調度主站與變電站共享建模的關鍵技術研究

楊啟京

(國電南瑞科技股份有限公司，南京市210061)

0 引言

為確保智能電網健康有序地發展，包括中國在內的許多國家都在大力推進智能電網標準化工作，相繼提出了一批對智能電網建設有重大影響，并適用于智能電網多個技術領域的核心標準［1］。IEC 61970作為智能電網核心標準，在模型和圖形等方面都發生了較大的變化。中國結合智能電網調度技術支持系統的實際應用需求，已提出電網通用模型描述規范(CIM/E)、電網圖形描述規范(CIM/G)等，其中由中國向IEC提交的CIM/E和CIM/G 2項智能調度技術支持系統國際標準提案已獲準立項并將轉化為IEC的國際標準［2］。本文重點介紹CIM/E和CIM/G從變電站到主站系統的圖模生成中的應用，并基于此進行的主站系統對變電站共享圖模的按需裁減技術。

目前常見的主站與變電站圖模共享方式為變電站導出站內完整的一次設備的CIM/XML模型以及CIM/SVG接線圖并共享給主站系統，主站系統根據站端提供的模型導入來完成信息的共享［3］。但是這種方式也暴露出一些問題，首先，采用 CIM/XML、CIM/SVG分別作為模型和圖形共享載體，在站內信息量較大時無論是變電站側的導出還是主站側的導入處理效率都比較低。以500 kV常熟變電站為例，如果導出帶量測定義的CIM/XML模型，僅該模型文件大小就有9 M多，而通過CIM/E的方式導出同樣模型范圍的模型文件大小只有900 k，變電站側共享的CIM/SVG圖形也存在同樣的問題。因此，對于實時性要求越來越高、信息量越來越大的電網調度自動化系統來說通過CIM/E和CIM/G規范來交互調度主站和變電站的圖模是一種更好的選擇。另外，目前大多數調度主站對變電站共享的模型沒有選擇權，無法根據實際需要獲取所關心的模型，過濾掉不需要的模型，因而需要導入大量冗余信息或要求變電站提供多個版本的模型。以上問題對主站與變電站共享建模的實用化會造成很大困難，本文通過深入研究，提出了很好的解決方法。

1 變電站側圖模生成規范

調度主站與變電站共享建模的關鍵技術研究包含了調度主站與變電站2個方面的內容，對于變電站側本文介紹變電站到主站的圖模生成規范CIM/E和CIM/G，從圖1主站和變電站共享建模關鍵技術的數據流程中可以清楚地看到，變電站側圖模生成規范主要包括了變電站SCD模型［4］到CIM/E模型的轉換和變電站與主站圖形的共享規范。

圖1 主站和變電站共享建模關鍵技術的數據流程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模型轉換

在IEC標準中變電站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模型到調度主站 IEC 61970模型文件的轉換，將大大減輕主站EMS系統的建模工作，具有現實的工程意義。

IEC 61850變電站系統配置文件(system configuration description，SCD)描述了變電站內所有智能電子設備(intelligent electronic devices，IED)的實例配置和通信參數、IED之間的通信配置以及變電站一次系統結構等信息［6-8］。通過變電站SCD模型轉換生成變電站一次設備模型及拓撲關系，并且能夠根據SCD模型生成開關、刀閘、變壓器等一次設備量測信號，供主站使用［9］。常見的變電站SCD模型到IEC 61970模型轉換可以通過CIM/XML的方式來實現，但由于CIM/XML自身存在變電站內信息量大時處理效率低等問題，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點

CIM/E是CIM與E語言的結合體，它保留了兩者各自的優點，又同時避免了原有各自的缺點。

CIM/E基于面向對象技術，繼承了CIM和XML的優點，將電力系統傳統的面向關系(設備)的數據描述與面向對象的CIM相結合，既保留了面向設備方法的高效率，繼承了其長期研究的成果，又吸收了面向對象方法的特點［10］。

CIM/E可以高效地描述電力系統各種復雜數據模型和簡單數據模型。變電站模型中除了含有一次設備模型外，還包含了大量一次設備的量測信息，對于CIM/E來說數據量越大，效率越高。

CIM/E已經在國家電網公司范圍內進行了大量的工程應用，具有廣泛的工程基礎。

1.1.2 SCD模型到CIM/E的映射

SCD模型到CIM/E模型轉換分為靜態模型轉換和動態模型轉換。靜態模型轉換主要內容是生成變電站一次設備資源及其關聯關系。動態模型轉換較為復雜，必須建立一次設備與二次設備邏輯節點之間的關聯關系，根據SCD文件IED模型的數據模板，生成開關、刀閘、變壓器等一次設備量測信號相關的資源及其關聯關系。通過靜態模型轉化，可以獲取到變電站一次設備的模型信息，而通過動態模型轉化可以得到變電站內一次設備的量測定義以及與調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(voltageLevel)、間隔(bay)、變壓器(power transformer)、變壓器繞組(transformer winding)、斷路器(breaker)、連接點(connectivity node)、端子(terminal)等變電站一次設備元素在CIM/E模型中也存在，它們屬于共通的對象模型，這些模型可以建立起它們之間的映射關系(見圖2)，但并不都是一對一的嚴格映射關系，還包括具有一對多的映射關系。如變電站間隔模型與主站CIM/E模型中間隔和母線段2個對象模型形成映射關系;也有多對多的映射關系，如變電站電容器組和電抗器組模型2個模型與主站CIM/E模型中串、并聯補償器形成映射關系。

圖2 SCD與CIM/E靜態模型映射關系Fig.2 Mapping relationship of SCD and CIM/E static models

動態模型轉換內容主要包括:建立一次設備與二次設備邏輯節點之間的關聯關系，即根據SCD文件IED模型的數據模板，生成開關、刀閘、變壓器等一次設備量測信號相關的資源及其關聯關系;建立所需的映射表，自動生成量測和控制信號地址。

1.2 變電站與主站的圖形共享規范

變電站與主站圖形共享規范采用的是CIM/G。CIM/G是在IEC 61970－453基于CIM的圖形交換基礎上，針對SVG文本較大，且網絡傳輸較慢這個問題所發展起來的專門為電力系統服務的一種新型高效的圖形描述語言［11］。CIM/G包括兩大類，一類是系統公有信息，包括電壓等級定義、圖元、間隔、菜單等，類似于C語言的頭文件，交換頻率較低;另一類是某幅具體圖形的描述，采用類似于C語言中函數調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據量。CIM/G是一種基于標記的遵循XML標準的純文本語言，與SVG之間可以相互轉換。以下是一段CIM/G的樣例。

根據上文，可以看出采用CIM/G來描述變電站接線圖，是實現變電站與主站圖形共享可行、高效的方案。

對于變電站模型和圖形轉到CIM/E和CIM/G模型，圖形轉換的具體實現方式一般由各變電站廠家參照CIM/E和CIM/G規范來完成。

2 調度主站圖模裁減技術

2.1 模型裁減技術

目前在變電站與主站共享建模中存在的一個很重要的問題就是主站只能被動地接收變電站側提供的全部模型，而變電站側很難為各級調度生成不同的模型。例如，對于500 kV變電站來說，網調只需獲得500 kV的設備模型，要在500 kV變壓器上等值，屏蔽中低壓側部分的模型，而省調則可能需要獲得該500 kV變電站的全站模型;對于220 kV變電站來說，省調只需獲得220 V的設備模型，因此，要在該站220 kV變壓器上設置等值，屏蔽中低壓側部分的模型，而地調則可能需要獲得該廠站全站模型。圖模裁減技術在這個問題上取得了突破，變電站所提供的CIM/E模型包含站內所有的設備信息，而不同級別的調度系統則可以通過圖模裁減技術根據需要從中裁剪出本系統所需的模型信息。

2.1.1 模型的等值策略

模型裁減的基礎是模型的等值策略，根據實際需求并結合電力系統中的常見情況，歸納總結出主站對于變電站上送的模型等值的2種常用策略。

(2)變壓器等值。將變壓器高壓側等值成負荷，同時刪除中低壓側的設備。此種情況常見于網省調在廠站模型共享的時候，它只關注特定電壓等級的模型。

2.1.2 模型裁減流程

變電站與主站共享建模中主站側模型裁減流程包括幾個方面的內容，如圖3所示。

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

(1)解析變電站的一次設備模型文件，抽取出可能需要做等值的設備變壓器和線路，在等值策略中按電壓等級列出抽取的設備，用戶根據實際需要選擇相應設備，定制等值裁減策略。

(2)在進行等值裁減前，需要先對模型進行拓撲搜索，如定義了變壓器等值，則根據選取的電壓等級，以對應電壓等級的變壓器繞組為起點搜索所有與該繞組相連的設備，并將這些設備置上裁減標志，根據裁減標志將這些設備在內存中刪除，并給該變壓器置上等值標志。

(3)對裁減后保留下來的模型進行拓撲校驗和常用的電力系統規則校驗。

(4)將裁減完和校驗正確后的模型導入主站系統。

結 合 W1、W2、W3及 3 個 子 系 統權重 w=[0.42，0.29，0.29]， 利用公 式（1）求得相應的歐式貼近度，如圖1。

2.2 CIM/G圖形裁減技術

在可裁剪式CIM/E模型接入的基礎上，可以使用同樣規則對廠站端提供的CIM/G圖形進行裁剪，以滿足不同級別調度機構對廠站圖的要求。最常見的應用變壓器等值，即裁剪掉變壓器中、低壓側的圖形。

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而不是其模型的關聯信息。廠站上送的圖形中很難保證所有的設備都有與模型的關聯信息。如有些廠站部分設備還在改造建設當中，模型中并無此設備的信息，但廠站提供的接線圖中很可能已經提供了這個設備的圖形信息，如果單純依賴模型裁減時提供的刪除設備信息，很難將此類接線圖上的圖元信息裁減干凈。但廠站端可以保證在作圖時，所有圖元在圖形中連接信息的正確性，因此，根據圖元在廠站圖中的連接信息判斷是否裁減該圖元是一個可行的方案。

(2)基于CIM/E模型的CIM/G接線圖其結構比單純的模型更加復雜，通過深度優先搜索可以極大地簡化圖形結構，快速形成拓撲。

(3)深度優先搜索可以有效地避免重復搜索設備和拓撲節點，提高搜索效率。

(4)可以有效地發現廠站接線圖中圖元間連接信息有誤的問題，如相鄰開關與刀閘間沒有連接線或連接線未連上。

2.2.2 圖形裁減深度優先搜索方法的應用

在CIM/G圖形中連接線(connect line)主要用于描述電力系統中各種設備間的連接關系。其主要屬性“link”，描述的是設備間通過連接線相連的關系，該屬性在圖形文件中表述格式為“連接線與對象相連的端子號，所連對象1的端子號，所連對象1的ID;…;連接線與對象相連的端子號，所連對象n的端子號，所連對象n的ID”。以下是連接線的一個具體的例子。

＜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"/＞

在圖形裁減中以設備圖元作為節點，連接線作為邊，等值定義的設備圖元作為起點和終點進行深度優先搜索，遍歷搜索過的設備圖元都置上染色的標志，搜索完成后所有染上色的設備圖元都作為裁減的對象(見圖4)。

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

3 結語

蘇州智能電網調度技術支持系統和江蘇省調智能電網調度支持系統中，實現了智能變電站一次設備統一建模、智能變電站SCD模型到CIM/E模型轉換、智能變電站導出CIM/E模型和CIM/G圖形、調度主站可裁剪式CIM/E模型和CIM/G圖形接入。目前蘇州智能電網調度技術支持系統和江蘇省調智能電網調度支持系統中500 kV常熟變電站的電網模型和變電站接線圖均來自站端，站端上送的實時數據正常。主站與變電站共享建模中的關鍵技術可以解決原有共享建模方式中的圖模交互效率不高、主站建模完全依賴變電站側而不能靈活自動地根據自身需要來獲取信息的問題。本文成果在實際工程中具有良好的應用前景和推廣價值。

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