能量管理系统图模一致性的双向校验方法

李波，李世明，赵瑞锋，刘洋，唐升卫，孟阳

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广州 510000; 2.广东电科院能源技术有限责任公司，广州 510080;3.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

0 引言

图模一体化技术是通过把图形和数据建立相互转化对应关系进行存储和管理的技术［1］。在电力系统中，图模一体化技术的应用越来约广泛，特别是针对EMS 系统开发的图模转化和校验的技术也得到了极大的发展［2］。

电力系统的图模一体化及其平台技术主要分为三个阶段［3］。第一个阶段是技术较为原始的起步阶段，可以使用一些特定的程序来对图形采取相应的处理方法，但首先要针对不同的图形进行编程处理，接着根据程序的特定命令来逐一画出，最后再通过相应的程序进行动态处理［4］; 第二个阶段是通过借助专门的绘图软件，通过其自带功能实现对静态图的绘制，再通过程序对绘制的图形进行相应的调整［5］; 第三个阶段是开发面向电力系统应用场景的绘图软件，从底层设计到上层图形操控的自动化，实现可根据用户需求对现有功能进行调整，让系统功能更开放灵活［6］。

图模校验方法作为图模一体化中关键的一项功能，是为了确保图形和数据库模型的一一对应关系，实现数据库的数据对应相应的图形，可根据图形属性进行定义和修改［7-8］。随着图模一体化技术在电力系统甚至综合能源系统中的广泛应用，并且扮演着越来越重要的角色，在电力系统及综合能源系统的智能化发展起着推导的作用。图模一体化技术不仅能够提高工作人员的图模维护效率，缩短时间，减少周期，还可以使相关工作人员减轻长期繁琐的图模维护工作，降低人力劳动成本以及逐步实现电力系统智能化等［9-15］。文献［16］提出了一种调度自动化图模规范一致性校验方法，通过建立图库差异数据模型，与实际数据进行数据关联分析的方法，该方法属于单向校验。文献［17］提出了一种离线环境的配电网图模一致性校验方法，采用的是根据图元集合和模型对象进行模型文件和图形文献之间的双向比对，属于双向校验，但是该方法尚未考虑基于概率误差的影响。

综上所述，关于图模的一致性校验方法主要是从模型出发或从图形出发的校验方法，多为单向校验过程，对图模转换的校验准确度无法保证，并且尚未考虑概率误差的校验误差。为此，文中提出了一种能量管理系统图模一致性的双向校验方法，即由图形拓扑到模型拓扑的正向校验以及由模型拓扑到图形拓扑的反向校验，并且考虑了基于概率误差的校验误差问题，通过算例验证了所提方法可有效降低图模校验误差，能够提高能量管理系统数据的有效性和可靠性。

1 EMS 系统图模一致性双向校验

EMS 系统图模校验一般分为模型校验和图形校验。

1.1 EMS 系统模型校验

专题图进行交互时，同时把专题图上的电力设备模型导出，为模型交互文件，以XML 文件格式描述。模型定义是基于CIM 的全集或子集。模型交互输出是模型定义的实例化。模型输出结果的校验包括语义语法校验和数据校验。

(1) 语义语法校验。

语义语法的校验项包括但不限于:

1) 格式检查。检查模型交互输出是否符合XML格式规范，每个标签的定义是否正确;

2) 符编码校验。校验输出文件的字符编码设置，字符编码类型要与目标系统使用的字符编码一致，保证目标系统能正确读取;

3) 根元素校验。校验根元素是否是＜rdf:RDF ＞;

4) 根元素的命名空间定义。校验根元素中是否声明了xmlns:cim 和xmlns: rdf 的命名空间; xmlns: rdf 必须声明为http: //www. w3. org/1999/02/22-rdf-syntaxns#; xmlns: cim 声明格式必须为http: //iec. ch/TC57/2003/CIM-schema-＜version ＞#;

5) 元素类型校验。元素类型是有＜cim: PSRType rdf:ID =’’＞来预定义，所引用的元素类型必须是在预定义的元素类型集合中存在;

6) 类声明检查。检查模型输出结果中的类、属性或关系是否在模型定义文件中有声明;

7) 属性声明检查。检查模型输出结果中的某个类的属性是否在模型定义文件中有声明;

8) 关系声明检查。检查模型输出结果中的类与类之间的关系是否在模型定义文件中有声明;

9) 强制性元素检查。对模型定义文件中声明必须强制实例化的元素，检查他们是否在模型输出结果有实例化;

10) 定义元素校验。定义元素是声明一个新的资源实例。格式为＜classname rdf: ID = identity ＞，其中classname 是必须在模型定义文件中已经有声明;

11) 文本属性元素校验。文本属性元素格式为＜propname ＞值＜/propname ＞，其中propname 是必须在模型定义文件中有声明;属性值中不得包含有＜、＞、＆等字符;

12) 资源属性元素校验。资源属性元素的格式为＜propname rdf: resource = resource-uri/ ＞，其中propname 是必须在模型定义文件有声明，resource-uri 必须是存在的资源对象;

13) 属性值合法性检查。检查模型输出结果中某个属性值是否与符合模型定义文件对该属性的类型定义、取值范围约束或是否在枚举值范围内;

14) 设备关系校验。对模型定义文件中声明的设备之间约束关系，校验模型输出结果中该关系是否有实现，关系实现是否符合模型定义中的约束;

15) 关键属性校验( mrid、rdf_id、名称、电压等级、所属容器) 。设备的mrid 以及rdf_id 必须全网唯一;例如所属容器、电压等级等不能缺失; 域值范围校验，是否满足模型定义中的取值范围约束;

16) 名称属性唯一性校验。检查开关类设备名称( 开关、刀闸、接地刀闸、断路器) 在同一容器下是否重复;

17) 关联性校验。检查设备属性关联对象是否存在( 联络开关除外) 。

2) 数据校验。

模型数据结果中的数据校验包括但不限于:

1) 拓扑连通性校验。以电压等级为单位，检查所有设备是否连通。不考虑开关状态;

2) 孤立拓扑校验。检查设备的某个端子，与其他设备端子是否有连接。如果设备任意一个端子悬空，则认为是孤立设备;

3) 拓扑孤岛校验。检查是否存在一个以上的无源电气岛;

4) 多端子设备拓扑检查。检查多端子设备，不同端子的拓扑是否重复。即同一设备的不同端子不能接到同一个连接点上;

5) 电压等级校验。不同电压等级的设备，不经过变压器，直接相连。

1.2 EMS 系统图形校验

根据图形规范的定义，对专题图导出的图形文件( SVG 格式) 进行校验。需要对图形文件的各个部分内容进行校验。

(1) 文件格式校验。

检查图形文件是否符合XML 格式规范，每个标签的定义是否正确。

(2) 文件头定义校验。

文件头定义校验项包括但不限于以下:

1) 字符编码校验。字符编码类型要与目标系统使用的字符编码一致，保证目标系统能正确读取;

2) 画布的宽高校验。检验图形绘图的画布的宽度和高度，保证图形是在合适的画布范围上绘制，以达到图形清晰不变形;

3) 绘图视图坐标系参数的校验。校验图形绘图时的视图坐标系参数，如平移、缩放的设置，确保图形在目标系统能正确的显示。

(3) 图形表现形式定义的校验。

图形表现形式是分图元定义和样式定义，图元是用symbol 标签定义，样式是用style 标签定义，校验项包括但不限于:

1) 图元ID 格式校验。图元ID 的命名格式需要符合图形规范的定义;

2) 图元定义完整性检测。对特定图元，如开关，其在图形上的图元Symbol 要求存在合态和分态两种图元，以便于实时系统根据实时信息进行画面刷新;

3) 图元坐标及大小校验。对指定有viewBox 属性的图元，需要校验其坐标及大小范围的合理性，不能超过画布四周边界10%;

4) 样式名称格式校验。样式名称的命名格式需符合图形规范的定义及CSS 规范的定义。

(4) 图层定义校验。

图层由g 标签定义，图层定义的校验项包括但不限于:

1) 图层命名格式校验。校验图层名称格式是否符合图形规范定义;

2) 图层合法性校验。校验所定义的图层是否包含在图形规范定义列表中。

(5) 设备图形校验。

设备图形是在某个图层内定义，具体的设备图形也是有g 标签定义。设备图形定义包括设备ID、图元和样式引用、元数据定义。校验项包括但不限于:

1) 设备图形ID 校验。设备图形ID 需符合图形规范定义，具有唯一性，与CIM 模型文件中的RDF:ID 一致。同一个设备，其在不同的专题图中图形ID 需要一致;

2) 图元和样式引用校验。对设备图形的展示是通过引用图元及样式来实现，用use 标签来定义引用。引用的校验项包括但不限于:

a) 引用格式的正确性校验。引用格式需要符合SVG 的use 标签定义;

b) 引用的图元及样式是否存在校验。校验所引用的图元和样式是否在本SVG 文件中有定义。

(6) 图形拓扑描述检验。

图形对象之间的拓扑关系是在图形对象的metadata 标签中定义，在＜metadata ＞中通过子元素＜cge:Glink_Ref ObjectID=””ObjectName =””/ ＞来定义拓扑连接的下一个图形对象。拓扑描述检验项包括但不限于:

1) 拓扑连接的图形对象检查;

2) 检查当前图形对象的拓扑连接的下一个图形对象的定义是否已经存在。

(7) 图模一致性校验。

输出单线图图形的同时必须输出单线图模型，图形和模型必须保持一致性。图模一致性校验项包括但不限于:

1) 图形对象与模型对象的对应校验;

2) 对图形对象，依据ID 进行关联，在模型输出结果匹配，要求集成规范中约定的设备图形对象必须有对应的模型对象。

2 EMS 系统图模一致性双向校验方法

全景图自动成图系统从调度EMS 主站平台获取基于标准IEC61970 电网CIM 模型，GIS 系统获取厂站坐标文件，EMS 系统获取电网运行数据，在成图工作站自动生成系统潮流图、地理潮流图、厂站图等，再通过SVG 文件反馈给调度EMS 系统等多应用系统共享使用［5］，整体的图形智能生成功能框架图如图1 所示。

图1 图形智能生成功能架构图Fig.1 Graphic intelligent generation structure

图模校验就是要对专题图导出的中间结果进行校验。校验需要达到一致性、全面性、严密性的要求。

1) 一致性:图形与模型要一致，模型输出结果要与模型定义要一致，具体表现为:

式中ΔQn表示上述的字符编码、语法语义、对象关系等校验的误差值; ε 为设定图模校验误差范围。

2) 全面性:要全面的校验图形、模型和数据的各个方面，包括文件格式的规范性、字符编码、语法语义、对象关系、拓扑关系、属性值正确性等多方面的校验:

式中ζ 为设定图模校验误差之和的允许范围。

3) 严密性:对校验对象的值或规范严格按照图形交互规范或模型定义文件的约束进行校验。

式中Q为校验对象的值;Qref为图形交互规范或模型定义文件的参考值; ε 为设定图模校验误差之和的允许范围。

图模校验包括模型校验、图形校验以及图模双向校验。其中，模型输出结果的校验包括语义语法校验和数据校验;图形校验是根据图形规范的定义，对专题图导出的图形文件( SVG 格式) 进行校验，需对图形文件的各个部分内容进行校验;图模的双向校验包括:由图形拓扑到模型拓扑的正向校验以及由模型拓扑到图形拓扑的反向校验。

图模的双向校验包括图模的一致性校验，由图形生成拓扑模型的正向校验以及由模型生成图形反向校验。其功能架构如图2 所示。

XML 模型描述比SVG 图形描述信息更全面、更细致，是颗粒度最细小的模型，图形文件针对不同的应用场景往往有所简略，是抽象后的粗颗粒度视图，因此两者双向校验需要统一模型描述视角，可以根据自定义规则，生成与图形匹配的模型视图，然后在此基础上进行图模双向校验。

检验规则库的设计，考虑到图模有多种来源，详略程度也不一样，一方面需要通过不同的规则对模型语义语法校验和数据校验，对图形文件进行SVG 格式校验、图层、符号、拓扑描述正确性校验;另一方面需要针对不同图模进行数据规范化，通过不同规则，将模型映射为不同的视图，与相匹配的图形视图进行一致性校验。规则库引用配置检验思路如图3 所示。

图3 规则库引用配置Fig.3 Rule base reference configuration

通过规则库配置可以形成多种视角、宏观到微观不同尺度下的图模一致性校验:

从图形看模型无增量:

从模型看图形无增量:

量测语义与对象一致:

式中M为转换对象Obji的量测语义;Mref为转换对象量测语义的参考值。

对于图模一致性双向校验步骤，结合IEC61970/CIM 规范，增量包含:设备对象增量、连接关系增量、容器关系增量。具体校验步骤解释如下:

步骤1:由图形生成拓扑模型正向校验。

CIM 使用Terminal 和ConnectivityNode 来定义拓扑模型。输入CIM 拓扑的一个方法是在编辑图形的时候从图形生成。在一个大模型中维护CIM 拓扑只有通过图形模型才能有效处理。表1 展示了图形映射需要支持的三个领域。

表1 图形映射需要支持的三个领域Tab.1 Graphics mapping for three areas

最底层的领域是CIM 拓扑，这已在CIM RDF/XML中解决。需要解决的问题是如何映射CIM 对象和图形对象间的关系。最顶层的领域是绘图领域，只是单纯的图形实体被定义，可能会有其他额外的信息。

如果校验系统需要从图形得到CIM 拓扑，则需要一个有图形连接的中间领域。校验系统给出它所校验的图形元素间的连接关系的信息。一个Node-link 模型就可以了，以此为基础生成电气拓扑即Connectivity-Node-Terminal，与XML 文件中的拓扑进行匹配，实现SVG 的图形连接描述与CIM 拓扑两者互相校验。

步骤2:由模型生成图形反向校验。

电力系统可视化图形模型平台的图形生成与拓扑分析需要双向支持的观点，一是以电力设备元件为单位绘制电网图形的方式，从图形分析电网拓扑;二是根据基于CIM 模型中的设备对象、容器关系、拓扑描述，自动生成各种电网图形，推出图形-拓扑双向校验的框架。

因此，基于模型反向自动生成图形，用易读的图形化分析手段校验复杂难懂的模型描述数据，尤其是模型中更加晦涩难懂的拓扑结构描述与图形相结合转化成了肉眼可辨的图形描述，极为方便简捷的使调度和自动化运维人员直接在图形化的模型上完成对数据的各种操作及校验判断。

变电站自动成图技术其基本思想是基于变电站的CIM 模型，自动识别出变电站的主接线类型，在典型接线模型的基础上按照不同电压等级及变压器设备进行布局布线，然后根据厂站模型将不同的电压等级按照一定规律进行排列，并自动绘制出相关的设备，形成结构清晰的一次接线图。

3 仿真算例

文中采用某省电网能量管理系中的实际数据，应用文中提出的方法进行图模一致性双向校验。对输出的数据进行统计，得到如表2 所示结果。

表2 CIM 模型数据转换结果统计数据Tab.2 Statistics of CIM model data transformation result

应用文中方法进行图模一致性双向校验后的计算结果与实际能量管理系统的有功功率和无功功率部分计算结果对比如表3 所示。

表3 功率数值结果节选对比Tab.3 Comparisons of power flow data result

通过表3 展示结果可以看出，计算的有功功率无功功率与实际系统的状态估计值误差很小，可以认为文中提出的图模双向检验方法得到的数据与实际系统数据误差足够小，满足实际工程应用要求［18-19］。

表4 对比了PQ 节点计算的电压幅值与实际的电压幅值的结果，同样地，计算结果与实际结果间的误差很小，满足工程误差范围［20］。

表4 电压幅值结果节选对比Tab.4 Comparisons of voltage magnitude result

通过上述潮流计算的结果对比，可看出，文中提出的图模双向一致性方法，可应用于对能量管理系统的图形数据于CIM 格式文件数据进行双向校验，得到的数据误差满足工程应用的需求，提高了能量管理系统数据的合理性。

更进一步地，在算例中，采用文中提出的双向校验方法与现有常用的单向检验方法进行对比。分别针对采用文中提出的双向校验方法和现有单向校验方法对能量管理系统数据进行图模转换，然后进行潮流计算，与实际系统中的潮流数据对比，结果如表5 所示。

表5 数据转换结果对比Tab.5 Comparison of CIM model data transformation result

由表5 中对比结果可以看出，采用文中提出的图模一致性双向校验的方法，图模数据转换后进行潮流计算的结果在有功功率绝对误差累计、无功功率绝对误差累计和电压幅值绝对误差累计值方面均优于现有的单向校验方法，验证了文中所提方法用于图模一致性校验的数据更接近实际系统的运行数据。

4 结束语

文中针对现有的校验方法均为从模型出发或从图形出发的校验方法，其多为单向校验过程，对图模转换的校验准确度无法保证。文章提出的能量管理系统图模双向校验方法是由图形拓扑到模型拓扑的正向校验以及由模型拓扑到图形拓扑的反向校验。通过算例分析验证了所提方法能有效降低图模校验误差，提高能量管理系统数据的有效性和可靠性。