配用電統一模型中心的設計與應用

孫保華，夏 棟

（1.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，南京 211106）

0 引言

配電網作為電網的重要組成部分，直接面向終端用戶，與廣大人民群眾的生產生活息息相關，是服務民生的重要基礎設施。我國配電網具有量大、面廣的特點，如何管理好資產規模龐大、結構復雜、運行方式多變的配電網，直接關系到廣大電力客戶的供電質量。為此，國家電網公司近幾年陸續建設了PMS（生產管理信息系統）2.0、調度自動化系統、OMS（調度管理系統）、配電網自動化系統、95598系統、營銷管理系統、國網GIS和用電信息采集等信息系統。智能化水平的不斷提升，為配電網的精益化管理提供了良好的技術保障[1]。

然而，現有配電網的運維管理水平難以滿足用戶日益增長的用電服務需求，主要表現在配電網可觀可控的覆蓋范圍有限，管控能力不足，信息孤島問題依舊存在，難以及時直觀掌握電網整體運營管理現狀，綜合分析能力與可視化展示水平不高；特別是在配電網規模、運行、檢修、搶修服務和工程等方面的業務信息交互尚未進行，制約著數據挖掘與應用集成開展[2-3]。

本文以多源數據融合為出發點，旨在融合現有各系統數據，充分發揮已建成系統的輻射效應，有效整合信息資源，完善業務協同機制，增強配電網管理的“穿透力”，實現配電網業務管理“看得見”、“管控實”，切實提高配電網運維管理水平和配電網精益化管理水平。

1 系統總體架構

融合現有系統模型數據和實時數據，構建配用電統一模型中心，并基于配用電統一模型中心設計供電服務指揮平臺。供電服務指揮系統采用“大云物移智”等新興技術，從下至上分為智能感知層、數據融合層和智能決策層。在智能感知層匯集營銷、運檢、調控等各專業數據；在數據融合層，采用Hadoop大數據平臺[4-7]的離線計算、內存計算、流式計算等計算方法，進行大數據存儲、計算和數據挖掘，對各專業數據進行融合貫通，構建配用電統一模型中心，對外提供數據訪問與分析服務；在智能決策層構建涵蓋客戶服務指揮、業務協同指揮、配網運營管控和服務質量監督等業務的供電服務指揮平臺技術支撐系統，采用移動互聯技術實現營銷、運檢和調度類現場作業管控，實現“數據貫通、信息共享、專業協同和業務融合”的系統目標[8-10]。配電網供電服務指揮系統總體架構如圖1所示。

圖1 供電服務指揮系統總體架構

圖1中，智能感知層基于智能電表、配變智能終端、配電終端和移動終端等物聯網設備，獲取調度自動化、配電自動化、用電采集系統的實時數據，利用多種數據接口技術針對生產、調度、營銷等系統的業務管理數據實現多系統源端數據智能感知與匯聚，為數據分析挖掘與智能輔助決策業務應用提供統一數據來源。

數據融合層基于智能感知層，遵循IEC 61968/61970標準構建配用電統一模型，對調度自動化系統、配電自動化系統、用電采集系統、生產管理系統、調度系統和營銷等相關系統的多源異構數據進行跨專業數據融合貫通，實現系統間的數據一致性與完整性。在云平臺、大數據平臺的基礎上構建統一數據訪問服務和統一數據分析服務，支撐上層業務的智能輔助決策。

智能決策層在智能感知層和數據融合層的基礎上，通過數據融合層的統一訪問服務和統一分析服務，根據各類業務管控具體要求實現供電服務指揮系統，實現客戶服務指揮、業務協同指揮、配電網運營管控和服務質量監督等應用，實現資源統籌、事件預警、快速響應和服務管控的目標。

2 系統功能設計

2.1 配用電統一模型中心總體設計

通過接入智能感知層的多源數據，在數據融合層進行多源數據融合，構建配用電統一模型中心，模型中心設計遵循IEC 61968/61970標準，融合貫通各業務系統模型數據、業務數據及實時數據，實現系統間的數據一致性與完整性。以主數據管理、元數據管理和數據質量管理等管理手段建立和維護包含配電網統一圖模、營銷客戶數據模型和電網運行數據等內容的配用電統一信息模型，通過模型中心的管理工具在源端數據匯集的基礎上進行數據規范化處理和數據標準與質量管控[11-12]。

配用電統一模型中心數據融合包括：

（1）對現行各個業務系統，EMS（能量管理系統）、配電網自動化系統、調度自動化系統、營銷、用電采集系統等進行系統集成，各業務系統通過現有通信方式（企業服務總線、SOA和FTP等）連通配用電統一模型服務中心系統。

（2）配用電統一模型服務中心針對各業務系統的數據特性，基于CIM/SVG，CIME/CIMG和E語言等標準編寫數據導入接口程序，導入電網模型數據、圖形數據以及電網運行數據，導入過程中需要進行校驗工作，包括模型數據校驗、電氣拓撲檢查、設備臺賬完整性檢查和圖模數一致性檢查。

（3）基于前面的工作，進行電網模型的拼接，實現電網中低壓模型拼接，如臺區配電網變壓器與低壓用戶的關聯等。

配用電統一模型中心融合各業務系統的數據后，為了充分發揮多源數據融合產出的效益，需要提供良好的數據發布平臺。為此，配電網供電服務指揮系統在云平臺、大數據基礎上構建了統一數據訪問服務和統一數據分析服務：

統一數據訪問服務遵循系統服務接口標準，通過服務調用方式對配電網模型中心數據進行訪問，隔離應用與數據庫的直接連接，對上層業務系統提供靈活、高速、安全的數據訪問服務。

統一數據分析服務將抽取到系統的業務數據采用大數據平臺的分析計算能力，向上提供拓撲分析、交互查詢分析、多維分析和數據挖掘分析等多種類型的數據分析服務。

圖2所示為配用電統一模型中心數據流轉過程。配用電統一模型中心接入數據包括公共模型、電網設備模型、電網資產模型、計量模型、客戶模型、電網運行模型、工作管理模型和實時量測模型類型，以模型管控為中心，以數據匯集為基礎，在數據匯集基礎上進行數據處理和數據管控，最終以模型化數據服務方式對外提供模型數據服務，完成供電服務指揮平臺技術支撐系統的應用。

2.2 配用電中低壓模型拼接

配用電統一模型中心接入配電網中壓模型和低壓一次設備模型后，通過引入用戶接入點，達到無縫拼接中低壓一次模型的目的。

用戶接入點是虛擬的導電設備，沒有具體的物理設備相對應，根據電壓等級分為中壓用戶接入點和低壓用戶接入點。用戶接入點明確了中壓模型與低壓模型的工作邊界。接入點的設置與管理由電力生產部門負責。圖3所示為公用變壓器至低壓計量箱的拼接原理。

圖2 供電服務指揮系統業務數據流轉過程

圖3中，低壓接入點定義中低壓模型邊界，公用變壓器至低壓接入點屬于中壓模型，由運檢部門負責維護，低壓接入點至用戶計量箱由營銷部門負責維護，配用電統一模型中心根據用戶接入點拼接中低壓模型，拼接后形成一張統一的中低壓電氣拓撲網絡，為上層智能決策應用提供模型支撐。圖4所示為專用變壓器（以下簡稱專變）中低壓模型拼接原理。專變專線情況下，中低壓模型邊界由中壓接入點確定，中壓模型由電源點至中壓接入點結束，低壓模型從中壓接入點開始至低壓計量箱結束。

圖3 公用變壓器中低壓模型拼接原理

圖4 專變中低壓模型拼接原理

2.3 配用電模型校驗

配用電統一模型中心接入電網模型時，需要對接入的模型進行必要的模型校驗工作，以保證接入模型的完整性和一致性。電網模型校驗分為主動模型校驗和被動模型校驗，如圖5所示。

圖5 模型校驗框架

被動式數據校驗以數據庫為觸發點，模型入庫時會自動觸發校驗，進行數據類型確認，校驗規則匹配，滿足校驗規則的數據能夠入庫，不滿足的數據被拒絕，從而保證數據庫中的模型數據規范與完整。

主動校驗是指配用電統一模型中心定期主動地對現有模型進行校驗，以IEC 61968/61970模型規范為基礎，為模型數據建立完整的語義模型，結合機器推理技術，對現有數據進行全方位分析、推導，識別潛在的不一致性。同時還可利用實時監測數據和歷史數據，結合電氣原理和理論，推導模型數據的合理性和準確性。模型校驗主要包括以下內容：

（1）數據文件檢驗。主要針對文件的語法、語義進行校驗，保證數據文件的有效性。

（2）電力系統規則校驗主要有：參數校驗，設備模型屬性唯一性校驗、屬性取值范圍合法性校驗等；關聯性校驗，設備對象之間的關聯關系校驗，如開關與站所的關系等；拓撲校驗，主要校驗模型的電氣拓撲，包括節點空掛、孤島、環網、電氣連接關系等。

3 關鍵技術分析

3.1 系統技術架構

供電服務指揮平臺支撐系統技術架構由數據接入、數據存儲、計算框架、智能分析、（微）服務和應用展示等部分組成，技術架構如圖6所示。

圖6 系統技術架構

3.2 關鍵技術

（1）數據接入。為了深度融合PMS2.0、配電自動化、調度自動化、營銷業務應用、95598、用電信息采集、OMS2.0、車輛管理、統一視頻、氣象系統和雷電山火等系統的數據，采用但不限于Restful，web service，kafka，ETL，E 文件、sqoop和flume等數據接入技術。Restful，web service，kafka等接入技術適用于實時性要求高的在線數據接入；E文件、ETL和sqoop等接入技術適用于批量、離線數據接入。

（2）數據存儲。基于配用電統一模型，采用關系型數據庫存儲中小規模的結構化數據；采用分布式內存數據庫存儲需頻繁訪問或處理的熱數據；采用分布式文件系統及列式數據庫存儲海量數據。

（3）計算框架。采用流式計算技術Storm/Spark Streaming完成實時數據分流及快速計算，采用分布式內存計算技術Spark完成復雜度、性能要求較高的計算任務，采用分布式并行計算MapReduce完成海量離線數據計算任務。

（4）數據分析。采用分類算法、聚類算法和關聯算法完成供電服務數據分析任務；采用圖計算技術完成電網結構相關分析任務；采用機器學習、神經網絡等算法完成面向人工智能的供電服務相關分析任務。

（5）微服務。采用SOA服務、微服務技術，把供電服務相關數據和算法封裝成（微）服務供各類應用調用。服務層通用組件包含服務注冊、服務發現、服務配置、服務編排、服務監控和服務網關。為上層應用提供的服務包含模型服務、量測服務、圖形服務、拓撲服務、設備狀態服務、綜合研判服務、負荷預測服務、預警預測服務和趨勢分析服務等。

（6）應用展示。采用HTML5、可視化組件調用并展現服務層的各類服務或服務組合，實現桌面應用、大屏應用和移動應用等。

4 案例分析

國網天津供電公司基于現有大數據平臺[13]開展配電網智能化供電服務指揮系統的建設，系統接入用電采集系統600 GB配電變壓器、用戶、計量數據、調度自動化系統470 GB存量模型數據及歷史采樣數據、營銷管理系統近1 TB業務數據、PMS系統400 GB臺賬數據、DMS（配電管理系統）800 GB模型數據及歷史采樣數據共3.2 TB的多源融合數據。

天津供電服務指揮系統主界面如圖7所示。從系統概述、配電網日運行情況、配電網日運維情況、供電能力評估指數、全網結構圖、分析預警等角度展示配電網實時概況，實現配電設備智能化、運維檢修智能化和生產管理智能化，提升配電網精益化管理水平，保障供電的安全可靠和優質服務[14-17]。

圖7 天津供電服務指揮系統主界面

天津供電公司在建設配用電統一模型中心后，構建了一套智能化供電服務指揮系統，系統功能豐富。以下以業務協同指揮中的故障搶修指揮作為案例進行分析說明。

當配電網某處發生故障時，配電自動化系統實時監測到故障并進行故障分析，將故障設備及相應的中壓接入點、低壓接入點信息推送給供電服務指揮系統，由于中低壓模型已經拼接，供電指揮系統可以根據推送來的故障信息進行故障影響范圍分析，計算影響用戶數量及位置并生成故障研判信息，進行故障展示及定位。95598系統收到客戶報修電話后，根據客戶的基本信息，生成相應的報修工單并推送給供電服務指揮系統，供電服務指揮系統根據工單信息，快速定位至其關聯的中壓接入點或低壓接入點，根據拼接的中壓模型，找出該保修用戶的電源點，進行故障研判，生成搶修工單進行搶修，并且判斷是否存在同一故障點重復產生報修工單的情況，如果存在則合并工單，防止重復派單，節省搶修力量。

5 結語

以深化和完善配電網管理信息化系統建設為出發點，充分利用已建成系統的輻射能力，打通信息孤島，借助大數據技術對PMS2.0系統、配電網自動化系統、調度管理系統等多源數據進行融合、提煉，提出基于全業務統一數據的配用電統一模型中心，并基于此實現智能化的供電服務指揮系統。系統包括設備狀態管控、運維管理管控、應急管理管控和供電服務指揮等應用模塊，用于支撐配電網全業務數據實時在線分析和輔助決策，保障配電網安全可靠、經濟運行，為社會發展提供更加優質、便捷的電力供應和服務。