基于CIM的電網(wǎng)建模若干問(wèn)題研究

謝淑菁，王浩，張志偉

（1.山東大學(xué) 信息工程學(xué)院，山東 威海 264209）（2.積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

隨著電力行業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，信息量越來(lái)越大，電力系統(tǒng)的分析和計(jì)算也越來(lái)越復(fù)雜，迫切需要建立完整準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)模擬實(shí)際電網(wǎng)。各電力系統(tǒng)廠家都有各自的電網(wǎng)建模方式，但是由于開(kāi)發(fā)商或系統(tǒng)版本的不同，創(chuàng)建出的模型、圖形或數(shù)據(jù)庫(kù)在結(jié)構(gòu)上存在很大的差異，形成一定程度的“信息孤島”，導(dǎo)致不同系統(tǒng)間的信息共享和實(shí)現(xiàn)某種程度上的互操作變得非常困難[1]。為此，國(guó)際電工委員會(huì)第57屆技術(shù)委員會(huì)（IEC TC57）在美國(guó)電力科學(xué)院（EPRI）CCAPI項(xiàng)目的基礎(chǔ)上制定了IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，使能量管理系統(tǒng)（EMS）的應(yīng)用軟件組件化和開(kāi)放化，能即插即用和互聯(lián)互通，降低系統(tǒng)集成成本和保護(hù)用戶資源。

公共信息模型（CIM）是IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)的核心部分[4]，它是一個(gè)抽象模型，覆蓋了電力企業(yè)運(yùn)行中通常涉及的所有主要對(duì)象。通過(guò)提供一種用對(duì)象類和屬性及他們之間的關(guān)系來(lái)表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法，CIM方便了實(shí)現(xiàn)不同賣方獨(dú)立開(kāi)發(fā)的能量管理系統(tǒng)（EMS）應(yīng)用的集成，多個(gè)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的完整的EMS系統(tǒng)之間的集成，以及EMS系統(tǒng)和其他涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行的不同方面的系統(tǒng)。通過(guò)定義一種基于CIM的公共語(yǔ)言（即語(yǔ)法和語(yǔ)義），使得這些應(yīng)用或系統(tǒng)能夠不依賴于信息的內(nèi)容表示而訪問(wèn)公用數(shù)據(jù)和交換信息。

本文基于IEC61970標(biāo)準(zhǔn)中的CIM規(guī)范，設(shè)計(jì)了適合省地級(jí)調(diào)度的電網(wǎng)建模系統(tǒng)，通過(guò)省調(diào)與各地調(diào)EMS之間的互操作與模型拼接操作，自動(dòng)生成所需的詳細(xì)電網(wǎng)模型。重點(diǎn)介紹了在建模過(guò)程中遇到的若干實(shí)際問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決辦法。

1 CIM建模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

以福建省電網(wǎng)為例，建模系統(tǒng)的方案示意圖如圖1。該建模系統(tǒng)可以根據(jù)不同需求運(yùn)行于省調(diào)和地調(diào)EMS上，各地調(diào)EMS通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)向省調(diào)EMS傳輸本地區(qū)的電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，在省調(diào)側(cè)進(jìn)行模型拼接，建立全省的電網(wǎng)模型[5]。地調(diào)EMS間也可以通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的交互。

1.2 建模系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

以廈門地調(diào)EMS和其他地調(diào)EMS之間的互操作為例，給出了建模系統(tǒng)的詳細(xì)體系結(jié)構(gòu)，其中iES600平臺(tái)為積成電子公司的綜合調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)（如圖2）。

1.2.1 地調(diào)側(cè)

地調(diào)EMS通過(guò)電網(wǎng)模型創(chuàng)建系統(tǒng)創(chuàng)建出本地區(qū)詳細(xì)的電網(wǎng)模型。還可以通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)向省調(diào)EMS傳輸實(shí)時(shí)斷面數(shù)據(jù)，包含遙測(cè)和遙信數(shù)據(jù)，當(dāng)電網(wǎng)模型發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)CIM/XML導(dǎo)出模塊導(dǎo)出本地區(qū)的CIM模型數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到外網(wǎng)。導(dǎo)出的CIM/XML文件為電網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，包括電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備的靜態(tài)屬性和靜態(tài)特性參數(shù)等。通過(guò)CIM導(dǎo)入及校驗(yàn)?zāi)K導(dǎo)入省調(diào)或其他地調(diào)傳來(lái)的CIM/XML文件，獲取相鄰?fù)饩W(wǎng)模型數(shù)據(jù)，建立本電網(wǎng)更詳細(xì)的電網(wǎng)模型，為基于CIM的電網(wǎng)高層應(yīng)用軟件服務(wù)。

圖2 建模系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.2.2 省調(diào)側(cè)

省調(diào)EMS通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接收各地調(diào)傳來(lái)的實(shí)時(shí)斷面數(shù)據(jù)和CIM/XML文件，在本地運(yùn)行建模系統(tǒng)模塊，建立起完整的省網(wǎng)模型。具體過(guò)程：運(yùn)行CIM導(dǎo)入和校驗(yàn)?zāi)K，導(dǎo)入各地調(diào)傳來(lái)的CIM模型，先進(jìn)行模型有效性校驗(yàn)，若校驗(yàn)不通過(guò)，最返回錯(cuò)誤信息給相應(yīng)地調(diào)，檢驗(yàn)全部通過(guò)后，運(yùn)行模型拼接模塊，根據(jù)調(diào)度邊界信息進(jìn)行模型合并，形成全省電網(wǎng)模型?；趯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)和前面創(chuàng)建好的的省網(wǎng)模型，導(dǎo)出特定格式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)斷面，為運(yùn)行全模型高層應(yīng)用服務(wù)。

2 系統(tǒng)建模中的若干問(wèn)題

2.1 電網(wǎng)建模范圍劃分原則

在電網(wǎng)建模時(shí)會(huì)涉及眾多電網(wǎng)調(diào)度區(qū)域塊，為了確保建模的正確性與準(zhǔn)確性，并盡可能減少額外的維護(hù)負(fù)擔(dān)，確定省地調(diào)的建模范圍變得十分重要。

確定省地調(diào)電網(wǎng)建模范圍首先就要確定各自的模型邊界，模型邊界的確定原則上應(yīng)根據(jù)省調(diào)和地調(diào)所管轄的設(shè)備來(lái)設(shè)定，一般來(lái)講，省調(diào)EMS主要關(guān)注500 kV、220 kV電網(wǎng)和部分主要的110 kV變電站，通常將變電站中220 kV變壓器的中低壓側(cè)作等值負(fù)荷處理，地調(diào)EMS主要負(fù)責(zé)110 kV、35 kV、10 kV和部分220 kV電網(wǎng)，將220 kV變壓器高壓側(cè)或220 kV線路作為其電源點(diǎn)。

本方案采用的電網(wǎng)建模范圍劃分原則為：省調(diào)EMS和地調(diào)EMS電網(wǎng)模型的邊界設(shè)定為變電站220 kV/110 kV主變，將其作為省調(diào)和地調(diào)分界關(guān)口設(shè)備，地調(diào)EMS電網(wǎng)模型邊界設(shè)定為廠站與廠站之間的110 kV聯(lián)絡(luò)線，將其作為地調(diào)和地調(diào)分界關(guān)口設(shè)備。省調(diào)EMS負(fù)責(zé)維護(hù)220 kV側(cè)的電網(wǎng)模型，地調(diào)EMS則維護(hù)110 kV側(cè)電網(wǎng)模型，分界聯(lián)絡(luò)設(shè)備允許信息重疊，但必須保證重疊部分應(yīng)遵循信息一致性原則[6]。建模原則上不僅應(yīng)保證省調(diào)、地調(diào)各自獨(dú)立建模，獨(dú)立維護(hù)，獨(dú)立使用，還應(yīng)考慮省地調(diào)電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)互操作時(shí)的方便性。

2.2 CIM模型文件解析

IEC61970為電力調(diào)度信息的標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)規(guī)范，國(guó)內(nèi)大多數(shù)調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)都遵循該標(biāo)準(zhǔn)，基于CIM規(guī)范描述電網(wǎng)模型，并支持CIM文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出。CIM文件是系統(tǒng)之間進(jìn)行電網(wǎng)模型交互的重要方式，也是電網(wǎng)模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)。一個(gè)EMS電力系統(tǒng)模型能夠被轉(zhuǎn)換導(dǎo)出為一個(gè)CIM/XML文檔，外部系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入解析CIM/XML文檔進(jìn)行電網(wǎng)模型的交互[7-13]。

電網(wǎng)模型的創(chuàng)建是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)CIM文件的解析是其中很重要的環(huán)節(jié)，是保證后續(xù)工作有效正確進(jìn)行的基礎(chǔ)，對(duì)CIM文件的解析主要包括下面2個(gè)方面。

1）將CIM文件轉(zhuǎn)換為具有一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存映像。內(nèi)存映像包括rdf:ID索引映像和對(duì)象描述映像。其中對(duì)象描述映像記錄具體的模型信息，包括rdf:ID值、對(duì)象基本屬性、關(guān)聯(lián)屬性、屬性值等，rdf:ID索引映像記錄每一個(gè)rdf:ID對(duì)應(yīng)的模型對(duì)象指針，本系統(tǒng)采用基于樹(shù)型的DOM解析技術(shù)，DOM解析方式的優(yōu)點(diǎn)是將整個(gè)CIM/XML文件在內(nèi)存中保存成樹(shù)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序可以隨機(jī)地訪問(wèn)CIM文件，操作非常方便。具體轉(zhuǎn)換過(guò)程為：打開(kāi)本機(jī)或服務(wù)器上的CIM/XML文件，然后采用DOM遍歷CIM文件，先映射共享內(nèi)存中的對(duì)象描述區(qū)，然后創(chuàng)建索引映像。

2）建立基于共享內(nèi)存的索引機(jī)制，提供常用的查詢接口，包括普通查詢接口和拓?fù)洳樵兘涌?。其中普通查詢接口包括根?jù)類名查詢類的所有記錄、查詢某一電網(wǎng)設(shè)備的父節(jié)點(diǎn)對(duì)象或所有子節(jié)點(diǎn)對(duì)象、根據(jù)rdf:ID查詢所對(duì)應(yīng)記錄的詳細(xì)信息等。拓?fù)洳樵兘涌谥饕侵竿ㄟ^(guò)拓?fù)溥\(yùn)算查找某個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的所有設(shè)備或通過(guò)設(shè)備查找其所有的節(jié)點(diǎn)等。查詢的結(jié)果以類實(shí)例方式返回，包括資源ID、名字、基本屬性、關(guān)聯(lián)信息等。

2.3 電網(wǎng)模型層次的確定

電網(wǎng)模型有多種展示方式，包括一次接線圖展示、樹(shù)型展示等，其中樹(shù)型結(jié)構(gòu)是最常用的展示方式。進(jìn)行樹(shù)型展示時(shí)首先要確定模型中電網(wǎng)資源的層次關(guān)系，要求必須有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，且每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)是唯一的。

電網(wǎng)中的電力系統(tǒng)資源有其自身特點(diǎn)，例如在物理特性上存在一定的包容性，如某一子控制區(qū)包含了多個(gè)變電站，一個(gè)變電站下包含多個(gè)電壓等級(jí)，一個(gè)電壓等級(jí)又包含了母線、開(kāi)關(guān)、刀閘、負(fù)荷等電力設(shè)備。為滿足包容性的要求，在設(shè)計(jì)程序時(shí)采用的方法是，為每一個(gè)具有父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的類添加2個(gè)屬性，一個(gè)屬性設(shè)置為數(shù)據(jù)類型為其所從屬的電網(wǎng)資源類的對(duì)象指針，另一個(gè)屬性設(shè)置為數(shù)據(jù)類型為其所包含的電網(wǎng)設(shè)備類型的vector容器。以變電站為例：

class Substation:public Equipment Container

{private:

Sub Control Area*sub ControlArea；//所屬子控制區(qū)std:vectorvoltage Levels；//所包含的電壓等級(jí)}

按照上述處理方式，可以確定大多數(shù)電網(wǎng)資源的層次關(guān)系，但是在設(shè)置變壓器類（Power Transformer）的層次出現(xiàn)了困難：從包容層次上分析，Power Transformer的父節(jié)點(diǎn)為變電站（Substation），變壓器繞組（Transformer Winding）的父節(jié)點(diǎn)為電壓等級(jí)（Voltage Level），Voltage Level的父節(jié)點(diǎn)為Substation；從所屬層次上分析，Transformer Winding類的父節(jié)點(diǎn)為Power Transformer。這樣在設(shè)置變壓器繞組的父節(jié)點(diǎn)屬性時(shí)會(huì)有2個(gè)父節(jié)點(diǎn)對(duì)象，即變壓器和電壓等級(jí)，且這2個(gè)父節(jié)點(diǎn)對(duì)象在電力資源樹(shù)中位于不同的層次，維護(hù)電網(wǎng)資源的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了矛盾。

對(duì)此問(wèn)題的解決方法如圖3所示，Power Transformer與Substation的層次關(guān)系保持不變，Transformer Winding類的父節(jié)點(diǎn)設(shè)為Power Transformer類，與VoltageLevel類的關(guān)系通過(guò)添加一個(gè)數(shù)據(jù)類型為基準(zhǔn)電壓（BaseVoltage）的屬性來(lái)設(shè)定，因?yàn)槊恳粋€(gè)Base Voltage都和特定的BaseVoltage相對(duì)應(yīng)，即他們之間是一一對(duì)應(yīng)的，這樣變壓器繞組就和某一廠站下的某一電壓等級(jí)也建立起了關(guān)聯(lián)。

圖3 變壓器層次關(guān)系示意圖

2.4 CIM模型合并

2.4.1 設(shè)備命名規(guī)范

設(shè)備命名規(guī)范是模型創(chuàng)建與模型拼接的關(guān)鍵，目前各EMS系統(tǒng)都有自己完善的命名規(guī)范，導(dǎo)入/導(dǎo)出的CIM文件的設(shè)備命名必須遵循該命名規(guī)范，命名規(guī)范確定一般是通過(guò)cim:Naming.description、cim:Naming.name、cim:Naming.aliasName 3個(gè)屬性來(lái)確定。對(duì)于新建調(diào)度系統(tǒng)，應(yīng)直接按照命名規(guī)范建模，對(duì)于已有的調(diào)度系統(tǒng)，在CIM文件導(dǎo)出時(shí)要按照命名規(guī)范進(jìn)行名字轉(zhuǎn)換。一個(gè)良好的命名規(guī)范應(yīng)該具有全局唯一性、簡(jiǎn)單、易維護(hù)性等特點(diǎn)。

2.4.2 模型拼接

經(jīng)過(guò)CIM文件解析、模型拆分、內(nèi)網(wǎng)模型的創(chuàng)建等一系列處理后，形成了一個(gè)或多個(gè)包含調(diào)度邊界設(shè)備信息的調(diào)度管轄范圍塊，其邊界設(shè)備一端懸空，另一端連接內(nèi)部設(shè)備，將這樣分散的各個(gè)模型塊，通過(guò)邊界設(shè)備連接起來(lái)，就形成了完備的全網(wǎng)模型。根據(jù)應(yīng)用的不同，模型拼接主要包括2類：

1）省調(diào)與地調(diào)模型間的拼接，它以220 kV/110 kV主變聯(lián)絡(luò)線為邊界設(shè)備，根據(jù)命名規(guī)范，去掉外網(wǎng)等值部分，實(shí)現(xiàn)模型的合并；

2）地調(diào)模型間的拼接，它以110 kV聯(lián)絡(luò)線（一般110 kV交流線路段）為邊界設(shè)備，根據(jù)命名規(guī)范，去掉外網(wǎng)等值模型，實(shí)現(xiàn)模型合并。

2.4.3 創(chuàng)建三段式線路模型

對(duì)導(dǎo)入的CIM文件進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在省調(diào)或地調(diào)的邊界聯(lián)絡(luò)設(shè)備中交流線路段（ACLine Segment）是最主要的聯(lián)絡(luò)設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)各調(diào)度區(qū)域獨(dú)立創(chuàng)建、獨(dú)立維護(hù)其所包含的電網(wǎng)資源，在聯(lián)絡(luò)設(shè)備為交流線路時(shí)采用三段式線路建模方式創(chuàng)建，如圖4，具體實(shí)現(xiàn)方法為：運(yùn)行拓?fù)浞治?，找出線路2端所連接的其他導(dǎo)電設(shè)備（分別設(shè)為A和B），并分析出各導(dǎo)電設(shè)備屬性及其所屬設(shè)備容器信息，包括廠站、電壓等級(jí)、設(shè)備間隔等屬性；根據(jù)A所處電網(wǎng)層次，創(chuàng)建與A相連的交流線路段，設(shè)為outACLine_i，根據(jù)B所處電網(wǎng)層次，創(chuàng)建與B相連的交流線路段，設(shè)為outACline_j；在線路站中創(chuàng)建中間線路段，設(shè)為midACLine；最后建立三段線路的連接關(guān)系。其中midACLine的父節(jié)點(diǎn)為線路站，線路站是電網(wǎng)模型中一個(gè)虛擬的廠站模型，它不和任一個(gè)實(shí)際廠站對(duì)應(yīng)，某一個(gè)子控制區(qū)只包含一個(gè)線路站，在線路站中只包含中間線路和連接節(jié)點(diǎn)2類模型信息。在三段式線路模型創(chuàng)建時(shí)必須保證信息一致性原則，即三段線路的資源ID和命名屬性都是一致的。

圖4 三段式線路連接示意圖

按照上述方式依次處理所有線路聯(lián)絡(luò)設(shè)備，最終形成基于線路的電網(wǎng)模型拼接部分。采用這種方式創(chuàng)建的優(yōu)點(diǎn)是：減少了廠站之間的交互，各調(diào)度區(qū)域獨(dú)立創(chuàng)建、獨(dú)立維護(hù)，且易于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)模型的拆分與合并等操作。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以IEC61970系列標(biāo)準(zhǔn)中的公共信息模型為基礎(chǔ)，闡述了省地級(jí)建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并重點(diǎn)敘述了在建模過(guò)程中遇到的幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題及其解決辦法。該方法從一定程度上減少了建模的復(fù)雜度，提高了建模的效率。以福建省實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試表明，該建模系統(tǒng)可以創(chuàng)建出符合省地調(diào)EMS要求的完整詳細(xì)電網(wǎng)模型。但該建模系統(tǒng)還有很多地方有待完善，例如：在建模結(jié)果中不僅要包括電網(wǎng)模型和量測(cè)斷面數(shù)據(jù)，還應(yīng)包括與其配套的電網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖形、模型的一體化創(chuàng)建；該建模系統(tǒng)目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線建模的需求；模型更新與維護(hù)比較復(fù)雜等。隨著研究的深入，將逐步完善系統(tǒng)的各種功能和性能，最終使之形成符合電力系統(tǒng)實(shí)際需求的建模系統(tǒng)。

[1]董朝霞,戴琦,楊峰.基于CIM和SVG的電網(wǎng)建模技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2006,18（5）:58-61.

[2]張慎明,劉國(guó)定.IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)系列簡(jiǎn)介[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2002,26（14）:1-6.

[3]Draft IEC 61970:Energy Management System Application Program Interface（EMS-API）-Part 1:CCAPI Guidelines Preliminary Draft[S].2004

[4]Draft IEC 61970:Energy Management System Application Program Interface （EMS-API）-Part 301:Common Information Model（CIM）Base[S].2004.

[5]孫宏斌,李鵬,李矛,等.中國(guó)南方電網(wǎng)在線分布式建模系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,32（10）:82-86.

[6]劉崇茹,孫宏斌,張伯明,等.公共信息模型拆分與合并研究 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28（12）:51-55.

[7]Draft IEC 61970:Energy Management System Application Program Interface（EMS-API）-Part501:CIMRDFSchema[S].1999.

[8]Draft IEC 61970:Energy Management System Application Program Interface(EMS-API)-Part 503:CIM/XML Model Exchange Format[S].2004.

[9]趙冉,楊海晶,楊以涵.采用CIM XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享[R].南京：中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十二屆學(xué)術(shù)年會(huì),2006.

[10]潘毅,周京陽(yáng),吳杏平,等.基于電力系統(tǒng)公共信息模型的互操作試驗(yàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27（10）:25-28.

[11]米為民,韋凌霄,錢靜,等.基于CIM XML的電網(wǎng)模型合并方法在北京電力公司調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32（10）:33-37.

[12]陳曉鷗,董欣,王仲,等.XML實(shí)用進(jìn)階教程/XML中國(guó)論壇[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[13]劉筱萍.符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IED配置工具的研究與實(shí)現(xiàn)[D].山東:山東大學(xué),2007.