電網規劃與設計一體化平臺

苗培青，李越，黃偉，王鈺

(1.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南市250021;2.華北電力大學，北京市102206)

0 引言

電力工業是國民經濟的基礎工業。隨著我國產業結構的不斷完善和人民生活水平的不斷提高，對電能的需求和電能質量要求也不斷提高，急需通過新建或改造電網以滿足地區供電需求。電網的穩定運行依賴堅強的網架結構，合理的電網規劃和設計成為一項重要工作。

電網規劃和設計的結果建立在可靠的原始資料和科學的規劃方法的基礎上，當前的電網規劃設計工作存在諸多問題。一方面，數據資料缺乏科學管理。隨著電網規模不斷擴大，原始資料的信息量越來越大，人工收集資料需花費大量精力，并且造成數據冗余，準確性差等，最終影響電網規劃結果。因此，提高數據的管理水平是目前規劃設計部門亟待解決的問題。另一方面，不能適應“大規劃”要求。國家電網“三集五大”體系提出了“大規劃”:實施規劃統一編制、統一管理，建立包含各專業、貫穿各層次、涵蓋多電壓等級的統一規劃體系。但是由于各地區在規劃、研究能力上存在較大差異，難以滿足各級電力公司對電網規劃研究不斷提高的質量和進度要求。目前，國內已經在電網規劃的數據管理［1-4］、可視化［5-7］等方面開展較多的研究工作。由于規劃與設計之間存在數據交互與共享，但目前還未開展基于統一數據平臺的規劃與設計一體化研究。

綜上所述，電網規劃與工程設計一體化平臺的建立是十分必要的，可以實現全省電網規劃數據的統一管理，統一規劃，統一設計，提升規劃設計工作的可視化水平，能夠為電網發展評估決策提供技術支撐，并有利于加快培養電網規劃研究專業技術人才，提升規劃設計工作的效率和科學性。因此，國網山東省電力公司經濟技術研究院根據自身業務需求，開展了電網規劃與工程設計一體化平臺的研究。項目通過建立院級的統一數據中心，為電網規劃與工程設計提供統一的數據支撐，并以此數據中心為紐帶，通過數據接口有效集成規劃設計各功能單元。一體化平臺通過GIS技術［8-9］實現可視化功能，使電網規劃與工程設計業務更加直觀、形象。

1 一體化系統總體思路和遵循原則

1.1 系統研發思路

充分利用電網已建成的用電信息管理系統和監視控制與數據采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統、生產管理系統(production management system，PMS)、地理信息系統(geographic information system，GIS)數據，利用計算機與網絡技術開發出網架自動規劃、計劃自動排序、標準設計套用的規劃設計編制與評審系統。

負荷預測是后續工作的基礎，采用以用電信息采集系統的分布、分類負荷為基準，用先進的預測模型自動預測短、長期負荷預測值，經人工干預形成規劃、可研設計用數據。

規劃是重點，采用先進的粒子群算法尋找最佳(變電)站群組合和網架結構，進而求出最優負荷增量支路(線路)和站點(變電站)，完成一定負荷水平下的電網規劃結構。

可行性研究以建設年負荷預測值校核規劃計劃排序，計算路徑優化和站址的優化調整。

設計初設階段校核可研數據正確與否，校核輸入輸出與站址的協調性，校核站址地質條件對建站的造價調整。施工設計按選取的標準設計方案完成設計。

建立在工程量計算基礎上的設計概算與工程結算是工程造價分析的基礎，是綜合評價工程效益、投資回報率的前提。為了實現上述一體化系統總體設計思路，需遵循相應原則。

1.2 遵循原則

規范化原則:嚴格遵循《電力系統設計技術章程》、《國家電網公司規劃設計內容深度規范》，以及國家電網公司編碼規范、平臺功能規范等相關的國家或行業規范。

標準化原則:參照IEC61968/61970、ISO等國際國內標準，為平臺/系統間的互操作提供保障。

先進性原則:研究數據挖掘技術、智能優化技術、圖形可視化技術、三維可視化技術，建立先進模型和實用算法，突破平臺建設的關鍵技術。

安全性原則:按照《國家電網公司應用軟件通用安全要求》保證信息的安全性，并保證數據在處理和傳輸全過程的安全性，具有一定的抗攻擊性。

高復用原則:在平臺開發過程中充分考慮省公司已有軟硬件設備設施及電網空間數據，盡可能繼承和復用有價值的軟硬件資源和數據資源，避免資源浪費，重復投資。

積木化原則:平臺建設采用分層、分塊、分階段的設計和開發的思想，逐步建立健全各項功能，最終形成一體化平臺。

2 總體架構

2.1 總體架構

電網規劃與設計一體化平臺采用多層技術架構，在應用軟件的各層結構模型中，定義了詳細的接口規范，將數據層、業務層和界面層分離，實現了多種應用之間的松耦合集成，以快速、靈活的方式響應業務需要對系統的要求。

整個平臺基于構架開發，采用業界主流的SOA架構技術，便于平臺的開發、管理和維護。系統接口按照標準的web service封裝，通過標準協議實現數據和服務的集成，具體如圖1所示。

2.2 系統部署結構

電網規劃與設計一體化平臺的總體應用方式是集中部署、分級應用，分別建立數據中心和應用服務中心［10］。數據中心主要存儲規范化后的基礎數據，以及規劃方案數據、設計方案數據等。應用服務中心集成國網統一規劃平臺、數據管理系統、可視化工程設計系統以及接口服務系統。各類人員包括數據管理人員、規劃人員和設計人員等可以通過網絡訪問相應的應用功能。可視化設計系統與省公司GIS系統之間采用國網GIS服務標準進行交互，與數據管理系統之間采用標準的web service方式進行交互，降低系統之間的耦合度，便于后續系統的維護和升級。系統的部署結構如圖2所示。

其中，數據庫服務器是用來存儲電網規劃基礎數據、規劃方案數據、設計方案數據以及其他各類管理數據;模型服務器用來存儲電網公共信息模型(common information model，CIM)、可縮放矢量圖形(scalable vector graphics，SVG)等各類模型數據;數據管理應用服務器可實現基礎數據的錄入、修改、查詢、報表等功能;規劃設計應用服務器可實現基于GIS的電網網架方案的瀏覽、線路桿塔方案的智能優化以及基于計算機輔助設計(computer aided design，CAD)的變電站初設方案生成等;應用接口服務器采用web service標準，可實現可視化設計平臺與數據管理子系統等系統間標準化交互，并為與其他系統交互預留接口;各類工作站包括數據管理工作站、統一規劃工作站、可研設計工作站，以瀏覽器方式為用戶提供平臺的訪問功能。

圖1 平臺技術架構Fig.1 Technology architecture of platform

圖2 系統部署示意圖Fig.2 System deployment diagram

3 系統功能

建立滿足電網規劃設計需要的數據中心，集成國網規劃平臺和現有仿真分析及設計任務軟件，達到數據共享;完成基于GIS和CAD的線路和變電站自動化設計，實現一體化、向導式、可視化的電網規劃與可行性設計統一系統平臺，平臺功能結構如圖3所示。

圖3 平臺功能模塊圖Fig.3 Function module of platform

3.1 數據管理子系統

建立滿足電網規劃設計需要的數據中心，包括基礎數據庫和項目管理庫，實現基礎數據的入庫和維護工作，積累電網規劃設計的數據資產。主要功能包括設計數據中心關系數據庫存儲模型;利用或者開發專門數據接口，實現從省公司和經研院的其他業務系統自動提取所需業務數據;開發專門的B/S維護系統，實現部分業務數據的人工錄入和維護。

3.2 可視化工程設計子系統

實現電網可視化設計，包括基于GIS的線路自動化設計和基于CAD的變電站自動化設計。具體功能包含電網設計項目的統一管理;基于GIS的電網網架可視化瀏覽;基于GIS信息的線路及桿塔自動排位［11-13］;變電站典型設計方案庫維護;基于典型方案的變電站自動化設計;集成潮流計算、短路計算等主要電氣計算功能，實現對規劃設計網架的技術評估;電網仿真分析結果的可視化，可將電氣計算結果在GIS上進行動態展示;設計文檔自動化，實現設計文檔部分內容的格式化、自動化輸出。

3.3 數據接口子系統

實現web service接口，便于實現本平臺系統之間的數據交互，主要功能包括基礎數據服務、網架數據服務和設計數據服務。其中，基礎數據服務是指提供負荷數據、規劃設計基礎參數等;網架數據服務是指提供變電站、線路等信息，便于規劃子系統與設計子系統的集成;設計數據服務是指發布變電站、線路等的設計方案結果。

3.4 自動優化功能

通過研發和鑲嵌現行成熟的系統軟件，自動優化生成目標網架，并對規劃目標電網和現行電網進行定期復核和計算校驗。自動網架優化，包括變電站布點優化和網架支路優化建設(站群布點優化及先后排序優化和網架支路建設優選);線路路徑的自動優化設計選線(本線路路徑優化);變電站站址自動選址優化;無功補償優化布點。

3.5 自動計算和校驗功能

基于圖形處理進行安全穩定計算;設備選型計算;電網線損理論計算;在三維模型下的工程量按計價分類計算與統計;按定額計價單進行的概預算計算及結算計算編制;工程造價計算分析;投資回收計算。進行潮流計算及供電能力(N－1潮流)校核;無功電壓平衡計算。進行安全穩定(N－1故障動熱穩定)校驗及可靠性校驗;概預算計算與方案優化比較。

3.6 信息一體化規劃設計平臺

集成國網統一規劃平臺的功能，基于規劃方案進行線路和變電站工程設計方案的生成。實現規劃、設計及審查信息施工建設共享，施工管理信息系統輔助管控，結算共享設計、物資招標和施工變更信息，自動計算工程量和編制預、結算，實現信息化辦公。

4 關鍵技術

電網規劃與工程化設計一體化平臺的研究建立在對當前的規劃設計工作進行深入、廣泛調研的基礎上，考慮國網公司“三集五大”對電網規劃設計工作的新要求，充分借鑒已有相關成果和經驗，全面整合電網公司和經研院各種數據資源和應用系統，遵循國際國內標準，研究先進實用的模型和算法，綜合運行多種主流的計算機軟件技術，面向用戶的特點和使用習慣，研發可視化的電網規劃和工程設計一體化平臺，關鍵技術路線如下。

4.1 先進的模型和算法

建立一體化平臺后，可以利用GIS模塊以及相應數據庫信息，建立數據庫并進行各專題的空間分析，然后對每條備選線路沿線的影響因素進行統計分析，為工程線路方案設計比選以及變電站選址和進出線設計提供數據信息支撐。

同時，合理地選取電網規劃與設計方案的評價指標，實現規劃和設計指標選取的全面性和指標的可獲得性，力求使選取的指標具有代表性、多角度、易得性，做到規劃設計技術和經濟評價完整、準確。

4.2 多源數據混合建模技術

利用計算機技術和數據庫技術以及可視化技術開發電網規劃設計數據庫，可以有效地管理規劃數據和輔助電網規劃，并且便于定期進行滾動規劃，提高規劃水平。結合先進的網絡技術，采用B/S結構，電網規劃信息收集可以在網上進行，可以改善目前落后的規劃手段和方法，提高工作效率和電網規劃的科學性。

4.3 基于GIS和AutoCAD的可視化技術

一體化平臺可實現與省公司GIS平臺的對接，基于《國家電網公司電網GIS空間信息服務平臺服務調用規范》中的數據類型規范、服務接口規范，實現基礎地理信息和電網網架(系統圖、單線圖、站內圖)模型的可視化瀏覽;基于IEC 61970標準進行電網數據模型數據解析，以及規范中的空間分析、電網拓撲分析等高級應用功能，實現電網仿真分析計算。

通過深入研究 AutoLisp、ActiveX Automation、ObjectARX、AutoDeskRealDWG等AutoCAD二次開發技術，實現AutoCAD二次開發技術與Net平臺開發技術的完美融合。重點研究基于典型變電站初設方案實現的變電站設計方案的生成技術，實現由變電站規劃方案輔助生成CAD圖紙方案，供設計專工進行二次修改，降低設計人員的工作強度，提高工作效率。

4.4 面向對象的軟件設計與開發

系統廣泛采用面向對象的方法，包括可視化圖元體系設計、可視化窗口體系設計、插件化模塊組織等。利用面向對象技術提供的各種概念和技術組織代碼，實現系統的重要功能，控制開發的復雜性。

鑒于本平臺運行環境的復雜性，本項目選擇VisualStudio.Net開發平臺，滿足 B/S、C/S混合開發，以及與WEBGIS和AutoCAD的嵌入式開發，既保證了數據管理軟件的易用性，也保證了規劃設計軟件的專業性和運行效率。

4.5 模塊化松耦合體系結構設計

針對本平臺內不同業務系統之間的復雜交互，基于并擴展IEC61970CIM模型，分別定義基礎數據訪問、規劃數據訪問和設計數據訪問，以及業務調用的web服務格式，實現接口服務的統一發布、管理、訪問和控制，盡量降低不同系統之間的耦合程度，實現松耦合。

5 結語

綜上所述，通過建立數據中心，為經研院電網規劃設計的各業務單元提供基礎數據支持，實現規劃設計數據的統一管理，能夠有效提高規劃設計的科學性與合理性。在GIS平臺的支持下，基于數據中心進行各專題的空間分析，實時展現電網狀態，結合地形、環境等因素來確定變電站的最佳位置和輸電線路最優路徑，并選取合理的指標對其綜合效益進行評價。通過融合國網統一規劃平臺，整合現有電網仿真分析工具。電網規劃與設計一體化平臺可實現規劃研究、工程可研、技術評價、經濟分析等多項功能，實現電網規劃設計的系統化、可視化，提高了規劃成果的統一管理和利用效率。

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