能量管理系統圖模一致性的雙向校驗方法

李波，李世明，趙瑞鋒，劉洋，唐升衛，孟陽

(1. 廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣州 510000; 2.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣州 510080;3.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

0 引言

圖模一體化技術是通過把圖形和數據建立相互轉化對應關系進行存儲和管理的技術［1］。在電力系統中，圖模一體化技術的應用越來約廣泛，特別是針對EMS 系統開發的圖模轉化和校驗的技術也得到了極大的發展［2］。

電力系統的圖模一體化及其平臺技術主要分為三個階段［3］。第一個階段是技術較為原始的起步階段，可以使用一些特定的程序來對圖形采取相應的處理方法，但首先要針對不同的圖形進行編程處理，接著根據程序的特定命令來逐一畫出，最后再通過相應的程序進行動態處理［4］; 第二個階段是通過借助專門的繪圖軟件，通過其自帶功能實現對靜態圖的繪制，再通過程序對繪制的圖形進行相應的調整［5］; 第三個階段是開發面向電力系統應用場景的繪圖軟件，從底層設計到上層圖形操控的自動化，實現可根據用戶需求對現有功能進行調整，讓系統功能更開放靈活［6］。

圖模校驗方法作為圖模一體化中關鍵的一項功能，是為了確保圖形和數據庫模型的一一對應關系，實現數據庫的數據對應相應的圖形，可根據圖形屬性進行定義和修改［7-8］。隨著圖模一體化技術在電力系統甚至綜合能源系統中的廣泛應用，并且扮演著越來越重要的角色，在電力系統及綜合能源系統的智能化發展起著推導的作用。圖模一體化技術不僅能夠提高工作人員的圖模維護效率，縮短時間，減少周期，還可以使相關工作人員減輕長期繁瑣的圖模維護工作，降低人力勞動成本以及逐步實現電力系統智能化等［9-15］。文獻［16］提出了一種調度自動化圖模規范一致性校驗方法，通過建立圖庫差異數據模型，與實際數據進行數據關聯分析的方法，該方法屬于單向校驗。文獻［17］提出了一種離線環境的配電網圖模一致性校驗方法，采用的是根據圖元集合和模型對象進行模型文件和圖形文獻之間的雙向比對，屬于雙向校驗，但是該方法尚未考慮基于概率誤差的影響。

綜上所述，關于圖模的一致性校驗方法主要是從模型出發或從圖形出發的校驗方法，多為單向校驗過程，對圖模轉換的校驗準確度無法保證，并且尚未考慮概率誤差的校驗誤差。為此，文中提出了一種能量管理系統圖模一致性的雙向校驗方法，即由圖形拓撲到模型拓撲的正向校驗以及由模型拓撲到圖形拓撲的反向校驗，并且考慮了基于概率誤差的校驗誤差問題，通過算例驗證了所提方法可有效降低圖模校驗誤差，能夠提高能量管理系統數據的有效性和可靠性。

1 EMS 系統圖模一致性雙向校驗

EMS 系統圖模校驗一般分為模型校驗和圖形校驗。

1.1 EMS 系統模型校驗

專題圖進行交互時，同時把專題圖上的電力設備模型導出，為模型交互文件，以XML 文件格式描述。模型定義是基于CIM 的全集或子集。模型交互輸出是模型定義的實例化。模型輸出結果的校驗包括語義語法校驗和數據校驗。

(1) 語義語法校驗。

語義語法的校驗項包括但不限于:

1) 格式檢查。檢查模型交互輸出是否符合XML格式規范，每個標簽的定義是否正確;

2) 符編碼校驗。校驗輸出文件的字符編碼設置，字符編碼類型要與目標系統使用的字符編碼一致，保證目標系統能正確讀取;

3) 根元素校驗。校驗根元素是否是＜rdf:RDF ＞;

4) 根元素的命名空間定義。校驗根元素中是否聲明了xmlns:cim 和xmlns: rdf 的命名空間; xmlns: rdf 必須聲明為http: //www. w3. org/1999/02/22-rdf-syntaxns#; xmlns: cim 聲明格式必須為http: //iec. ch/TC57/2003/CIM-schema-＜version ＞#;

5) 元素類型校驗。元素類型是有＜cim: PSRType rdf:ID =’’＞來預定義，所引用的元素類型必須是在預定義的元素類型集合中存在;

6) 類聲明檢查。檢查模型輸出結果中的類、屬性或關系是否在模型定義文件中有聲明;

7) 屬性聲明檢查。檢查模型輸出結果中的某個類的屬性是否在模型定義文件中有聲明;

8) 關系聲明檢查。檢查模型輸出結果中的類與類之間的關系是否在模型定義文件中有聲明;

9) 強制性元素檢查。對模型定義文件中聲明必須強制實例化的元素，檢查他們是否在模型輸出結果有實例化;

10) 定義元素校驗。定義元素是聲明一個新的資源實例。格式為＜classname rdf: ID = identity ＞，其中classname 是必須在模型定義文件中已經有聲明;

11) 文本屬性元素校驗。文本屬性元素格式為＜propname ＞值＜/propname ＞，其中propname 是必須在模型定義文件中有聲明;屬性值中不得包含有＜、＞、＆等字符;

12) 資源屬性元素校驗。資源屬性元素的格式為＜propname rdf: resource = resource-uri/ ＞，其中propname 是必須在模型定義文件有聲明，resource-uri 必須是存在的資源對象;

13) 屬性值合法性檢查。檢查模型輸出結果中某個屬性值是否與符合模型定義文件對該屬性的類型定義、取值范圍約束或是否在枚舉值范圍內;

14) 設備關系校驗。對模型定義文件中聲明的設備之間約束關系，校驗模型輸出結果中該關系是否有實現，關系實現是否符合模型定義中的約束;

15) 關鍵屬性校驗( mrid、rdf_id、名稱、電壓等級、所屬容器) 。設備的mrid 以及rdf_id 必須全網唯一;例如所屬容器、電壓等級等不能缺失; 域值范圍校驗，是否滿足模型定義中的取值范圍約束;

16) 名稱屬性唯一性校驗。檢查開關類設備名稱( 開關、刀閘、接地刀閘、斷路器) 在同一容器下是否重復;

17) 關聯性校驗。檢查設備屬性關聯對象是否存在( 聯絡開關除外) 。

2) 數據校驗。

模型數據結果中的數據校驗包括但不限于:

1) 拓撲連通性校驗。以電壓等級為單位，檢查所有設備是否連通。不考慮開關狀態;

2) 孤立拓撲校驗。檢查設備的某個端子，與其他設備端子是否有連接。如果設備任意一個端子懸空，則認為是孤立設備;

3) 拓撲孤島校驗。檢查是否存在一個以上的無源電氣島;

4) 多端子設備拓撲檢查。檢查多端子設備，不同端子的拓撲是否重復。即同一設備的不同端子不能接到同一個連接點上;

5) 電壓等級校驗。不同電壓等級的設備，不經過變壓器，直接相連。

1.2 EMS 系統圖形校驗

根據圖形規范的定義，對專題圖導出的圖形文件( SVG 格式) 進行校驗。需要對圖形文件的各個部分內容進行校驗。

(1) 文件格式校驗。

檢查圖形文件是否符合XML 格式規范，每個標簽的定義是否正確。

(2) 文件頭定義校驗。

文件頭定義校驗項包括但不限于以下:

1) 字符編碼校驗。字符編碼類型要與目標系統使用的字符編碼一致，保證目標系統能正確讀取;

2) 畫布的寬高校驗。檢驗圖形繪圖的畫布的寬度和高度，保證圖形是在合適的畫布范圍上繪制，以達到圖形清晰不變形;

3) 繪圖視圖坐標系參數的校驗。校驗圖形繪圖時的視圖坐標系參數，如平移、縮放的設置，確保圖形在目標系統能正確的顯示。

(3) 圖形表現形式定義的校驗。

圖形表現形式是分圖元定義和樣式定義，圖元是用symbol 標簽定義，樣式是用style 標簽定義，校驗項包括但不限于:

1) 圖元ID 格式校驗。圖元ID 的命名格式需要符合圖形規范的定義;

2) 圖元定義完整性檢測。對特定圖元，如開關，其在圖形上的圖元Symbol 要求存在合態和分態兩種圖元，以便于實時系統根據實時信息進行畫面刷新;

3) 圖元坐標及大小校驗。對指定有viewBox 屬性的圖元，需要校驗其坐標及大小范圍的合理性，不能超過畫布四周邊界10%;

4) 樣式名稱格式校驗。樣式名稱的命名格式需符合圖形規范的定義及CSS 規范的定義。

(4) 圖層定義校驗。

圖層由g 標簽定義，圖層定義的校驗項包括但不限于:

1) 圖層命名格式校驗。校驗圖層名稱格式是否符合圖形規范定義;

2) 圖層合法性校驗。校驗所定義的圖層是否包含在圖形規范定義列表中。

(5) 設備圖形校驗。

設備圖形是在某個圖層內定義，具體的設備圖形也是有g 標簽定義。設備圖形定義包括設備ID、圖元和樣式引用、元數據定義。校驗項包括但不限于:

1) 設備圖形ID 校驗。設備圖形ID 需符合圖形規范定義，具有唯一性，與CIM 模型文件中的RDF:ID 一致。同一個設備，其在不同的專題圖中圖形ID 需要一致;

2) 圖元和樣式引用校驗。對設備圖形的展示是通過引用圖元及樣式來實現，用use 標簽來定義引用。引用的校驗項包括但不限于:

a) 引用格式的正確性校驗。引用格式需要符合SVG 的use 標簽定義;

b) 引用的圖元及樣式是否存在校驗。校驗所引用的圖元和樣式是否在本SVG 文件中有定義。

(6) 圖形拓撲描述檢驗。

圖形對象之間的拓撲關系是在圖形對象的metadata 標簽中定義，在＜metadata ＞中通過子元素＜cge:Glink_Ref ObjectID=””ObjectName =””/ ＞來定義拓撲連接的下一個圖形對象。拓撲描述檢驗項包括但不限于:

1) 拓撲連接的圖形對象檢查;

2) 檢查當前圖形對象的拓撲連接的下一個圖形對象的定義是否已經存在。

(7) 圖模一致性校驗。

輸出單線圖圖形的同時必須輸出單線圖模型，圖形和模型必須保持一致性。圖模一致性校驗項包括但不限于:

1) 圖形對象與模型對象的對應校驗;

2) 對圖形對象，依據ID 進行關聯，在模型輸出結果匹配，要求集成規范中約定的設備圖形對象必須有對應的模型對象。

2 EMS 系統圖模一致性雙向校驗方法

全景圖自動成圖系統從調度EMS 主站平臺獲取基于標準IEC61970 電網CIM 模型，GIS 系統獲取廠站坐標文件，EMS 系統獲取電網運行數據，在成圖工作站自動生成系統潮流圖、地理潮流圖、廠站圖等，再通過SVG 文件反饋給調度EMS 系統等多應用系統共享使用［5］，整體的圖形智能生成功能框架圖如圖1 所示。

圖1 圖形智能生成功能架構圖Fig.1 Graphic intelligent generation structure

圖模校驗就是要對專題圖導出的中間結果進行校驗。校驗需要達到一致性、全面性、嚴密性的要求。

1) 一致性:圖形與模型要一致，模型輸出結果要與模型定義要一致，具體表現為:

式中ΔQn表示上述的字符編碼、語法語義、對象關系等校驗的誤差值; ε 為設定圖模校驗誤差范圍。

2) 全面性:要全面的校驗圖形、模型和數據的各個方面，包括文件格式的規范性、字符編碼、語法語義、對象關系、拓撲關系、屬性值正確性等多方面的校驗:

式中ζ 為設定圖模校驗誤差之和的允許范圍。

3) 嚴密性:對校驗對象的值或規范嚴格按照圖形交互規范或模型定義文件的約束進行校驗。

式中Q為校驗對象的值;Qref為圖形交互規范或模型定義文件的參考值; ε 為設定圖模校驗誤差之和的允許范圍。

圖模校驗包括模型校驗、圖形校驗以及圖模雙向校驗。其中，模型輸出結果的校驗包括語義語法校驗和數據校驗;圖形校驗是根據圖形規范的定義，對專題圖導出的圖形文件( SVG 格式) 進行校驗，需對圖形文件的各個部分內容進行校驗;圖模的雙向校驗包括:由圖形拓撲到模型拓撲的正向校驗以及由模型拓撲到圖形拓撲的反向校驗。

圖模的雙向校驗包括圖模的一致性校驗，由圖形生成拓撲模型的正向校驗以及由模型生成圖形反向校驗。其功能架構如圖2 所示。

XML 模型描述比SVG 圖形描述信息更全面、更細致，是顆粒度最細小的模型，圖形文件針對不同的應用場景往往有所簡略，是抽象后的粗顆粒度視圖，因此兩者雙向校驗需要統一模型描述視角，可以根據自定義規則，生成與圖形匹配的模型視圖，然后在此基礎上進行圖模雙向校驗。

檢驗規則庫的設計，考慮到圖模有多種來源，詳略程度也不一樣，一方面需要通過不同的規則對模型語義語法校驗和數據校驗，對圖形文件進行SVG 格式校驗、圖層、符號、拓撲描述正確性校驗;另一方面需要針對不同圖模進行數據規范化，通過不同規則，將模型映射為不同的視圖，與相匹配的圖形視圖進行一致性校驗。規則庫引用配置檢驗思路如圖3 所示。

圖3 規則庫引用配置Fig.3 Rule base reference configuration

通過規則庫配置可以形成多種視角、宏觀到微觀不同尺度下的圖模一致性校驗:

從圖形看模型無增量:

從模型看圖形無增量:

量測語義與對象一致:

式中M為轉換對象Obji的量測語義;Mref為轉換對象量測語義的參考值。

對于圖模一致性雙向校驗步驟，結合IEC61970/CIM 規范，增量包含:設備對象增量、連接關系增量、容器關系增量。具體校驗步驟解釋如下:

步驟1:由圖形生成拓撲模型正向校驗。

CIM 使用Terminal 和ConnectivityNode 來定義拓撲模型。輸入CIM 拓撲的一個方法是在編輯圖形的時候從圖形生成。在一個大模型中維護CIM 拓撲只有通過圖形模型才能有效處理。表1 展示了圖形映射需要支持的三個領域。

表1 圖形映射需要支持的三個領域Tab.1 Graphics mapping for three areas

最底層的領域是CIM 拓撲，這已在CIM RDF/XML中解決。需要解決的問題是如何映射CIM 對象和圖形對象間的關系。最頂層的領域是繪圖領域，只是單純的圖形實體被定義，可能會有其他額外的信息。

如果校驗系統需要從圖形得到CIM 拓撲，則需要一個有圖形連接的中間領域。校驗系統給出它所校驗的圖形元素間的連接關系的信息。一個Node-link 模型就可以了，以此為基礎生成電氣拓撲即Connectivity-Node-Terminal，與XML 文件中的拓撲進行匹配，實現SVG 的圖形連接描述與CIM 拓撲兩者互相校驗。

步驟2:由模型生成圖形反向校驗。

電力系統可視化圖形模型平臺的圖形生成與拓撲分析需要雙向支持的觀點，一是以電力設備元件為單位繪制電網圖形的方式，從圖形分析電網拓撲;二是根據基于CIM 模型中的設備對象、容器關系、拓撲描述，自動生成各種電網圖形，推出圖形-拓撲雙向校驗的框架。

因此，基于模型反向自動生成圖形，用易讀的圖形化分析手段校驗復雜難懂的模型描述數據，尤其是模型中更加晦澀難懂的拓撲結構描述與圖形相結合轉化成了肉眼可辨的圖形描述，極為方便簡捷的使調度和自動化運維人員直接在圖形化的模型上完成對數據的各種操作及校驗判斷。

變電站自動成圖技術其基本思想是基于變電站的CIM 模型，自動識別出變電站的主接線類型，在典型接線模型的基礎上按照不同電壓等級及變壓器設備進行布局布線，然后根據廠站模型將不同的電壓等級按照一定規律進行排列，并自動繪制出相關的設備，形成結構清晰的一次接線圖。

3 仿真算例

文中采用某省電網能量管理系中的實際數據，應用文中提出的方法進行圖模一致性雙向校驗。對輸出的數據進行統計，得到如表2 所示結果。

表2 CIM 模型數據轉換結果統計數據Tab.2 Statistics of CIM model data transformation result

應用文中方法進行圖模一致性雙向校驗后的計算結果與實際能量管理系統的有功功率和無功功率部分計算結果對比如表3 所示。

表3 功率數值結果節選對比Tab.3 Comparisons of power flow data result

通過表3 展示結果可以看出，計算的有功功率無功功率與實際系統的狀態估計值誤差很小，可以認為文中提出的圖模雙向檢驗方法得到的數據與實際系統數據誤差足夠小，滿足實際工程應用要求［18-19］。

表4 對比了PQ 節點計算的電壓幅值與實際的電壓幅值的結果，同樣地，計算結果與實際結果間的誤差很小，滿足工程誤差范圍［20］。

表4 電壓幅值結果節選對比Tab.4 Comparisons of voltage magnitude result

通過上述潮流計算的結果對比，可看出，文中提出的圖模雙向一致性方法，可應用于對能量管理系統的圖形數據于CIM 格式文件數據進行雙向校驗，得到的數據誤差滿足工程應用的需求，提高了能量管理系統數據的合理性。

更進一步地，在算例中，采用文中提出的雙向校驗方法與現有常用的單向檢驗方法進行對比。分別針對采用文中提出的雙向校驗方法和現有單向校驗方法對能量管理系統數據進行圖模轉換，然后進行潮流計算，與實際系統中的潮流數據對比，結果如表5 所示。

表5 數據轉換結果對比Tab.5 Comparison of CIM model data transformation result

由表5 中對比結果可以看出，采用文中提出的圖模一致性雙向校驗的方法，圖模數據轉換后進行潮流計算的結果在有功功率絕對誤差累計、無功功率絕對誤差累計和電壓幅值絕對誤差累計值方面均優于現有的單向校驗方法，驗證了文中所提方法用于圖模一致性校驗的數據更接近實際系統的運行數據。

4 結束語

文中針對現有的校驗方法均為從模型出發或從圖形出發的校驗方法，其多為單向校驗過程，對圖模轉換的校驗準確度無法保證。文章提出的能量管理系統圖模雙向校驗方法是由圖形拓撲到模型拓撲的正向校驗以及由模型拓撲到圖形拓撲的反向校驗。通過算例分析驗證了所提方法能有效降低圖模校驗誤差，提高能量管理系統數據的有效性和可靠性。