0  引言

    配用電模型在電力生產調度中有非常重要的應用，如輔助轉供電方案分析、業(yè)擴輔助報裝、拓撲拼接、線損計算、準實時數(shù)據展現(xiàn)等^[1]。目前，典型的配用電模型維護和應用模式是：地理信息系統(tǒng)(Geography Information System，GIS)負責配網建模并可導出遵循IEC 61970/IEC 61968標準的圖、模文件，生產管理系統(tǒng)(Production Management System，PMS)維護設備參數(shù)信息，配電自動化系統(tǒng)(Distribution Automatic System，DMS)通過信息交互總線接入外系統(tǒng)的圖、模、參數(shù)信息，建立內部系統(tǒng)的電網模型^[2]。

    東莞調度自動化系統(tǒng)有主網調度EMS系統(tǒng)、配網DMS系統(tǒng)、用電調度系統(tǒng)、一次設備在線監(jiān)測、二次設備監(jiān)測系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)。各系統(tǒng)獨立建設，獨立采集，同時各系統(tǒng)又相互關聯(lián)，通過總線接口交換數(shù)據。各系統(tǒng)都為私有協(xié)議，直接導致系統(tǒng)數(shù)據轉換效率低下，數(shù)據品質不高，無法滿足跨專業(yè)、跨系統(tǒng)數(shù)據綜合應用和價值挖掘的需要。

    導致這些問題的原因主要有三點：一是各業(yè)務部門主導各專業(yè)系統(tǒng)建設，僅從本專業(yè)需求出發(fā)開展系統(tǒng)設計，數(shù)據口徑和標準不一致；二是部分業(yè)務存在業(yè)務管理邊界重疊交叉且管理方式各異，造成數(shù)據認責不清，系統(tǒng)功能重復，數(shù)據重復錄入，并使數(shù)據在維度、粒度、頻度和口徑上存在差異；三是部分數(shù)據分析應用類系統(tǒng)自成體系、獨立建設，包括獨立的數(shù)據存儲、數(shù)據分析等功能，造成系統(tǒng)功能重復開發(fā)建設、數(shù)據多份存儲等相關問題。

    由于缺乏統(tǒng)一、適用、兼容的信息模型標準，同時配電數(shù)據的私有化、差異化、異構化、碎片化問題突出，“企業(yè)、主站、終端”三個層面間的多元數(shù)據融合困難，進而導致配網數(shù)據質量參差不齊、難以評價和深化應用。因此，需要建立以共性需求為基礎，支持各地市差異性需求的配電統(tǒng)一信息模型及其擴展機制，用統(tǒng)一信息模型將分散化、碎片化的數(shù)據進行關聯(lián)和約束，形成邏輯統(tǒng)一、主干清晰、層次分明的配電系統(tǒng)全景模型數(shù)據；建立以統(tǒng)一數(shù)據模型為基礎，涵蓋公司全業(yè)務范圍、全數(shù)據類型、全時間維度數(shù)據，實現(xiàn)數(shù)據統(tǒng)一存儲、處理、計算、應用和管理的配用電模型中心，并持續(xù)迭代完善，實現(xiàn)配網建設到運行全過程的模型數(shù)據“源端維護、全局共享”機制^[3-5]。

    本文根據相關文獻的研究成果，圍繞配用電模型應用及管理所面臨的問題與挑戰(zhàn)，結合業(yè)務現(xiàn)狀與特點，研究以統(tǒng)一數(shù)據模型為基礎的配用電模型中心基礎架構，設計面向配用電的總體設計方案，深入研究配用電模型中心關鍵技術，為配用電的業(yè)務系統(tǒng)、數(shù)據挖掘等高級應用提供數(shù)據統(tǒng)一存儲、處理、計算、應用和管理的高性能環(huán)境。

1  基礎架構研究

    配用電模型中心作為模型數(shù)據共享的載體，進行模型數(shù)據統(tǒng)一存儲、處理、計算、應用和管理，并向各業(yè)務應用提供統(tǒng)一、標準、全方位及可擴展性的模型數(shù)據，全面支撐配用電建設到運行全過程中的應用需求^[6]。

    配用電模型中心縱向打通高壓、中壓、低壓電網數(shù)據，通過數(shù)據清洗與整理，實現(xiàn)“站—線—公變（專變）—用戶”數(shù)據統(tǒng)一建模；橫向為企業(yè)內部各類計算提供模型、數(shù)據分析服務功能，實現(xiàn)模型數(shù)據分布式源端維護、統(tǒng)一存儲、按需發(fā)布與共享。

1.1  模型中心基礎框架設計

    配用電模型中心按省、市兩級設計。東莞作為地級模型中心試點，提供本地數(shù)據源，自建硬件支撐。主要負責本地市范圍內高、中、低壓模型拼接與存儲、量測數(shù)據存儲電氣模型與資產模型關聯(lián)與存儲，為省級模型中心提供標準、準確的模型數(shù)據支撐。

    配用電模型中心以信息交換總線作為全網各類數(shù)據標準化交換載體，實現(xiàn)DMS、EMS、OMS、用電信息采集、GIS信息、計量信息、分布式能源、可調可控負荷等各業(yè)務系統(tǒng)與標準化配網模型中心間的信息交互，基礎架構如圖1所示。

    基于信息交換總線進行可完成各系統(tǒng)間的數(shù)據流轉，東莞部署的模型中心提供主配網模型、分布式電源模型、負荷設備模型、主配網實時數(shù)據、10 kV配變運行數(shù)據、分布式電源運行數(shù)據、負荷運行數(shù)據等信息。

    配用電模型中心建成后，省公司模型中心負責管理信息模型及對應的模型標準發(fā)布，地市公司模型中心負責管理拓撲、數(shù)據模型及對應模型實例、歷史量測數(shù)據及實時數(shù)據發(fā)布，可實現(xiàn)業(yè)務模型、統(tǒng)計數(shù)據、管理數(shù)據、實時數(shù)據和歷史數(shù)據的全網大整合，提供配網統(tǒng)一模型、數(shù)據共享和相關應用服務，支撐數(shù)據存儲、數(shù)據挖掘、數(shù)據分析、數(shù)據共享及配用電應用。

1.2  模型中心總體方案設計

    配用電模型中心內部功能模塊[7]包括：數(shù)據展示、數(shù)據訪問、數(shù)據處理、模型管理、數(shù)據安全和對各業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據分析支撐等基礎平臺功能，可實現(xiàn)模型拼接、模型校驗、數(shù)據展示及服務發(fā)布功能。各個系統(tǒng)發(fā)布的模型、拓撲數(shù)據存儲至模型中心，通過模型校驗、拼接，形成一份完整的設備模型；再通過各類通用服務，實現(xiàn)模型實例與歷史量測數(shù)據等模型的對外發(fā)布，其功能邏輯如圖2所示。

    在數(shù)據展示方面，提供完整的資產數(shù)據、量測數(shù)據、線路圖的查詢與展示服務；展示部署的業(yè)務應用，可運行核心業(yè)務查詢及分析結果展示服務；提供對于硬件資源（CPU、內存、網絡、磁盤等）的監(jiān)測及告警信息展示服務。

    在數(shù)據訪問方面，通過構建統(tǒng)一數(shù)據訪問服務（介于業(yè)務應用與數(shù)據庫之間的數(shù)據傳輸控制標準服務），改善業(yè)務集成、消除數(shù)據冗余，隔斷各業(yè)務系統(tǒng)與模型中心的直接連接，從而將企業(yè)業(yè)務數(shù)據資源整合為邏輯統(tǒng)一、物理合理分布的業(yè)務數(shù)據處理中心，進一步解決系統(tǒng)間數(shù)據集成及數(shù)據復制過程中存在的數(shù)據安全、效率低下、資源浪費等問題。

    在模型管理方面，基于東莞供電局模型中心業(yè)務需求,針對調度營銷、運檢等相關系統(tǒng)之間的交互數(shù)據，對包括配電自動化系統(tǒng)、調度自動化系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)，營銷應用系統(tǒng)等電力系統(tǒng)模型數(shù)據和實時采集數(shù)據進行統(tǒng)一建模，形成對實時、計劃等各類配用電應用模型的統(tǒng)一管理。

    在統(tǒng)一存儲及數(shù)據處理方面，采用大數(shù)據的分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據庫管理系統(tǒng)、分布式數(shù)據處理系統(tǒng)、數(shù)據倉庫與數(shù)據分析工具實現(xiàn)智能電網海量數(shù)據的大規(guī)模存儲，為數(shù)據挖掘與輔助決策等高級應用提供高性能的分布式計算環(huán)境。利用現(xiàn)有的信息交互總線實現(xiàn)配用電業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據共享與應用集成。

2  建模技術研究

    CIM是一套規(guī)范化的、面向對象的抽象模型，通過采用對象類、對象屬性以及相互之間的關系來描述電力系統(tǒng)資源。該規(guī)范使用統(tǒng)一建模語言(UML)表達，將CIM定義成各種包，每一個包包含一個或多個類圖，用以表示該包中的所有類及它們的相互關系。然后根據類的屬性及與其它類的關系，用約定的字符定義各資源。Resource Description Framework(RDF)是 W3C推薦的一種語言,用于表達元數(shù)據,很適用于圖形化模型,因此被 CIM 采用。CIM RDF Schema用來定義CIM抽象對象(用UML描述)的元數(shù)據。XML是一種標準化的可擴展標記語言,有成熟的解析方法(如DOM)和解析工具。結合 CIM-RDF Schema，能很好地描述符合 CIM的電網模型。CIM模型在常用面向對象特性如封裝性、繼承性和多態(tài)性的基礎上,還應用了對象組合、類結構遞歸等方法，既能直觀地表達配用電，也能方便地用于配網計算。

    本文研究了基于業(yè)務層、功能層、信息層、通信層和組件層的五層建模方法。

    業(yè)務層：描述信息交互角度的業(yè)務、業(yè)務功能和業(yè)務流程。

    功能層：描述了從體系架構角度的功能和服務，以及它們之間的關系。功能層獨立于角色和組件、應用程序和系統(tǒng)的物理實現(xiàn)，功能由獨立于角色的用例功能分析導出。

    信息層：描述功能、服務和組件之間的交互信息，包含信息對象和數(shù)據模型標準。這些信息對象和數(shù)據模型標準是功能和服務之間公共語義的基礎。

    通信層：側重于描述通信協(xié)議和用例、功能或服務和對應的信息對象或數(shù)據模型環(huán)境下的組件之間的信息交互。

    組件層：側重于描述配用電領域所有參與的物理組件，包括參與者、應用程序、電力系統(tǒng)設備、保護和遠程控制設備、通信網絡基礎設備和任何類型的計算機。

3  基于大數(shù)據的模型存儲技術研究^[8]

3.1 分布式文件存儲技術

    傳統(tǒng)的并行電力數(shù)據存儲模式不支持用戶定義數(shù)據格式，數(shù)據只有按照設備規(guī)定的格式存入數(shù)據庫后才能執(zhí)行查詢^[9]。當電力設備數(shù)據量十分巨大時，每天用于將數(shù)據導入并行數(shù)據倉庫就要花費數(shù)個小時。當數(shù)據量不斷增長和加入新數(shù)據源時，導入的時間會越來越長。此外，如果電力設備數(shù)據導入的寫操作與用戶查詢的讀操作產生競爭時，就會極大地降低數(shù)據查詢、分析的性能。分布式文件系統(tǒng)主要的功能是用于存儲文檔、圖像、視頻之類的非結構化數(shù)據，該系統(tǒng)建立在網絡之上，以全局方式管理系統(tǒng)資源，它可以任意調度網絡中的存儲資源，并且調度過程是“透明”的。分布式存儲系統(tǒng)采用可擴展的系統(tǒng)結構，利用多臺存儲服務器分擔存儲負荷，利用位置服務器定位存儲信息，不但提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴展。以高性能、高容量為主要特性的分布式存儲系統(tǒng)，一般滿足以下四個條件：應用于網絡環(huán)境中；單個文件數(shù)據分布存放在不同的節(jié)點上；支持多個終端多個進程并發(fā)存取；提供統(tǒng)一的目錄空間和訪問名稱。

3.2 內存數(shù)據庫技術

    由于電力系統(tǒng)對于運行數(shù)據的實時性要求很高，而傳統(tǒng)的數(shù)據存儲模式都是依賴于各種關系數(shù)據庫，需要對磁盤進行頻繁的訪問來進行數(shù)據的操作，降低了數(shù)據查詢和分析的效率，當數(shù)據量很大時操作頻繁且復雜時就會暴露大量問題^[10]。內存數(shù)據庫技術分為兩種技術模式：一是利用在傳統(tǒng)數(shù)據庫中增大緩沖池，將一個事務所涉及的數(shù)據都放在緩沖池中組織成相應的數(shù)據結構來進行查詢和更新處理，也就是常說的共享內存技術，最大程度地減少磁盤訪問；二是對數(shù)據的查詢處理、并發(fā)控制和恢復的算法、數(shù)據結構進行重新設計，以更有效地利用CPU周期和內存，這樣幾乎把這個數(shù)據庫都放在內存中，從根本上拋棄了磁盤數(shù)據管理的傳統(tǒng)方式，這種技術極大地提高了數(shù)據訪問的實時性。

4  模型中心應用實例探討

4.1  一體化模型拼接

    目前東莞已經完成高、中、低壓配網一體化建模與數(shù)據匹配。含高壓圖模（110 kV站內信息，含10 kV出線開關、負荷），10 kV饋線部分（從10 kV出線開關至配變），低壓部分（從10 kV配變至低壓用戶）、GIS系統(tǒng)等模型及實時數(shù)據。

    橫向模型管理可以提供以下的主要功能：

    （1）模型結構和數(shù)據維護

    電網各類模型的結構維護主要是指各類模型相關表的創(chuàng)建、刪除、屬性修改和增刪表域等。結構維護操作由模型中心的基礎平臺提供專用的模型結構維護工具維護。

    電網各類模型的維護包括一、二次電網模型的建模工作，統(tǒng)一設備參數(shù)的管理維護。模型中心的基礎平臺提供專用的、全漢化的、方便和界面友好的模型維護工具用于電網模型的建模和參數(shù)維護工作。

    （2）一體化建模

    配用電模型中心的支持配網圖模的一體化建模，系統(tǒng)的圖庫一體化技術按照面向對象的方法設計開發(fā)，以CIM模型為基礎，提供了一套先進的圖形化制導工具，實現(xiàn)了圖形和數(shù)據庫錄入的一體化，作圖的同時可在圖形上錄入數(shù)據庫，使作圖和錄入數(shù)據一次完成，自動建立圖形上的設備和數(shù)據庫中數(shù)據的對應關系。所見即所得，便于快速生成系統(tǒng)。

4.2  一體化編碼

    全景模型通過一致的對象編碼實現(xiàn)模型與實時數(shù)據、歷史數(shù)據的關聯(lián)，為保證對象與編碼的一致性和正確性，將對象編碼與命名管理與模型管理一體化實現(xiàn)，首先通過CIM（包含擴展模型）實現(xiàn)全景建模，然后為模型中的每個對象生成編碼，模型中心對外提供接口或模型文件，將對象及編碼提供給各業(yè)務系統(tǒng)，業(yè)務系統(tǒng)將編碼與本系統(tǒng)中的對象關聯(lián)，業(yè)務系統(tǒng)對外提供的模型及數(shù)據應包含編碼信息，其它業(yè)務系統(tǒng)通過對象編碼關聯(lián)設備或測點。

4.3  一體化網絡拓撲分析

    配用電模型中心在系統(tǒng)實現(xiàn)輸配網絡一體化建?；A上，提供主配聯(lián)動的網絡分析應用，主要包括主配聯(lián)動的拓撲分析、狀態(tài)估計和潮流計算等功能。傳統(tǒng)EMS系統(tǒng)無法獲取低電壓等級網絡拓撲信息，而DMS系統(tǒng)無法獲取高電壓等級網絡拓撲信息。主配獲取的網絡拓撲分析基于一體化模型，建立輸配網邊界設備的電氣連接關系，形成完整的輸配電系統(tǒng)網絡拓撲。通過主配一體化建模形成基于一體化模型，可以實現(xiàn)全網拓撲，真實反映輸配電網的連接關系，確保全網設備帶電、停電、接地等狀態(tài)的一致性，為基于網絡拓撲分析的協(xié)同應用奠定基礎?？紤]到輸電網潮流和配電網量測數(shù)據來源不同，缺乏主配網之間的數(shù)據交換手段，輸電網計算時將主配邊界等值為負荷，而配電網將輸電網等值為發(fā)電，導致邊界節(jié)點必然產生功率和電壓的不匹配，因此利用步迭代的方法實現(xiàn)主配網的協(xié)調狀態(tài)估計和潮流協(xié)調計算功能，得到主配網一致的潮流斷面，并且在技術實現(xiàn)上將主配網不同算法的技術改動降低到最小，在計算收斂性和計算速度方面滿足在線應用的要求。

    一體化拓撲分析軟件主要完成以下幾項工作:

    （1）電氣島分析。電氣島即一個獨立的供電、輸電、用電系統(tǒng)，當系統(tǒng)發(fā)生故障繼保動作后，系統(tǒng)經常會解列成多個電氣島，有了對電氣島的分析就可以進行多島計算。

    （2）生成計算母線，通過對網絡結線方式的搜索，將所有通過閉合的開關、刀閘以及聯(lián)結線所聯(lián)接的點聚集到一起，從而使每個節(jié)點之間都是通過阻抗支路聯(lián)接的，從而生成了由母線和阻抗支路組成的系統(tǒng)單線圖。

4.4  一二次數(shù)據狀態(tài)融合

    配用電模型中心針對電網模型數(shù)據進行進一步挖掘分析，著重研究系統(tǒng)中的一二次數(shù)據狀態(tài)融合，研發(fā)全新的電網調控運行信息綜合智能告警技術。

    在電網調控一體化模式及高中低壓電網模型貫通的大背景下，系統(tǒng)將接收到大量的告警信息，監(jiān)控人員將面臨繁重的工作壓力，稍有不慎將無所適從且難以抓住事故的重點，不能在第一時間處理問題。在現(xiàn)有功能基礎上，需要研究更為智能的告警技術，根據各類電網調控運行信息的重要性對信號進行分類，實現(xiàn)電網調控運行告警信號的分層分類處理與顯示，對信息進行智能加工分析、綜合應用，挖掘出有價值的分析，提供各類處理方案，輔助運行決策，協(xié)助電網調控運行人員及時準確地分析和處理故障，提高電網調控運行的智能化水平。

    電網調控運行信息綜合智能告警（以下簡稱綜合智能告警）通過對來自電網的一、二次設備等告警信息在線綜合處理，支持匯集和處理分析各類告警信息，對大量告警信息進行分類管理和按重要性分級，對多種告警信息進行綜合、篩選、壓縮和提煉，根據不同需求形成不同的告警顯示方案，利用形象直觀的方式提供全面綜合的告警提示。

    智能告警具備以下功能：

    （1）對告警信息按重要性進行分類，可自定義告警等級；

    （2）對告警信息進行綜合、篩選和壓縮。診斷當前狀況，分析給出引起告警的可能原因，并通過鑒別故障原因，對其余的告警進行刪除或自動確認；

    （3）判別當電網發(fā)生擾動或故障時，可能發(fā)出告警類型，分類由同一原因引起的告警類型，總結告警信息之間的關聯(lián)關系；

    （4）總結處理告警的經驗，形成告警處理知識庫，并易于更新與維護。并能夠根據告警知識庫給出告警發(fā)生的可能原因或處理建議；

    （5）對不同的告警提供實時告警顯示、語音、短信、電話等多種告警手段，提醒及時處理告警；

    （6）提供多種告警手段，提醒及時處理告警；可根據不同職責需求及不同故障條件定制告警顯示方案，如大故障時顯示少量關鍵信息，普通事故顯示詳細信息；

    （7）在短時間內能夠分析和處理海量實時告警，滿足實時性要求。

4.5  自定義查詢

    提供基于WEB的綜合查詢分析系統(tǒng)，系統(tǒng)支持數(shù)據源包括：主配調、模型庫實時庫、歷史庫。包括公共數(shù)據查詢服務、專業(yè)查詢服務、自定義查詢數(shù)據點、斷面導出功能、告警查詢功能。數(shù)據點查詢和告警查詢均支持模糊匹配功能。

4.6  數(shù)據版本管理

    模型中心具備模型多版本管理功能，實現(xiàn)對歷史、實時和未來模型的統(tǒng)一維護和管理。其功能包含：

    版本生成：按照應用需求從模型中心獲取定制的模型信息，形成版本，并將版本文件名、創(chuàng)建者、生成時間、注釋信息記錄到版本管理信息表。

    版本查詢：從應用、時間、區(qū)域、創(chuàng)建者、注釋信息等維度查詢模型文件版本。

    版本導出：將查詢到的版本文件導出到本地。

    版本提交：應用根據需要對導出的版本進行修改維護后，提交形成新的版本。

    版本差異比較：比較同類應用不同版本間的模型差異。

5  結論

    目前，廣東電網有限責任公司東莞供電局已完成反映10 kV線路開關或者線路的實際運行情況的終端采集數(shù)據、反映變電站實際運行情況的主網調度自動化系統(tǒng)運行數(shù)據、反映配變實際運行情況的配網自動化系統(tǒng)的配變數(shù)據等業(yè)務數(shù)據的接入，配網自動化系統(tǒng)包含8萬臺配變采集數(shù)據。這些數(shù)據存儲到配網自動化系統(tǒng)中，已經大量占用系統(tǒng)資源，嚴重影響系統(tǒng)效率。

    結合東莞供電局實際需求，模型中心需實現(xiàn)與調度自動化、計量自動化、GIS系統(tǒng)等跨部門跨系統(tǒng)數(shù)據交互，抽取并存儲實時數(shù)據、結構化數(shù)據、非結構化數(shù)據。并構建面向多業(yè)務的數(shù)據處理、挖掘分析引擎，能夠快速將數(shù)據挖掘技術和業(yè)務系統(tǒng)緊密鏈接，實現(xiàn)數(shù)據價值的挖掘。

    本文論述的配用電模型將應用于東莞供電局調度。平臺接入匯集的實時數(shù)據、模型數(shù)據和非結構化數(shù)據等，實現(xiàn)數(shù)據分布式存儲，支持實時/流計算、批量計算等功能，并且可以通過節(jié)點動態(tài)擴展的方式來滿足數(shù)據日益增長的需求。模型中心建成后首先滿足電力公司一體化模型管理需求，實現(xiàn)一體化模型拼接、一體化編碼、一體化網絡拓撲分析等功能應用，達到支撐調度數(shù)據存儲、數(shù)據挖掘、數(shù)據分析的目的，為電網運行管理提供綜合可視化與智能輔助決策。

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吳鐘飛1，陳鳳超1，崔  亮2,3，李  鵬2,3

（1. 廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 532000；

2. 南京南瑞集團公司，江蘇 南京 211000;

3. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211000）