基于CIM的電力系統(tǒng)圖形平臺研究

于豐，薛明

（豐縣供電公司，江蘇豐縣221700）

由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜和龐大的特點(diǎn)，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出分區(qū)和分層的特點(diǎn)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電力體制改革的深化，為保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及電力市場的有序運(yùn)行，電力調(diào)度中心可能同時(shí)運(yùn)行有多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，例如能量管理系統(tǒng)(EMS)、電能量計(jì)量系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)(DMS)和電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)等；每個(gè)系統(tǒng)中可能同時(shí)包括了多個(gè)應(yīng)用，例如EMS包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），自動(dòng)發(fā)電控制（AGC），網(wǎng)絡(luò)分析和調(diào)度員仿真培訓(xùn)模擬（DTS）等應(yīng)用。這些系統(tǒng)或應(yīng)用存在如下需求：需要交換數(shù)據(jù)，共享信息，包括實(shí)時(shí)信息和非實(shí)時(shí)信息兩種；來源于不同的開發(fā)商，需要異構(gòu)和互操作；需要不斷擴(kuò)展新應(yīng)用或系統(tǒng)，并降低接口的難度和成本。為此，IEC第57技術(shù)委員會的13工作組推出了主站側(cè)各應(yīng)用系統(tǒng)接口的系列標(biāo)準(zhǔn)IEC61970，以滿足上述需求，其主要部分以CIM描述電網(wǎng)的公用信息、以CIS訪問電網(wǎng)的公用信息，其理想目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“即插即用”，當(dāng)前目標(biāo)是解決互聯(lián)和異構(gòu)問題[1-5]。

電力系統(tǒng)運(yùn)行部門需要分析處理的信息數(shù)量大、類型廣，有效便捷地管理這些數(shù)據(jù)對電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析計(jì)算、模擬仿真、信息管理等工作有著重要的意義。計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)在電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用很好地解決了這個(gè)問題，在軟件中運(yùn)用圖形表達(dá)信息并引導(dǎo)各種操作的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本、表格式數(shù)據(jù)管理方式，使系統(tǒng)工作人員在形象、直觀的圖形化界面上工作而無需直接面對大量單調(diào)繁瑣的數(shù)據(jù)，從而大大降低了數(shù)據(jù)處理工作的繁雜性與出錯(cuò)率，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行起到了重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用圖形技術(shù)來處理電力系統(tǒng)的計(jì)算、分析等任務(wù)方面起著越來越重要的作用[6]。通過研究IEC61970 CIM標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，本文用面向?qū)ο笳Z言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遵循CIM標(biāo)準(zhǔn)的圖形系統(tǒng)。

1 CIM模型具有的面向?qū)ο筇攸c(diǎn)

1.1 面向?qū)ο笳Z言的特點(diǎn)

面向?qū)ο蠓椒ㄊ腔诳陀^世界的對象模型化的軟件開發(fā)方法。所謂對象是一個(gè)屬性集（數(shù)據(jù)）及其操作（行為）的封裝體。封裝性、繼承性和多態(tài)性是面向?qū)ο蟮?個(gè)基本特征[7]。根據(jù)面向?qū)ο蟮睦^承、封裝和多態(tài)性的特點(diǎn)，把電力元件類中具有相同操作的方法在它們的基類中定義一個(gè)虛函數(shù)，而方法的實(shí)現(xiàn)在具體的電力元件類中實(shí)現(xiàn)，用基類的指針通過多態(tài)性的優(yōu)點(diǎn)來調(diào)用不同類電力元件的動(dòng)作。

類與對象所建模的正是電力系統(tǒng)中需要以一種對各種EMS應(yīng)用通用的方法來描繪的東西。一個(gè)類是對現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)的一種對象的表示，例如在EMS中需要表示為整個(gè)電力系統(tǒng)模型的一部分的變壓器、發(fā)電機(jī)或負(fù)荷。其他類型的對象包括諸如EMS應(yīng)用需要處理、分析與儲存的計(jì)劃與量測。這些對象需要以一種通用的表示，以達(dá)到EMS-API標(biāo)準(zhǔn)的插入兼容和互操作的目的。在電力系統(tǒng)中具有惟一身份的一個(gè)具體對象則被建模成它所屬類的一個(gè)實(shí)例。

1.2 CIM模型的特點(diǎn)

UML是用于面向?qū)ο蠼５囊环N通用語言。CIM是一個(gè)用UML語言建立的抽象模型，它表示了EMS信息模型中包含的電力企業(yè)的所有主要對象。這個(gè)模型包含這些對象的公共類和屬性，以及它們之間的關(guān)系，規(guī)定了一個(gè)基本包集，這些包提供了電力企業(yè)內(nèi)各應(yīng)用之間共享的EMS信息的物理方面的邏輯視圖。

CIM是一個(gè)抽象模型，它表示通常包含在EMS信息模型中的電力企業(yè)的所有主要對象。通過提供一種用對象類和屬性及他們之間的關(guān)系來表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法，CIM方便實(shí)現(xiàn)不同賣方獨(dú)立開發(fā)的EMS應(yīng)用的集成、多個(gè)獨(dú)立開發(fā)的完整EMS的集成，或EMS和其他涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行的不同方面的系統(tǒng)，例如發(fā)電或配電管理系統(tǒng)之間的集成。這是通過定義標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口，這些應(yīng)用或系統(tǒng)能夠不依賴于信息的內(nèi)部表示而訪問公共數(shù)據(jù)和交換信息來實(shí)現(xiàn)的。

每一個(gè)CIM包的類圖展示了該包中所有的類及它們的關(guān)系。在與其他包中的類存在關(guān)系時(shí)，這些類也展示出來，且標(biāo)以表明其所屬的包的符號。

還應(yīng)該注意到，定義CIM是為了方便數(shù)據(jù)交換。正如標(biāo)準(zhǔn)中定義的那樣，CIM實(shí)體除了缺省的生成、刪除、更新和讀出外，沒有其他行為。為了使CIM盡可能地通用，非常希望對具體實(shí)現(xiàn)易于配置。一般來說，改變屬性的值域比改變類定義更為容易。這些原則暗示CIM應(yīng)當(dāng)避免定義類的太多的具體子類型。相反，CIM定義一些通用的類，由屬性來給定類型名。應(yīng)用可以根據(jù)需要使用這一信息去實(shí)例化具體的對象類型。應(yīng)用可能需要其他信息去定義有效類型與關(guān)系的集合。

類的屬性可以表示對象的特征。CIM中的每一個(gè)類包含描述和識別該類的具體實(shí)例的屬性。只有各EMS應(yīng)用共同感興趣的那些屬性包括在類的描述中。

每一個(gè)屬性都具有一個(gè)類型，它識別該屬性是哪一種類型的屬性。典型的屬性類型有整型、浮點(diǎn)型、布爾型、字符串型及枚舉型，它們被稱為原始類型。然而，許多其他類型也被定義為CIM規(guī)范的一部分。例如，Capacitor Bank(電容器組)有一個(gè)具有Voltage(電壓)類型的Maximum屬性。數(shù)據(jù)類型的定義包含在Domain類中。

類之間的關(guān)系揭示了它們相互之間是怎樣構(gòu)造的。CIM模型的包集中的類以種種方式相互關(guān)聯(lián)。各種類之間的關(guān)聯(lián)主要有3種：普遍化，簡單關(guān)聯(lián)和聚集。

其中CIM模型中核心包、拓?fù)浒途€包的相關(guān)類和繼承層次框圖如圖1所示[1]。

其中，表示電力元件的類是線路包中的變壓器、開關(guān)類元件、線路和負(fù)荷以及拓?fù)浒械哪妇€模型。

1.3 CIM模型的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)

由于CIM模型中的各個(gè)類的繼承關(guān)系與面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法中的類的繼承關(guān)系完全一致，因此可以用面向?qū)ο蟮姆椒▉碓贑IM的基礎(chǔ)上進(jìn)行電力系統(tǒng)圖形系統(tǒng)的建模。在CIM的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)充數(shù)據(jù)和添加動(dòng)作行為來設(shè)計(jì)一個(gè)面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)圖形系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮CIM通用性的優(yōu)點(diǎn)。需要完成的工作，是把在繪圖中要實(shí)現(xiàn)的電力元件的各種動(dòng)作添加到CIM中相應(yīng)的類中，在相應(yīng)的類中定義實(shí)現(xiàn)繪制電力圖形元件所需要的幾何參數(shù)。

電力系統(tǒng)圖形類是對電力系統(tǒng)中具體電力元件如變壓器，線路，母線，斷路器等的抽象和概括，包括屬性和方法。電力圖形元件的屬性包括圖形屬性和電器屬性兩種；方法包括圖形元件的繪制，移動(dòng)，縮放，旋轉(zhuǎn)，以及圖形屬性和電氣屬性的確定和改正。

由圖1可以看出，核心包中的設(shè)備類是除了母線外的多數(shù)電力元件的公共基類，電力圖形元件類中的公共屬性和方法應(yīng)該在該類中定義。各個(gè)元件的幾何公共屬性包括顯示狀態(tài)的屬性，是否選擇的屬性，圖形范圍屬性，圖形元件的連接狀態(tài)，圖元的惟一標(biāo)示；公共方法包括圖形繪制，位置移動(dòng)，顯示狀態(tài)改變，旋轉(zhuǎn)，縮放。類中的電氣屬性按照CIM模型中定義的規(guī)定，這樣就實(shí)現(xiàn)了在CIM模型的基礎(chǔ)上圖形系統(tǒng)類的框架的建立。

2 圖形系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

電力系統(tǒng)圖形系統(tǒng)的目的就是要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)管理的圖形化，增強(qiáng)人機(jī)交互的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對電氣主接線進(jìn)行快速方便的修改，設(shè)計(jì)和計(jì)算[6]。圖形系統(tǒng)的界面上人機(jī)交互主要靠鼠標(biāo)和鍵盤，在界面上設(shè)計(jì)了一個(gè)繪制圖形元件的工具箱，可以選擇不同的元件，設(shè)計(jì)了一個(gè)對圖形元件進(jìn)行動(dòng)作操作的工具欄。

圖形系統(tǒng)首先要對各種電力元件進(jìn)行管理，采用Visual C++6.0中的數(shù)據(jù)模板類CPtrArray可以方便的對各種元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的添加和刪除。定義一個(gè)圖形元件類型和一個(gè)元件的指針，可以在對圖元進(jìn)行操作的時(shí)候快速定位[8]。

定義一個(gè)可以縮放大小的單元格，每一個(gè)元件的長寬都是整數(shù)單元格，每個(gè)元件的端口都定位在單元格的交點(diǎn)上，這就使圖元之間的連接關(guān)系能正確的確定，也方便使用。通過調(diào)整單元格的大小，可以對整個(gè)圖形進(jìn)行縮放。

對電力元件參數(shù)的錄入采用對話框的方式，本圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一系列元件參數(shù)對話框,并編寫了相應(yīng)的代碼。用戶能夠在網(wǎng)絡(luò)接線圖上方便迅速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

只要雙擊接線圖上某種類型的元件,應(yīng)用程序便會彈出同該類元件相對應(yīng)的元件參數(shù)對話框,用戶通過填寫對話框各項(xiàng)參數(shù),即可完成對某一圖元的建模,或?qū)σ呀D的參數(shù)修改。這種圖形化的參數(shù)錄入方式既直觀又明了，提高了操作的可靠性，并且設(shè)置了簡單的邏輯判斷和計(jì)算，減少了錄入?yún)?shù)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

對電壓等級的表示方法，在繪制元件時(shí)采用不同的線條顏色來表示元件的電壓，可以快速準(zhǔn)確的對元件的電壓狀態(tài)進(jìn)行判斷。

3 連接關(guān)系的自動(dòng)建立

電力系統(tǒng)中各種元件之間的連接關(guān)系是進(jìn)行電力系統(tǒng)拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)。CIM中拓?fù)浒卸x的連接點(diǎn)類Connectivity Node是一個(gè)抽象概念，是電力元件端子連接在一起時(shí)的一個(gè)概念的抽象，只是為了方便的表示元件之間的互相連接關(guān)系。本文中通過給這個(gè)連接點(diǎn)類添加一個(gè)適當(dāng)?shù)膸缀畏秶梢栽陔姎庵鹘泳€圖畫完后自動(dòng)生成元件和連接點(diǎn)之間的連接關(guān)系。連接點(diǎn)定義的幾何范圍是根據(jù)單元格的初始大小定義的，定義為單元格大小的三分之一，這樣連接點(diǎn)的幾何范圍不會重復(fù)，并且因?yàn)槊總€(gè)電力圖形元件的端子都在單元格上，確保了CIM模型中一個(gè)元件的端子只連接在一個(gè)連接點(diǎn)上。

電力系統(tǒng)中的電力元件按端子數(shù)可分為單端子元件和多端子元件。對于具有一個(gè)端子元件如電源，負(fù)荷等，定義一個(gè)狀態(tài)變量表示元件的連接情況；對于多端子元件，對每一個(gè)端子都定義一個(gè)表示端子連接與否的狀態(tài)變量，如果該端子連接于一個(gè)連接點(diǎn)上，則該端子的連接狀態(tài)為真，否則為假；對元件本身定義一個(gè)表示整體連接的狀態(tài)變量，如果元件所有的端子的連接狀態(tài)都為真，則元件的連接狀態(tài)為真，否則為假。采用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一個(gè)改進(jìn)的深度優(yōu)先的搜索算法來生成連接關(guān)系，每次都從棧頂元素開始搜索沒有完成連接關(guān)系的元件，算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）從電源元件集合中搜索沒有連接的電源元件，根據(jù)電源的端子生成第一個(gè)連接點(diǎn)實(shí)例，并且讓該連接點(diǎn)進(jìn)棧；（2）搜索所有端子連接于第一個(gè)連接點(diǎn)實(shí)例的元件，對這些元件進(jìn)行編號，并加入到連接點(diǎn)的連接集合中；（3）查看棧中連接點(diǎn)，如果棧已經(jīng)空，轉(zhuǎn)（5）；否則，根據(jù)棧頂?shù)倪B接點(diǎn)中連接的元件的沒有連接的端子來生成下一個(gè)連接點(diǎn)實(shí)例，把它加入到棧頂，并且搜索端子連接于該連接點(diǎn)實(shí)例的所有元件；（4）對棧中的所有連接點(diǎn)進(jìn)行連接檢查，如果連接在該連接點(diǎn)的所有元件都完成連接，則該連接點(diǎn)出棧；檢查完后轉(zhuǎn)（3）；（5）在所有的元件中查找還沒有連接的元件，如果找到元件，則根據(jù)該元件的端子生成新的連接點(diǎn)，搜索端子連接于該點(diǎn)的所有元件，并入棧，轉(zhuǎn)（3）；如果所有的元件都已經(jīng)連接，則連接關(guān)系就建立完成，轉(zhuǎn)（6）；（6)退出。

4 結(jié)束語

通過對CIM模型的分析和研究，在CIM的基礎(chǔ)上建立了面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)圖形平臺。由于完全采用了CIM模型作為圖形系統(tǒng)建模的框架，使用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)進(jìn)行編程，所以對系統(tǒng)的擴(kuò)展十分方便；對CIM中拓?fù)浒卸x的連接點(diǎn)類Connectivity Node的擴(kuò)充使得不需要額外的操作，就能確立電力圖形元件之間連接關(guān)系，對提高分析和計(jì)算的準(zhǔn)確度有很大的幫助。

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