基于全网供电拓扑模型的图模数据共享技术研究与应用

2022-06-08唐广瑜金鑫琨

电测与仪表 2022年6期

唐广瑜，金鑫琨

(国网四川省电力公司成都供电公司，成都 610000)

0 引言

目前配电网各类设备图模数据采用的不同厂家的技术，表示方法上有很大的不同，维护也有不同厂家承担，为了智能配电网[1-2]的构建及实用化的推进，尽快设计一套符合国网模型标准，统一配电网信息标准数据模型建设和应用体系，成为十分急迫的任务，对支撑建设智能化供电服务指挥平台和配电网智能化深化发展具有重要的意义。

通过建设图模数据共享中心，管控统一配电网模型标准[3]，为支撑和融合配电网多元异构数据，为配电网全业务数据交换共享提供统一服务平台，提供统一配电网图模数据及基础应用服务，充分挖掘配网基础信息的潜在价值。文献[4]基于插件式开发技术，实现设备参数、测量数据的一体化维护；文献[5]通过改造调度系统的维护工具，使得各级电网在同一全景图上维护，实现省地一体化维护；文献[6]采用信息共享、分层管理的方式实现电网闭环流程管理，提高上下层电网协同性；文献[7]对图元、拓扑模型和用户等建立标准模型，试下你图形一体化维护。以上研究大多只针对图模一体化维护设计，而没有将PMS2.0台账信息、配电自动化系统电网运行信息等一体化维护较少涉及。

因此，针对上述问题，文中设计了基于全网供电拓扑模型的图模数据共享系统。通过图模数据共享服务平台的构建，提供更为有效的图模数据应用和图模共享功能。建立信息交化模型，实现应用之间的解耦与透明交换，提出了图模交互准则。基于全网供电拓扑的图模数据共享模型，实现图模标准、数据存储的统一化。最后，图模数据共享系统可视化展示。

1 图模数据共享系统总体构架

1.1 系统总体构架

图模数据共享平台[8-11]总体框架如图1所示。通过图模数据共享服务平台的构建，提供更为有效的图模数据应用和图模共享功能，为多平台、系统提供更高效的图模数据业务应用支撑。解决多系统交互导致图数不一致问题。图模数据共享平台[12]从调度自动化系统、用电信息采集系统、营销管理系统和电缆网管系统获取相应的数据信息，从PMS2.0系统获取设备台账和图模信息，从配电自动化获取电网实时运行参数信息，建立统一标准模型。构建图模数据共享服务平台数据资源存储中心，通过收集、同步源端数据(主要来源为PMS2.0、GIS2.0等)，经过转换、适配生成标准化的图模数据并进行统一存储，供对外发布提供标准数据源。对标准化处理的数据和图模信息进行可视化展示，用于设备运维管控、应急管理指挥等各方面业务。

图1 图模数据共享平台总体框架

1.2 技术构架

基于电网GIS平台与多元电网标准数据为数据源端支撑，建立图模数据共享服务平台[13]。收集电网资源数据、电网运行数据等形成数据仓库、数据中心，以标准CIM/SVG/E语言模型为交互结构，建立以基于电网标准模型专题图图形展示平台，支撑配电网上层业务系统应用。而可视化图纸管理支持图模数据的可视化管理，并提供标准的图模对外发布服务。构建图模数据共享服务平台，合理开展配网数据的交互，确保不影响其他系统的正常运行。支持数据模型可扩展、应用服务可扩展、应用功能可扩展，满足后续各类业务功能的扩展性开发与集成需求。采用开放灵活的应用服务开发框架，支持界面、功能、流程的灵活配置，满足各层级、各专业配网业务应用需求。技术构架如图2所示。

图2 图模数据共享平台技术构架

1.3 软硬件配置方案

为尽可能的利用现有资源，图模数据共享平台最大限度利用已有的调度自动化系统、用电信息采集系统、营销管理系统、PMS2.0和配资自动化硬件设备，为了实现图模数据共享平台的功能，需要单独配置二台服务器，一台进行统一标准之后的信息存储，另一台进项可视化展示和系统升级。服务器配置为CPU：32 c，内存：64 G，硬盘：500 G。

为了搭建图模数据共享平台，需要提供相应的软件环境，实现一模多图图模数据可视化管理，根据源端同步后的数据，支持标准化图模数据可视化生成、编辑、管理操作。以支撑对外提供高质量的图模数据源。所需软件环境如表1所示。

表1 图模数据共享平台软件环境

2 图模数据共享系统信息与图模交互模型

2.1 信息交换模型

以信息交换总线作为第三方中介，实现应用之间的解耦与透明交换[14-15]。信息交换总线包括信息交换中间件和适配器两部分，共同实现业务编排与消息路由、发布/订阅、请求/响应及其它功能。主题由动词和消息名称组成，以标识系统之间交互的各种业务数据；其中，动词应采用IEC 61968标准中的动词列表，名词以配电自动化信息交互场景及消息规范中的消息子集为依据。配电自动化信息交互应基于主题机制实现静态编排与动态路由。配电自动化信息交换总线应支持请求/响应与发布/订阅两种基本信息交换模式，其中请求/响应模式应包括同步请求/响应和异步请求/响应两种子模式。标准接口服务器由中间件适配器和应用适配器两部分组成，实现数据转换/解析、消息封装/解封、以及接口转换。标准接口服务器能够根据实际情况部署在总线服务器侧、应用系统侧或独立部署。信息交换模型如图3所示。

图3 信息交换模型

信息交换总线用于信息的交换，文中设计的功能主要包括请求、应答以及发布、订阅两种功能模式。不同的应用系统之间通过信息交换中间件来实现。请求、应答模式下，分为两种情况，分别是同步和异步，都通过信息总线来进行信息数据的交换。其中，在应答消息中，对标签进行规范化处理，采用reply。AsyncReplyFlag的调用方式文中采用的为同步调用。对于CorrelationID，不论是中间件的应答返回还是应答放的返回结果，都同时进行返回。信息交换中间件的机制中同时包含同步机制的可选择项，对于需要对信息提出请求的一方，AsyncReplyFlag的设定为false。同时信息交换中间件也听日工异步机制的可供选择项。在此种工作模式下，最终结果信息以及确认信息需要先进行返回。同时，为满足上述功能，信息总线的功能还会应包括交换服务接口的统一使用性，而对于应答适配器的应答方式，则根据是异步还是同步的方式进行自动选择，同步和异步方式分别如图4、图5所示。

图4 同步请求/应答

图5 异步请求/应答

2.2 信息标准化模型

统内部数据组织、存储和管理维护的依据。模型的版本号定期统一发布，其基本定义和解释符合IEC CIM。根据各数据分册所提出的各系统与配电自动化系统信息交互的数据需求，遵循IEC CIM建模方法，对统一信息模型进行适度扩展，其流程见图6。

图6 信息标准化方法

采用IEC 61968-1标准定义的通用消息结构作为配电自动化信息交互载体[16]，由消息头和消息体两部分组成。消息头包含动词、名词及其它应用于消息传递和对其管理的信息，其中动词应符合IEC 61968-1标准中限定的范畴和组合方式，名词对应子集的名称。消息体加载在系统间实际所需交互的数据，应符合指定子集定义的边界、结构和约束，或是图形及其它特殊格式的文件。每个子集应唯一对应一类信息交互主题，同一子集可在多个系统间复用。标准化数据文件的生成、解析和应用等正或反序列化过程应以子集的定义为依据。子集的版本定期发布，宜与统一信息模型版本和各交互系统的应用变化保持同步更新。交互场景包括消息交互的时序、流向、动或名词组合以及特殊限定等，场景的更新应遵循各系统业务功能配置调整对信息交互影响的情况。

2.3 图模交互准则

图模交互基于CIM/SVG相结合的数据交换格式。配网专题图、配网设备属性、拓扑(图模)来源于生产系统。实时量测数据来源于配电自动化。配电网全模型中心的设备对象和其他系统的对象，对应为同一个CIM模型里的对象。在电网设备检修替换时，资产编码发生变化，电网功能位置未发生变化时，传送给其他系统的ID应保持不变，或告知原设备ID。图形和模型一起交互。交互数据最小颗粒度为线路(馈线)/厂站，以中间文件为载体，配电网全模型中心，配电自动化系统各自对中间文件负责。模型交互文件以及增量模型文件，都只须实现模型的引用完整性，不需要包含引用到的线路或者厂站的模型。

(1)基于SVG的数据交换格式

SVG文件结构[17-18]组成部分包括文件头(放置于文件的头部位置)、不同的文件表现的形式(一般定义选择有图元和样式两种形式)、图元样式引用和图层等各个结构。SVG作为一种基于XML具有开放性质的二维空间的语言形式，主要用于对是矢量图形的描述。目前，应用比较广泛的是地理信息图系统。对于SVG文件数据内容的主体区域中，不同的数据按照不同的类别进行处理，并将处理得到的数据放置于不同的图层，SVG文件结构如图7所示。

图7 SVG文件结构

(2)基于CIM的数据交换格式

CIM模型则主要针对电网中的各类电气设备和电气设备之间的拓扑连接的关系模型[19-20]。数据传输的格式采用的同样是XML，为了实现各类系统中不同设备模型的标准化，需要借用CIM模型对系统中各类模型的逻辑关系进行统一的构造。地理信息系统中的数据就采用此格式实现数据之间的交换。CIM文件结构如图8所示，通过表征CIM文件的四类特征对CIM文件进行描述。电网中的各类设备和不同设备之间的拓扑连接结构方式为并列方式，并在CIM数据容器标签进行相关规定。引用属性则作为元素间逻辑和层次的实现途径。

图8 CIM文件结构

3 基于全网供电拓扑的图模数据共享模型

3.1 标准中心模型

(1)模型标准管理

建立一套图模数据共享服务平台标准数据模型，形成CIM元模型文件，对模型版本进行管理，作为各个系统实际设备模型发布的标准依据，模型版本管理具备模型多版本管理功能，实现对历史、当前模型的统一维护和管理。

(2)模型校验管理

模型校验主要分为两个层面，包括元模型RDFS的校验、RDF实例的校验、应用数据校验等，其中RDFS的校验是用于校验当前模型中使用的RDFS是否为发布的最新版本Schema，该校验主要通过版本识别实现。而RDF实例的校验是用于确保模型在语法语义上的正确性，是模型校验功能的重点。

(3)接口标准管理

实现标准元模型的管理与发布，并负责模型的语义、语法校验，确保模型中心数据的规范性；为业务系统提供统一标准接口规范，为模型中心提供数据存储标准、数据校验规范及数据发布规范。提供统一标准接口规范，即标准化的语言、模式文件定义、消息体定义的接口标准，明确数据共享需求，规定在不同业务场景下，数据共享的信息类型、交互方向、交互频率、交互内容与实现方式。

(4)图形校验管理

图形校验是对图形文件(SVG格式)进行校验，需要对图形文件的各个部分内容的校验规则进行定义，包括文件格式、文件头定义、图形表现形式定义、图层定义、设备图形、图形拓扑描述、图模一致性等方面。检查图形文件是否符合XML格式规范，每个标签的定义是否正确，文件头定义校验项包括字符编码校验、画布的宽高校验、绘图视图坐标系参数的校验等。

3.2 存储中心模型

图模数据共享服务平台采集存储的模型包括主网、配网、低压和新能源设备的设备静态模型以及对应的实时数据、采集量等动态模型，而实际的主配网、低压、新能源设备的管理单位、管理方式不同，其模型也可能是由不同的系统进行管理和维护的，各管理层次间存在相应的设备边界，不同系统对不同设备，甚至同一个设备的采集量也不尽相同，因此将配网全模型汇集到存储中心时，就需要根据边界进行模型的拼接，根据应用需求对模型进行融合，确保模型的完整性、一致性。

图模数据共享服务平台采集的是相关的源系统包括：PMS2.0、配电自动化、用电采集系统、调度自动化系统、营销系统，都通过模型服务、实时数据服务等将图模数据推送到数据总线，在经适配器进行模型转换、模型拼接、模型融合，然后存储到平台存储中心，如图9所示。

图9 图模数据共享存储流程

4 图模数据共享系统可视化展示

为了便捷的展示与编辑专题图，将各类专题图数据转换成符合标准IEC 61970/61968的CIM、SVG文件，图形以SVG为单位进行预览，可预览的图形包括单线图、低压台区图、联络图、站室图等。图形预览采用标准SVG交互格式并采用开放的Google浏览器内核进行渲染出图。通过SVG展示技术将SVG展示在图形[21-22]应用平台上。

(1)图形展示

通过该平台操作SVG图形元素，进行图形的编辑修改，包括单个设备、批量选择、容器选择多种方式移动、旋转。标注颜色、字体、大小、字号、间隔、排列等调整。并实现容器组合的自定义功能，例如大馈线定义、间隔定义、站所站房定义等。实现专题图重新成图、设备台账维护等功能。将修改后的图形实使用SVG展示出来，保存后生成标准的CIM、SVG格式的数据，如图10所示。

图10 图模数据共享系统图形展示

(2)数据校验

基础数据校验是校验地理图基础数据，并将错误数据以及错误信息展示。目的在于找出地理图数据中的错误，这些错误会导致成图有误。在下拉菜单中点击“数据校验”按钮，并在其下拉列表中点击“基础数据校验”按钮，则弹出对话框“基础数据校验设置工具”如图11所示。

图11 图模数据共享系统数据校验

在成功加载数据后，再次点击“校验”按钮，则会再次弹出对话框。其中①错误筛选信息，旨在筛选出错误的内容，默认显示所有的错误类型；在单击②中的任意一行错误信息会弹出如图11④、⑤、⑥区域，其中④是对于②选中行的详细属性显示，右键会弹出“转到地理图”的按钮，如⑦所示，点击可以转到地理图并定位；⑤为错误原因；⑥为当前错误信息的附表，附表为与错误信息相互关联的其他设备的信息(注：并非所有错误类型均有附表)，目前有附表的校验主要是：拓扑孤岛校验、间隔有环、出线开关维护错误、非母线设备连接过多、相同拓扑不同GIS坐标；③分别有“筛选”和“错误导出”功能，其中“筛选”依赖①的勾选项，列出用户需要查看的内容，“错误导出”按钮只导出②“错误列表”中的内容(注：简易版EXCEL无法导出相关数据)。

(3)维护效率

通过建立基于全网供电拓扑模型的图模数据，将收集、同步源端数据(主要来源为PMS2.0、GIS2.0等)经过转换、适配生成统一的标准模型，进行统一的存储。调度自动化系统、用电信息采集系统、营销管理系统直接调用统一标准的模型数据，在数据需要维护时，仅需对维护图模数据共享系统维护，不必对调度自动化系统、用电信息采集系统等进行重复维护。文中统计了采用图模数据共享系统和不采用图模数据共享系统一周实际工作中平均每天维

护需要的时间(单位分钟)，如表2所示。由表中数据可见采用图模共享系统大大提高了维护效率。