面向配電物聯網的中低壓配電網拓撲建模

江 航，蘇毅方，周金輝，陸 超

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310000；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310013；3.南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，南京 211111）

在電力系統中，配電網起著直接與用戶連接、向用戶輸送和分配電力的作用[1]。在用戶側高供電質量要求、電力市場化改革、分布式發電滲透率不斷提高的影響下，隨著新能源技術及信息通信技術的發展，配電網將向信息流、潮流高度融合的智能配電網發展。然而，由于配電網節點眾多、覆蓋面廣、網絡復雜，以及投資成本、人力資源和技術水平的限制，針對配電網改造的重點主要集中在10 kV及以上電壓等級的電網上。長期以來，低壓配電網一直處于監控盲區[2]。

物聯網技術與配電網的深度融合形成的配電物聯網D-IoT（distribution internet of things），為中低壓配電網的運行維護問題提供了新的解決方案[3-4]。D-IoT以“云管邊端”[5]為架構體系，如圖1所示。當越來越多的電氣設備、數據采集設備、邊緣計算設備和各類管理系統通過電力網和信息網兩個實際物理網絡進行互聯和映射時，可極大地提高配電網的態勢感知能力和分析處理能力。2019年，國家電網公司發布了泛在電力物聯網建設大綱[6]，提出以配用電領域應用需求為導向，將“大云物移智”等先進信息通信技術融入到配電側的各個環節的配電物聯網建設，并在上海、南京、蘇州等城市開展配電物聯網示范區專項建設，為規劃建設、企業管理、生產運行、供電服務、電力營銷建設支撐平臺。

圖1 D-IOT架構Fig.1 Structure of D-IoT

公共信息模型CIM（common information model）由IEC61970與IEC61968系列標準共同定義[7]，其表示了電力企業運行所需要模型中包含的所有主要對象。各類廠商開發的應用都應以CIM為標準，對電力網絡進行描述，并在此基礎上實現信息交互。CIM自引入以來，已廣泛用于電力系統的各個應用領域[8-12]，并取得了良好成果。

隨著D-IoT建設的推進，構建統一的配電網信息模型已成為最基本的步驟。目前，國內外在配用電信息交互與集成方面的研究主要集中于以CIM為標準的信息交互規范。然而，關于如何建立低壓配電網拓撲模型，并通過統一信息模型來驅動DIoT上層應用的開發，還處于起步階段。配電網拓撲是對配電網設備、線路及連接關系的完整描述，是實現配電網智能化應用的重要基礎，完整、一致、準確、及時、可靠的配電網拓撲連接與分析模型及拓撲參數能夠為配電網運行調度、故障檢修、提升供電質量等提供關鍵支撐，是實現配電網主動搶修、故障自愈等智能化應用的基礎。目前，CIM對于D-IoT的覆蓋和描述能力欠缺，尤其是缺乏低壓設備和拓撲模型及相關描述。因此，研究面向DIoT的中低壓配電網拓撲建模與分析技術具有重要的理論和實用價值。本文做出了以下兩個關鍵貢獻：①本文對現有CIM進行了擴展和完善，著重解決了目前缺少面向D-IoT低壓設備和拓撲模型的問題；②本文針對D-IoT的拓撲特點，分別在D-IoT云側和邊側建立了相應的拓撲分析模型，提出了DIoT云邊協同的拓撲交互方法，并規定了采用的通信協議。

1 CIM中拓撲模型

CIM使用統一建模語言UML（unified modeling language）把電力系統對象描述為類和屬性。IEC61970標準定義的CIM分為核心包（Core）、負荷包（LoadModel）、域包（Domain）、發電包（Generation）、量測包（Measurement）、保護包（Protection）、停運包（Outage）、拓撲包（Topology）及電線包（Wires），如圖2所示。每個包涵蓋了與之相關的所有類，每個類包括了其屬性特征描述，以及與此類有關系的所有類。CIM中的類與類主要有簡單關聯、繼承、聚合3種關系，其中簡單關聯表示類與類之間要相互作用，繼承表示相對普遍和具體這兩個類別之間的關系，聚合是一種整體和局部特殊的關聯。在類圖中，簡單關聯關系用短直線表示，繼承關系用三角箭頭表示，聚合關系用菱形箭頭表示。

圖2 IEC61970 CIM模型架構Fig.2 Structure of IEC61970 CIM

電力系統拓撲模型的建立主要依據核心包和拓撲包。核心包描述了電力系統中大多數設備之間的層次關系；拓撲包作為核心包的擴展，定義了一系列電網拓撲建模相關的類。對電網拓撲連接關系的描述主要使用拓撲包中的5個類：導電設備（ConductingEquipment）、端子（Terminal）、連接節點（ConnectivityNode）、拓撲節點（TopologicalNode）和拓撲島（TopologicalIsland）。圖3為CIM中網絡拓撲模型。表1詳細介紹了每個類對于拓撲模型的描述內容。在CIM拓撲模型中，還列出了拓撲分析的2個基本模型，即基于連接節點的開關/節點模型和基于拓撲節點的母線/支路模型。其中，母線/支路模型主要用于狀態估計、潮流計算等網絡分析；開關/節點模型更多關注于開關狀態，用于拓撲搜索、故障隔離與恢復等。

圖3 CIM中網絡拓撲模型Fig.3 Network topology model in CIM

表1 CIM拓撲包中的類Tab.1 Classes in CIM topology package

在CIM的高級應用中，拓撲分析是最基礎的步驟之一，其目的是將以開關/節點模型為基礎描述的電力系統網絡簡化為母線/支路模型。文獻[13]介紹了在CIM中進行拓撲分析的節點合并法、圖遍歷法和鄰接矩陣法。文獻[14]給出了CIM在配電網絡建模中的具體實現方法，并開發了一套配電網拓撲追蹤軟件，可以處理任何配電網站內外各種設備的網絡追蹤問題。高研等[15]建立了圖形數據一體化的拓撲分析平臺，便于和能量管理系統的其他應用實現信息共享和集成，提高了拓撲分析的速度。文獻[16]研究了基于CIM的拓撲模型，提出了符合IEC61970標準的全局和局部拓撲分析算法。

2 面向配電物聯網的CIM擴展

輸電網與配電網的主要區別在于配電網固有的三相不平衡特性。這就要求在面向對象的配電網模型中必須清晰地描述網絡元件的三相特性，并且能夠理順配電網的拓撲關系。

在配電網中，設備按照連接類型可分為串聯和并聯兩種設備。其中，線路、開關、變壓器等都屬于串聯設備元件；并聯設備包括發電機、電容器、負荷等。在變壓器的分類中，按繞組數可分為雙繞組變壓器和三繞組變壓器，按變壓器運行狀態可分為三相平衡和三相不平衡；線路可分為架空線路和地下電纜等，并根據實際鋪設情況分為三相、兩相和單相線路。在建立配電網中低壓拓撲模型時，需要對這些屬性進行詳細描述。

在面向D-IoT建設中，目前CIM對D-IoT體系的覆蓋及描述能力有待完善。對于云側模型，缺少低壓設備和拓撲模型及相關描述，缺少包括配變監測終端、線路監測終端等各類新型智能配用電終端的建模。本文根據中低壓配電網及D-IoT的拓撲建模需求，對CIM進行擴展。

2.1 端子類擴展

端子類描述所有導電設備的電氣連接點，因此對配電網的CIM進行擴展時，首先要對其進行擴展，如圖4所示。端子類擴展相位屬性字段，用來唯一標識端子所在的相位，不同相位的端子無法進行合并。端子類與導電設備類相關聯，通過相位屬性（phases）表示導電設備（線路、開關、變壓器等）的相位編碼；設計了導電設備運行狀態類（Conductor Operation），用以描述設備單相、兩項、三相平衡、三相不平衡運行。

圖4 CIM端子類擴展Fig.4 Terminal extension of CIM

2.2 線路類擴展

對線路類（Conductor）進行擴展，如圖5所示，增加了描述低壓拓撲連接的屬性，擴展導體屬性連接開關柜編號，用以描述低壓配網導體兩端連接電氣設備；設計了線路類型類（WireType），相位屬性用以表示線路相位編碼，線路連接類型屬性表示三相線路采用的連接方式，進一步分為架空線（OverheadLine）、地下電纜（UndergroundCable），擴展線路參數字段，表示不同線路型號；擴展了每相阻抗數據類（PhaseImpedanceData），屬性字段正序電導、電納、電阻、電抗用以表示每相線路參數，相位屬性表示該段線路的相位編碼。

圖5 CIM線路類擴展Fig.5 Conductor extension of CIM

2.3 開關類擴展

針對配網開關類（Switch）的擴展，如圖6所示，設計了開關相位類（SwitchPhase），控制相位屬性用以表示單個開關控制的相位。對各種開關柜等設備建模，開關柜的主要作用是在電力系統進行發電、輸電、配電和電能轉換的過程中，進行開合、控制和保護用電設備。開關柜在建模時可以看作是斷路器、負荷開關、隔離開關、操作部件、互感器及各種保護裝置的集合，因此與這類元件的關系為聚合關系。由此設計了開關柜類（Cabinet），表示各類開關的聚合，其中開關柜編號屬性唯一標識數據庫中的開關柜編號信息，相位屬性表示該開關柜中可控的相位編碼。

圖6 CIM開關類擴展Fig.6 Switch extension of CIM

2.4 電力變壓器類模型

在最新的CIM中，電力變壓器類（PowerTransformer）已更新了三相模型，由電力變壓器端點類（PowerTransformerEnd）來描述變壓器端部線路阻抗參數，電力變壓器端點類通過與變壓器星形阻抗類（TransformerStarImpedance）、變壓器導納類（TransformerCoreAdmittance）等相關聯來表示電力變壓器的具體參數矩陣。CIM電力變壓器類如圖7所示。

圖7 CIM電力變壓器類Fig.7 Power transformer of CIM

2.5 負荷類擴展

CIM負荷類（EnergyConsumer）擴展如圖8所示，表示負荷額定有功無功，相位連接屬性用以表示三相負荷的連接方式；擴展了每相負荷類（EnergyConsumerPhase），其屬性字段用以表示每相有功無功負荷以及所在相位；擴展了負荷響應特性類（LoadResponseCharacteristic），負荷類型屬性表示負荷類型（恒功率、恒阻抗、恒電流），不同類型負荷的有功無功參數由余下屬性進行表示。

圖8 CIM負荷類擴展Fig.8 Energy consumer extension of CIM

2.6 量測類擴展

對量測類（Measurement）進行擴展，如圖9所示，設計了低壓量測終端類（LowVoltageTerminal Unit），與端子類相關聯，用以描述低壓量測終端，包括配電監測單元（DistributionMonitoringUnit）、饋線監測單元（FeederMonitoringUnit）、智能電表等。其中低壓量測終端編號唯一標識數據庫中的低壓量測終端編號信息，開關柜編號屬性表明該量測裝置所在的電氣節點，相位屬性表明該裝置的量測相位。

圖9 CIM模型量測類擴展Fig.9 Measurement extension of CIM

3 面向配電物聯網的拓撲分析模型

3.1 云側拓撲擴展分相模型

“云”是云化的主站平臺。以從同一主站引出的所有饋線作為1個整體對象，對新輸入CIM電網數據進行處理，形成全網的拓撲結構。云側低壓配電網在實際運行中會出現三相不平衡運行狀態，在合并連接節點時，首先要確認連接節點周圍端子相位屬性值相同，然后再形成拓撲節點，劃分子系統，形成拓撲島進行分析。圖10給出了中低壓配電網云側拓撲分析流程。

圖10 云側拓撲分析流程Fig.10 Process of cloud-side topology analysis

3.2 邊側局部拓撲分析模型

“邊”為用戶終端側，在實際的系統中，經常出現開關類元件變位的情況。邊側開關動作會改變系統的拓撲結構，但對網絡拓撲的影響僅局限于局部區域。在完成云側全局拓撲分析的基礎上，此時無需重新分析整個網絡的拓撲，只需要修正動作開關所涉及區域的拓撲，即可實現快速拓撲分析。圖11給出了邊側局部拓撲分析流程。

圖11 邊側局部拓撲分析流程Fig.11 Process of edge-side local topology analysis

4 D-IoT云邊協同拓撲交互方法

D-IoT云邊協同遠程通信協議采用標準的設備管理、配置、命令、數據上報接口。信息模型包含云主站信息模型、邊節點信息模型等。云主站模型包含一次設備、二次設備、配置、電網拓撲、量測、服務等信息；邊節點信息模型包含設備拓撲、量測、設備管理等信息。把拓撲信息按照CIM格式，以消息隊列遙測傳輸協議MQTT（message queuing telemetry transport）進行傳輸，能夠滿足D-IoT平臺設計、數據交換方面的快速開發、即插即用、高效傳輸。

5 結語

作為不斷發展更新的標準，CIM提供了電力系統各業務應用之間的模型和數據標準。由于現有的CIM缺乏面向D-IoT的拓撲模型，本文對拓撲建模涉及的導電設備模型進行了擴展，分別對端子、線路、開關、變壓器、負荷和低壓終端進行了建模和擴展，建立了D-IoT云側低壓配電網擴展分相模型和邊側局部拓撲分析模型，明確了D-IoT云邊協同的拓撲交互方法與內容，以及所采用的通信協議。