基于CIM的配電網拓撲分析方法

武曉朦，田衛東

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

為了減少向能量管理系統中增加新應用所需要的費用和時間，保護對系統中正在有效工作的現有應用的投資，從而實現在控制中心環境中創建“即插式”應用，IEC（國際電工委員會）推行了IEC 61970公用信息模型（CIM：Common Information Model）。CIM已經被眾多電力企業所接受。因此，開發新一代適應 CIM規范的拓撲分析軟件是十分必要[1-3]。

電網的拓撲分析模塊功能就是根據網絡的開關狀態和元件連接關系完成電網物理模型（也稱節點模型）到計算模型（也稱母線模型）的轉換。為狀態估計、潮流計算等其他高級應用程序提供準確的計算模型。它是其他高級用程序的基礎。所以，在工程實踐中，必須采用合適的方法保證拓撲分析模塊的方便性、快速性和可靠性。

1 CIM中表達的拓撲模型

CIM是一個抽象模型，它包含電力企業運行中的所有主要對象[4]。通過提供一種用對象類和屬性及他們之間的關系來表示電力系統資源的標準方法。拓撲分析涉及了CIM中的Wires包、Mesa包、Core包和Topology包[5]。

為了表達導電設備（Conducting Equipment）之間的連接，CIM定義了端點（Terminal）和連接節點（Connectivity Node）。導電設備通常含有1-2個端點，連接節點由兩個導電設備的端點通過零阻抗連接在一起形成。這種模型描述了電網物理連接信息，稱為開關/節點模型（Switch/Node Model）[6]。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(如變電站中相互連接的母線、刀閘、開關等），需要將當前網絡狀態下通過閉合的開關連接在一起的一組連接節點抽象成邏輯上的拓撲節點（Topological Node，也稱母線）。拓撲節點和拓撲節點間帶阻抗的電器元件（表示為支路）連接表達電力系統網絡，即母線/支路模型（Bus/Branch Model）。

在傳統的電力系統調度軟件中，設備間的連接點模型由網絡模型給出了定義，但端點模型沒有建立[7]。這種情況下SCADA中的量測點不能明確的定位，CIM中定義了端點有效的解決了這個問題，而且和電路分析理論中對元件的描述保持一致。一個CIM模型建立的網絡一次接線如圖1所示。圖中，1-11為端點Terminal編號，（1）、（2）、（3）為與其它變電站相連的三條支路；C1-C4為連接點編號。從圖中可見，基于CIM模型建立的網絡接線圖，使得網絡結構更復雜。但是通過端點類的屬性Connectivity Node 可以方便的找到端點的所屬的連接點，從而可以得出開關-節點和支路-節點連接關系。基于這些數據就可以利用傳統的拓撲分析算法完成網絡拓撲分析[8]。

圖1 基于CIM的網絡接線圖

2 拓撲分析

2.1 拓撲分析的要求

拓撲分析的功能就是根據開關狀態和電網元件的連接關系，完成電網物理模型（也稱節點模型）到計算模型（也稱母線模型）的轉換。運用堆棧原理，搜索圖的樹枝，來確定拓撲節點和拓撲島。在EMS系統中，對拓撲分析模塊有以下幾點要求：

（1）可靠性：能正確分析出任何形式的實際電氣結線的計算模型。

（2）方便性：母線隨著開關的動作也在變化，要求母線編號能保持不變，對分裂出的母線分配新的編號，而再合并時保留老編號的同時消去新編號。這樣經過一系列開關操作后，待系統回到初始狀況時，網絡母線編號也能恢復原狀[9]。

（3）快速性：各種運行方式下高級分析的出發點均是基于拓撲分析，希望盡可能快速搜索，其中的關鍵就是縮小搜索范圍。

2.2 保證拓撲分析要求的方案

在傳統的拓撲分析算法中，通常用一個圖來存儲待分析網絡。通過圖的搜索來實現拓撲分析。而圖的搜索算法是很成熟的算法，所以穩定性和可靠性都比較高。而如何保證方便性和快速性的要求呢？如果能夠保證在開關變位的情況下，拓撲分析程序只對變位開關所影響的區域進行分析，在分析結束后，除受影響的區域外其他母線編號能保持不變，拓撲分析的穩定性和快速性就能很好的保證。我們按照最小區域進行網絡分析，并采用合適的編號方法就能很好的解決這個問題。

那么實現快速搜索的依據是什么呢？將一個變電站內同一電壓等級的范圍定義為一個最小區域，那么在這個最小區域內開關的動作不會影響其它區域的拓撲結果，因而實現快速搜索。

在某種接線方式下，一個電網最多可分裂的母線個數等于該電網內全部開關都斷開時的母線個數，這時母線個數等于該網絡結點個數。在一種給定的運行方式下進行拓撲分析時，各最小分析區域內的母線個數一定小于該區域內的結點個數。所以可以采用一個最小區域內結點的起始編號作為該區域母線的起始編號，這樣網絡的母線編號為非連續的編號，采用以上的母線編號方法能夠保證在合并或分裂母線時母線號基本固定。

2.3 全網拓撲分析

用下例說明該拓撲分析方法。

圖2 一個典型的變電站結線圖

假設結點-開關關聯信息按照廠站號優先，電壓等級號次優先的順序排列，1號變電站只有一個電壓等級，為1號最小分析區域，2號變電站也只有一個電壓等級，為2號最小分析區域，3號變電站有兩個電壓等級，14-18號開關所屬的區域為3號最小區域，19號開關所屬的區域為4號最小區域。各區域的母線初始編號為該區域結點的初始編號，這樣：1號區域的母線編號從1開始，2號區域母線編號從9開始，3號區域母線的編號從13開始，4號區域的母線編號從19開始。假設7，9，10，13號開關端開，母線分析時將變電站內閉合開關抽象成一個母線，則母線形成后網絡的接線如圖3：

圖3 母線連接圖1

1號區域分裂成兩個母線1、2；2號區域分裂成2個母線9、10（該區域母線編號從9開始）；3號區域分裂成一個母線13（該區域母線編號從13開始），4號區域分裂成一個母線19。

2.4 開關變位時母線分析

如果16號母聯開關斷開，16號開關屬于3號區域，則只對該區域重新進行拓撲分析。分析后的網絡圖如圖4。

圖4 母線連接圖2

可以看出16號開關斷開后，3號區域的13號母線分裂成2個母線13，14，可以看出，其他區域母線編號沒有改變。由以上分析可以看出，采用分區域分析法和母線不連續編號的方案后，在很大程度上保證了方便性和快速性的要求。

3 結語

本文所介紹的拓撲分析所用的數據模型，遵循CIM定義，從而使該拓撲分析模塊可以應用在任何支持CIM的系統平臺上。在算法實現過程中按照最小區域進行分析，并采用了不連續編號方法。可以做到在油田電網網絡運行方式改變后只對開關狀態變化的區域重新分析[9-10]，不影響其他區域的母線編號。大大提高了分析速度并且保證了在分裂、合并母線時母線編號的穩定性。該模塊的工程實踐中的應用很好的證明了它的穩定性和高效性。