配電主站系統一體化設計之經驗談

　　引言
　　
　　隨著我國城網改造的逐步開展，城區配電自動化/管理系統的市場需求日益增大。在配電管理系統（DMS）中引入地理信息系統（GIS）是當前DMS發展方向，也是配電產業的必然選擇。
　　
　　DMS一體化設計的主要目的是為電力用戶提供一個簡單、直觀、統一的操作環境，實現不同數據流（包括設備地理圖形數據、網絡拓撲數據、靜態檔案數據、動態實時數據等）之間的交互和共享，用戶所需的數據要實現一次輸入和維護、多處共享和使用。必須強調，DMS的數據存儲方案、拓撲內部表達、內部數據流向、功能內部實現等對于用戶來說都是透明的，DMS一體化設計首先要根據電力管理系統中數據流的特點，從數據結構一體化設計著手，才能為一體化功能的實現提供強有力的支持。總之，一體化實現的核心和關鍵在于統一的數據建模、網絡拓撲映射技術及開放標準的功能接口。
　　
　　本文試圖結合作者在DMS領域多年的工作經驗及親身經歷，圍繞配電自動化主站系統（包括配電SCADA子系統、配電故障診斷恢復和配電網應用軟件（DAS）子系統、配電自動成圖（AM）/設備管理（FM）/GIS應用子系統）一體化設計所涉及的諸多問題進行深入的探討。為了論述問題的方便，本文以下涉及具體GIS平臺的相關內容均以Smallworld為例進行闡述。
　　
　　一各子系統的功能定位
　　
　　配電自動化主站系統通常可劃分為配電SCADS子系統、配電故障診斷恢復和配電網應用軟件（DAS）子系統、配電AM/FM/GIS應用子系統，其中配電SCADA子系統是DAS子系統和配電AM/FM/GIS應用子系統中實時應用的基礎，為DAS和FM提供實時數據源，并在系統設計中提供平臺支持。
　　
　　配電AM/FM/GIS系統的任務主要集中在進行圖形顯示控制、設備管理、靜態離線分析、工作管理等方面，同時為其他系統提供相應的數據、信息。該系統主要面向電業局或供電所各生產職能部門，為生產運行一線員工和管理人員提供基礎數據平臺及信息服務。
　　
　　SCADA系統完成基本的電網數據采集和監視控制功能。主站SCADA包含數據采集、通信服務、數據處理、在線事件/事故處理、安全管理、調度員操作、報表、打印管理、數據庫維護、畫面組態（畫面管理和維護）、人機界面（畫面顯示和操作）、事故追憶、網絡和進程管理等基礎功能，以及Web服務、調度員培訓仿真（DTS）等附加功能，要求具有很高的安全性、可靠性、實時性以及強大的數據處理能力。
　　
　　DAS子系統可完成配電網應用軟件各種功能的計算機處理并收集多個饋線終端設備（FTU）采集的故障信息、判斷故障性質、故障位置并進行隔離。該系統的故障檢測、故障定位、故障隔離與非故障區恢復供電控制可分為3個層次：①以配電終端為基礎的故障檢測、故障定位、故障隔離與非故障區恢復供電；②以數據終端設備（DTU）/配電子站為單元的故障定位、故障隔離與非故障區恢復供電；③以主站為管理中心的高層全局控制。
　　
　　配電自動化主站系統一體化設計首先要從數據庫方面進行一體化設計，必須統一對象標識，開關中的編號或名稱在各自的表中取相同的字段名稱，定義相同的數據類型。在建立各種設備數據表或SCADA/DAS參數表時，應充分考慮各種應用對電力對象數據屬性的要求，同時考慮降低數據的冗余。在GIS維護程序中，實現AM/FM/GIS中的圖形向SCADA/DAS格式轉換和拓撲的無縫遷移，從而避免圖形的重復錄入及兩個系統維護時可能造成的不一致問題。
　　
　　值得注意的是，每個配電網都有其特殊性，比如地理環境、范圍和規模、管理模式、用戶性質等，這往往要求開發方根據具體情況制定適用于該配電網*的配電自動化模式。
　　
　　二一體化數據來源
　　
　　一體化方案中涉及的數據包括以下內容：
　　
　　a.設備臺帳數據：由GIS輸入并加以維護。
　　
　　b.實時采集數據：由SCADA系統采集并構造實時庫，并可傳送給GIS用于顯示。
　　
　　c.電網拓撲數據：SCADA系統與GIS通常具有不同的拓撲表達方式，SCADA系統中電網拓撲連接關系可由人工輸入，也可由GIS根據其圖形拓撲關系按SCADA系統的拓撲表達格式進行轉換（即圖形拓撲到線路拓撲的轉換），還可通過“中間格式”進行過渡。此“中間格式”是由一套由開發方定義的圖形拓撲來表達規范，具體形式可以是純文本文件、XML文件等。當然，開發方通常還需要相應地提供對該中間格式進行轉換（導入/導出）的程序。
　　
　　d.設備電氣參數：GIS在進行模擬分析操作（模擬態）時由手工輸入；在實時態時直接由SCADA實時采集量對應。
　　
　　在配電主站系統中，AM/FM/GIS與SCADA/DAS之間的信息共享包括數據的傳遞與顯示、不同圖形格式的轉換、拓撲關系的映射。為了便于GIS和SCADA系統之間的數據流的雙向交換（包括GIS從SCADA系統中取實時數、向SCADA系統發送遙控命令以及SCADA系統查詢保存在GIS中的設備臺帳信息等），在數據結構設計之初就需要建立“設備對象統一標識”。具體說來，設備對象統一標識是GIS和SCADA系統中對相同電力對象的編碼，即通過對該設備對象統一標識可以建立GIS與SCADA系統中的電力設備對象的一一對應關系。
　　
　　以Smallworld作為GIS平臺為例，需要利用配電主站系統提供的API函數和Smallworld提供的進程間數據通信的機制（如ACP或TICS），編寫一個實時運行的程序，負責AM/FM/GIS與SCADA/DAS應用之間的實時數據和控制信息的交互。在GIS畫面上實現對配電網運行狀態的顯示（例如開關合分狀態、線路帶電狀態、遙測量的大小等），以及對配電網故障事項的顯示。這就要求實時SCADA系統與GIS共同定義設備對象統一標識（即統一的數據庫表的關鍵字），以保證不同系統之間信息交互的*性。
　　
　　三一體化圖形組織
　　
　　3.1是否在GIS端保存站房內部圖（采用GIS圖形格式）
　　
　　Smallworld可以利用超節點（Hypernode）機制通過編程完成從一個世界（world）到另一個世界的追蹤，即可以很方便地完成諸如站房外到站房內部或站房內到站房外的拓撲追蹤，這是選擇Smallworld作為配電GIS平臺的原因之一。簡單地說，超節點是一個擁有兩個分別屬于不同世界的幾何圖形的特殊對象，它通過其內部封裝的方法在進行拓撲追蹤時完成拓撲關系低層的遷移，即將一個世界中的幾何圖形對應到存在于另一個世界的幾何圖形上，使拓撲分析程序繼續追蹤下去。
　　
　　結論是：如果需要實現站房內外的追蹤，GIS端（Smallworld系統中）需要保存站房內部圖（如站內一次接線圖）。站內一次接線圖在配電SCADA系統投運前就需要繪制完成，所以對于站內圖可考慮由SCADA圖形格式轉換到Smallworld系統中。
　　
　　3.2是否在GIS端保存電系全圖（采用GIS圖形格式）
　　
　　從技術實現角度來說，在Smallworld中采用GIS圖形格式既要保存地理沿布圖、又要保存電系全圖是*可以實現的，同時，還可以通過數據模型的特別處理實現電力設備在地理沿布圖與電系全圖上都有各自的圖形表達，而設備臺帳卻只有一套數據，即一套是民辦科技設備屬性數據對應于多個（分屬于不同world）幾何圖形。
　　
　　這種方案使得配電主站系統中出現了兩種圖形格式的電系全圖，即GIS圖形格式的電系全國與SCADA繪圖格式的電系全圖。顯然，為了使用戶一次圖形輸入，避免圖形的重復錄入及兩系統維護時可能造成的不一致問題，這兩種圖形格式的電系全圖之間以及地理沿布圖與電系全圖之間都存在一個圖形的轉換問題，從而大大增加了系統的復雜度。
　　
　　另外，由于Smallworld圖形格式的電系全圖與SCADA繪圖格式的電系全圖在表達拓撲連接關系時往往存在差異，前者直接通過圖形的連通性來表達電力線路及設備之間的拓撲關系，后者則往往使用對不透明的拓撲表來表達這種拓撲關系，所以在實現上也存在一定的難度。
　　
　　綜上所述，建議不要在GIS端采用GIS圖形格式保存電系全圖。
　　
　　3.3電系全圖（站外一次接線圖）是否采用GIS圖形格式
　　
　　盡管GIS系統從本質上說也是一個圖形系統，可以表達數據量大、結構復雜、覆蓋范圍較大的地理地物圖形，包括橫平豎直的電系圖，但建議不要這樣做。這是因為調度員界面（MMI）顯示的電系圖可以使用具體廠商的繪圖包格式（例如配電SCADA繪圖格式）來表達，相對說來，這些具體廠商提供的圖形格式往往比GIS平臺提供的圖形格式簡單，但對于表達橫平豎直的電系圖卻更為實用。
　　
　　另外，為了完成電力系統的分析，需要維護存儲了電力元器件連接關系、對不透明的拓撲表，而Smallworld圖形的特點是直接通過圖形的連通性來表達電力線路及設備之間的拓撲關系，電力系統的分析算法無法利用這種Smallworld圖形內在的連通性。
　　
　　綜上所述，建議將GIS平臺的選型與配電自動化系統平臺的統一選型分開，不要用GIS圖形系統來表達橫平豎直的電系圖。但由于某些GIS圖形格式（例如shape格式）對外是公開的或可以通過一些圖形轉換工具方便地完成圖形格式的轉換，因此，在進行圖形轉換時仍然可考慮使用某種GIS圖形格式（例如shape格式）作為中間格式。值得注意的是，實現GIS系統中的地理沿布圖向電系全圖（SCADA圖形格式）的轉換可以根據用戶要求進行增量轉換，同時允許用戶對轉換結果中圖形的位置進行編輯調整。
　　
　　3.4電力設備之間拓撲關系的表達
　　
　　Smallworld圖形格式中的拓撲直接通過圖形的連通性來表達，即當兩個幾何圖形在其圖形位置上沒有發生重疊或覆蓋（coincident）關系時，按照Smallworld提供的拓撲分析機制會發現這兩個幾何圖形所屬的對象是不可能發生拓撲連接關系的。
　　
　　在表達電力線路及設備之間的拓撲連接關系時，SCADA繪圖格式的圖形則往往是通過一個拓撲表來實現，這個拓撲表按前、后連接器件來表達電力線路及設備之間的連接關系。實際上，SCADA繪圖格式的圖形位置與圖形所屬的電力對象的拓撲關系是分離的，即使SCADA繪圖格式的圖形在其圖形位置上沒有被連接（即沒有發生重疊或覆蓋關系），只要拓撲表中表明二者是前后連接器件，則在DAS中仍然認為這兩個電力設備是相連的。
　　
　　在Smallworld中，當需要了解電力線路及設備之間的連接關系時，可使用Smallworld提供的底層拓撲分析方法完成對Smallworld圖形的拓撲追蹤。實際上，并不存在（或者說根本不需要）按前后連接器件來表達電力線路及設備之間連接關系的拓撲表，這是因為Smallworld中的電力線路及設備之間的拓撲關系就是通過圖形的連通性來表達的。
　　
　　總之，在Smallworld中沒有所謂的表達電力線路及設備之間連接關系的拓撲表，它是通過圖形位置表達拓撲連接，通過系統提供的拓撲追蹤機制實現拓撲追蹤；在SCADA/DAS中則需要通過使用對不透明的拓撲表來表達這種設備的拓撲關系，實際上，圖形位置與圖形所屬的電力對象的拓撲關系是分離的，拓撲表是由用戶按實際電力設備的拓撲關系來填寫和維護的。正因如此，就有必要根據GIS圖中建立的圖形網絡拓撲5生成應用分析所需要的網絡拓撲數據，避免了GIS中圖形與SCADA/DAS圖形的不一致和重復勞動。
　　
　　四結語
　　
　　DMS是一個符合配電系統現代化管理要求的分布式、模塊化、可擴充的開放式綜合管理系統，它由一體化基礎平臺和運行該平臺的多個相對獨立的應用子系統組成，該基礎平臺不僅能為其他應用系統提供數據與圖形方面的支持，還可以為各種功能強大的應用提供開放式的信息服務支持。
　　
　　對配電網進行圖形、數據一體化信息描述，將*解決靜態圖紙和數據關系相割裂的局面，同時也解決了DMS中各應用的數據一致性問題。然而，配電AM/FM/GIS系統中的電網地理沿布圖與調度員使用的電系圖之間的圖形轉換方案，還有待于根據實際情況進一步探討。但總的原則是要確保電網圖形及屬性數據一處錄入、一處維護、多處使用，避免數據的不一致性。
　　
　　一體化設計還必須綜合考慮配電網與用戶信息的關系、構筑營配合一的數據基礎以及與其他未來非平行同步實施的系統的接口設計，從而確保系統的擴展能力及開放性。值得注意的是，每個配電網都有其特殊性（例如地理環境、范圍和規模、管理模式、用戶性質等），這就要求根據這些具體情況制定適用于該配電網的DMS*模式。