于其内，子循环馈线内部的开关、闸刀等设备(双端设备，除馈线段以外)，检查其双端节点是否不平衡(即一端与虚拟厂站及其电压等级容器关联，另一端为空)，如不平衡则将空的节点也置于虚拟厂站及其电压等级容器内，回到(3)起始位，继续循环至结束。

2.2 基于广度优先的模型压缩算法

模型压缩体现的是电压等级和交流线段(馈线段、虚拟线段)的去留问题，因而对于不同的模型视图而言，其模型压缩算法是相同的，具体算法流程如图7所示。

图7 模型压缩算法

2.3 抽象视图模型生成

删除2.2中的无效电压等级和无效交流线段(馈线段)，并且插入新的虚拟线段，原先的电网原始模型将被压缩抽象为新的模型，该模型仍然符合IEC61970/61968标准，且拓扑关系与未压缩前模型保持一致。

在删除过程中，删除容器类对象时，必须遵循先子后父的原则，即从设备到电压等级再到厂站。

由于是关系库结构，通常是提供设备的Keyid建立彼此联系，因而删除过程不影响其他容器对象之间关系。

端子跟随被删除设备一同消亡(被虚拟设备继承的除外)，而节点则在其包含的全部端子都删除后才能删除。

(1)插入过程

插入的对象为虚拟线段，在关系库条件下插入过程对其余模型对象之间关系无影响。

(2)多视图模型并存

本文所提到的删除，都是对应于某一应用下的数据模型提取。其原始模型只插入不删除，对插入的虚拟线段对象和待删除的厂站、电压等级和交流线段(馈线段)等进行标识，实现共存于同一个数据区，也可以将多视图模型存于不同的数据区(多态)。

3 驾驶舱模型驱动视图生成

将抽象后的模型可视化，并建立对象与图元的对应关系，利用SVG转换，导入驾驶舱应用系统。

驾驶舱自动成图工具生成的图形必须符合一定的原则，方能达到可用性目标：

(1)唯一性原则：图形是一种资源，只能在PMS/GIS或EMS/DMS的一侧生成，不可重复绘制，原则上电网的全局模型生成后，其所需要的任何图形都应该由模型拓扑来生成。

(2)图模一致性原则：自动生成的图形中的对象及其量测描述必须与驾驶舱数据库中的模型对象自动建立正确的映射关系，保证“所见即所得”，或反之。

(3)免(少)维护原则：驾驶舱模型拓扑结构发生变化后，对自动生成的图形必须实现增量化修改，实现风格继承，以减少人工维护的工作量。

(4)规范性原则：驾驶舱模型中的所有设备对象要有规范统一的图元描述，排布模式也要实现风格一致，便于图形识别和阅读。

3.1 自动布局与布线

如图8所示，布局中的点对象为电压等级，线对象为交流线段(馈线段)和虚拟线段，利用行布局模式，将空间的点按照大致的地理分布排列成多行，点对象可以上下左右移动，在空间上能够形成与实际地理相类似的排布。

图8 自动布局布线结果(联络关系抽象图)

布线采用少交叉与最短路径双目标优化算法，自动计算出超长线路跨越行时的转折点位置。容器内部主接线类型自动识别并绘制，其要点是：内部接线与外部接线要保持一致。

3.2 图形增量更新

如图9所示，驾驶舱视图自动生成应用允许人工对图形进行一定的修正，其风格继承原始图形。增量更新是在计算出视图模型增量的前提下局部修正图形，既能把新增加的线路等设备绘制在图形上，又能保持住以往的人工干预的部分。

图9 图形增量更新流程图

继承算法对于一些关键信息进行读取和继承，主要包括图形的整体布局、各电压等级的接线类型，以及用户会常用到的调整操作等。

3.3 主题视图输出与多层次链接

驾驶舱模型驱动视图的输出可以是通用SVG格式，能够被POC直接调用显示,也可以是ZMAP私有格式，POC通过WebService调用，主题视图输出通过设备资源代码RDFID保持设备的唯一性，自动建立从宏观到微观的多层次视图链接关系。

4 结束语

电力系统运行状态的图形化显示在各级电网运行调度中至关重要, 各级运行调度都需要有电网可视化图形的支持。传统驾驶舱内的视图基本是手工绘制，耗时多，效率低, 视图单一，已经难以适应大规模电网运行管理的要求。

本文提出了一种电网运行驾驶舱视图动态展示方法，实现了融合电网宏观与微观决策视野的全景视图，并将动态图模映射自动关联，为电网运行驾驶舱管理提供了统一可靠的电网逻辑视图支持，提高了电网运行驾驶舱的维护效率，消除了手工绘制系统图形容易出错的缺陷，为调控中心提供更为可靠、准确和全面的决策视图信息，提高配电网的安全运行水平。