数字化电网技术在电网规划设计中的应用

董沛德

（国网永昌县供电公司，甘肃 永昌 737200）

0 引 言

近年来，我国的电力事业发展迅猛，工业化与城市化过程中对电力资源的需求量急剧增加，为缓解电力市场上的供需矛盾，需改变电网规划设计方法，构建更为稳定、安全的电网体系。信息时代下，数字化技术发展迅速，这些技术逐步被应用到了电网规划与设计中，发挥了技术优势，有利于打造智能电网。但电网规划设计中的数字化电网技术深度不足、未达到全面覆盖，因此未来需强化数字化技术的推广。

1 数字电网体系架构

数字电网是一个宏观大概念，在数字化技术支持下构建的电网系统中，数据量庞大，同步集成了智能传感、泛在物联、大数据、智能控制以及人工控制等技术，完全区别于原有电网，数字化程度更高。数字电网构建的电网数据闭环赋能体系采用状态全域感知、模型精准映射、管理智慧赋能等，使电网兼具智能监测、预警、模拟等多重功能，有效克服了传统电网规划设计中数据共享不足、流程衔接不畅的问题[1]。此外，数字电网体系架构复杂，涉及了多个层次，主要为应用层、平台层、数据层、传输层、感知层以及物理电网，如图1所示。

图1 数字电网架构

物理电网为物理世界，感知层与传输层结合形成了数字孪生交互通道，数字层可实现物理电网中的数字化建模、数据处理，平台层为数字世界。

1.1 物理电网

物理电网为分布式、集中式电源组合、交直流混合柔性输电供电、冷热气电多能耦合供能模式，具有随机不确定性、可观测性、时变非线性等特征。

1.2 感知层

数字电网的构成复杂，在应对各类应用场景、感知需求的情况下，需统筹构建感知体系。在感知层内需配备各种专业化设备设施，如具备边缘计算机的采集器、仪表、传感器，通过这些设备设施的高度集成，在电网运行时能实时采集与处理信息，不论是电量还是非电量的信息，均可由感知设施采集，发挥感知体系在电网中的作用[2]。

1.3 传输层

在电网体系内，传输层是为了保障不同模块、子系统之间的信息高效、安全传输，为不同层之间的数据传输通道，不仅可提升电网中的数据安全性，还兼具双向传输的特点。通过构建传输层，能使数字电网物理世界与虚拟世界保持虚实协同，而且在该层级中应构建一套可靠、终端接入灵活、双向互动的物理通信网络体系，创造通信条件，保障数据传输的安全性、高效性，辅助电网决策。

1.4 数据层

数据层内集成了电网体系运行中的海量数据，借助数据中台构建物理电网。在数据采集与处理中，物理电网为载体，能实现全要素、全流程与全业务数字化。该层级中数据种类多、数量大，主要为规划、基建、营销、生产以及调度等环节的业务数据、运行数据，属于集成数据，而且构建了对应的波形库、文本库与影像库。

1.5 平台层

平台层位于物理电网中，其内部集成性明显，具有知识图谱、信息特征与数据。由于物理电网在运行中有系统态势、逻辑规则、运行行为等，因此需以这些为基准建立模型，构建精准化映射的虚拟电网，最终在该平台中实现共享目标[3]。此外，平台层中包含多个平台，如优化决策平台、系统计算平台、数据共享平台。

1.6 应用层

应用层面向实际应用，立足于应用构建的数字化生态包含企业运用、客户服务、电网运营以及数字金融，在该层级基础上可以整合资源，创造价值。

2 电网规划设计中的数字化电网技术

2.1 数据设计技术

电网规划设计中，为提高规划设计的科学性、合理性，需整合全部的数据与信息。海量基础数据、各类专题数据为电网的底层数据结构，利用数字化电网技术开展电网规划与设计时，应通过大数据存储、调度技术，综合电气、结构、土建等数据，开展电网线路计算、模拟，在三维数字地球上开展交互设计，直观呈现最终的结果。

2.1.1 数据类型

在地理信息系统内包含有基础数据，主要为正射影像数据、多精度高程数据、三维模型数据，不仅是各种三维数据的集成，而且后续可自动根据需求整合、调用数据，用数据指导实际工作[4]。电网规划设计的难度系数较高，利用数据设计技术构建电网平台、体系时，专题数据也尤为重要。这类型数据主要包含发电、输变电规划设计参数、水文气象、地质地貌以及生态环境等，具体如表1所示。

表1 数据详细情况

2.1.2 大数据调度

当前的电网规划中，需紧跟信息化要求，构建数字化电网平台。该平台中的数据类型多，呈现出多源、多分辨率、多类型以及多尺度等特点。在数据设计时，应该遵循精细化要求，特别是海量影像、矢量数据调度、存储方面可采取的技术较多，典型技术为数据预处理、影像金字塔结构、多细节层次图像存储、地图缓存技术，综合应用这些技术实现了数据的专业化处理，可保障各类数据能满足实际需求。影像金字塔为图像集合，利用梯次向下采样获得1层层图像，层级越高，图像容量越小。作为一种特殊的数据存储方式，能在三维空间分辨率变化的同时，自动调配金字塔影像[5]。多细节层次图像存储下，参考三维模型节点在渲染空间中的位置、优先性，以这些作为决定渲染细节层次、资源分配的标准，能大大提高渲染效率，减小非优先三维模型的渲染点面数。地图缓存技术能将高精度、大地理范围内的地图拆分为小分辨率、小地理范围的地图，具有动态加载的特征，几乎不会出现运行卡顿的问题。

2.1.3 数据库设计

通过数据库设计，能将全部的数据集中于库，在后续的电网规划设计中利用该数据库整合数据。电网中包含有基础数据、专题数据，在此基础上实施逻辑与业务划分。数据库内应细分为系统库、功能业务库、电力设备基础库几种，实际工作中，各类数据均存储于对应的服务器端。系统库内存储有用户信息、角色信息、功能信息、日志信息；功能业务库的功能更为全面，包含有本地数据库与中间数据库；电力设备基础库内存储的数据类型较多，主要为变电设备、输电设备等的位置与交叉信息。

2.2 数字化设计技术

设计人员在输入了相关的参数信息后，系统自有功能经由数据整合与处理，自动生成电网设备平面布局图，再依据杆塔类型、材料特征、线路三维数据形成电网的数字模型，具有可视化、三维化特征。数字化设计包含了以下流程。

2.2.1 三维建模

数字化电网技术应用于电网规划设计时，三维建模是关键步骤。为提高建模精度，应根据现场的供配电需求与用电负荷进行预测，整合杆塔类型、电压等级等数据，实施专业化集成。系统首先在自备的三维型库内筛选与要求相一致的三维数字模型，当三维模型库中的数字模型与实际情况不相符时，还需引进手工建模的方式，以保障模型的完整性。

2.2.2 输电线路

为提高电网规划设计水平，杆塔、变电站、电源点等地理坐标、线路走向与位置、线路接线方式等都是参考依据。系统在自动处理了数据后，于数字地球上自动绘制虚拟输电线路，布置变电站、电源点模型，并实施线路与杆塔、线路与变电站、线路与电源点的接线设计，保障各个环节接线的合理性。

2.3 三维设计控件

电网规划设计中应用数字化电网技术时，最终目标是要构建数字化电网平台，而在此平台建设时，也需三维设计控件来实现。三维设计控件为载体，经由各类控件，可使平台兼具三维浏览、空间分析的功能。首先，利用三维浏览控件，可实现三维场景定位、切换、浏览，巡查输电线路并查询专题业务。其次，空间分析控件下，可使得电网数字化平台具备三维空间量测、空间计算分析能力，能在电网规划设计的过程中对选择的对象实施三维量测，分析与计算断面、通视、坡度。再次，辅助规划控件负责整合电网专题、交通环境、经济人口等数据，并依据切实需求科学分类，以利用这些数据辅助电网规划与设计。最后，辅助设计控件可使相关人员在电网规划与设计时能利用该类控件确定变电站位置，结合规划设计需求选定最佳的输电线路路径。

3 应用案例

本文以NSCGlobe（一种三维数字地球）为研究对象，在电网规划设计的过程中，以相关设计参数为前提，可完成三维模型定制、输电线路布局、布线以及风险分析，保障了电网规划设计的合理性、科学性。其中，三维数字地球、动画渲染技术为关键。在这些技术的综合下具备可视化漫游功能，参与到电网规划与设计的相关人员可直观看到结果，精准发现规划设计方案中的不足之处，自动调整与优化。

3.1 数字化平台搭建

电网规划设计中，数字化平台搭建为首要任务，为提高数字化平台的搭建水平，应利用计算机辅助技术来实现。搭建的数字化平台应具有可视化、三维化特征，兼具地理信息数据采集、规划设计成果展示、风险识别以及系统检验等多重功能。系统平台内集成了航空与卫星影像、高程数据与其他专题数据，平台中的数字化模块可自动分类、存储与处理数据，在规划设计中能根据切实需求调度与筛选数据，实现多主体的数据共享，达到协同工作的目标。

3.2 输电线路设计

输电线路设计中，直接在三维设计窗体内录入设计参数，系统具备自动功能，于主窗体中双击可完成绘制任务。双击1次得到一级杆塔，绘制任务结束后能自动生成输电线路，直观呈现结果。

3.3 可视化模拟与校验

在此案例中，电网规划设计中应用了数字化电网技术，得到的规划设计结果可在定制开发的空间分析功能下实现结果验证。由于其中有三维可视化技术，因此结果以三维方式呈现，系统能自动校验规划设计的结果是否可行。

4 配网数字化相关技术

4.1 全闭环配网自动化

配网自动化设计中，全闭环自动化技术应用相对频繁，为发挥该技术优势，需综合应用手拉手环网方案。这种思路下的配电网即使在运行中发生了线路故障，附近断路器能够自动识别故障并进入跳闸保护状态，缩小故障影响范围。其跳闸保护动作不受主站干扰，完全为自动动作，动作的同时不会干扰系统其他部分，基本不会出现开环系统开关多次跳合闸带来的故障问题。线路开关自动化操作为配电自动化中的关键构成，为发挥馈线自动化作用，需在原有配网结构前提下展开优化与调整，创造环网供电条件。各环网开关、负荷开关以及街道配电站内开关的操作机构需兼具远程操控功能。环网开关柜内、柱上监控终端设备内应配备可靠的开关操作电源以及供馈线终端设备（Feeder Terminal Unit，FTU）和通信设备使用的工作电源。从经济性、技术性和安全性方面考虑，通信系统中采用带宽码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）网络数据速传最为有效。

4.2 配电监控技术

数字化配网中配电监控技术必不可少，在此项技术应用时应建立配调中心和综合自动化系统，由配电自动化技术实现故障识别与处理。由于其中采用了自动化和数字化技术，能同步实现故障检测、定位、故障点隔离、网络重构以及恢复供电。首先利用故障信息的采集处理功能实现故障点隔离，其次利用遥控或者已设置的指令开展网络重构，缩小停电范围，最后在故障消除后恢复非供电。

5 结 论

电网规划设计是当下电力企业的关键性任务，随着电力需求的增长，原先的电网体系难以符合需求。为提升电网规划设计的合理性，需引入数字化电网技术，以构建数字化、智能化电网。