IEC61970／IEC61968信息模型拓展及在配网中应用

黎灿兵，杜 力，曹一家，吴春阳，程子霞

（1.郑州大学电气工程学院，郑州 450001；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

随着电力系统自动化、信息化的推进，不同支撑环境或不同厂家的软硬件产品组成的异构电力信息系统的接口标准化显得尤为重要。IEC61970／IEC61968系列标准是指导电力信息系统建立统一数据模型和交换信息的标准［1，2］。目前该系列标准在电力系统中取得了广泛的应用，研究人员设计和开发了大量符合IEC标准的信息系统，如能量管理系统［3，4］、监控和数据采集系统［5，6］、配电管理系统［7，8］，电力设备故障诊断和检修系统［9］；文献［10］提出了一种在电力调度中心分步建设统一数据平台的解决方案。IEC61970／IEC61968系列标准主要是对电网设备台账和组件接口标准化，目前仍没有针对配网项目数据的相关标准，配网规划和大修技改中存在重复投资现象没有得到很好的解决；配网规划环节难以实现数据标准化，也难以将全寿命周期管理拓展到规划环节。

资产全寿命周期管理是指对资产从采购、分配、使用、运营维护到报废等全寿命过程进行计划、组织、协调和控制，向资产管理人员提供智能决策支持。电网企业开展资产全寿命周期管理可以及时准确的掌握资产的变化，提高资产利用率和管理水平。大量文献从多个角度研究了全寿命周期管理理论在配网中的应用，文献［11，12］从设备寿命周期费用的角度进行了相关研究；文献［13］研究了电力企业资产管理系统的设计与实现；文献［14］研究了变电设备寿命周期费用控制问题。这些研究为全寿命周期管理在配网中的应用提供了有益的借鉴，但未与配网项目管理相联系。

与主网相比，配网具有鲜明的特征，如固定资产种类多、数量大；覆盖范围广，运行方式调整频繁，管理相对分散；设备更新换代速度较快等。配网的特殊性还在于其资产全寿命周期管理，面临更复杂的环境，更复杂的工况，实现难度更大。因此配网项目更需要数据标准化，接口规范化，更有效地实现配网设备的全寿命周期管理。

本文依据IEC61970／IEC61968的原则，拓展其信息标准化模型，提出标准化的配网项目数据结构，将配网设备全寿命周期管理拓展到规划环节；研究了配网项目数据标准化在配网项目立项审核过程中的应用，提出配网项目关联度评估模型，评估不同项目的关联程度，辅助管理人员判断待立项目的可行性，避免重叠立项，提高投资效率。本文主要研究中低压配网的数据标准化。

1 重叠立项现象

在实际的配网资产管理中，某一个问题或者相似问题可能在极短的时间内被重叠立项改造或者新建，原因如下。

（1）配网设备种类多，数量大，分布广，资产管理难度大。这些特点客观上给固定资产管理工作带来了不便，降低各资产管理部门信息共享程度，增加了信息检索难度。

（2）基础数据多头维护。我国很多地区的供电公司资产管理处于分散管理状态，规划、建设（工程）、生产技术、工区等各部门均对配网资产有一定的管理权限，各部门的管理侧重点也有所不同，基础数据的一致性和准确性难以保证。因此，导致各部门之间信息沟通不畅，产生重叠立项现象。

（3）配网单个设备价值较小，升级、改造的工作量较小，所以一个配网项目往往包含对多个设备的升级、改造。如一个项目可能是“配变1、配变2等十二台老旧配变更换”，另一个项目可能是“某馈线第五杆塔后的老旧设备改造”。虽然两个项目整体重合的可能性很小，但不同项目中，部分工作内容重叠则频繁发生，尤其是在经济比较发达的地区。

（4）配网立项的关联性难以判断。目前配网项目数据没有结构化存储和管理，仍然以文本方式存储、管理，难以高效检索各项目之间是否存在关联，导致配网中频繁出现重叠立项。很多配网企业在立项时没有建立起项目与设备或者用户的关联关系，各职能部门在立项时无法通过资产管理系统查询已立项目所涉及的设备或者用户，因而无法判断项目之间的关联性，可能造成重叠立项。

配网管理中重叠立项的根本原因是供电公司没有全面推行配网资产全寿命周期管理，对配网规划环节缺乏有效管理。

2 配网项目数据标准化

2.1 数据存储

IEC61970／IEC61968通过类、对象和属性以及它们之间的关系来表示电力资源，运用统一建模语言UML（unified modeling language）定义电力工业主要对象的公共类、属性及对象间的关系。统一数据结构的配网设备数据为配网项目数据标准化提供了重要保证。

配网规模大、设备多的特点决定了其与主网相比项目极多。因此将配网项目数据标准化，采用统一规范的接口，能更高效地实现设备的全寿命周期管理。本文提出基于IEC61970／IEC61968标准的配网项目数据标准化方法，按照面向对象的思想，定义配网项目的数据结构，实现项目数据的标准化。

在信息管理系统中，配网项目数据应采用标准化存储，而不应采用文字描述的方式存储。项目标准化存储具有以下优点：

（1）便于从数据库中搜索相关项目，避免重叠立项。标准化存储便于决策人员根据关键字搜索相关项目，如果只使用文字进行项目描述，则从项目库中搜索项目的效率比较低。

（2）便于配网项目按照相关指标管理。标准化存储有利于通过指标计算将项目归类，如是否属于解决过载等。

（3）便于实现配网的规划立项与现有设备管理的对接，将全寿命周期管理拓展到规划阶段。

2.2 数据结构

本文提出的标准化数据主要用类和对象描述。类是静态的，其存在、语义和关系在程序执行前已定义好；而对象是动态的，在程序执行时可以动态的创建和删除。

一个配网项目，可能包含的工作内容的数据可以分为土建类、新增设备类、技术改造类、扩建类、维修类等5大类。按照面向对象的思想考虑，就是将配网项目定义为一个类，包含上述5个子类，在一个项目中，某些子类可能没有实例（对象），也可能有多个实例（对象）。各个子类都有对应的属性，不同项目中子类的属性会有所不同。其关系可以用图1来描述。

图1 标准化配网项目数据的构成Fig.1 Composition of standardized distribution network project data

（1）土建类

配网项目可能包含土建类的一些工作，如管网建设、配电房建设等。土建类项目可分为三种：点类型、线类型和面类型。点类型的土建项目具有点分布特征，如配电房等；线类型描述的土建类项目客体具有直线特征，如管网工程中的管道设施等；面类型包括点类型和线类型，是对大规模土建项目的描述，如新建变电站。土建类的描述属性一般包括建设地点、建筑面积、投资主体、预计开工时间、验收时间和投资费用等。

（2）新增设备类

新增设备类包括新增箱式配电变压器、环网柜、开关等对象，需要记录新增设备的时间、地点、拟设立的设备ID以及设备技术参数，如配变需要记录额定容量、额定电流、型号等；开关需要记录型号、开断电流等。

（3）技术改造类

技术改造类是对原有设备进行升级改造的抽象，如将原有架空线路改造成电缆。技术改造类需要记录的信息包括替换前后的设备信息、技术改造的内容等。

（4）扩建类

根据负荷增长和配网供电可靠性要求，对原有配电设施进行扩容，如增加配电变压器、大容量导线等。扩建类需要记录扩建设备的时间、地点以及拟设立的设备ID等，另外还需要根据不同设备记录其设备属性和被替换设备的设备ID等。

（5）维修类

维修类需要记录设备维修时间、维修设备的ID、维修工作的文字描述、维修前后设备属性变化情况等。

3 配网项目关联度综合评估模型

3.1 基础数据

如图1所示，配网项目的基础数据包括项目工作时间（U1）、项目涉及用户（U2）、项目工作内容（U3）三大项，其中项目工作内容可继续分为若干子项。本文将根据这3个方面的数据来评估不同项目的关联度（U），即有

（1）项目工作时间（U1）

在不同时间，配网中可能会对同一设备或面向同一用户立项检修或改造，所以即使在同一个地点、同一个设备、面向同一个用户，如果待立项目与已立项目批准时间间隔一定年限，即使项目关联度较高，也应允许立项；如果间隔时间较短，则对同一设备或用户立项时，项目的关联度就较高。

（2）项目涉及用户（U2）

配网直接联系着用户，在配网管理系统中，可以通过地理信息系统GIS（geographic information system）大中用户分布图来查询各类用户的地理位置、用户编码、用户档案及用电量等相关数据。

（3）项目工作内容（U3）

如图1所示，工作内容的数据可分为5大类。配网项目是针对其中的设备实施的，项目工作内容可以从项目涉及设备（U31）和项目实施地点（U32）两个方面来评估。配网涉及的设备主要包括变电站、开闭所、线路（包括电缆）、杆塔、变压器、配电箱、开关等。配网GIS中为各类配网设备设计了不同的沿布图，可在不同图层上查询到相关设备的名称、编码等相关信息。配网项目中的大量对象都是点对象（如开关、杆塔、配变等）、线对象（如电缆、架空线等）或面对象（如变电站、配变台区等）。配网设备的地点可以通过GIS来查询，设备地点分上述3类来处理。对于点对象，忽略实际占地面积，在地理分布图上以经度和纬度组成的坐标（x，y）来表示，比如，可通过配网杆塔分布图查询各杆塔的位置；对于线对象，它们是以多个点（折线）的形式存在，比如，可通过配网线路沿布图查询不同线路的走向及地理坐标；对于面对象，要考虑占地面积，因为一个区域的内部可能包含具有相对位置关系的多个其它对象，这类对象在图上以首尾重合的n个点组成的多边形存在。

以上三方面数据是评估不同项目之间关联度的基础数据，可以完整地描述一个配网项目拟解决的问题。对评估项目关联度，三者缺一不可。

3.2 分项关联度评估

本文采用模糊多属性决策的方法对不同项目的基础数据U1、U2、U3进行分项关联度评估。

（1）项目工作时间（U1）

若待立项目工作时间与已立项目工作时间间隔t大于设定值t0，则不论项目涉及用户及工作内容关联度大小，都认为这两个项目整体的关联度为0；若t≤t0，则要根据项目涉及用户以及工作内容的关联度来综合判断两个项目的关联度。两个项目的时间关联度函数可表示为

不同地区电力需求增长的速度不同，配网规划、改造的速度也有所不同，所以t0的取值也应随着地点的不同有所区别。

（2）项目涉及用户（U2）

首先确定待立项目涉及的主要用户。设主要用户数为s，计算出这s个用户的日最大负荷之和，然后将已选定用户的用户编码和已立项目涉及到的用户向比较，将编码相同的用户的日最大负荷Pmax相加，则两个项目涉及用户的关联度模糊函数可表示为

式中：l为两个项目相同用户总数；s为选定的用户总数；Pmax，i为第i个用户的日最大负荷。

（3）项目工作内容（U3）

对项目涉及设备评估时，首先确定待立项目涉及到的主要设备，设为t个，已立项目涉及到的主要设备为T个，将待立项目中已选定设备的编码和已立项目设备编码相比较，如果相同则计数一次，编码相同的设备总数记为k，则两个项目涉及设备的关联度模糊函数可表示为

式中：k为两个项目相同设备总数；t为待立项目涉及的设备数。

项目工作内容中增加新的设备，不会与已有项目中的设备重叠，所以设备地点的关联度评估应针对涉及的已有设备。以下分点对象、线对象、面对象3种情况讨论。

对点对象，已知其地理位置坐标，可计算两个项目中任意两个同类设备的距离为

设A、B两个项目中某一类点对象的个数分别为m、n，则两个项目中同类设备之间的距离可形成矩阵

记各行元素的平均值为dave，i（i＝1，2，…，m），则点对象的关联度评估式为

式中：dave，i为点对象的平均距离；dmax为设定的最大距离，根据区域状况设定。如，根据对南方某市配网项目的人工评估，在市区，距离200 m以上的项目，一般没有重叠现象，可取值为200 m；郊区距离500 m以上的项目，一般没有重叠现象。

式（7）表示，以距离作为评估关联度的指标，若距离大于设定的最大距离，则两个设备不相关；若距离小于设定值，距离越近，关联度越大。

同类设备的综合关联度表示式为

分别计算各点对象核心设备的关联度，求取平均值即可得到A、B两个项目中该类设备的关联度，即项目地点的关联度。

对于线对象，按照从电源到用户的方向按照长度均匀选取h个点，其中必须包括起点和终点。分别计算两两对应的点之间的距离，然后求其平均值，作为评估线对象关联度的依据，关联度函数同式（7）。对于面对象，主要是配变台区，可计算台区中配变的距离d，以此作为评估配变台区关联度的依据，关联度评估函数同式（7）。

分别计算出各类设备地点的关联度后，即可得出项目实施地点的关联度U32。最后取U31和U32中较大者作为U3的值。

3.3 关联度综合评估

本节根据第3.2节得出的评估向量，综合评估已报项目与待立项目的关联度，筛选出与待立项目关联度较高的项目，为进一步人工判断项目可行性提供参考，辅助管理人员决策，以避免重叠立项。综合评估模型如下。

设供电公司有p个配网项目，记为A＝｛A1，A2，…，Ap｝，另有一待申报项目A0。衡量关联度的属性向量为Λ＝｛U1，U2，U3｝，则待申报项目与各已申报项目的关联度属性值构成的向量为Λi＝｛Ui1，Ui2，Ui3｝（i＝1，2，…，p）。根据Λi，评估已报项目与待申报项目的关联度公式为

式（9）表示，项目工作时间在综合评估中具有最高优先级，若已报项目与待立项目时间间隔超过设定值t0，则二者关联度为0；当时间间隔小于t0时，再根据项目涉及用户及工作内容来评估关联度，当其中一个指标属性值较高时，就认为两个项目的关联度较高。

最后采用两极比例方法［15］将定量指标转化为定性指标，以此更直观地反映两个项目关联度的大小，转换方式如图2所示。

图2 定量指标向定性指标的转换Fig.2 Conversion for quantitative index to qualitative one

3.4 应用分析

本文提出的项目关联度评估模型可应用于配网项目申报和项目审核两个环节，辅助项目管理人员决策，提高项目管理水平。

在项目申报环节，供电企业在申报配网规划、改造项目时，填报后，可检索申报项目与如下两类项目的关联度：

①已申报但未批准的项目；

②已申报且已批准的项目。原则上，若有项目已申报，但未批准，还允许申报；若已申报且已批准的项目与申报项目关联度很高，则原则上不让申报。

在立项审核环节，各部门、各岗位应该在共同的项目审核平台上，批复配网规划、改造项目。在审核一个项目时，检索已有项目，避免重叠批准。通过申报和审核两个环节把关，避免重叠立项，提高投资效率。

4 算例分析

4.1 配网项目数据标准化案例

根据前文所述配网数据标准化方法对某市新农村电气化电网规划项目中的数据标准化，该项目记为项目A。将项目A定义为一个类，其中项目工作内容包含了5个子类，即土建类、新增设备类、技术改造类、扩建类、维修类等子类。各个子类在该市新农村电气化电网规划项目中均有对应的属性及实际的对象。如土建类，其基本属性有：流水号、年度、项目资金、建设单位、项目编号、项目名称、设计状态、结算状态、项目性质、资金来源、资金类型、送电时间等，通过多种属性可较为清晰的描述该项目中的土建类子类。项目A中土建类的对象主要有新建开关房、新建联络线、新建杆塔、新建变电站、新建配变台区等。其他子类不再一一赘述。项目数据标准化后的关系可用图3表示。因项目中对象较多，图3对同类对象仅举一例，未全部列举。

由图3可看出，按面向对象思想将配网数据标准化，实现结构化存储，便于项目管理人员根据关键字搜索项目，也有利于配网相关指标的计算，便于将配网全寿命周期管理推广到规划阶段。

4.2 项目关联度评估算例

设该市有一待申报项目B，其项目数据已根据本文提出的方法进行标准化，限于篇幅，数据本文不再列出。

本例中，项目时间间隔t0设为1 a，项目A与项目B时间间隔为6个月，故U1＝1。查询用户编号及最大功率，由式（3）计算得U2＝0.0657。对项目涉及设备评估时，首先查询A、B项目中主要设备的编号，然后根据式（4）计算得U31＝0.0959。对于项目实施地点关联度评估，以环网柜为例，先形成A、B两个项目中环网柜距离矩阵D（单位：m）为

根据项目区域状况选定dmax＝500 m，则各个环网柜可形成关联度向量d＝［0.2470.1320.1040.208］T，环网柜的综合关联度r（di）＝0.173。其他设备的地点关联度可根据同样方法得出，经计算可得变压器、柱上开关、线路、配变台区等的关联度分别为0.024、0.135、0.169、0.062。根据以上数据可得项目实施地点的关联度U31＝0.108。最终可得U3＝0.108。

根据前文的综合模型，得到待申报项目B与已报项目A的关联度U＝0.108。根据图2可知，A、B两个项目关联度低。

图3 项目A的标准化数据Fig.3 Standardized data of project A

5 结语

本文研究了中低压配网重叠立项现象及原因；拓展了IEC61970／IEC61968信息标准化模型，提出配网项目标准化的概念和配网项目数据标准化的方法；研究了标准化数据在配网项目立项审核过程中的应用，分析不同项目之间关联度指标，采用关联度综合评估模型评估项目之间的关联度。

本文提出的配网标准化数据结构和配网项目关联度评估模型可有效筛选出与待立项目关联度较高的项目，辅助管理人员决策，避免重叠立项。

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