基于CIM的图形化电网管理论文基于CIM的图形化电网拓扑建模与分析

基于CIM的图形化电网管理论文：基于CIM的图形化电网拓扑建模与分析摘要:网络拓扑是电力系统分析软件的基础,采用可视化的方法实现网络拓扑的建立是可视化能量管理系统的核心。文章基于CIM模型,建立了一个图形数据一体化的图形平台,该平台能够根据设备图元的端子坐标位置自动建立设备的连接关系,生成连接节点并编号。采用节点融合法实现拓扑分析,并按照分层次搜索策略进行拓扑的局部修正,该方法能减小搜索的范围,提高拓扑分析的速度,并具有很好的通用性和扩展性,易于编程实现。关键词:公共信息模型;图形数据一体化;拓扑分析0引言在能量管理系统的各种应用中,电力网络的拓扑建模与分析具有很重要的作用,它是潮流计算、状态估计等应用的基础[1,2]。为了实现能量控制中心内不同应用、不同系统之间的信息共享和数据交换,国际电工技术委员会在IEC61970标准中提出了电力系统公共信息模型[3](CIM),其目的就是使EMS的应用软件组件化和开放化,实现即插即用和相互连通,从而降低系统的集成成本,更好地保护用户资源[4]。本文基于CIM的电网模型,采用图形数据一体化技术实现了电网的图形平台。当用户图形界面绘制电网接线图时,软件则根据设备图元端子的坐标位置自动生成连接节点并依次为其编号,从而自动建立设备的连接关系。以此为基础,本文采用节点融合法实现了拓扑分析,并按照分层次搜索的策略对开关变位引起的局部拓扑变化进行修正。这种方法能减小搜索的范围,提高拓扑分析的速度,且算法简单,易于编程。1基于CIM的图形数据一体化平台设计1·1CIM中的电网模型CIM由一组包组成,包是相关模型元件的人为分组,它主要包括:核心包(Core)、拓扑包(To-pology)、电线包(Wires)、停运包(Outage)、保护包(Protection)、量测包(Meas)、负荷模型包(LoadModel)、发电包(Generation)和域包(Do-main)。CIM中的每个包由一组类组成,各个类之间通过简单关联、泛化和聚合相互联系在一起。在CIM的所有包中,与网络拓扑应用相关的主要是核心包和拓扑包[5]。其中核心包主要描述电力系统各种设备的层次关系[6],主要用于设备的统计和管理,它与拓扑包的关系在于拓扑包中的一组导电设备(ConductingEquipment)构成一个核心包中的间隔类(Bay),同时不同的导电设备属于不同的电压等级类(VoltageLevel),一组间隔或者电压等级构成了一个变电站类(Substa-tion)。而CIM中的拓扑包定义了电网拓扑关系的类,其中对电网拓扑关系的描述主要涉及5个类:导电设备、端子(Terminal)、连接节点(Con-nectivityNode)、拓扑节点(TopologicalNode)和拓扑岛(TopologicalIsland)。导电设备类是一个抽象类,并不产生实体对象,所有的电力设备类都是从该类派生出来的,比如发电机、母线和开关等。端子是导电设备对外的电气接口,导电设备具有不同数目的端子,如开关具有2个端子,而发电机只有1个端子。连接节点是指在这些节点上导电设备的端子通过零阻抗连接在一起,拓扑节点是指在当前网络状态下通过闭合的开关连接在一起的一组连接节点,而拓扑岛是由一组拓扑节点通过线路、变压器等非零阻抗支路连接而成。1·2拓扑平台的总体结构本文采用图形数据一体化技术[7]实现该拓扑分析平台。该平台主要由图形界面、数据库和拓扑分析等模块组成。1·3设备图元的设计及连接关系的自动建立根据CIM中的拓扑模型,每个图元都有连接端子,本文在设计图元时,在图元的端子处设置一个小圆圈“○”作为其敏感区域,以方便与其它端子连接,而由于母线的特殊性,母线图元的敏感区域是一个以母线所在直线段为中心线的矩形区域。部分图元的设计方案以及图元之间的连接关系如图2所示。图2图元的设计和连接关系的确定基于图2的图元设计,图元间的连接关系可以通过2条判据来确定:(1)对于普通图元间的连接,可以通过判断2个圆形敏感区域是否有重合区域来判断。假设2个端子敏感区域的圆心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2),则图元相连接的判据为(x1-x2)2+(y1-y2)2≤2r,其中,r为敏感区域的半径。(2)对于普通图元和母线间的连接,可以通过判断圆形与矩形敏感区域是否有重合区域来判断。假设纵向母线的横坐标为x,而另一个图元端子的圆心为(x1,y1),则图元和母线相连的判据为|x-x1|≤w/2+r,其中,w为矩形敏感区域的宽度。采用同样的方法,可以判断水平母线和图元间的连接关系。用户在绘图时,本软件能自动对图元进行编号,并且根据上述的2条判据生成连接节点并编号。1·4数据库的设计数据库由图元库、图元的图形属性表和图元的电气属性表3部分组成。图元库是为了方便绘图而设计的一些设备图形模板,用户可以根据绘图习惯和喜好,通过图形界面对图元库进行修改和编辑,以方便图形的绘制。图元的电气属性表用于记录元件的一些电气参数,如电压等级、额定功率、功率因数和运行状态等信息,可以为潮流分析和状态估计等应用做好数据准备。图元的图形属性表中的数据是用户作图时,软件自动保存的各个图元的信息,主要包括元件的ID号、元件标识号、所属厂站、图元两端端子的圆心坐标及元件两端的连接节点号等信息,其中元件ID和标识号为用户在绘图过程中由软件自动生成,方便数据的查找和更新。另外,在用户绘图的同时,软件将自动生成元件-连接节点邻接表并存入数据库,这就为拓扑分析的实现做好了充分的准备。这样,整个平台就实现了图形数据一体化建模。2拓扑分析的实现按照CIM术语,电网拓扑分析的目的就是将电力网络模型化简成由拓扑节点和元件组成的网络形式,一般通过2个步骤来完成:首先将连接节点归并形成拓扑节点,其次是将拓扑节点归并形成拓扑岛[8]。2·1拓扑节点的分析算法为了便于问题的说明,本文采用的电力系统模型,编号为用户绘图过程中由软件自动记录生成的连接节点编号。为了归并连接节点,先假设所有连接节点所属的拓扑节点与原始的连接节点编号相同。通过构造一个一维数组TN[n]保存连接节点所对应的拓扑节点编号,其中n表示系统中连接节点的个数。连接节点归并为拓扑节点的具体算法为:(1)对数组TN[n]进行初始化,令TN[i]=i(i为连接节点的编号,不使用编号0),即令所有连接节点所属的拓扑节点编号等于连接节点自身的编号。(2)遍历标识号为开关的所有元件,如果开关闭合则执行以下的步骤,否则不执行。①如果开关两端的连接节点j、k所属的拓扑节点编号TN[j]、TN[k]不相等,则消去较大的编号,保留较小的编号。具体的做法为:假设TN[j]TN[k],则TN[j]=TN[k],并将大于TN[j]的编号全部减去1;②如果开关两端的连接节点j、k所属的拓扑节点编号TN[j]=TN[k],则不做处理。经过上述处理后,连接节点就归并为拓扑节点。2·2拓扑岛的分析算法通过非零阻抗元件(如变压器、线路等)连接在一起的一组拓扑节点,形成一个拓扑岛。本文采用以非零阻抗元件为核心,扫描一遍支路数据659第5期高研,等:基于CIM的图形化电网拓扑建模与分析进行拓扑岛的分析,其分析算法与拓扑节点的分析算法相似。只要把上述拓扑节点对象当作连接节点对象,把变压器和线路等非零阻抗元件当作闭合的开关对象来处理,就可以采用上述的算法对拓扑岛进行分析。3局部拓扑变化的分层次处理开关变位对拓扑节点和拓扑岛造成的影响有以下3种情况[9]:①开关变位后,未造成拓扑节点数量的变化,开关两端的连接节点仍然属于同一拓扑节点,此时拓扑岛不会受影响;②开关闭合后,归并1个或多个拓扑节点,拓扑节点数量减少,也可能会引起拓扑岛的归并;③开关断开后,分裂出1个或多个拓扑节点,拓扑节点数量增加,可能会引起拓扑岛的增加。本文采用分层次的搜索方法来应对开关变位的情况,其目的是为了减小搜索范围。层次顺序关系为:拓扑节点—拓扑岛。其具体过程为:①获取与变位开关两端通过其它闭合开关相连在一起的所有连接节点及相关的设备信息;②根据上一步的信息判断是否会引起拓扑节点数量的变动,如果拓扑节点不受影响则修正结束;③如果拓扑节点的数量发生变化,则需要进一步对拓扑岛进行分析修正。下面以典型开关变位为例来说明拓扑的修正过程:开关由断开到闭合时,开关①两端的连接节点所属的拓扑节点相同,即在这2个连接节点之间存在另一条由闭合开关组成的连通路径。此时不会引起拓扑节点数量的改变,更不会引起拓扑岛的变化。开关②两端的连接节点属于不同的拓扑节点,这种情况会引起拓扑节点的归并,需要进一步对拓扑岛进行修正。开关由闭合到断开时,开关①两端的连接节点所属的拓扑节点相同。对于这种情况,从该开关的一个连接节点出发对该拓扑节点进行深度搜索,若能搜索到其另一个连接节点,则拓扑节点的数量不变,拓扑岛不受影响。但是对于开关③,经过深度搜索不能搜索到其另一端的连接节点,此时会引起拓扑节点数量的增加,需要进一步对拓扑岛进行修正。4结束语本文首先根据CIM的电网模型,建立了图形数据一体化的拓扑分析平台,具有很好的通用性和可扩展性,便于和能量管理系统的其它应用实现信息共享和集成。该平台能够在用户快速绘图的同时自动建立设备连接关系,并生成连接节点编号,无需人工建立设备间的连接关系。采用基于节点融合和分层次搜索方法进行拓扑分析,该方法简单、易于编程实现,并能够提高拓扑分析的速度。在实际应用中,采用VisualC++6·0和SQLServer2000实现了本文提出的拓扑分析平台,并应用于合肥工业大学分布式发电实验室的微网能量管理系统,试运行效果良好。[参考文献][1]于红,朱永利,宋少群,等.图形数据库一体化的厂站接线拓扑分析[J].电力自动化设备,2005,25(11):79-82.[2]祝滨,仇晋.基于矢量坐标搜索法的地区电网网络拓扑方法的研究[J].电力自动化设备,2003,23(2):63-65.[3]IEC61970,EnergyManagementSystemApplicationPro-gramInterface(EMS-API),Part301:CommonInformationModel(CIM)[S].[4]张慎明,刘国定.IEC61970标准系列简介[J].电力系统自动化,2002,26(14):1-6.[5]邵立东,吴文传,张伯明,等.基于CIM的EMS/DMS图形支撑平台的设计和实现[J].电力系统自动化,2003,27(20):11-15.[6]董朝霞,戴琦,杨峰,等.基于CIM和SVG的电网建模技术[J].电力系统及其自动化学报,2006,18(5):58-61.[7]赵菁,孙晖.基于CIM的集控站仿真培训建模支持系统[J].电力系统及其自动化学报,2005,17(3):69-72.[8]柳明,何光宇,卢强,等.网络分析应用中的公共信息模型[J].电网技术,2006,30(17):51-58.[9]刘文东,刘广一,于尔铿,等.电力网络局部拓扑的快速算法[J].电网技术,1996,20(3):30-33.