CIM電網計算平臺的序網電路擴展

周 銳 ，趙元鵬

（1西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

（2西安理工大學水利水電學院 陜西 西安 710048）

1 引言

為了對源自于不同廠家的EMS系統應用集成和互聯進行有效的處理，國際電工委員會（IEC）結合實際情況進行電力能量管理系統（EMS）信息模型標準的合理制定，這就是電網領域中的IEC61970標準[1]。該標準是一個目前可以應用于電網表示模型的唯一標準。因此，在開發電網分析計算軟件時，為了保證其開放性和擴展性，需要遵循此標準。電網計算平臺在實踐應用中的基本功能主要涉及到短路電流、諧波潮流、潮流等綜合性的計算功能。通過所建立的序網分析模型對電網分析計算方面有效的處理[2]。所以，要結合實際情況進行序網組件的開發設計[3]。文獻[3]中，利用傳統的數值方式來直觀的表示序網，實質上是把CIM內的電網拓撲信息采取專業性的方式轉換為所需的鄰接矩陣，最終實現序網電路參數的有效提取，此環節中只獲取到的是序網拓撲的信息。在綜合性分析研究序網的過程中，結合CIM將其它序網電路參數結合實際需求有效的獲取。此方法與CIM數據交互頻繁，程序耦合度高。若通過面向對象的方法實現序網模型的建構，建立模型的整個過程中涵蓋所有的序網分析參數，進而有效降低計算組件冗余現象，對模型的擴展性、通用性和科學可行性等方面全面的保障。論文在實踐應用中依照CIM的建模方法實現序網電路模型的設計應用與功能實現。首先，進行電網的序網表示與CIM的關聯性的深入分析，通過UML實現序網電路的對象模型的科學性設計，進而實現序網組件的功能實現。最后，組件與平臺測試連接，對設計的科學合理性進行全面的驗證。

2 序網電路模型與CIM中電網描述

2.1 電網的序網電路模型

在綜合性分析與計算電網進行穩態的過程中，在建立電網等效電路模型基礎上進行電網計算。將電網發生的不對稱問題結合實際情況劃分為正序、負序、零序這三大對稱網絡問題。每一個序網電路模型的基礎實際上涉及到的是技術設備的等值電路，其中涵蓋的設備有變壓器、電源、負荷以及線路。

2.1.1 電源和負荷等值電路模型 穩態計算的綜合性過程中，把電源視作為一個理想的電壓源、電路節點和電路支路這三大技術設備的組合。一個理想的電源和內部電路節點結合實際情況采取科學的技術方式在正負序網中合理的相連，具體示意圖如圖1(a)所示，一個理想電源和內部電路節點在零序網中不相連的操作示意圖如圖1(b)所示。

圖1 電源的等值電路模型

2.1.2 線路的等值電路模型 傳統模式的線路等值模型是通過π型模型實現的，具體操作示意圖如下圖2所示；線路映射在整個過程中視作為一個公共接地點t0與三條支路的有機組合。中間支路在t1和t2兩個外部電路節點中進行有效的串聯，接地支路在其中有一個節點和t0這一公共接地點結合專業性的規范標準進行連接。

圖2 線路的等值電路模型

2.1.3 變壓器的等值電路模型 變壓器的等值電路模型在整個正負序網中的操作示意圖如圖3所示，圖(a)是變壓器原邊等值電路示意圖，圖(b)是變壓器副邊等值電路。當外電路在原邊繞組側進行零序電壓施加的過程中，若此側繞組出現序電流，則判定為此側繞組和外電路在具體操作過程中處于接通的狀態，說明和外電路節點相連。反之判定為不相連。據此只有變壓器星型接法才與外電路節點相連。當變壓器副邊繞組側具有由原邊產生的零序電勢時，若外電路也存在零序電勢并有零序電流通路，則判定該側繞組與外部電路節點相連，否則視為未相連。據此只有中性點接地的繞組才能與外部節點相連。

圖6 序網電路生成靜態圖

圖3 正、負序中變壓器等值電路模型

2.2 CIM中的電網描述

2.2.1 CIM中的電網拓撲模型 CIM模型是由多個包組成。圖4是拓撲包的結構示意圖。拓撲包對電力系統中每一個技術設備之間的連接關系進行明確的定義：導電設備（Conducting Equipment）在系統中和零或多個端子（Terminal）結合實際情況合理的連接，多個端子在此基礎上和連接點（Connectivity Node）之間進行連接。拓撲節點（Topological Node）實質上是系統中連接點的集合。連接節點的構成是根據開關設備的通斷實現的。此外，拓撲節點中包含了該節點的凈注入有功與凈注入無功。拓撲島（Topological Island）實質上是拓撲節點的集合，在實踐應用中展現出電網的動態拓撲。電網中設備的連接直接影響動態拓撲的變化。

圖4 拓撲包

2.2.2 CIM中導電設備的模型 電線包（Wire）在實踐操作中體現出核心包與拓撲包的擴展，是進行輸配電網內部電氣特性信息模型的科學性構建。電網外部電源模型的描述是通過等值電源類（Equivalent Source）綜合性的實現。它屬于導電技術設備的子類，其中涉及到戴維南正序電阻r、負序電阻rn和零序電阻r0三大核心技術部件，這些部件在專業范疇中是標稱線電壓，A相開路相角和開路線電壓幅值。在描述電網外部負荷模型用電能用戶類（Energy Consumer）的過程中，通過導電設備子類進行全面實現的，其中涉及到負荷的有功分量pfixed以及無功分量qfixed。圖5是輸電線路模型操作示意圖。線路類（Line）在整個系統中是電力系統資源類的子類，主要是通過多個交流線段（AC Line Segment）采取科學的技術方式有機構成。

圖5 電線包中線路的模型

導體類（Conductor）在店里系統中屬于導電設備類的子集，而交流線段類繼承了導線類，交流線段這種導線具有描述線路構成的屬性。變壓器類是整個系統中技術設備的子集，變壓器的相關參數就是屬性。一個變壓器通常是利用一個或多個變壓器繞組構成的。變壓器繞組類是電路系統中導電設備類子集，也就是說變壓器繞組是一種具有代表性的導電設備。在變壓器繞組類內和拓撲具有一定關聯性的屬性包括：繞組接線類、繞組類以及是否接地等主要的參數。

3 序網組件的靜態模型設計

3.1 序網組件的靜態模型拓撲

電路拓撲主要包含節點和支路。電路島類分為正序、負序、零序電路島類，它包含電路節點類,支路類,電源類和負荷類。圖6是序網電路組件形成靜態模型示意圖。

3.2 靜態模型中類的屬性和方法

等值負荷有功功率pfixed和等值負荷無功功率qfixed是電路節點類在整個電路系統中的固有屬性。與其具有一定關聯性的屬性包括：與CIM模型內拓撲節點間形成0..n:1關聯性的topological Node；和電路支路間juy n:n關聯性的，即e_branchlist；和導電設備之間具有0..n:1關聯的，為conductingEquipment；和理想電源之間具有1:0..n的關聯，即e_idealsourcelist；和負荷之間具有1:0..n關聯的，即e_loadlist。電阻r與電抗x是電路支路類所涉及到的相關屬性；具有一定關聯性的屬性有：和電路節點之間具有n:n關聯的，即E_busList，和導電設備之間具有n:1關聯的，即conductingEquipement。

理想電源類主要涉及到的固有屬性有：等值電源有功功率netInjectionMW，無功功率netInjectionMVar，標稱線電壓nomialVotage，A相開路相角voltageAngle、開路線電壓幅值voltageMagnitude。關聯屬性主要涉及到和導電設備之間具有0...1:n關聯的，即conductingEquipement；和電路節點之間具體0.1:1關聯的，即e_bus。pfixed和qfixed是電路負荷類的固有屬性。關聯屬性主要包括和電路節點之間具有0...1:1關聯的，即e_bus；和導電技術設備之間具有0...1:1關聯的，這類屬性是conductingEquipement。

電路島類在店里系統中一個一定具有代表性的虛基類。負序電路島類與零序電路島類的父類在系統中屬于正序電路島類。關聯屬性主要涉及到和電路節點具有一定關聯性的，即E_busList；和電路支路之間具有一定關聯性的，即E_branchList；和電路電源之間存在一定關聯性的，即E_idealsourcelist；和電路負荷之間在操作中具有一定關聯性的，即E_loadlist；整個過程中的操作方法是：電路島中存在一個純虛方法（E_IslandMade），進而有效的存儲與管理電路島中的節點與支路。方法是在正序、負序、零序電路島類中結合實際情況采取科學的技術方式有效實現，在操作中分別把此序網中的電路節點、支路、理想電源統與負荷在與之相對應的電路島屬性中進行存儲管理。

序網電路拓撲接口類主要對整個組件的運行操作進行全方位的管理，其中對輸入輸出的操作格式明確的規定。序網電路拓撲中的輸入輸出數據至整個電路系統中的固有屬性。電網的拓撲島與導電設備集合導電技術設備的集合是電路外部系統的輸入屬性，為外部系統在實踐應用中提供電路拓撲輸出的屬性的主要是正序電路島、負序電路島以及零序拓撲島。操作方法：完成各序網拓撲節點在電路節點映射的E_busMade，將各序網局部電路構成與之相互對應的電路節點關聯的E_branchMade在整個實踐應用中全面的實現。

4 序網組件程序的編制和驗證

基于上述綜合性的分析可知，采取C++/CLI實現序網組件程序的有效編制，以此為基礎在文獻[4]中進行接入，該文獻中提出了電網計算平臺的技術操作。某地區的三個變電站部分輸電網操作示意圖如圖7所示。

圖7 輸電網示意圖

上述輸電網在實踐運作中的具體方式主要有兩種：一是采取與各變電站相對應的主變形式并列投入運行的；二是，三橋變與阿房變主變在系統中通過一主一備的技術方式運行的。輸電網通過上述兩種運行方式在整個操作中，分別對其序網電路進行生成。兩種情況下的測試均正確得到等值序網電路。表1中的時間測試結果對比說明不同的運行狀態，對程序運行時間的影響不大。

表1 測試時間

5 結語

CIM中未采取任何的方式描述序網的相關參數。為了通過以CIM為基礎的電網計算平臺進行電網計算組件的開發應用，本文所做的工作總結如下：（1）在總結序網模型和CIM的基礎上，采用面向對象方法實現序網表示對象模型的有效建立。（2）進行從CIM模型到序網電路模型的映射的建立。（3）結合系統的實際需求進行時序網組件的編制。電網計算平臺在整個實踐操作中的測試結果對設計模型的精確性進行全面驗證。運行效率能夠對實際應用分析方面的具體要求全面滿足。

[1]劉海璇, 吳福保, 董大興，等.微電網能量管理系統中的公共信息模型擴展[J].電力系統自動化，2012，36(6）：45-51.

[2]NEDIC D P,DOBSONI,KIRSCHENDS,etc.Criticality in a cascading failure blackout model.International Journal of Electrical Power and Energy Systems.2006.

[3]姚玉斌.基于鄰接矩陣準平方法網絡拓撲分析[J].電力系統保護與控制,2012,40(6)：17-21，29.

[4]董張卓，劉雪.采用.NET Remoting技術的配電網分析平臺架構[J].計算機應用與軟件, 2010, 27(9)：190-193.