基于CIM 的配網理論線損在線計算系統

呂 欣，張鐵峰，呂越穎，王書峰

(1．華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003;2．保定市供電公司，河北 保定071000)

0 引言

隨著通信、計算機和智能裝置等技術的發展，大部分的理論線損計算都由計算機軟件完成。但“信息孤島”仍然存在，相關數據的獲取和輸出等數據交換還非常繁瑣和易錯。同時，由于傳統計算軟件不能及時更新電網結構數據，使得線損計算的實時性和準確性大打折扣［1］。因此，建立基于CIM 的配電網線損計算系統顯得尤為重要。文獻［2］基于CIM 建設標準配電網底層模型，實現配變監控、線損分析、電壓統計等配電網數據的綜合應用;文獻［3］提出了基于CIM 的電網理論線損準在線計算框架，并針對CIM 應用于電網理論線損準在線計算存在部分數據缺失的情況，對CIM 進行了模型擴展;文獻［4］設計一種配電網理論線損在線計算方案，從配電GIS 及DSM 系統中導入計算所需的數據，計算方便、準確、高效。

本文提出一種基于CIM 的配網線損在線計算系統，充分利用SCADA，GIS 和DMIS 等信息系統采集的數據完成線損計算，并通過XML 和SVG語言實現與其他系統間的數據交互。該系統能夠自動生成線損計算模型，大大降低線損管理的工作量，提高了線損計算的實時性和準確性。

1 CIM 概述

CIM 是IEC61970 系列標準的一個重要的組成部分，是一個抽象模型。該模型將配電網中的實體定義為類，其中大部分是對系統元件的描述，如變壓器、線路、開關。另外一部分為數據結構安排表、動態測量數據等。這些都是配電管理系統應用程序所需要的信息和數據［5］。

CIM 運用統一建模語言(UML)通過類之間的關聯、繼承、聚合的邏輯關系實現對整個配電網的描述。它為不同數據模式下的管理系統提供了一個通用的轉換接口，從而實現了不同管理系統間的集成。由于配電網中存在很多三相不平衡負載，導致系統中存在很多多相的屬性，因此在系統設計前需要對CIM 進行相應的擴展(如配電線路、配電設備、負荷等類的多相屬性的擴展)，以滿足CIM 對配電網及配網中設備三相屬性的描述［6］。

2 線損計算系統的設計思想

2.1 數據獲取

由于線損計算采用的是潮流計算方法，因此，除了主要的電氣連接圖，還需要獲得電氣設備參數數據、設備的邏輯連接方式、開關狀態、變壓器分接頭位置以及每個間隔的運行數據。本文將以上數據分為兩種類型:一種是結構數據，如，設備的電氣參數、設備的邏輯節點以及連線圖，它相對穩定，變化較少。對于此類數據，在電網結構不產生變化的前提下，僅進行一次讀取。另一種是運行數據，包括開關狀態、變壓器抽頭的位置、電流、電壓、有功功率和無功功率。對于此類動態數據，需要系統實時讀取。

目前，國內大部分電力企業都已配備SCADA，GIS，DMIS 等管理系統。其中，電壓等級在35 kV 以上的主網結構數據和大部分配網的運行數據均存儲于SCADA 系統;GIS 系統主要存儲配電網的結構數據;DMIS 系統主要存儲部分主網運行數據和所有配電網運行數據。為了便于各管理系統間的數據交互，本文提出了如下數據共享方案［7］。

根據觀察，該車在冷車時不會出現類似情況，只有熱車后才會發生此類故障。常見的發動機自動熄火多是積碳引起怠速失調所致，但考慮到故障車的行駛里程很短，且進行了相關檢查，首先排除發動機積碳因素。怠速時讀取發動機的數據，發現混合汽呈現很濃的趨勢，直至滅車，但是高速時正常。

2.1.1 配電網結構數據的讀取

配電網的結構數據主要從GIS 系統中獲取。GIS 系統可提供配電網的屬性信息、空間信息以及地理圖形信息［8］。本文提出的線損計算系統中，線損計算模塊可從GIS 系統中實時獲得配電網的結構數據。這些數據包括設備參數(如配變、開關以及線路等信息)［9］、XML 形式的邏輯拓撲結構以及SVG 形式的單線圖和電氣連接圖(如變電站、桿塔以及電力線等的連接關系)。

2.1.2 配電網運行數據的讀取

配電網的運行數據主要從SCADA 和DMIS 系統中獲取。SCADA 系統通過監測裝置實時監測和控制配電網，從而實現實時數據、歷史數據的處理和存儲。SCADA 系統可獲得的運行數據包括負荷電流數據、10 kV 出線關口電量電流等潮流值［10，11］，它可以提供SVG 和XML 類型的數據，其中主要的電氣連接圖存儲于SVG 文件中，結構數據和運行數據則存儲于XML 文件中。

DMIS 系統是SCADA 和GIS 系統的互補系統。DMIS 系統包括所有的配電網運行數據以及部分主網運行數據，比如供電量、線路容量、專用變壓器的損耗、公用變壓器的損耗、用戶信息、專用設備的運行數據等。同SCADA，GIS 系統不同，DMIS 系統為線損程序開放了只讀功能，因而，線損計算程序可直接從DMIS 系統數據庫中獲取上述數據。

基于以上數據的讀取方式，本文建立了一個基于CIM 的理論線損計算系統。該系統通過XML實現了與SCADA，GIS，DMIS 等管理系統程序間的信息交互，并將實時數據存儲于線損數據庫中。系統中的線損計算模塊可讀取線損數據庫中的實時數據，利用這些數據計算配電網的線損，并將計算結果返回到線損數據庫中。系統的數據讀取與轉換過程如圖1 所示。

圖1 線損計算系統數據讀取與轉換圖

2.2 拓撲分析

CIM 定義了端點(Terminal)和連接節點(Connectivity Node，簡稱CNode)，用以表達導電設備之間的連接關系。每個導電設備包含若干個端點，導電設備間的連接是通過端點的融合來實現的，該融合點用一個連接節點來表示。這種表達模型描述了電網全局的詳細信息，稱為開關—節點模型［12］。而對于狀態估計、潮流計算等高級應用來說，考慮到等電位的情況，形成了邏輯上的拓撲節點(Topological Node，簡稱TNode)，將電網描述為拓撲節點以及拓撲節點間帶阻抗的電器元件連接，即母線—支路模型。其中一個拓撲節點對應若干個連接節點，一個拓撲島(Topological Island)由一組具有電氣連接的拓撲節點構成。CIM 的拓撲模型如圖2 所示。

圖2 CIM 模型拓撲圖

實際上，SCADA 和GIS 系統提供的信息為上圖開關—節點模型中各導電設備間的物理連接關系，而線損計算所涉及的母線—支路模型中設備的邏輯連接關系卻無法從以上系統中直接獲得。因此需要利用拓撲分析，將開關—節點模型轉化為母線—支路模型。

本文采用合并法［13］對配電網進行拓撲分析并建立母線—支路的模型，其中開關(Switch)類元件將被略去，只考慮Line，Power Transformer，Compensator 等非零阻抗電氣元件。首先，依次掃描各Switch 類元件，找出閉合狀態下的Switch 類元件。然后，將Switch 類元件兩端的CNode 歸入相應的TNode。最后，輸出拓撲分析結果。具體步驟如圖3 所示。

2.3 線損計算

線損計算模塊采用前推回代潮流方法計算線損。

首先，計算各負荷節點的等值注入電流。

其次，將負荷節點的注入電流代入饋線的節點網絡方程:

圖3 系統拓撲分析流程圖

采用前推回代的方法求解各節點電壓以及各支路電流分部。式中，是第i 時刻各節點的注入電流;是節點電壓。迭代結束的條件是相鄰兩次迭代電壓差值模分量的最大值小于給定的收斂指標ε。

最后，根據上述計算結果，求取該配電網代表日當天的線損電量，并進一步計算全月理論線損電量

式中:∑ΔAm為全月全網的損耗電量;∑ΔAG為代表日固定線損電量;∑ΔAR為代表日全網的可變損耗電量;Am為全月供電量;Ad為代表日供電量;N 為全月日歷天數。

3 系統的開發環境及運行過程

3.1 開發環境

本文的線損計算系統是在Power Builder 開發環境下開發，用Oracle 實現數據的存儲。由于Power Builder 采用了面向對象和可視化技術，提供可視化的應用開發環境，因此利用Power Builder 可以方便快捷地開發出基于數據庫管理系統的數據庫應用程序。

3.2 運行過程

計算系統首先對各類數據進行收集和準備，然后對電網進行拓撲結構分析，最后進行理論線損計算，線損計算結果可以導出。具體運行過程如下:

(1)系統設置。系統設置部分主要是設置登陸者的名稱和口令，目的是限制訪問者的訪問權限，提高系統的可靠性和安全性。

(2)數據讀取。按照本文2．1 部分中的數據獲取方法，應有選擇性的從SCADA，GIS，DMIS系統中讀取線損計算所需數據。為保險起見，應對所獲得的數據進行檢查驗證。

(3)拓撲分析。電網拓撲分析是根據開關的開閉狀態和電網的一次接線圖來確定網絡節點-支路的連通關系，為潮流分析、線損計算做好準備。本文按照2．2 所述方法對配電網進行拓撲分析。

(4)參數轉換。從各系統中獲取的電力系統設備參數和運行數據可能不是線損計算直接需要的數據，如，CIM 中AC line segment 可能記錄的是導線的長度和單位長度參數，然而線損計算需要的是整個分支的電阻和電抗。因此，對于此類數據，需要進行參數轉換，將其轉換為線損計算可用的數據。

(5)線損計算。線損計算程序讀取已完成參數轉換的設備參數和運行數據，采用2．3 所述方法對配電網進行線損計算，充分利用各量測節點的實時數據［14］，整個計算過程無冗余，計算結果較精確。在計算完成后輸出計算結果。

4 實例分析

為了驗證本文配電網線損計算系統的可行性，利用該系統計算某地區配電網在2013 年5 月的月線損量。圖4 所示為1 號變電站所屬的2 號出線5月份的線損計算結果。

圖4 系統仿真結果圖

由圖4 的驗證結果可知，本文系統可以按照預定設計讀取各管理系統中的實時數據，并利用這些數據進行線損計算。此外，利用該系統計算線損可得出豐富的計算結果，能夠為配電網運行和管理決策提供可靠依據。

5 結論

本文提出一種基于CIM 的配電網線損計算系統。該系統能夠從各信息系統中讀取不同形式下的配電網數據，并通過參數轉換將這些數據轉換為線損計算可用的數據，利用這些數據完成對配電網的理論線損計算。本系統大大降低線損管理的工作量，提高線損計算的實時性和準確性，避免了“信息孤島”問題。

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