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电气设备作为电网业务的核心承载，电网工程的设备管理任务贯穿于规划设计、物资采购、工程施工、生产运维和退役报废等全生命周期各阶段。电气设备作为电网公司核心资产，其规模随国家经济的发展同步扩大。有效的电网设备管理技术是保证电网的高效和稳定运行的前提条件。电网公司在面对巨大的存量和增量电气设备时一直在探索如何实现电气设备在运营和资产管理各阶段的横向打通。
目前在电网工程全生命周期的不同阶段的设备都会采用不同类型的明码来进行管理[3]。在电网工程各参与方可以采用项目编码、WBS 编码、物料编码、设备编码、资产编码等实物ID对不同场景中的设备进行管理[1]。现有实物ID采用具有明确编制规则的明码，并以此作为桥梁将技术信息化平台和管理信息化平台进行横向打通[2]。
在电网工程全生命周期中的规划阶段，总承包单位完成项目立项生成项目编码，采用项目编码可以描述工艺标识、安装地点标识和位置标识[4]；在设计阶段，多专业之间进行协同三维设计时需要构建实物ID并进行联动[5]；在施工阶段，电网的WBS编码能够满足对于概算、采购的业务需求[6]，通过确立物料编码、实物ID与设备资产分类之间的关系可以对设备参数信息进行验收审核；施工完成后，进行数字化移交时采用统一的实物ID可以减少重复工作，节省数据建设成本，但是在电网工程的不同阶段如何保证实物ID的完整性、可靠性和一致性已成为学术界和工业界共同面对的重大问题[7]；在运维阶段，电网公司对已投运的存量设备通过对电网设备物资编码进行编码，此类编码以全域唯一标识的编码作为关键索引，关联所有与之相关的属性信息和流程信息，是现阶段实现设备全生命周期完整信息的管理的一种途径[8]。
虽然学术界和工业界已经充分认识到全生命周期的实物ID在企业或大型项目中是控制成本和提升效益的关键[9]，但是现有的编码方式过度依赖于特定的编码规则，比如南方电网公司发布《电网设备信息分类与编码》和广东电网公司发布的《主网设备信息分类与编码》都属于编码信息明确的码文。此类编码可直接提供设备相关信息，因此设备的管理细度与编码规则的复杂程度相关。编码需扩展时，会改变编码结构长度，同时相关业务系统均需作相应调整，随着编码规则越复杂，其可读性也随之降低。设备对应的编码有可能随系统改造、设备迁置、资产移交等生产活动而改变，不利于对设备全生命周期的统一编码管理。
目前的实物ID编码主要分为两种技术路线，展示明确信息的显式编码和需要解码才能获取信息的非显式编码。显式编码目前主要用于电网业务管理所使用的WBS编码[10]，而非显式编码主要用于ERP资产管理。现有方法的局限：
1）数据割裂：电网公司在依据传统管理模式开展资产全寿命周期管理时，不同部门负责建立各阶段的数据库和物资编码，彼此独立的资产数据库和不一致的编码导致电网资产数据出现人为割裂的问题。
2）主键唯一性无法保证：设备管理在统一的数据库中会面临高并发修改的操作，分布式的ID最核心的关切就是保证主键的唯一性。部分依赖序列号或流水码的显式编码在设备信息数据库异步存储和读写时难以避免重复编码带来的问题，这会导致主键的不唯一。
3）数据库安全：数据库被意外爬取时，显式的编码作为设备管理数据库的主键会轻易泄露数据库增量信息等。电网设备数据库在遭遇恶意爬取后，依据编码规则实现ID自增的主键会暴露出设备数据的增量。
为了能让实物ID可以服务于设备的全生命周期，本文提出了一种结合生命周期各阶段特性并融合地理编码信息的实物ID生成方法。文章包括6个部分，第一部分引言介绍了研究的动机和研究现状，第二部分介绍了本文所提出GGID的编码方法，第三部分介绍了生成的GGID，第四部分对GGID的优势与不足进行了讨论，第五部分总结了GGID编码方法的价值与未来的应用前景。
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为服务于电网工程全生命周期本文提出基于地理编码的电网设备实物ID(Grid Geo-coding ID, GGID)编码方法，该方法所生成的无规则实物ID编码具有全局唯一性、安全性、规范性、兼容性、扩展性，效率性和合理性。编码的构造过程可分为四个阶段，如图1所示，在设计阶段确定编码创建时间戳，根据初设方案确定设备类型，对厂区的作业范围进行划分，确认设备地理空间位置并构件空间格网。
Figure 1. GGID generation process flow
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现有编码通常习惯直接使用变电站站名或线路名并结合杆塔号来对设备的空间位置进行描述。这种抽象的空间位置描述方式具有主观性，同时沟通有效性依赖于电网工作人员的经验和素质。为此，本文以客观的绝对空间坐标来描述设备位置信息，将地球的空间在经度（Longitude）、纬度（Latitude）二维层面进行划分并根据顺序对每个网格单元进行编码。首先在地球参考椭球面的纬度方向划分，然后在沿着经线方向划分。
地理编码是通过将特定位置的描述性元素与参考数据中的元素进行比较，将X、Y坐标对分配给位置描述的过程[10]。本文所构建的地理空间编码体系对应于WGS84坐标系，地球空间编码符合5点要求: （1）相邻的空间单元无重叠部分;（2）相邻级别的空间网格单元彼此嵌套；（3）单个空间网格具有唯一性；（4）网格代码与网格一一对应；（5）网格编码能够转化为空间坐标。
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地球表面划分采用二分法，即在经线、纬线方向将地球参考椭球体平面空间，从起始位置开始，不断向两侧进行二元划分，将区域扩展为2的整数次幂，形成整度、整分、整秒的经纬度网格。
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纬线的起始位置是赤道，即0°纬线。纬线方向二元划分的范围是从赤道向北90°至北极点，从赤道向南90°至南极点。经线的起始位置是本初子午线，即0°经线。经线方向二元划分的范围是从本初子午线向东180°，向西180°。
在沿纬线方向的第一次二元划分时，地球参考椭球面位于分割线以北的区域被标记为0，以南标记为1。在沿经线方向二次划分时，地球参考椭球面位于分割线以东的区域被标记为0，以西的区域标记为1。采用二次划分的方式来逐渐缩小地理格网的范围，如图2所示。
Figure 2. Example of geographical space division
根据格网的范围可以将格网分为三个级别：度级、分级和秒级。度级是将格网边长分割至小于1°的二次划分的次数；分级是将格网边长分隔至小于1′时的二次划分次数；秒级是将格网边长分隔至小于1″时的二次划分次数。纬线方向的二分为次数范围为：度1-8级、分9-14级、秒15-20级。沿纬线方向和沿经线方向空间划分对应单位级别分别如表1和表2所示。
度级 格网边长 分级 格网边长 秒级 格网边长 $ {2}^{1} $ 90.00° $ {2}^{9} $ 21.10′ $ {2}^{15} $ 19.76″ $ {2}^{2} $ 45.00° $ {2}^{10} $ 10.55′ $ {2}^{16} $ 9.89″ $ {2}^{3} $ 22.50° $ {2}^{11} $ 5.27′ $ {2}^{17} $ 4.94″ $ {2}^{4} $ 11.25° $ {2}^{12} $ 2.63′ $ {2}^{18} $ 2.47″ $ {2}^{5} $ 5.66° $ {2}^{13} $ 1.32′ $ {2}^{19} $ 1.24″ $ {2}^{6} $ 2.81° $ {2}^{14} $ 0.66′ $ {2}^{20} $ 0.62″ $ {2}^{7} $ 1.40° - - - - $ {2}^{8} $ 0.70° - - - - Table 1. Units divided in space along latitude
度级 格网边长 分级 格网边长 秒级 格网边长 $ {2}^{1} $ 180° $ {2}^{10} $ 21.10′ $ {2}^{16} $ 19.76″ $ {2}^{2} $ 90° $ {2}^{11} $ 10.55′ $ {2}^{17} $ 9.89″ $ {2}^{3} $ 45° $ {2}^{12} $ 5.27′ $ {2}^{18} $ 4.94″ $ {2}^{4} $ 22.5° $ {2}^{13} $ 2.63′ $ {2}^{19} $ 2.47″ $ {2}^{5} $ 11.25° $ {2}^{14} $ 1.32′ $ {2}^{20} $ 1.24″ $ {2}^{6} $ 5.66° $ {2}^{15} $ 0.66′ $ {2}^{21} $ 0.62″ $ {2}^{7} $ 2.81° $ {2}^{8} $ 1.40° - - - - $ {2}^{9} $ 0.70° - - - - Table 2. Units divided in space along longitude
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在进行地理空间编码时，我们先记录目标对象的维度划分，然后在记录目标对象的经度划分。维度划分需要20位的二进制编码来记录，经度划分需要21位的二进制编码来记录。以中国广东省广州市为例，对其进行划分，如图3所示。
Figure 3. Quadratic division example
每个电气设备的空间位置都要精确到维度方向和经度方向的秒级，因此地理编码由41位二进制数表示。稀疏的二进制数会导致编码过长，不利于作为数据库的主键，因此在构成电气设备ID前要将其转化为13位的十六进制数来进行压缩，如图4所示。
Figure 4. GGID format
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电网工程主要涉及输电、变电和配电三大业务板块，各业务板块所需设备的安装工序和工艺并不相同。设备的工序和工艺是描述该电网工程施工和设备安装的重要信息。本文将三大业务板块的工艺和工序采用2位的十进制编码进行表示，如表3所示。其中工序工艺指的是该类型设备在电网工程项目中最主要的实施步骤。
输电 变电 配电 设备类型 工序工艺 编码 设备类型 工序工艺 编码 设备类型 工序工艺 编码 导线 架线工程 11 变压器 设备安装 41 高压配电柜 垫层施工 61 避雷线 接地工程 12 开关 电缆敷设 42 变压器 设备安装 62 绝缘子 杆塔工程 13 四小器 设备安装 43 断路器 设备安装 63 金具 杆塔工程 14 无功装置类 设备安装 44 低压开关柜 设备安装 64 基础 土石方工程 15 阻波器 设备安装 45 配电盘 设备安装 65 杆塔 杆塔工程 16 绝缘子高压套管 设备安装 46 开关箱 电缆敷设 66 接地装置 接地工程 17 导引线 电缆敷设 47 控制箱 设备安装 67 接地装置 接地施工 48 二次设备 二次接线和屏柜安装 49 Table 3. Grid engineering process code
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设备类型码由两部分组成，第一部分是电网工程设备类属编码，用于标记设备在移交后资产属于和何种专业。设备类属码从电网的不同业务范畴出发，将设备先进行一个粗分类，如表4所示。第二部分是电气设备的类别编码，用于区分电网工程中不同专业具体所操作的设备。由于配电、直流和调度等专业的设备都可以纳入到变电和输电内部，因此将具体的设备类型分为变电设施和输电设施两大部分。采用十进制编码对所有电气设备进行编码，为了缩短编码长度，我们将其转化为十六进制，如表5和表6所示。电气设备类型码由2位十进制的类属码和2位十六进制的设备类型码所组成，如图5所示。
对象类属 代码 输电 10 变电 11 配电 12 直流 13 调度 14 通信 15 其他 16 Table 4. Grid engineering equipment category code
一次设备 二次设备 辅助设施 设备类型 类别编码 十六进制 设备类型 类别编码 十六进制 设备类型 类别编码 十六进制 主变压器 102 66 电源设备 131 83 建筑物 161 A1 换流变压器 103 67 继电保护及安全自动设备 132 84 设备基础及构支架 162 A2 换流阀 104 68 自动化设备 133 85 通风设施 163 A3 阀冷系统 105 69 直流控制系统 134 86 正常照明 164 A4 断路器 106 6A 时间同步系统 135 87 事故照明 165 A5 组合电器 107 6B 变电站视频及环境监控系统 136 88 给排水 166 A6 主母线 108 6C 电能质量监测终端 137 89 防小动物设施 167 A7 高压设备联线 109 6D 装置插件 138 8A 消防设施 168 A8 隔离开关 110 6E 计量设备 139 8B 防盗报警装置 169 A9 独立接地刀闸 111 6F 测量仪表 140 8C 门禁设备 170 AA 电压互感器 112 70 通道设备 141 8D 起重设备 171 AB 电流互感器 113 71 辅助元器件 142 8E 组合式互感器 114 72 变送器 143 8F 滤波器 115 73 抗干扰设备 144 90 避雷器 116 74 端子箱类设备 145 91 避雷线 117 75 二次线缆 146 92 电力计量箱 118 76 二次设备屏柜 147 93 电容器 119 77 计算机设备 148 94 电抗器 120 78 打印机 149 95 穿墙套管 121 79 显示器 150 96 接地网 122 7A 大投影墙 151 97 中性点接地成套装置 123 7B 五防装置 152 98 绝缘子 124 7C 通信设备 153 99 高压柜 125 7D 在线监测设备 126 7E Table 5. Type code of substation equipment
架空线路 类别编码 十六进制 杆塔 181 B5 基础 182 B6 导地线 183 B7 绝缘子串 184 B8 金具 185 B9 拉线 186 BA 附属设施 187 BB 特殊区段 188 BC 电缆线路 189 BD 电缆本体 190 BE 电缆附件 191 BF Table 6. Type Code of power transmission equipment
Figure 5. Electrical equipment type code format
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本文所采用的时间码记录了电网工作人员在生成设备实物ID时的时间，而时间码的核心是时间戳生成技术。时间戳的主要目的在于通过一定的技术手段，对数据产生的时间进行认证，从而验证这段数据在产生后是否经过篡改，加入时间戳可以极大地提高数据保密性。本文采用Python的Time模块来提供的标准的时间戳格式，采用Time模块的Time函数可以返回微秒级的时间戳。将生成的时间戳从十进制转换为十六进制可以对编码长度进行压缩。
Figure 6. Timestamp coding
Python的Time模块所获取的时间戳为15位的十进制整数，将其装换为十六进制数后得到只有13位的时间码。
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首先按照顺序将采用十六进制表示的13位的地理空间编码作为无规则实物GGID的第一部分，其次将采用2位十进制的工艺工序码作为GGID的第二部分，然后将4位设备类型码作为GGID的第三部分，最后采用13位十六进制的时间码作为GGID的第四部分。最终得到的GGID共有32位数字与字母共同组成。
Figure 7. GGID code format
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相比于现有的实物ID编码，GGID能够兼顾电网工程各生命周期阶段所关心的内容，作为电气设备的唯一索引能够与物料、项目、WBS和设备资产编码共存，做到不取代，不冲突。
GGID也存在服务对象单一的特点，目前GGID的设计只针对电网工程的电气设备。如果需要增加非电气设备，需要制定对应设备的工艺工序和设备类型码，因此GGID能够采用扩展的方式，将物资的管理范围扩展至非电设备。
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本文提出一种基于地理编码的电网工程实物ID编码方法，该方法所生成的无规则编码相比于有规则的明码更适用于电网工程全生命周期管理。从数据安全的角度，非显式的GGID作为数据库主键并不会暴露数据库的增量，如果被意外爬取到数据也不会暴露数据内容。当设备的环境发生改变后，设备的代码也会随着设备的使用区域一同发生变化。同时GGID还具有全局唯一性，在分布式数据库和海量插入的条件下，依然不会出现重码的情况，极大地保证了数据库的可维护性。在编码的过程中，本研究还预留了许多码位可以用于后续GGID的扩展。
Object ID of Electrical Equipment Integrating Geo-Coding in Full-Life Cycle
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.S2.016
- Received Date: 2022-04-20
- Rev Recd Date: 2022-07-28
- Available Online: 2023-01-04
- Publish Date: 2023-01-04
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Key words:
- full-life cycle management /
- grid project /
- electrical equipment /
- object ID /
- geo-coding
Abstract:
| Citation: | PAN Baichong, WANG Xinghua, XU Chenghao, WANG Yanfeng, LEI Xiangsheng, ZHAO Zhiyao. Object ID of Electrical Equipment Integrating Geo-Coding in Full-Life Cycle[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(S2): 98-105. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.S2.016
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