基于CIM的(de)電網建模若幹問題研究

摘要：針對省、地(dì)級電網調度系統的(de)要求，基于IEC61970系列标準中的(de)公共信息模型(CIM)，提出了2級電網建模系統的(de)設計方案。通過該建模系統以及省調與各地(dì)調能量管理(lǐ)系統之間的(de)互操作，可(kě)以自(zì)動生成各級調度系統所需的(de)詳細電網模型。重點介紹了在建模過程中遇到的(de)若幹實際問題，包括：電網模型範圍的(de)劃分原則、CIM文件解析、電網模型層次的(de)确定和(hé)CIM模型拼接等，并針對這些問題提出了相應的(de)解決方案。以福建省實際電網數據進行(xíng)測試，結果表明，該建模系統創建的(de)電網模型可(kě)以滿足多種電網高(gāo)層應用軟件的(de)需求。

關鍵詞：IEC61970;公共信息模型;能量管理(lǐ)系統;電網模型;模型拼接

随着電力行(xíng)業的(de)發展和(hé)電網規模的(de)不斷擴大，信息量越來越大，電力系統的(de)分析和(hé)計算也越來越複雜，迫切需要建立完整準确的(de)電力系統網絡模型來模拟實際電網。各電力系統廠家都有(yǒu)各自(zì)的(de)電網建模方式，但是由于開發商(shāng)或系統版本的(de)不同，創建出的(de)模型、圖形或數據庫在結構上存在很大的(de)差異，形成一(yī)定程度的(de)“信息孤島”，導緻不同系統間的(de)信息共享和(hé)實現某種程度上的(de)互操作變得非常困難[1]。為(wèi)此，國(guó)際電工委員會第57屆技術委員會(IEC TC57)在美國(guó)電力科(kē)學(xué)院(EPRI)CCAPI項目的(de)基礎上制定了IEC 61970系列标準[2-3]，使能量管理(lǐ)系統(EMS)的(de)應用軟件組件化和(hé)開放化，能即插即用和(hé)互聯互通，降低(dī)系統集成成本和(hé)保護用戶資源。

公共信息模型(CIM)是IEC 61970系列标準的(de)核心部分[4]，它是一(yī)個抽象模型，覆蓋了電力企業運行(xíng)中通常涉及的(de)所有(yǒu)主要對象。通過提供一(yī)種用對象類和(hé)屬性及他們之間的(de)關系來表示電力系統資源的(de)标準方法，CIM方便了實現不同賣方獨立開發的(de)能量管理(lǐ)系統(EMS)應用的(de)集成，多個獨立開發的(de)完整的(de)EMS系統之間的(de)集成，以及EMS系統和(hé)其他涉及電力系統運行(xíng)的(de)不同方面的(de)系統。通過定義一(yī)種基于CIM的(de)公共語言(即語法和(hé)語義)，使得這些應用或系統能夠不依賴于信息的(de)內(nèi)容表示而訪問公用數據和(hé)交換信息。本文基IEC61970标準中的(de)CIM規範，設計了适合省地(dì)級調度的(de)電網建模系統，通過省調與各地(dì)調EMS之間的(de)互操作與模型拼接操作，自(zì)動生成所需的(de)詳細電網模型。重點介紹了在建模過程中遇到的(de)若幹實際問題，并針對這些問題提出了相應的(de)解決辦法。

1 CIM建模系統設計

1.1 系統總體方案

以福建省電網為(wèi)例，建模系統的(de)方案示意圖如(rú)圖1。該建模系統可(kě)以根據不同需求運行(xíng)于省調和(hé)地(dì)調EMS上，各地(dì)調EMS通過調度數據網向省調EMS傳輸本地(dì)區的(de)電網模型數據，在省調側進行(xíng)模型拼接，建立全省的(de)電網模型[5]。地(dì)調EMS間也可(kě)以通過調度數據網進行(xíng)模型數據的(de)交互。

1.2 建模系統體系結構

以廈門地(dì)調EMS和(hé)其他地(dì)調EMS之間的(de)互操作為(wèi)例，給出了建模系統的(de)詳細體系結構，其中iES600平台為(wèi)積成電子(zǐ)公司的(de)綜合調度自(zì)動化系統平台(如(rú)圖2)。

圖1 建模系統示意圖

1.2.1 地(dì)調側

地(dì)調EMS通過電網模型創建系統創建出本地(dì)區詳細的(de)電網模型。還可(kě)以通過調度數據網向省調EMS傳輸實時斷面數據，包含遙測和(hé)遙信數據，當電網模型發生改變時，通過CIM/XML導出模塊導出本地(dì)區的(de)CIM模型數據，然後發送到外網。導出的(de)CIM/XML文件為(wèi)電網的(de)靜态數據，包括電網結構、設備的(de)靜态屬性和(hé)靜态特性參數等。通過CIM導入及校驗模塊導入省調或其他地(dì)調傳來的(de)CIM/XML文件，獲取相鄰外網模型數據，建立本電網更詳細的(de)電網模型，為(wèi)基于CIM的(de)電網高(gāo)層應用軟件服務。

圖2 建模系統的(de)體系結構

1.2.2 省調側

省調EMS通過調度數據網接收各地(dì)調傳來的(de)實時斷面數據和(hé)CIM/XML文件，在本地(dì)運行(xíng)建模系統模塊，建立起完整的(de)省網模型。具體過程：運行(xíng)CIM導入和(hé)校驗模塊，導入各地(dì)調傳來的(de)CIM模型，先進行(xíng)模型有(yǒu)效性校驗，若校驗不通過，最返回錯誤信息給相應地(dì)調，檢驗全部通過後，運行(xíng)模型拼接模塊，根據調度邊界信息進行(xíng)模型合并，形成全省電網模型。基于實時數據和(hé)前面創建好的(de)的(de)省網模型，導出特定格式的(de)實時數據斷面，為(wèi)運行(xíng)全模型高(gāo)層應用服務。

2 系統建模中的(de)若幹問題

2.1 電網建模範圍劃分原則

在電網建模時會涉及衆多電網調度區域塊，為(wèi)了确保建模的(de)正确性與準确性，并盡可(kě)能減少額外的(de)維護負擔，确定省地(dì)調的(de)建模範圍變得十分重要。确定省地(dì)調電網建模範圍首先就要确定各自(zì)的(de)模型邊界，模型邊界的(de)确定原則上應根據省調和(hé)地(dì)調所管轄的(de)設備來設定，一(yī)般來講，省調EMS主要關注500 kV、220 kV電網和(hé)部分主要的(de)110 kV變電站，通常将變電站中220 kV變壓器的(de)中低(dī)壓側作等值負荷處理(lǐ)，地(dì)調EMS主要負責110 kV、35 kV、10 kV和(hé)部分220 kV電網，将220 kV變壓器高(gāo)壓側或220 kV線路作為(wèi)其電源點。

本方案采用的(de)電網建模範圍劃分原則為(wèi)：省調EMS和(hé)地(dì)調EMS電網模型的(de)邊界設定為(wèi)變電站220 kV/110 kV 主變，将其作為(wèi)省調和(hé)地(dì)調分界關口設備，地(dì)調EMS電網模型邊界設定為(wèi)廠站與廠站之間的(de)110 kV聯絡線，将其作為(wèi)地(dì)調和(hé)地(dì)調分界關口設備。省調EMS負責維護220 kV側的(de)電網模型，地(dì)調EMS則維護110 kV側電網模型，分界聯絡設備允許信息重疊，但必須保證重疊部分應遵循信息一(yī)緻性原則[6]。建模原則上不僅應保證省調、地(dì)調各自(zì)獨立建模，獨立維護，獨立使用，還應考慮省地(dì)調電網模型數據互操作時的(de)方便性。

2.2 CIM模型文件解析

IEC61970為(wèi)電力調度信息的(de)标準化提供了技術規範，國(guó)內(nèi)大多數調度數據平台都遵循該标準，基于CIM規範描述電網模型，并支持CIM文件的(de)導入和(hé)導出。CIM文件是系統之間進行(xíng)電網模型交互的(de)重要方式，也是電網模型創建的(de)基礎。一(yī)個EMS電力系統模型能夠被轉換導出為(wèi)一(yī)個CIM/XML文檔，外部系統通過導入解析CIM/XML文檔進行(xíng)電網模型的(de)交互[7-13]。電網模型的(de)創建是一(yī)個複雜的(de)過程，對CIM文件的(de)解析是其中很重要的(de)環節，是保證後續工作有(yǒu)效正确進行(xíng)的(de)基礎，對CIM文件的(de)解析主要包括下面2個方面。

1)将CIM文件轉換為(wèi)具有(yǒu)一(yī)定數據結構的(de)內(nèi)存映像。內(nèi)存映像包括rdf:ID索引映像和(hé)對象描述映像。其中對象描述映像記錄具體的(de)模型信息，包括rdf:ID值、對象基本屬性、關聯屬性、屬性值等，rdf:ID索引映像記錄每一(yī)個rdf:ID對應的(de)模型對象指針，本系統采用基于樹型的(de)DOM解析技術，DOM解析方式的(de)優點是将整個CIM/XML文件在內(nèi)存中保存成樹型結構，應用程序可(kě)以随機(jī)地(dì)訪問CIM文件，操作非常方便。具體轉換過程為(wèi)：打開本機(jī)或服務器上的(de)CIM/XML文件，然後采用DOM遍曆CIM文件，先映射共享內(nèi)存中的(de)對象描述區，然後創建索引映像。

2)建立基于共享內(nèi)存的(de)索引機(jī)制，提供常用的(de)查詢接口，包括普通查詢接口和(hé)拓撲查詢接口。其中普通查詢接口包括根據類名查詢類的(de)所有(yǒu)記錄、查詢某一(yī)電網設備的(de)父節點對象或所有(yǒu)子(zǐ)節點對象、根據rdf:ID查詢所對應記錄的(de)詳細信息等。拓撲查詢接口主要是指通過拓撲運算查找某個節點連接的(de)所有(yǒu)設備或通過設備查找其所有(yǒu)的(de)節點等。查詢的(de)結果以類實例方式返回，包括資源ID、名字、基本屬性、關聯信息等。

2.3 電網模型層次的(de)确定

電網模型有(yǒu)多種展示方式，包括一(yī)次接線圖展示、樹型展示等，其中樹型結構是最常用的(de)展示方式。進行(xíng)樹型展示時首先要确定模型中電網資源的(de)層次關系，要求必須有(yǒu)一(yī)個根節點，且每一(yī)個子(zǐ)節點的(de)父節點是唯一(yī)的(de)。電網中的(de)電力系統資源有(yǒu)其自(zì)身特點，例如(rú)在物理(lǐ)特性上存在一(yī)定的(de)包容性，如(rú)某一(yī)子(zǐ)控制區包含了多個變電站，一(yī)個變電站下包含多個電壓等級，一(yī)個電壓等級又包含了母線、開關、刀閘、負荷等電力設備。為(wèi)滿足包容性的(de)要求，在設計程序時采用的(de)方法是，為(wèi)每一(yī)個具有(yǒu)父節點和(hé)子(zǐ)節點的(de)類添加2個屬性，一(yī)個屬性設置為(wèi)數據類型為(wèi)其所從屬的(de)電網資源類的(de)對象指針，另一(yī)個屬性設置為(wèi)數據類型為(wèi)其所包含的(de)電網設備類型的(de)vector容器。以變電站為(wèi)例：class Substation : public Equipment Container{ private:Sub Control Area* sub ControlArea;//所屬子(zǐ)控制區std:vector voltage Levels;//所包含的(de)電壓等級}按照上述處理(lǐ)方式，可(kě)以确定大多數電網資源的(de)層次關系，但是在設置變壓器類(Power Transformer)的(de)層次出現了困難：從包容層次上分析，Power Transformer的(de)父節點為(wèi)變電站(Substation)，變壓器繞組(Transformer Winding)的(de)父節點為(wèi)電壓等級(Voltage Level)，Voltage Level的(de)父節點為(wèi)Substation;從所屬層次上分析，Transformer Winding類的(de)父節點為(wèi)Power Transformer。這樣在設置變壓器繞組的(de)父節點屬性時會有(yǒu)2個父節點對象，即變壓器和(hé)電壓等級，且這2個父節點對象在電力資源樹中位于不同的(de)層次，維護電網資源的(de)樹狀結構産生了矛盾。

對此問題的(de)解決方法如(rú)圖3所示，Power Transformer與Substation的(de)層次關系保持不變，TransformerWinding類的(de)父節點設為(wèi)Power Transformer類，與VoltageLevel類的(de)關系通過添加一(yī)個數據類型為(wèi)基準電壓(BaseVoltage)的(de)屬性來設定，因為(wèi)每一(yī)個BaseVoltage都和(hé)特定的(de)BaseVoltage相對應，即他們之間是一(yī)一(yī)對應的(de)，這樣變壓器繞組就和(hé)某一(yī)廠站下的(de)某一(yī)電壓等級也建立起了關聯。

圖3 變壓器層次關系示意圖

2.4 CIM模型合并

2.4.1 設備命名規範

設備命名規範是模型創建與模型拼接的(de)關鍵，目前各EMS系統都有(yǒu)自(zì)己完善的(de)命名規範，導入/導出的(de)CIM文件的(de)設備命名必須遵循該命名規範，命名規範确定一(yī)般是通過cim:Naming.description、cim:Naming.name、cim:Naming.aliasName 3個屬性來确定。對于新建調度系統，應直接按照命名規範建模，對于已有(yǒu)的(de)調度系統，在CIM文件導出時要按照命名規範進行(xíng)名字轉換。一(yī)個良好的(de)命名規範應該具有(yǒu)全局唯一(yī)性、簡單、易維護性等特點。

2.4.2 模型拼接

經過CIM文件解析、模型拆分、內(nèi)網模型的(de)創建等一(yī)系列處理(lǐ)後，形成了一(yī)個或多個包含調度邊界設備信息的(de)調度管轄範圍塊，其邊界設備一(yī)端懸空，另一(yī)端連接內(nèi)部設備，将這樣分散的(de)各個模型塊，通過邊界設備連接起來，就形成了完備的(de)全網模型。根據應用的(de)不同，模型拼接主要包括2類：

1)省調與地(dì)調模型間的(de)拼接，它以220 kV/110 kV主變聯絡線為(wèi)邊界設備，根據命名規範，去(qù)掉外網等值部分，實現模型的(de)合并;

2)地(dì)調模型間的(de)拼接，它以110 kV聯絡線(一(yī)般110 kV交流線路段)為(wèi)邊界設備，根據命名規範，去(qù)掉外網等值模型，實現模型合并。

2.4.3 創建三段式線路模型

對導入的(de)CIM文件進行(xíng)分析時發現，在省調或地(dì)調的(de)邊界聯絡設備中交流線路段(ACLine Segment)是最主要的(de)聯絡設備，為(wèi)了實現各調度區域獨立創建、獨立維護其所包含的(de)電網資源，在聯絡設備為(wèi)交流線路時采用三段式線路建模方式創建，如(rú)圖4，具體實現方法為(wèi)：運行(xíng)拓撲分析，找出線路2端所連接的(de)其他導電設備(分别設為(wèi)A和(hé)B)，并分析出各導電設備屬性及其所屬設備容器信息，包括廠站、電壓等級、設備間隔等屬性;根據A所處電網層次，創建與A相連的(de)交流線路段，設為(wèi)outACLine_i，根據B所處電網層次，創建與B相連的(de)交流線路段，設為(wèi)outACline_j;在線路站中創建中間線路段，設為(wèi)midACLine;最後建立三段線路的(de)連接關系。其中midACLine的(de)父節點為(wèi)線路站，線路站是電網模型中一(yī)個虛拟的(de)廠站模型，它不和(hé)任一(yī)個實際廠站對應，某一(yī)個子(zǐ)控制區隻包含一(yī)個線路站，在線路站中隻包含中間線路和(hé)連接節點2類模型信息。在三段式線路模型創建時必須保證信息一(yī)緻性原則，即三段線路的(de)資源ID和(hé)命名屬性都是一(yī)緻的(de)。

圖4 三段式線路連接示意圖

按照上述方式依次處理(lǐ)所有(yǒu)線路聯絡設備，最終形成基于線路的(de)電網模型拼接部分。采用這種方式創建的(de)優點是：減少了廠站之間的(de)交互，各調度區域獨立創建、獨立維護，且易于實現電網模型的(de)拆分與合并等操作。

3 結語

本文以IEC61970系列标準中的(de)公共信息模型為(wèi)基礎，闡述了省地(dì)級建模系統的(de)設計方法，并重點叙述了在建模過程中遇到的(de)幾個實際應用問題及其解決辦法。該方法從一(yī)定程度上減少了建模的(de)複雜度，提高(gāo)了建模的(de)效率。以福建省實際電網數據進行(xíng)測試，測試表明，該建模系統可(kě)以創建出符合省地(dì)調EMS要求的(de)完整詳細電網模型。但該建模系統還有(yǒu)很多地(dì)方有(yǒu)待完善，例如(rú)：在建模結果中不僅要包括電網模型和(hé)量測斷面數據，還應包括與其配套的(de)電網圖形數據，實現圖形、模型的(de)一(yī)體化創建;該建模系統目前還無法實現在線建模的(de)需求;模型更新與維護比較複雜等。随着研究的(de)深入，将逐步完善系統的(de)各種功能和(hé)性能，最終使之形成符合電力系統實際需求的(de)建模系統。

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收稿日期：2010-01-21。

作者簡介：

謝淑菁(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為(wèi)電力系統智能控制與測量;

王浩(1949—)，男，副教授，碩士生導師，主要從事電力自(zì)動化系統通信網絡應用研究與教學(xué)工作，以及電力通信網絡的(de)實用開發。