电网信息编码与数字化设计融合应用研究*

郭 威， 李扬森， 尹 元， 林少远， 张成炜

(1.国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建 福州 350012；2.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

当前，以新一代数字技术为代表的第四次工业革命向经济社会各领域全面渗透.在能源行业中，电网的数字化基础较好，已涵盖规划设计、施工、运维等全生命周期的各阶段，电网信息分类与编码变得越来越重要，它是实现信息表达、交换、集成的基础，成为电网企业数字化转型的基石.设计成果是电网数据的源头，电网数字化转型必然要求传统的电力专业设计服务也同步实现数字化转型.数字经济时代，三维数字化技术在电力行业的普及是未来发展的必然趋势，是电力行业生产方式转型升级的必由之路[1].

电网企业信息编码主要包括项目工作分解结构(Work Breakdown Structure，WBS)编码、物料编码、设备编码、资产编码、实物资产统一身份编码等.针对电网信息编码，已有多篇文献进行介绍.文献[2-5]提出国家电网物资主数据编码方法、主数据标准化体系构建、主数据管理平台建设、实施的方法论；文献[6]提出国家电网基于SAP系统的物资、设备、资产编码和一体化管理实现方法.文献[7-9]提出国家电网开展了资产实物统一身份编码建设，通过“物联网+信息化系统改造”，实现实物与系统信息的绑定和关联，实现不同业务系统编码信息贯通.在设计环节，电网数字化设计的深入应用研究是目前各设计单位研究的重点[10]，包括数字化设计平台建设、设计协同流程优化等.基础信息集成化、数据模型一体化、设计成果数字化、成果应用全过程化[11]是数字化设计应用的最终目标.电网企业、设计单位针对自身的数字化技术应用开展了大量的研究，但是对设计数字化成果如何与电网信息化数据协同共享、融合应用研究很有限，多停留在技术展望的层面.

本文以国家电网为例，全面梳理了设计单位与电网企业全过程的业务流程以及流程中所采用的数据编码；然后，对相关信息进行更加合理的组织，提出数据建模方法；最后，提出构建设计主数据管理系统的思路和系统功能.

1 现状分析

1.1 国网信息编码应用现状

国网公司在资产全生命周期的规划设计、物资采购、工程建设、运行维护、退役处置等阶段均建设了相应的信息化业务系统，并构建了对应的信息分类与编码体系，如国网公司生产管理系统数据编码规范、国家电网物料主数据分类与编码规范、固定资产代码体系等.2017年，国网开展电网实物资产统一身份(实物ID)编码建设，实现了资产全生命管理过程中项目编码、WBS编码、物资编码、设备编码和资产编码等多码联动和信息贯通，业务流程如图1所示.

图1 国网信息编码多码联动业务流程Fig.1 Business process of multi code linkage of information coding in national network

在规划设计环节，项目建设单位在业务系统中立项生成项目编码和WBS编码，填报设备订货材料清册时增加物料编码.物质采购阶段，物资部门根据设备材料清册完成采购业务，在合同生成环节按一对多关系生成多个实物ID，物质供应商按统一的标签制作规范在实物设备上制作实物ID标签.工程建设阶段，项目建设单位采用移动作业扫描实物ID标签的方式完成物资出库及调试数据、缺陷信息、交接试验数据录入.运维阶段，项目建设单位将包含实物ID信息的设备转资清册导入ERP系统，并同步到PMS系统.退役处置阶段，根据实物ID进行识别，处置废旧物资.

1.2 输变电工程数字化设计现状

2000年前后，国内设计单位就在发电厂主厂房设计中采用数字化三维设计技术.相比发电工程，由于输变电项目体量较小、工期短、复杂程度相对较低，三维设计起步晚、应用深度不足.2017年国网公司全面启动数字化三维设计应用推广工作.2019年起，国网公司要求110 kV及以上新建输变电工程全面应用三维设计和设计成果数字化移交，一方面是利用三维设计可视化、可优化、可出图的优点提高设计质量，最终目标是利用三维设计模型可挂接结构化数据的特点，解决工程数据的互联互通和多参与方的信息共享问题，进而支持项目的协同工作，挖掘数据价值.传统二维设计模式转变到三维设计，涉及软件成熟度、设计流程再造、设计人员作业习惯、设计交付成果转变等一系列的系统性问题，相比20世纪90年代的“甩图板”需要更长的转变周期，从目前应用情况来看，大部分电网设计单位实现正向设计出图还存在诸多困难，设计交付信息模型的能力更是欠缺.

1.3 当前存在问题

电网企业信息化业务系统和设计单位三维设计平台属于异构的软件系统，国内电力设计单位数百家，设计平台选型不一、应用水平参差不齐，因此输变电工程三维设计模型与电网信息化业务系统的信息编码还未实现融合，主要体现在以下几个方面：

1) 电网企业和设计单位内部的信息协同不断完善，但企业间的协同脱节.国网公司信息化业务系统是个内网系统，其主要用户是系统内员工，图1中的规划设计阶段，主要参与方是项目建设单位，还未将设计单位作为一个参与方纳入其业务流程，因此无法实现更高效率的协同.

2) 流程上未实现项目全生命周期数据应用.设计单位在开展设计活动过程中主要执行初步设计内容深度规定、施工图设计内容深度规定等行业标准，分专业交付设计说明、设计图纸、主要设备材料清册及概预算文件.设计单位仅在初设审定和竣工阶段将设计成果以数字化的方式移交给运维，在物质采购和工程建设阶段，仍采用纸质或电子化施工图纸，设计数据仍然是“暗数据”，没有实现全生命周期数据应用.

3) 数据结构未贯通.三维设计信息模型与国网信息化业务系统信息编码的数据分类维度和颗粒度差异较大，未根据业务系统的信息要求对三维设计信息模型进行全面梳理，因此设计输出与信息化业务系统输入数据无法融合贯通.

4) 缺乏实现手段和平台支撑.三维设计平台的主要功能是建模、出图、设计专业间协同及最终设计成果移交，设计过程中数据与国网信息化业务系统缺乏手段和应用平台支撑.

2 业务流程分析

要实现电网信息化业务系统的信息编码与输变电工程三维设计模型的深度融合，首先要从分析业务架构入手，将业务领域分为电网企业和设计单位，电网企业的业务十分复杂，只分析两个领域相关的业务行为,具体业务流程见图2.流程图的上半部分呈现了设计单位从初步设计到竣工数字化移交的三维设计业务流程：初步设计启动后，由于本阶段设备未订货，采用设备通用模型开展三维设计，从全站模型中提取主要设备材料表，根据各专业的设备材料表完成项目概算书；初设审定后进入招标环节，设计单位需要配合业主单位开展物资招标工作，按照电网统一的物料清册模板编制本工程物资清册；确定中标厂家后，设计单位对厂家提供的设备资料和产品模型进行核对确认，并作为设计输入开展施工图设计；竣工阶段，实施数字化移交.流程图的下半部分是国网业务系统中与设计业务相关的业务流程，包括项目立项、物资需求计划管理、合同管理、收发货管理、验收转资、运行检修管理，流程图中还描述了WBS编码、物资编码、实物ID、设备编码、资产编码在国网信息化系统各业务环节的演进.

图2 业务流程图Fig.2 Business flow chart

在工程建设中，设计是龙头，设计成果是项目数据的源头，图2中设计单位与数据对象之间的虚线表示数据有关联但目前未贯通的数据流，数据不同步、不一致，数据冗余问题日益凸显.要保证设计单位与电网企业两个业务领域数据的数据实体和属性保持唯一，需要对数据分类编码进行统一.

3 数据编码

3.1 数据编码结构分析

按照项目数据编码在项目全生命周期产生的时间排序，各类编码包含：数字化设计编码、项目WBS编码、物资编码、电网实物ID编码、设备编码、资产编码，资产编码属财务口径，与设计业务领域不相关，以下对其他编码进行简述.

(1) 数字化设计编码

设计单位在数字化设计过程中采用的编码系统统称为数字化设计编码，目前执行《电网工程标识系统编码规范》[GB/T 51061—2014]，电网工程标志编码简称KKS编码，综合采用工艺相关标志、安装点码和位置标志三种编码来唯一标注厂站的系统、设备、部件和构筑物.

(2) 项目WBS编码

项目WBS编码主要是为了满足项目的规划、概算、采购、核算、结决算等业务需求.项目WBS编码长度为22位，前14位用于表达项目类型、单位代码、申请年份及项目顺序号，后8位为项目WBS识别码.输变电工程项目WBS架构参照《国家电网公司项目WBS架构编码规范》[Q/GDW 1934—2016].

(3) 物资编码

物资编码是从物资部门计划、采购、合同、监造、履约、库存等需求角度出发研发的编码系统，由物资分类编码、物料编码构成.物资分类编码规则采用3层7位数字代码(大类2位、中类2位、小类3位)，物料编码采用9位混合码，1位固定开头+8位流水码，代码具有唯一性，但本身无物料属性的任何含义.在小类下，进一步区分物料，分别定义特征项和对应特征值，如电压等级、材质、型号等.物质的小类描述与若干特征值描述构成物料长描述，物料长描述是设计单位核实该物料是否满足项目采购标准的主要手段.参照《电力物资分类与编码导则》[DL/T 700—2017].

(4) 电网实物ID编码

电网资产实物“ID”由24位十进制数据组成，编码结构由公司代码段、识别码、流水号和校验码四部分构成.识别码的位数为2位，用于区分不同业务应用生成的电网资产实物“ID”，如ERP系统，增量设备资产实物为“01”.PMS系统，存量设备资产为“02”.流水号的位数为18位，按照数字序列自动生成.

(5) 电网设备编码

电网设备编码由功能位置编码与设备个体编码构成.功能位置编码包括公司、厂站类别、最高电压等级、厂站数字代码、系统类别(如主变间隔、线路间隔)、系统流水号、功能位置(如变压器、断路器)、功能位置流水号构成.设备个体编码由公司、对类类属(如资产)、设备类别编码(如主变压器)、10位的物理设备序列码构成.

(6) 数字化移交数据编码

数字化移交的数据包含结构化的设备参数表和非结构化的各类文件，以KKS编码作为设备对象的唯一的标志，项目中每一设备的数据和文件挂接在对应的标志编码下.设备参数表需要针对每一类设备制定标准化、结构化的参数表，如国网企标《输变电工程数字化移交技术导则 第1部分：变电站(换流站)》[Q/GDW 11812.1—2018]对变电站(换流站)各类设备的参数表作了规定，设计单位需要参照执行.

3.2 设计业务编码与电网企业编码之间的对应关系

(1) 项目WBS编码的分类层次系参照预算编制与计算规定，这与设计单位所编制的项目概预算书的层次架构是一致的，在设计环节根据电网企业WBS编码规则可生成具体项目的WBS编码.传统设计模式下，设计人员按照电力行业标准对设计内容深度的规定，各专业分别开列主要设备材料清册，这是针对二维成果的交付方式，在数字化设计模式下，应改变内部专业配合流程和交付标准，结合项目类型建立标准的项目WBS模板，完成各专业设计模型后，按WBS的分类层次从模型中提取主要设备和主要材料的主要技术参数，使技术与造价专业的数据结构保持统一.项目建设单位基于项目WBS提报设备材料清册.

(2) KKS编码中的设备码与物资编码的大类码、中类码可以建立对应关系，小类码仅部分对应，KKS编码中不含物资编码所需要的特征值，如仅对照这两种编码，二者在分类上交集不多.但是，数字化移交标准已在每个KKS编码对应的设备对象上关联一个设备参数表，并且物料编码的特征值只是设备参数表的一个子集，因此KKS编码加上设备参数，可以与物料编码建立对应关系.在数量上，KKS编码与物料编码是多对一的关系，比如3台相关型号参数的主变，其物料编码是一样的，但KKS编码各不相同，区别在KKS编码带有主变压器的流水序号.

(3) 电网设备编码中功能位置码的“公司、厂站类别、最高电压等级、厂站数字代码”全项目唯一，“系统类别+系统流水号”、“功能位置+功能位置流水号”与KKS编码中的系统码、设备码所采用的分类原则、代码顺序相同，可以建立一一对应的关系.

(4) KKS编码与实物ID编码在分类规则上没有任何对应关系，但在业务流转的过程中能进行关联.例如，初设阶段3台主变在三维模型中的KKS编码分别为“A，B，C”，提取订货设备清册时生成同一个主变物料编码“Z”、数量为3台，主变厂商3台主变分别制作实物ID标签，实物ID编码为“1，2，3”，设计单位在施工图三维设计模型中指定3台主变的实物ID，就建立了KKS编码、物料编码、实物ID编码的关联关系.

3.3 基于面分类法的电网工程信息分类与编码

如3.2节所述，设计环节采用的项目WBS编码、KKS编码、数字化移交数据编码与电网企业业务系统的物资编码、电网实物ID编码、电网设备编码具有紧密的逻辑联系，宜将其之间的关系用一种标准化、结构化的方式进行组织.不论是国际上还是国内，建筑领域建筑信息模型(BIM)信息分类编码体系已相对成熟，公路、铁路、水利行业均借鉴建筑信息分类编码体系.现有电网工程的各种分类编码以线分法为主，各自描述某一个树状结构，不同树之间的相关性很弱.本文参照《建筑信息模型分类和编码标准》[GB/T 51269—2017]，对上述编码所涉及的信息重新分类，设置11张分类表(见表1)，每张分类表内部采用线分类法，既可以单独使用一个分类表，可将不同分类表组合使用以表达更复杂的信息.在设计分类表时，一方面要充分利用已有的分类编码体系；其次对相关信息进行更加合理的组织，对同类的信息进行梳理和整合，按照信息颗粒度进行分层；另外，要充分考虑信息的可扩展性.

表1 电网工程信息分类表

在描述复杂对象时，采用逻辑运算符号联合多个编码一起使用，编码逻辑运算符号采用“+”“/”“<”“>”符号表示，其中“+”用于将同一表格或不同表格中的编码联合在一起，表示两个或两个以上编码含义的集合；“/”用于将单个表格中的编码联合在一起，定义一个表格内的连续编码段落，以表示适合对象的分类区间；“<”“>”用于将同一表格或不同表格的编码联合在一起，表示两个或两个以上编码对象的从属或主次关系，开口背对是开口正对编码所表示对象的一部分.电网工程各类编码应用分类表组合见表2.

表2 各类编码组合表

4 设计主数据管理系统功能设计

国内变电工程三维数字设计平台主要分为Bentley公司系列软件和国内厂商在Autodesk公司Revit平台上二次开发的软件.输电线路三维数字设计平台以国内厂商在国产三维GIS平台上自主开发为主，厂商包括中国电科院、博超、道享、百合等.一般情况下，一个设计单位的变电和输电设计平台采用不同厂商产品.本文所提及的设计单位数据都是信息内容相对固定且经常被引用的数据，称之为设计主数据，如分散在不同设计单位维护，无法与国网物资、设备等主数据同步，随着各自的业务演变，数量质量无法保证，宜建设输变电一体化、以省公司为单元的区域级统一的“设计主数据管理系统”，数据统一管理和运维，通过接口与将主数据分发给各企业的数字化设计平台.设计主数据包含国网通用设备主数据、数字化设计标识编码主数据、物料编码主数据、数字化移交主数据、项目WBS主数据、电网设备编码主数据.在数字化设计过程中，设计单位随着项目阶段的推进完善设计模型的信息细度，通过设计主数据管理管系统获取信息分类结构和编码规则，以固定的电子文件模板输出电网企业所需的项目数据，实现信息融合与交换，具体业务流程见图3.

设计主数据管理系统具体功能设计如下：

(1) 数据建模.按照本文所述方法进行数据建模，包括主数据建模、参考数据建模、元数据查询、数据资源目录、版本管理等功能.

(2) 数据全生命周期管理.所有主数据对象的创建、查询、更新、冻结、解冻、删除等功能，对数据的变更历史进行管理.用户可按树形、层次结构浏览主数据及其生成的编码，查看编码之间的层次关系.

(3) 主数据整合.对主数据进行匹配、规范化、清洗和存储管理，对冗余数据，可以进行合并和清理操作.

(4) 主数据发布.当系统的数据发生变更时，所有相关系统或平台的数据同步更新，确保主数据的一致性.

(5) 主数据集中维护.主数据的数据维护统一入口，具有数据审核和审批工作流，实现对主数据的集中维护.所有主数据只集中创建一次，可供不同设计单位、不同业务系统使用.

(6) 与外部数据的关联.设计主数据管理系统关联国网物资、项目等主数据，实现数据共享.

图3 数字化设计与国网编码融合流程图Fig.3 Flow chart of digital design and state grid coding integration

5 结 语

国内两大电网企业——国网电网和南方电网，是电力设计单位主要服务对象，电网数字化设计方兴未艾，数字化设计成果与电网企业的业务系统信息融合是一项新的工作，需要不断探索和提高.本文从业务流程和数据模型分析入手，借鉴国内外成熟的信息分类编码体系，提出电网工程信息分类编码方法，贯通设计单位和电网企业两个业务领域，涵盖项目全过程，构建设计主数据管理系统，支撑技术落地.由于电网工程涉及项目类型多、专业多，每张分类表详细分层和信息定义还需要深入研究，这项任务将是下一步研究工作的重点.