电网规划与设计一体化平台

苗培青，李越，黄伟，王钰

(1.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南市250021;2.华北电力大学，北京市102206)

0 引言

电力工业是国民经济的基础工业。随着我国产业结构的不断完善和人民生活水平的不断提高，对电能的需求和电能质量要求也不断提高，急需通过新建或改造电网以满足地区供电需求。电网的稳定运行依赖坚强的网架结构，合理的电网规划和设计成为一项重要工作。

电网规划和设计的结果建立在可靠的原始资料和科学的规划方法的基础上，当前的电网规划设计工作存在诸多问题。一方面，数据资料缺乏科学管理。随着电网规模不断扩大，原始资料的信息量越来越大，人工收集资料需花费大量精力，并且造成数据冗余，准确性差等，最终影响电网规划结果。因此，提高数据的管理水平是目前规划设计部门亟待解决的问题。另一方面，不能适应“大规划”要求。国家电网“三集五大”体系提出了“大规划”:实施规划统一编制、统一管理，建立包含各专业、贯穿各层次、涵盖多电压等级的统一规划体系。但是由于各地区在规划、研究能力上存在较大差异，难以满足各级电力公司对电网规划研究不断提高的质量和进度要求。目前，国内已经在电网规划的数据管理［1-4］、可视化［5-7］等方面开展较多的研究工作。由于规划与设计之间存在数据交互与共享，但目前还未开展基于统一数据平台的规划与设计一体化研究。

综上所述，电网规划与工程设计一体化平台的建立是十分必要的，可以实现全省电网规划数据的统一管理，统一规划，统一设计，提升规划设计工作的可视化水平，能够为电网发展评估决策提供技术支撑，并有利于加快培养电网规划研究专业技术人才，提升规划设计工作的效率和科学性。因此，国网山东省电力公司经济技术研究院根据自身业务需求，开展了电网规划与工程设计一体化平台的研究。项目通过建立院级的统一数据中心，为电网规划与工程设计提供统一的数据支撑，并以此数据中心为纽带，通过数据接口有效集成规划设计各功能单元。一体化平台通过GIS技术［8-9］实现可视化功能，使电网规划与工程设计业务更加直观、形象。

1 一体化系统总体思路和遵循原则

1.1 系统研发思路

充分利用电网已建成的用电信息管理系统和监视控制与数据采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统、生产管理系统(production management system，PMS)、地理信息系统(geographic information system，GIS)数据，利用计算机与网络技术开发出网架自动规划、计划自动排序、标准设计套用的规划设计编制与评审系统。

负荷预测是后续工作的基础，采用以用电信息采集系统的分布、分类负荷为基准，用先进的预测模型自动预测短、长期负荷预测值，经人工干预形成规划、可研设计用数据。

规划是重点，采用先进的粒子群算法寻找最佳(变电)站群组合和网架结构，进而求出最优负荷增量支路(线路)和站点(变电站)，完成一定负荷水平下的电网规划结构。

可行性研究以建设年负荷预测值校核规划计划排序，计算路径优化和站址的优化调整。

设计初设阶段校核可研数据正确与否，校核输入输出与站址的协调性，校核站址地质条件对建站的造价调整。施工设计按选取的标准设计方案完成设计。

建立在工程量计算基础上的设计概算与工程结算是工程造价分析的基础，是综合评价工程效益、投资回报率的前提。为了实现上述一体化系统总体设计思路，需遵循相应原则。

1.2 遵循原则

规范化原则:严格遵循《电力系统设计技术章程》、《国家电网公司规划设计内容深度规范》，以及国家电网公司编码规范、平台功能规范等相关的国家或行业规范。

标准化原则:参照IEC61968/61970、ISO等国际国内标准，为平台/系统间的互操作提供保障。

先进性原则:研究数据挖掘技术、智能优化技术、图形可视化技术、三维可视化技术，建立先进模型和实用算法，突破平台建设的关键技术。

安全性原则:按照《国家电网公司应用软件通用安全要求》保证信息的安全性，并保证数据在处理和传输全过程的安全性，具有一定的抗攻击性。

高复用原则:在平台开发过程中充分考虑省公司已有软硬件设备设施及电网空间数据，尽可能继承和复用有价值的软硬件资源和数据资源，避免资源浪费，重复投资。

积木化原则:平台建设采用分层、分块、分阶段的设计和开发的思想，逐步建立健全各项功能，最终形成一体化平台。

2 总体架构

2.1 总体架构

电网规划与设计一体化平台采用多层技术架构，在应用软件的各层结构模型中，定义了详细的接口规范，将数据层、业务层和界面层分离，实现了多种应用之间的松耦合集成，以快速、灵活的方式响应业务需要对系统的要求。

整个平台基于构架开发，采用业界主流的SOA架构技术，便于平台的开发、管理和维护。系统接口按照标准的web service封装，通过标准协议实现数据和服务的集成，具体如图1所示。

2.2 系统部署结构

电网规划与设计一体化平台的总体应用方式是集中部署、分级应用，分别建立数据中心和应用服务中心［10］。数据中心主要存储规范化后的基础数据，以及规划方案数据、设计方案数据等。应用服务中心集成国网统一规划平台、数据管理系统、可视化工程设计系统以及接口服务系统。各类人员包括数据管理人员、规划人员和设计人员等可以通过网络访问相应的应用功能。可视化设计系统与省公司GIS系统之间采用国网GIS服务标准进行交互，与数据管理系统之间采用标准的web service方式进行交互，降低系统之间的耦合度，便于后续系统的维护和升级。系统的部署结构如图2所示。

其中，数据库服务器是用来存储电网规划基础数据、规划方案数据、设计方案数据以及其他各类管理数据;模型服务器用来存储电网公共信息模型(common information model，CIM)、可缩放矢量图形(scalable vector graphics，SVG)等各类模型数据;数据管理应用服务器可实现基础数据的录入、修改、查询、报表等功能;规划设计应用服务器可实现基于GIS的电网网架方案的浏览、线路杆塔方案的智能优化以及基于计算机辅助设计(computer aided design，CAD)的变电站初设方案生成等;应用接口服务器采用web service标准，可实现可视化设计平台与数据管理子系统等系统间标准化交互，并为与其他系统交互预留接口;各类工作站包括数据管理工作站、统一规划工作站、可研设计工作站，以浏览器方式为用户提供平台的访问功能。

图1 平台技术架构Fig.1 Technology architecture of platform

图2 系统部署示意图Fig.2 System deployment diagram

3 系统功能

建立满足电网规划设计需要的数据中心，集成国网规划平台和现有仿真分析及设计任务软件，达到数据共享;完成基于GIS和CAD的线路和变电站自动化设计，实现一体化、向导式、可视化的电网规划与可行性设计统一系统平台，平台功能结构如图3所示。

图3 平台功能模块图Fig.3 Function module of platform

3.1 数据管理子系统

建立满足电网规划设计需要的数据中心，包括基础数据库和项目管理库，实现基础数据的入库和维护工作，积累电网规划设计的数据资产。主要功能包括设计数据中心关系数据库存储模型;利用或者开发专门数据接口，实现从省公司和经研院的其他业务系统自动提取所需业务数据;开发专门的B/S维护系统，实现部分业务数据的人工录入和维护。

3.2 可视化工程设计子系统

实现电网可视化设计，包括基于GIS的线路自动化设计和基于CAD的变电站自动化设计。具体功能包含电网设计项目的统一管理;基于GIS的电网网架可视化浏览;基于GIS信息的线路及杆塔自动排位［11-13］;变电站典型设计方案库维护;基于典型方案的变电站自动化设计;集成潮流计算、短路计算等主要电气计算功能，实现对规划设计网架的技术评估;电网仿真分析结果的可视化，可将电气计算结果在GIS上进行动态展示;设计文档自动化，实现设计文档部分内容的格式化、自动化输出。

3.3 数据接口子系统

实现web service接口，便于实现本平台系统之间的数据交互，主要功能包括基础数据服务、网架数据服务和设计数据服务。其中，基础数据服务是指提供负荷数据、规划设计基础参数等;网架数据服务是指提供变电站、线路等信息，便于规划子系统与设计子系统的集成;设计数据服务是指发布变电站、线路等的设计方案结果。

3.4 自动优化功能

通过研发和镶嵌现行成熟的系统软件，自动优化生成目标网架，并对规划目标电网和现行电网进行定期复核和计算校验。自动网架优化，包括变电站布点优化和网架支路优化建设(站群布点优化及先后排序优化和网架支路建设优选);线路路径的自动优化设计选线(本线路路径优化);变电站站址自动选址优化;无功补偿优化布点。

3.5 自动计算和校验功能

基于图形处理进行安全稳定计算;设备选型计算;电网线损理论计算;在三维模型下的工程量按计价分类计算与统计;按定额计价单进行的概预算计算及结算计算编制;工程造价计算分析;投资回收计算。进行潮流计算及供电能力(N－1潮流)校核;无功电压平衡计算。进行安全稳定(N－1故障动热稳定)校验及可靠性校验;概预算计算与方案优化比较。

3.6 信息一体化规划设计平台

集成国网统一规划平台的功能，基于规划方案进行线路和变电站工程设计方案的生成。实现规划、设计及审查信息施工建设共享，施工管理信息系统辅助管控，结算共享设计、物资招标和施工变更信息，自动计算工程量和编制预、结算，实现信息化办公。

4 关键技术

电网规划与工程化设计一体化平台的研究建立在对当前的规划设计工作进行深入、广泛调研的基础上，考虑国网公司“三集五大”对电网规划设计工作的新要求，充分借鉴已有相关成果和经验，全面整合电网公司和经研院各种数据资源和应用系统，遵循国际国内标准，研究先进实用的模型和算法，综合运行多种主流的计算机软件技术，面向用户的特点和使用习惯，研发可视化的电网规划和工程设计一体化平台，关键技术路线如下。

4.1 先进的模型和算法

建立一体化平台后，可以利用GIS模块以及相应数据库信息，建立数据库并进行各专题的空间分析，然后对每条备选线路沿线的影响因素进行统计分析，为工程线路方案设计比选以及变电站选址和进出线设计提供数据信息支撑。

同时，合理地选取电网规划与设计方案的评价指标，实现规划和设计指标选取的全面性和指标的可获得性，力求使选取的指标具有代表性、多角度、易得性，做到规划设计技术和经济评价完整、准确。

4.2 多源数据混合建模技术

利用计算机技术和数据库技术以及可视化技术开发电网规划设计数据库，可以有效地管理规划数据和辅助电网规划，并且便于定期进行滚动规划，提高规划水平。结合先进的网络技术，采用B/S结构，电网规划信息收集可以在网上进行，可以改善目前落后的规划手段和方法，提高工作效率和电网规划的科学性。

4.3 基于GIS和AutoCAD的可视化技术

一体化平台可实现与省公司GIS平台的对接，基于《国家电网公司电网GIS空间信息服务平台服务调用规范》中的数据类型规范、服务接口规范，实现基础地理信息和电网网架(系统图、单线图、站内图)模型的可视化浏览;基于IEC 61970标准进行电网数据模型数据解析，以及规范中的空间分析、电网拓扑分析等高级应用功能，实现电网仿真分析计算。

通过深入研究 AutoLisp、ActiveX Automation、ObjectARX、AutoDeskRealDWG等AutoCAD二次开发技术，实现AutoCAD二次开发技术与Net平台开发技术的完美融合。重点研究基于典型变电站初设方案实现的变电站设计方案的生成技术，实现由变电站规划方案辅助生成CAD图纸方案，供设计专工进行二次修改，降低设计人员的工作强度，提高工作效率。

4.4 面向对象的软件设计与开发

系统广泛采用面向对象的方法，包括可视化图元体系设计、可视化窗口体系设计、插件化模块组织等。利用面向对象技术提供的各种概念和技术组织代码，实现系统的重要功能，控制开发的复杂性。

鉴于本平台运行环境的复杂性，本项目选择VisualStudio.Net开发平台，满足 B/S、C/S混合开发，以及与WEBGIS和AutoCAD的嵌入式开发，既保证了数据管理软件的易用性，也保证了规划设计软件的专业性和运行效率。

4.5 模块化松耦合体系结构设计

针对本平台内不同业务系统之间的复杂交互，基于并扩展IEC61970CIM模型，分别定义基础数据访问、规划数据访问和设计数据访问，以及业务调用的web服务格式，实现接口服务的统一发布、管理、访问和控制，尽量降低不同系统之间的耦合程度，实现松耦合。

5 结语

综上所述，通过建立数据中心，为经研院电网规划设计的各业务单元提供基础数据支持，实现规划设计数据的统一管理，能够有效提高规划设计的科学性与合理性。在GIS平台的支持下，基于数据中心进行各专题的空间分析，实时展现电网状态，结合地形、环境等因素来确定变电站的最佳位置和输电线路最优路径，并选取合理的指标对其综合效益进行评价。通过融合国网统一规划平台，整合现有电网仿真分析工具。电网规划与设计一体化平台可实现规划研究、工程可研、技术评价、经济分析等多项功能，实现电网规划设计的系统化、可视化，提高了规划成果的统一管理和利用效率。

［1］李晖，黄平，张琳，等.公司一体化电网规划设计信息应用建设总体思路［J］.电力建设，2011，32(11):72-76.

［2］李峰，刘正超，罗凤章，等.广东电网一体化规划信息系统研究与应用［J］.电力系统及其自动化学报，2011，23(5):151-156.

［3］杜旭，申刚，刘中胜，等.电网规划管理信息系统数据库的研究与实现［J］.电力系统及其自动化学报，2013，25(2):163-166.

［4］魏威，陈金富，段献忠，等.基于统一数据平台的电网规划软件［J］.继电器，2003，31(3):50-53.

［5］周鲲鹏，颜炯，方仍存，等.基于GIS的电网规划集成应用平台［J］.湖北电力，2012，36(5):1-4.

［6］李海平，徐宝儒.3维地理信息系统在电网设计中的应用研究［J］.测绘与空间地理信息，2012，35(1):95-97.

［7］董庆金，周曦.基于地理信息系统的电网设计系统研究与实现［J］.测绘与空间地理信息，2013，36(4):69-71.

［8］王鹏，蒋御柱.基于GIS的电网规划系统设计与实现［J］.计算机工程与设计，2008，29(22):5741-5744.

［9］陈健，万国成，刘文革，等.基于GIS平台的广州电网规划辅助决策系统开发与应用［J］.南方电网技术，2009，3(S1):150-153.

［10］黄平，陶伟，刘学，等.电网规划研究平台的框架设计［J］.能源技术经济，2010，22(3):10-17.

［11］杨萌，张粒子，舒隽，等.输电规划中计入环境因素的路径决策［J］.电力系统自动化，2008，32(15):31-35.

［12］杨萌.考虑环保成本的输电规划研究［D］.北京:华北电力大学，2008.

［13］谭国铨.三维送电线路GIS系统在电力线路勘测路径选择中的应用［J］.电力勘测设计，2009(3):17-19.