基于CIM 拓撲模型的配電網線路聯絡分析

孫加++吳昊

【摘 要】本文在IEC61970CIM 的基礎上對CIM 拓撲模型進行配電網線路的聯絡路徑與瓶頸區間分析，提出一種基于多叉樹的拓撲分析方法，將桿塔、開關、變壓器、站所、用戶等看作節點，將饋線段看作邊，利用從屬關系反映他們間的連接關系，構建一棵有序的多叉樹，同時將設備屬性、饋線段規格與上下級關系保存于每個節點中，便于根據特定的應用從某個節點正反向追溯計算。該方法的C#實現主要用于配電網拓撲計算，較其它復雜拓撲實現起來更簡單和可擴充。

【關鍵詞】配電網 CIM 拓撲模型 多叉樹

IEC61970標準是由國際電工組織制定，描述能量管理系統應用程序的模型和接口的標準，包含導則、術語、公用信息模型（Common Information Model，CIM）和兩種級別的組件接口規范（Component Interface Specification，CIS）共5個部分。其中， CIM定義了能量管理系統（EMS）的應用程序接口標準，即電力對象模型及其關系，并給出了電力對象的確切定義和域描述 ，是IEC61970的基本包集。采用CIM模型，可以順利實現系統間的信息交換。

目前，各調度軟件開發廠商均在開發以IEC61970規約為基礎的調度軟件。調度軟件中的網絡拓撲，需要將配電網一次接線圖處理成高級應用軟件所需的計算節點模型，形成新的網絡接線形式。本文提出的基于多叉樹的網絡拓撲分析，根據CIM模型構建的配電網一次接線圖，利用模型間的繼承關系和關聯關系，采用按樹搜索策略，能夠對任何接線方式下的網絡結構進行分析。

1 CIM 拓撲模型

拓撲包是CIM模型中的核心包之一，拓撲包定義的的各個類主要描述電網模型的拓撲連接關系。圖1是CIM模型Topology包中的拓撲模型結構：CIM的拓撲模型中定義了端子（Terminal）和連接點（Connectivity Node）。其中，端子是導電設備的電氣點。連接點是導電設備端子的無電阻融合點，包含一組端子。CIM模型中一個導電設備包含幾個端子。例如一個開關刀閘（Switch及其子類）有兩個端子，一個線路段（AC Line Segment）有兩個端子。每個端子屬于某個連接點，如果幾個端子指向的連接點相同，表示這些端子融合。CIM模型通過關聯關系定義了導電設備類與端子，端子與連接點間的關聯關系。端子和連接點共同建立起設備之間的電氣連接關系。

2 網絡拓撲方法

電網專題圖拓撲數據和圖形分別以CIM格式SVG矢量圖形格式定義，CIM與SVG結合完整表達電網模型如圖2所示，用于電網模型的可視化展示。

2.1 拓撲算法描述

配電網管理的對象包括變電站、開閉所、線路（包括電纜）、桿塔、變壓器、配電箱、開關、刀閘等設備，以及連接在變壓器上的各類用戶單位。某配電網聯絡區間如圖3所示。基于供電可靠性考慮，在一些主干線路之間往往有聯絡開關相連，平時斷開，當一端線路供電的變電站出現故障，停止供電后，線路間的聯絡開關閉合，由對供線路供電。根據配網結構示意圖可以看出，如果將變電站看作是根節點，則線路及其分支就可以看成是一棵多叉樹，每一個末端設備，如桿塔、變壓器、開關、站所、用戶等都可以看作是樹葉，分叉處的節點可能是桿塔、站所等，我們采用深度優先的搜索策略，從根節點（變電站）出發，沿指定的主干線或其支線搜索到路徑的末端。再回溯該搜索路徑的節點，繼續尋找當前主干線的其它路徑，直到搜索完所有支路和節點，邊搜索邊將上下級關系或稱為父子關系登記以備查。

2.2 聯絡分析描述

包含聯絡關系的某配網線路一次接線圖的電氣拓撲，如圖4所示，紅色數字代表CIM模型中的端子（Terminal）。采用深度優先算法的搜索路徑過程：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16→15→14→13→12→17→18→19→20→21→22→23→22→21→20→19→18→17→11→10→9→8→24→7→6→5→4→27→28→29→30→31→32→33→32→31→30→29→28→27→3→2→1。整理數據后發現：LK2開關的23號端子、LK3開關的16號端子、ZS的24號端子在當前線路上無連接關系，但分別和線路3、線路4、線路2相連，所以可以判斷當前線路通過”KG2”，”KG3”， ”ZS”這三個設備和其它線路構成聯絡關系。為簡化數據組織與搜索過程，把每個設備的端子看作有統一連接點，設備本身等效為唯一的連接點，以名稱或編號識別，就形成了圖5所示的等效圖。

經過簡化后的搜索路徑過程：01→02→03→ZS→04→05→06→LK3→06→05→05_1→05_2→LK2→05_2→05_1→05→04→ZS→03→02→02_1→02_2→KG1→YH→KG1→02_2→02_1→02→01。整理數據后發現，處于葉子節點的設備有”KG2”，”KG3”，”YH”，特點是它們沒有往下的子節點了，再加上所有站所設備”ZS”，再過濾掉不能構成聯絡的用戶類型對象”YH”，就剩下”KG2”，”KG3”，”ZS”，且發現他們都與其它非當前線路存在相連，得到與前圖相同的結論。根據上述分析，本文論述的基于CIM模型的拓撲分析算法流程如圖6所示。

3 結語

本文采用基于CIM模型的簡化后的深度優先的拓撲算法，克服了傳統拓撲方法搜索效率低、不易理解和編程復雜的缺點。提高了拓撲搜索速度。采用面向對象的設計方式，拓撲過程不針對具體的設備類型，具有很強的適應性和擴展性。同時，拓撲模型遵循CIM定義，使得網絡拓撲可以運行在任何支持CIM模型的系統平臺上，實現即插即用功能。實際應用中，采用C#面向對象語言實現網絡拓撲，應用在導線規格統計、線路瓶頸統計、線損計算、動態著色等方面，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]《國家電網公司生產管理系統與電網GIS空間信息服務平臺應用集成規范》[S].

[2]《國家電網公司SG186工程生產管理系統業務功能需求規范》[S].

[3]《國家電網公司電網GIS空間信息服務平臺數據模型設計》[S].

[4]《國家電網公司電網GIS空間信息服務平臺圖元規范》[S].

[5]《國家電網公司數據中心公共數據模型（SG-CIM）典型設計》[M].

[6]辛耀中.新世紀電網調度自動化技術發展趨勢[J].電網技術，2001，25（12）：1-10.