一种基于图模分离技术的电网设备模型与图形双向投影技术在系统中实现

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  摘要:传统的电力图形系统中,图形是主体,电网设备通过图形上附加的行业属性信息来展现,电网设备间的电气连接关系、主从关系、容器包含关系均通过图形的相交、相邻、包含关系确定。一旦图形发生非业务性改变(移动位置、删除重画等情况),设备模型相关的属性和关系都可能随之改变。为确保电网设备模型的相对稳定性,本文提出图模分离技术,在图模分离的基础上,实现电网设备模型与图形的双向投影映射。并在图模分离技术搭建电力行业图形化平台,通过图模分离与图模双向映射,提高设备模型的稳定性,确保实际业务开展不受图形异动干扰。由于图模分离后图形展现与底层模型耦合度降低,此技术可应用于主电力设备、通信光缆、供水管道、燃气管道等多种基础设施管理行业,通过定义该行业的设备模型与图形的映射关系,即可扩展到一个新的行业。
  关键词:图模分离;统一电网信息模型;电网资源。
  1 引言
  作为资产密集型企业,电力企业依托于电网资源管理开展相关业务工作。电网公司组织结构层次复杂和电网设备资产独有的多属性的特点,使得专业方向垂直管理的管理方式造成各垂直专业上对电网设备存在着不同的观察角度,不同的划分标准。如配网生产设备台帐虽实现了对变电站接线结构和电网节点设备的属性管理,但仍然缺乏图形和拓扑数据,使得需要用到图形、拓扑数据的生产业务应用难以在现有系统中较好地开展。
  另一方面,目前电力企业配网管理信息化水平存在差异,无法对配网设备信息进行及时、全面的掌握。
  因此,需要以基于图模分离技术的电网设备模型与图形双向投影技术并结合IEC61970和IEC61968国际标准建立的统一电网资源模型,以及设备信息分类与编码标准为理论基础,建设配网设备清理系统,提高配网设备管理的直观性、高效性,确保设备台帐管理全面覆盖各业务层面需求,为全网配网设备清理提供信息化支撑,为实现电网资源多维度统一协调管理的电力企业新格局奠定坚实的基础。
  2 系统核心技术
  2.1 桌面端图形框架-WPF
  WPF的全称是Windows Presentation Foundation,是微软新版本操作系统的三大核心开发库之一,其主要负责的是图形显示,WPF的核心是一个与分辨率无关的基于向量的呈现引擎,旨在充分发挥现代图形设备的优势为用户提供方便的用户操作和震撼视觉体验的界面,WPF开发和C#集成可以通过Visual Studio 2008非常方便地进行应用程序开发。WPF和公共语言运行环境(CLR)的完全集成,充分利用了CLR提供的类型安全、跨平台等特性。
  2.1.1 图形服务
  所有的图形都将通过Direct3D渲染,旨在提供统一的图形显示通道,以实现高级的图形表现效果。
  凭借Direct3D渲染图形的好处是,操作系统可以将图形处理任务委托给计算机显示卡上的图形处理芯片GPU,以减轻CPU的负担。
  WPF支持任意比例无损缩放的矢量化图形,支持在2D应用程序中进行3D模型的渲染和交互操作。
  2.1.2 互操作性
  WPF提供了同Win32的互操作性。通过嵌入模式,可以在Win32 代码中使用WPF,也可在WPF中使用Win32 代码。同Windows 窗体的互操作可通过ElementHost类和WindowsFormsHost类来实现。
  2.1.3 媒体服务
  WPF为二维图形提供了基本几何元素,以及一整套画刷、画笔、几何体和变形等工具。WPF的三维特性局限于Direct3D现有的功能。然而,WPF提供了与用户界面、文档和媒体介质等的紧密集成。这使得三维界面、三维文档、三维媒体成为可能。
  2.1.4 数据绑定
  WPF 内置了一系列数据服务,使得开发人员可以在应用程序之间自如地绑定和操纵数据。WPF提供三种数据绑定方式:
  一次性:客户端忽略服务器端的数据更新的情况
  单向性:客户端对服务器端的数据有只读权限的情况
  双向性:客户端对服务器端的数据拥有读写权限的情况
  2.1.5 用户界面
  WPF内置一系列控件:按钮、菜单、列表框等。
  WPF提出了一个功能强大的概念:将控件的逻辑层和表现层分离。通过重载控件的模板就可彻底改变其外观。控件可包容任何其它控件,从而通过组合实现无限的控制功能。
  2.1.6 图像
  开发人员使用WPF的Windows图像组件,可以针对特殊的图像文件格式或者特殊的位图效果以及图像元文件进行图像编码。
  2.1.7 文字
  WPF包括了一些GDI中没有提供的文字渲染特性。首次面向开发人员提供了OpenType 的Windows编程接口,支持OpenType、TrueType和TrueType CFF字体。内置了文字阴影和模糊效果,而像反射等其它效果则很容易实现。
  2.2 图元与设备模型定义
  本模块负责定义图元和设备模型,包括图元的类型、绘制样式、连接点(用来与其他图元连接的点),以及设备模型的类型、技术参数、电气关系定义。
  A. 图元定义部分:
  1. 图元定义及图元绘制控制
  一个图元符号由一个或多个线段、矩形、圆形等几何形状构成,用以表达行业内对某一类设备的通用外观定义,如输电杆用一个圆形表示,输电塔用一个方框加对角连线表示。
  图元定义还包括了对基本形状的旋转、变形等操作。
  2. 图形关系操作
  以电力业务为例,设备实体用图元表示,电气连接关系、容器包含关系等设备设备与设备之间的关系则通过图形之间的几何关系表示。
  对电力业务而言,有意义的几何关系包括:点与点的重叠关系,面状图形与其他几何形状的包含关系。   B. 设备模型定义部分
  1. 电网资源、资产模型定义
  按照CIM 61968/61970中对电网资源、资产的模型描述,对约40类电力设备进行类型定义和属性配置。
  2. 电网设备关系定义
  定义了一次设备之间的连接关系,如导线与接头,母线与开关;
  设备与构筑之间的安置挂接关系,如电缆与电缆沟管、人井,架空导线与杆塔;
  设备与建筑物、箱柜之间的包含容纳关系,如变压器与配电房,开关与开关柜;
  一次设备与二次设备之间的附属测量保护关系,如避雷器与导线,电流互感器与导线等。
  2.3 图形与设备模型映射
  图形与设备模型的实体对象之间建立对应关系。
  上图是图元与设备模型映射关系的配置文件,ClassifyCode是设备编码,GraphCode是图形编码。对于业务方面作用相同的架空导线和电缆(同样起到连接其他电气设备传输电能的作用),设备编码同为LAB,但是图形分别表示为实线和虚线(分管班组不同,希望能直观识别),所以对应的GraphCode不同。
  总的来说,设备与图形的关系为一对一或者一对多,一般不会出现多对一的情况,因为建模过程由绘制图形的操作发起,如果一个图形表示多种设备,则画图时可能会需要用户选择此图形究竟是表示的什么设备,对操作的便捷性产生影响。
  绘制一个图形后,系统根据图元与设备模型映射关系的配置,产生对应的设备(包括电网资源和资产),图形的记录与设备的记录相对独立,两者通过关系字段进行关联。当选中一个图形时,能找到对应的设备,选中一个设备(设备台帐树上的一个节点,或者设备列表中的一行记录)时,也能找到对应的图形。
  2.4 图形关系与设备关系映射析技术
  图形的空间几何拓扑关系,与设备的电气拓扑、从属关系之间建立对应关系。
  根据模块一的“电网设备关系定义”,在进行图形关系操作时,自动判断当前图形对应的设备与目标图形对应的设备之间应该建立何种关系。
  场景一:绘制导线时,当导线A的一端p1拖动到开关设备B的端点p2时(两个端点重合),系统首先建立图形端点p1与p2的几何连接关系,由于导线和开关都是一次设备,系统自动判断此时应建立电气连接关系,因此再产生一条关于A与B的电气连接关系记录(表示电能通过A传导到B)。
  场景二:当导线A的一端p3拖动到杆塔设备C的端点p4时,系统首先建立图形端点p3与p4的几何连接关系,此时p3与p4,以及场景一的p1与p2的图形关系是一样的,但由于此场景中导线是一次设备,杆塔是构筑类设备,系统则建立A与C的挂接关系(表示C对A起支撑、悬挂的作用)。
  2.5 图形操作与设备操作映射
  图形的新增修改删除操作,与设备的投运退运操作建立对应关系。
  图形新增的操作,对应的业务场景是设备的施工、投运操作。
  当图形发生修改、删除操作时,对应的业务场景非常复杂。如果图形被删除就删掉对应的设备,很可能导致业务数据的意外丢失,因此图形操作必须与业务场景结合。
  以输电线路破口的业务场景为例:旧线路A破口,形成新线路B和新线路C。架空段a2截断,破口位置起新建杆塔H、I,导线经新塔进新站。如下图所示:
  在此场景中,图形上,段a2因为破口的图形操作而删除,产生了新段b2和c1,而a2
  对应的设备,旧线路A则变为停运线路,数据记录上并未删除,只是状态发生了改变。
  总之,系统将图形的修改、删除操作归为两类:一类是有相关的业务场景对应的,如破口、线路改迁等,此时图形数据和设备数据根据业务逻辑进行相应的变化,图形删除,设备退运;另一类是单纯的图形操作,即绘制过程中需要调整、重画,此时的操作不影响设备数据,当重新绘制图形后,系统会检查失去图形关联的设备,并提示用户重新将已有设备关联新绘制的图形,这样保证了业务数据不会因为绘图操作随意改变。
  3 系统功能及特点
  系统是基于统一电网信息模型、信息分类及编码和配网设备台帐规范进行建设,图模分离、数据唯一入口,保持了数据源的一致性。主要功能包括配网基础数据管理、数据录入任务管理、台帐维护阶段的电子化移交管理、设备建模管理、沿布图、接线图建模基础功能、拓扑关系管理,是维护配网台帐的基础信息,包括设备类别管理、设备模板管理等台帐基础数据管理以及查询统计等功能。
  3.1 系统功能
  3.1.1 图形绘制功能
  系统应提供标准化的设备图元,以及便捷的图形操作方式,可以迅速绘制出标准、规范的配网接线图。此外,系统应定义地图相关接口,用于接入标准的地图服务,作为绘制沿布图的地理背景层,使配网沿布图的设备绘制更直观、高效。
  3.1.2 设备建模功能
  基于绘制的图形以及图形间的关系,系统应能够按照统一电网资源模型、设备分类编码标准,创建出符合南方电网公司设备台帐规范的设备对象,设备功能位置和层级关系,以及设备对象之间的电气连接、包含等关系。
  3.1.3 属性编辑功能
  系统应提供方便快捷的设备台帐基本信息和技术参数的编辑录入功能,同时提供批量录入功能,系统可根据实际业务工作要求,进行相应的条件过滤,并对过滤结果进行数据的批量录入;也可通过级联设值的模式,对电网具体层级下的所有设备的基本信息和技术参数进行批量录入。
  3.1.4 工作任务管理功能
  系统应提供对电子化移交流程的工单及相关移交资料的工作任务管理功能,同时实现对全网设备及拓扑数据的增量版本管理功能。
  3.1.5 数据访问功能
  系统应实现客户端本地数据库的访问功能,以及客户端与服务器端的工作任务数据与基础数据的上传、下载功能。   3.1.6 电子化移交流程功能
  业务系统(生产系统、营销系统、项目管理等系统)如业扩、技改修理、基建工程等业务创建电子化移交工单,并上传电子化移交资料。上报数据录入人员,进行资料核对,并在系统维护电网沿布图、设备信息,维护完成后提交数据审核相关人员进行审核等闭环流程处理,变更数据存入统一数据模型,保证数据唯一性、一致性。
  3.2 系统特点
  3.2.1 基于统一电网信息模型
  系统基于统一电网信息模型建设,以各业务系统(生产系统、营销系统、项目管理等系统)发起,建立电子化移交工作业务单,进行业扩、技改修理、工程项目等引起设备变动的资料录入,通过图形的绘制,形成设备台帐资料,并存储在统一数据源,最终通过接口服务与不同的业务平台。
  3.2.2 统一数据入口
  数据更动都以业务需要为驱动,以工作业务单为纽带,把日常的业务(业扩工程、基建项目工程、技改修理等)工作连接起来,进行图形化的维护,最终数据存入统一电网信息模块的数据中心数据库,保证数据统一入口,确保数据唯一性、一致性。为了更好的服务资产等业务系统奠定基础。
  3.2.3 图模分离
  图3-1图模不分离情况下的电网设备模型示意图 图3-2 图模分离情况下的电网设备模型示意图
  在图模未分离的情况下,耦合度比较高,不管是修改图形或是修改基本信息、技术参数都会互有影响, 对可扩展性、稳定性都有很大的限制。
  由于图模分离后图形展现与底层模型耦合度降低,通过图模分离与图模双向映射,提高设备模型的扩展性、稳定性。通过定义该行业的设备模型与图形的映射关系,即可应用于通信光缆、供水管道、燃气管道等多种基础设施管理行业。
  4 电力企业的应用
  图4-1 主配网打通
  主配网打通实现了站、线、变、户,根据拓扑关系把主配网结合起来。很多时候我们在对某一个区域进行检修时可以模拟停电对此次检修会受到影响的用户有个很好的预判。也可以进行大面积停电分析、演练对受影响的线路和用户进行统计、分析。
  图4-2 电网风险图形化展现
  电网风险图形化展现对有风险的线路和变电站以图形方式更方便、直观、形象的展示,根据不同的级别定位设备,高风险级别的线路或变电站闪烁提示。
  5 结束语
  图形化建模工具将深人到各行各业以至千家万户,成为人们生产、工作、学习和生活中不可缺少的工具和助手。图形化建模工具在电力行业的应用存在着无限的可能,更多的应用还有赖于客户在使用中不断激发出应用的灵感。图形化建模的应用只与一件事有关,那就是想象力。
  参考文献:
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