調(diào)度主站與變電站共享建模的關(guān)鍵技術(shù)研究

楊啟京

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京市210061)

0 引言

為確保智能電網(wǎng)健康有序地發(fā)展，包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都在大力推進(jìn)智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，相繼提出了一批對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)有重大影響，并適用于智能電網(wǎng)多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的核心標(biāo)準(zhǔn)［1］。IEC 61970作為智能電網(wǎng)核心標(biāo)準(zhǔn)，在模型和圖形等方面都發(fā)生了較大的變化。中國(guó)結(jié)合智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，已提出電網(wǎng)通用模型描述規(guī)范(CIM/E)、電網(wǎng)圖形描述規(guī)范(CIM/G)等，其中由中國(guó)向IEC提交的CIM/E和CIM/G 2項(xiàng)智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案已獲準(zhǔn)立項(xiàng)并將轉(zhuǎn)化為IEC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［2］。本文重點(diǎn)介紹CIM/E和CIM/G從變電站到主站系統(tǒng)的圖模生成中的應(yīng)用，并基于此進(jìn)行的主站系統(tǒng)對(duì)變電站共享圖模的按需裁減技術(shù)。

目前常見(jiàn)的主站與變電站圖模共享方式為變電站導(dǎo)出站內(nèi)完整的一次設(shè)備的CIM/XML模型以及CIM/SVG接線(xiàn)圖并共享給主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)根據(jù)站端提供的模型導(dǎo)入來(lái)完成信息的共享［3］。但是這種方式也暴露出一些問(wèn)題，首先，采用 CIM/XML、CIM/SVG分別作為模型和圖形共享載體，在站內(nèi)信息量較大時(shí)無(wú)論是變電站側(cè)的導(dǎo)出還是主站側(cè)的導(dǎo)入處理效率都比較低。以500 kV常熟變電站為例，如果導(dǎo)出帶量測(cè)定義的CIM/XML模型，僅該模型文件大小就有9 M多，而通過(guò)CIM/E的方式導(dǎo)出同樣模型范圍的模型文件大小只有900 k，變電站側(cè)共享的CIM/SVG圖形也存在同樣的問(wèn)題。因此，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高、信息量越來(lái)越大的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)通過(guò)CIM/E和CIM/G規(guī)范來(lái)交互調(diào)度主站和變電站的圖模是一種更好的選擇。另外，目前大多數(shù)調(diào)度主站對(duì)變電站共享的模型沒(méi)有選擇權(quán)，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要獲取所關(guān)心的模型，過(guò)濾掉不需要的模型，因而需要導(dǎo)入大量冗余信息或要求變電站提供多個(gè)版本的模型。以上問(wèn)題對(duì)主站與變電站共享建模的實(shí)用化會(huì)造成很大困難，本文通過(guò)深入研究，提出了很好的解決方法。

1 變電站側(cè)圖模生成規(guī)范

調(diào)度主站與變電站共享建模的關(guān)鍵技術(shù)研究包含了調(diào)度主站與變電站2個(gè)方面的內(nèi)容，對(duì)于變電站側(cè)本文介紹變電站到主站的圖模生成規(guī)范CIM/E和CIM/G，從圖1主站和變電站共享建模關(guān)鍵技術(shù)的數(shù)據(jù)流程中可以清楚地看到，變電站側(cè)圖模生成規(guī)范主要包括了變電站SCD模型［4］到CIM/E模型的轉(zhuǎn)換和變電站與主站圖形的共享規(guī)范。

圖1 主站和變電站共享建模關(guān)鍵技術(shù)的數(shù)據(jù)流程Fig.1 Data flow of key technology of sharing modeling between dispatch centre and substation

1.1 變電站SCD模型到CIM/E模型轉(zhuǎn)換

在IEC標(biāo)準(zhǔn)中變電站IEC 61850模型和主站IEC 61970模型分屬不同的工作組，它們無(wú)論是在模型描述方式還是模型定義本身方面，都截然不同［5］。因此，完成變電站 IEC 61850模型到調(diào)度主站 IEC 61970模型文件的轉(zhuǎn)換，將大大減輕主站EMS系統(tǒng)的建模工作，具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

IEC 61850變電站系統(tǒng)配置文件(system configuration description，SCD)描述了變電站內(nèi)所有智能電子設(shè)備(intelligent electronic devices，IED)的實(shí)例配置和通信參數(shù)、IED之間的通信配置以及變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等信息［6-8］。通過(guò)變電站SCD模型轉(zhuǎn)換生成變電站一次設(shè)備模型及拓?fù)潢P(guān)系，并且能夠根據(jù)SCD模型生成開(kāi)關(guān)、刀閘、變壓器等一次設(shè)備量測(cè)信號(hào)，供主站使用［9］。常見(jiàn)的變電站SCD模型到IEC 61970模型轉(zhuǎn)換可以通過(guò)CIM/XML的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于CIM/XML自身存在變電站內(nèi)信息量大時(shí)處理效率低等問(wèn)題，因此，提出了采用CIM/E作為變電站與主站模型共享載體的方式。

1.1.1 CIM/E作為模型信息載體的優(yōu)點(diǎn)

CIM/E是CIM與E語(yǔ)言的結(jié)合體，它保留了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)避免了原有各自的缺點(diǎn)。

CIM/E基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，繼承了CIM和XML的優(yōu)點(diǎn)，將電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的面向關(guān)系(設(shè)備)的數(shù)據(jù)描述與面向?qū)ο蟮腃IM相結(jié)合，既保留了面向設(shè)備方法的高效率，繼承了其長(zhǎng)期研究的成果，又吸收了面向?qū)ο蠓椒ǖ奶攸c(diǎn)［10］。

CIM/E可以高效地描述電力系統(tǒng)各種復(fù)雜數(shù)據(jù)模型和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)模型。變電站模型中除了含有一次設(shè)備模型外，還包含了大量一次設(shè)備的量測(cè)信息，對(duì)于CIM/E來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)量越大，效率越高。

CIM/E已經(jīng)在國(guó)家電網(wǎng)公司范圍內(nèi)進(jìn)行了大量的工程應(yīng)用，具有廣泛的工程基礎(chǔ)。

1.1.2 SCD模型到CIM/E的映射

SCD模型到CIM/E模型轉(zhuǎn)換分為靜態(tài)模型轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)換。靜態(tài)模型轉(zhuǎn)換主要內(nèi)容是生成變電站一次設(shè)備資源及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，必須建立一次設(shè)備與二次設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)SCD文件IED模型的數(shù)據(jù)模板，生成開(kāi)關(guān)、刀閘、變壓器等一次設(shè)備量測(cè)信號(hào)相關(guān)的資源及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)靜態(tài)模型轉(zhuǎn)化，可以獲取到變電站一次設(shè)備的模型信息，而通過(guò)動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)化可以得到變電站內(nèi)一次設(shè)備的量測(cè)定義以及與調(diào)度主站通信所用的定義和信息。

SCD模型中的諸如變電站(substation)、電壓等級(jí)(voltageLevel)、間隔(bay)、變壓器(power transformer)、變壓器繞組(transformer winding)、斷路器(breaker)、連接點(diǎn)(connectivity node)、端子(terminal)等變電站一次設(shè)備元素在CIM/E模型中也存在，它們屬于共通的對(duì)象模型，這些模型可以建立起它們之間的映射關(guān)系(見(jiàn)圖2)，但并不都是一對(duì)一的嚴(yán)格映射關(guān)系，還包括具有一對(duì)多的映射關(guān)系。如變電站間隔模型與主站CIM/E模型中間隔和母線(xiàn)段2個(gè)對(duì)象模型形成映射關(guān)系;也有多對(duì)多的映射關(guān)系，如變電站電容器組和電抗器組模型2個(gè)模型與主站CIM/E模型中串、并聯(lián)補(bǔ)償器形成映射關(guān)系。

圖2 SCD與CIM/E靜態(tài)模型映射關(guān)系Fig.2 Mapping relationship of SCD and CIM/E static models

動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)換內(nèi)容主要包括:建立一次設(shè)備與二次設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即根據(jù)SCD文件IED模型的數(shù)據(jù)模板，生成開(kāi)關(guān)、刀閘、變壓器等一次設(shè)備量測(cè)信號(hào)相關(guān)的資源及其關(guān)聯(lián)關(guān)系;建立所需的映射表，自動(dòng)生成量測(cè)和控制信號(hào)地址。

1.2 變電站與主站的圖形共享規(guī)范

變電站與主站圖形共享規(guī)范采用的是CIM/G。CIM/G是在IEC 61970－453基于CIM的圖形交換基礎(chǔ)上，針對(duì)SVG文本較大，且網(wǎng)絡(luò)傳輸較慢這個(gè)問(wèn)題所發(fā)展起來(lái)的專(zhuān)門(mén)為電力系統(tǒng)服務(wù)的一種新型高效的圖形描述語(yǔ)言［11］。CIM/G包括兩大類(lèi)，一類(lèi)是系統(tǒng)公有信息，包括電壓等級(jí)定義、圖元、間隔、菜單等，類(lèi)似于C語(yǔ)言的頭文件，交換頻率較低;另一類(lèi)是某幅具體圖形的描述，采用類(lèi)似于C語(yǔ)言中函數(shù)調(diào)用的方式引用頭文件。這樣，可以大大降低圖形文件交換的數(shù)據(jù)量。CIM/G是一種基于標(biāo)記的遵循XML標(biāo)準(zhǔn)的純文本語(yǔ)言，與SVG之間可以相互轉(zhuǎn)換。以下是一段CIM/G的樣例。

根據(jù)上文，可以看出采用CIM/G來(lái)描述變電站接線(xiàn)圖，是實(shí)現(xiàn)變電站與主站圖形共享可行、高效的方案。

對(duì)于變電站模型和圖形轉(zhuǎn)到CIM/E和CIM/G模型，圖形轉(zhuǎn)換的具體實(shí)現(xiàn)方式一般由各變電站廠(chǎng)家參照CIM/E和CIM/G規(guī)范來(lái)完成。

2 調(diào)度主站圖模裁減技術(shù)

2.1 模型裁減技術(shù)

目前在變電站與主站共享建模中存在的一個(gè)很重要的問(wèn)題就是主站只能被動(dòng)地接收變電站側(cè)提供的全部模型，而變電站側(cè)很難為各級(jí)調(diào)度生成不同的模型。例如，對(duì)于500 kV變電站來(lái)說(shuō)，網(wǎng)調(diào)只需獲得500 kV的設(shè)備模型，要在500 kV變壓器上等值，屏蔽中低壓側(cè)部分的模型，而省調(diào)則可能需要獲得該500 kV變電站的全站模型;對(duì)于220 kV變電站來(lái)說(shuō)，省調(diào)只需獲得220 V的設(shè)備模型，因此，要在該站220 kV變壓器上設(shè)置等值，屏蔽中低壓側(cè)部分的模型，而地調(diào)則可能需要獲得該廠(chǎng)站全站模型。圖模裁減技術(shù)在這個(gè)問(wèn)題上取得了突破，變電站所提供的CIM/E模型包含站內(nèi)所有的設(shè)備信息，而不同級(jí)別的調(diào)度系統(tǒng)則可以通過(guò)圖模裁減技術(shù)根據(jù)需要從中裁剪出本系統(tǒng)所需的模型信息。

2.1.1 模型的等值策略

模型裁減的基礎(chǔ)是模型的等值策略，根據(jù)實(shí)際需求并結(jié)合電力系統(tǒng)中的常見(jiàn)情況，歸納總結(jié)出主站對(duì)于變電站上送的模型等值的2種常用策略。

(2)變壓器等值。將變壓器高壓側(cè)等值成負(fù)荷，同時(shí)刪除中低壓側(cè)的設(shè)備。此種情況常見(jiàn)于網(wǎng)省調(diào)在廠(chǎng)站模型共享的時(shí)候，它只關(guān)注特定電壓等級(jí)的模型。

2.1.2 模型裁減流程

變電站與主站共享建模中主站側(cè)模型裁減流程包括幾個(gè)方面的內(nèi)容，如圖3所示。

圖3 主站側(cè)模型裁剪流程Fig.3 Flow chart of model reduction at dispatch center side

(1)解析變電站的一次設(shè)備模型文件，抽取出可能需要做等值的設(shè)備變壓器和線(xiàn)路，在等值策略中按電壓等級(jí)列出抽取的設(shè)備，用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)設(shè)備，定制等值裁減策略。

(2)在進(jìn)行等值裁減前，需要先對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)渌阉?，如定義了變壓器等值，則根據(jù)選取的電壓等級(jí)，以對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的變壓器繞組為起點(diǎn)搜索所有與該繞組相連的設(shè)備，并將這些設(shè)備置上裁減標(biāo)志，根據(jù)裁減標(biāo)志將這些設(shè)備在內(nèi)存中刪除，并給該變壓器置上等值標(biāo)志。

(3)對(duì)裁減后保留下來(lái)的模型進(jìn)行拓?fù)湫ｒ?yàn)和常用的電力系統(tǒng)規(guī)則校驗(yàn)。

(4)將裁減完和校驗(yàn)正確后的模型導(dǎo)入主站系統(tǒng)。

結(jié) 合 W1、W2、W3及 3 個(gè) 子 系 統(tǒng)權(quán)重 w=[0.42，0.29，0.29]， 利用公 式（1）求得相應(yīng)的歐式貼近度，如圖1。

2.2 CIM/G圖形裁減技術(shù)

在可裁剪式CIM/E模型接入的基礎(chǔ)上，可以使用同樣規(guī)則對(duì)廠(chǎng)站端提供的CIM/G圖形進(jìn)行裁剪，以滿(mǎn)足不同級(jí)別調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)廠(chǎng)站圖的要求。最常見(jiàn)的應(yīng)用變壓器等值，即裁剪掉變壓器中、低壓側(cè)的圖形。

圖形裁減變壓器等值的情況中最為核心的部分是采用了深度優(yōu)先的搜索方法，能夠干凈地裁剪掉圖形中不需要的部分。

2.2.1 使用深度優(yōu)先搜索方法的必要性

(1)圖形裁減以圖元在圖形中的連接信息為依據(jù)而不是其模型的關(guān)聯(lián)信息。廠(chǎng)站上送的圖形中很難保證所有的設(shè)備都有與模型的關(guān)聯(lián)信息。如有些廠(chǎng)站部分設(shè)備還在改造建設(shè)當(dāng)中，模型中并無(wú)此設(shè)備的信息，但廠(chǎng)站提供的接線(xiàn)圖中很可能已經(jīng)提供了這個(gè)設(shè)備的圖形信息，如果單純依賴(lài)模型裁減時(shí)提供的刪除設(shè)備信息，很難將此類(lèi)接線(xiàn)圖上的圖元信息裁減干凈。但廠(chǎng)站端可以保證在作圖時(shí)，所有圖元在圖形中連接信息的正確性，因此，根據(jù)圖元在廠(chǎng)站圖中的連接信息判斷是否裁減該圖元是一個(gè)可行的方案。

(2)基于CIM/E模型的CIM/G接線(xiàn)圖其結(jié)構(gòu)比單純的模型更加復(fù)雜，通過(guò)深度優(yōu)先搜索可以極大地簡(jiǎn)化圖形結(jié)構(gòu)，快速形成拓?fù)洹?/p>

(3)深度優(yōu)先搜索可以有效地避免重復(fù)搜索設(shè)備和拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，提高搜索效率。

(4)可以有效地發(fā)現(xiàn)廠(chǎng)站接線(xiàn)圖中圖元間連接信息有誤的問(wèn)題，如相鄰開(kāi)關(guān)與刀閘間沒(méi)有連接線(xiàn)或連接線(xiàn)未連上。

2.2.2 圖形裁減深度優(yōu)先搜索方法的應(yīng)用

在CIM/G圖形中連接線(xiàn)(connect line)主要用于描述電力系統(tǒng)中各種設(shè)備間的連接關(guān)系。其主要屬性“l(fā)ink”，描述的是設(shè)備間通過(guò)連接線(xiàn)相連的關(guān)系，該屬性在圖形文件中表述格式為“連接線(xiàn)與對(duì)象相連的端子號(hào)，所連對(duì)象1的端子號(hào)，所連對(duì)象1的ID;…;連接線(xiàn)與對(duì)象相連的端子號(hào)，所連對(duì)象n的端子號(hào)，所連對(duì)象n的ID”。以下是連接線(xiàn)的一個(gè)具體的例子。

＜ConnectLine fm="0"Plane="0"id="34000040"EndArrow Type="0"Ass Plag="128"lc="128，128，128"Show Mode="3"Switch App="1"Round Box="565，285，23，106"Dy Color Flag="52"Level End="16"Name String=""Level Start="0"AF="36895"d="576，296 577，380"tfr="rotate(0)"fc="0，255，0"ls="1"Start Arrow Type="0"link="0，1，101000036;1，0，100000037"lw="2"Start Arrow Size="4"End Arrow Size="4"/＞

在圖形裁減中以設(shè)備圖元作為節(jié)點(diǎn)，連接線(xiàn)作為邊，等值定義的設(shè)備圖元作為起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行深度優(yōu)先搜索，遍歷搜索過(guò)的設(shè)備圖元都置上染色的標(biāo)志，搜索完成后所有染上色的設(shè)備圖元都作為裁減的對(duì)象(見(jiàn)圖4)。

圖4 圖形裁減中深度優(yōu)先搜索流程Fig.4 Flow chart of depth-first search during graphics reduction

3 結(jié)語(yǔ)

蘇州智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)和江蘇省調(diào)智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了智能變電站一次設(shè)備統(tǒng)一建模、智能變電站SCD模型到CIM/E模型轉(zhuǎn)換、智能變電站導(dǎo)出CIM/E模型和CIM/G圖形、調(diào)度主站可裁剪式CIM/E模型和CIM/G圖形接入。目前蘇州智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)和江蘇省調(diào)智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)中500 kV常熟變電站的電網(wǎng)模型和變電站接線(xiàn)圖均來(lái)自站端，站端上送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)正常。主站與變電站共享建模中的關(guān)鍵技術(shù)可以解決原有共享建模方式中的圖模交互效率不高、主站建模完全依賴(lài)變電站側(cè)而不能靈活自動(dòng)地根據(jù)自身需要來(lái)獲取信息的問(wèn)題。本文成果在實(shí)際工程中具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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