基于CIM 拓撲模型的配電網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)分析

孫加++吳昊

【摘 要】本文在IEC61970CIM 的基礎(chǔ)上對CIM 拓撲模型進行配電網(wǎng)線路的聯(lián)絡(luò)路徑與瓶頸區(qū)間分析，提出一種基于多叉樹的拓撲分析方法，將桿塔、開關(guān)、變壓器、站所、用戶等看作節(jié)點，將饋線段看作邊，利用從屬關(guān)系反映他們間的連接關(guān)系，構(gòu)建一棵有序的多叉樹，同時將設(shè)備屬性、饋線段規(guī)格與上下級關(guān)系保存于每個節(jié)點中，便于根據(jù)特定的應(yīng)用從某個節(jié)點正反向追溯計算。該方法的C#實現(xiàn)主要用于配電網(wǎng)拓撲計算，較其它復(fù)雜拓撲實現(xiàn)起來更簡單和可擴充。

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng) 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(tǒng)應(yīng)用程序的模型和接口的標準，包含導(dǎo)則、術(shù)語、公用信息模型（Common Information Model，CIM）和兩種級別的組件接口規(guī)范（Component Interface Specification，CIS）共5個部分。其中， CIM定義了能量管理系統(tǒng)（EMS）的應(yīng)用程序接口標準，即電力對象模型及其關(guān)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(xiàn)系統(tǒng)間的信息交換。

目前，各調(diào)度軟件開發(fā)廠商均在開發(fā)以IEC61970規(guī)約為基礎(chǔ)的調(diào)度軟件。調(diào)度軟件中的網(wǎng)絡(luò)拓撲，需要將配電網(wǎng)一次接線圖處理成高級應(yīng)用軟件所需的計算節(jié)點模型，形成新的網(wǎng)絡(luò)接線形式。本文提出的基于多叉樹的網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，根據(jù)CIM模型構(gòu)建的配電網(wǎng)一次接線圖，利用模型間的繼承關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用按樹搜索策略，能夠?qū)θ魏谓泳€方式下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)模型的拓撲連接關(guān)系。圖1是CIM模型Topology包中的拓撲模型結(jié)構(gòu)：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(dǎo)電設(shè)備的電氣點。連接點是導(dǎo)電設(shè)備端子的無電阻融合點，包含一組端子。CIM模型中一個導(dǎo)電設(shè)備包含幾個端子。例如一個開關(guān)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(guān)聯(lián)關(guān)系定義了導(dǎo)電設(shè)備類與端子，端子與連接點間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。端子和連接點共同建立起設(shè)備之間的電氣連接關(guān)系。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲方法

電網(wǎng)專題圖拓撲數(shù)據(jù)和圖形分別以CIM格式SVG矢量圖形格式定義，CIM與SVG結(jié)合完整表達電網(wǎng)模型如圖2所示，用于電網(wǎng)模型的可視化展示。

2.1 拓撲算法描述

配電網(wǎng)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(guān)、刀閘等設(shè)備，以及連接在變壓器上的各類用戶單位。某配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)區(qū)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(lián)絡(luò)開關(guān)相連，平時斷開，當(dāng)一端線路供電的變電站出現(xiàn)故障，停止供電后，線路間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，由對供線路供電。根據(jù)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，如果將變電站看作是根節(jié)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(shè)備，如桿塔、變壓器、開關(guān)、站所、用戶等都可以看作是樹葉，分叉處的節(jié)點可能是桿塔、站所等，我們采用深度優(yōu)先的搜索策略，從根節(jié)點（變電站）出發(fā)，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(jié)點，繼續(xù)尋找當(dāng)前主干線的其它路徑，直到搜索完所有支路和節(jié)點，邊搜索邊將上下級關(guān)系或稱為父子關(guān)系登記以備查。

2.2 聯(lián)絡(luò)分析描述

包含聯(lián)絡(luò)關(guān)系的某配網(wǎng)線路一次接線圖的電氣拓撲，如圖4所示，紅色數(shù)字代表CIM模型中的端子（Terminal）。采用深度優(yōu)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(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)：LK2開關(guān)的23號端子、LK3開關(guān)的16號端子、ZS的24號端子在當(dāng)前線路上無連接關(guān)系，但分別和線路3、線路4、線路2相連，所以可以判斷當(dāng)前線路通過”KG2”，”KG3”， ”ZS”這三個設(shè)備和其它線路構(gòu)成聯(lián)絡(luò)關(guān)系。為簡化數(shù)據(jù)組織與搜索過程，把每個設(shè)備的端子看作有統(tǒng)一連接點，設(shè)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(jīng)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(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，處于葉子節(jié)點的設(shè)備有”KG2”，”KG3”，”YH”，特點是它們沒有往下的子節(jié)點了，再加上所有站所設(shè)備”ZS”，再過濾掉不能構(gòu)成聯(lián)絡(luò)的用戶類型對象”YH”，就剩下”KG2”，”KG3”，”ZS”，且發(fā)現(xiàn)他們都與其它非當(dāng)前線路存在相連，得到與前圖相同的結(jié)論。根據(jù)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(jié)語

本文采用基于CIM模型的簡化后的深度優(yōu)先的拓撲算法，克服了傳統(tǒng)拓撲方法搜索效率低、不易理解和編程復(fù)雜的缺點。提高了拓撲搜索速度。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方式，拓撲過程不針對具體的設(shè)備類型，具有很強的適應(yīng)性和擴展性。同時，拓撲模型遵循CIM定義，使得網(wǎng)絡(luò)拓撲可以運行在任何支持CIM模型的系統(tǒng)平臺上，實現(xiàn)即插即用功能。實際應(yīng)用中，采用C#面向?qū)ο笳Z言實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲，應(yīng)用在導(dǎo)線規(guī)格統(tǒng)計、線路瓶頸統(tǒng)計、線損計算、動態(tài)著色等方面，取得了良好的效果。

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