基于IEC61970的電容器保護CIM模型研究

曹寧，袁嘉博

（河海大學計算機與信息學院，江蘇南京211100）

目前我國的電力系統已基本形成大電網、大機組、高電壓書店和大區互聯的格局，這種電力系統規模不斷擴大和分布地域遼闊的特點，使電力系統結構和運行方式日益復雜，要確保電網安全、經濟、優質運行，必須有自動化技術的支持。作為電力系統子站系統——變電站自動化，必須能夠正確和及時地掌握電力系統的實時運行情況，控制和協調電力系統的運行方式，及時處理影響系統正常運行的事故和異常情況，才能夠保證電力系統的安全、經濟運行。

變電站自動化系統按照功能可以分為4類：1）電力系統和設備的保護系統，如線路、變壓器、母線保護等；主要針對設備和電力系統響應異常缺陷，快速隔離故障，實現可靠功能；2）運行控制系統，如測控、監控系統等，主要針對電網控制運行，如“遙控、遙測、遙信、遙調”，順控、防誤閉鎖等功能要求主要功能實現集中在監控系統，測控功能比較單一；3）監視分析系統，主要體現為變電站二次系統的監視和對于系統1）、2）響應的分析；4）計量系統用于電力/電量結算。

隨著智能變電站內部設備和系統的發展，尤其是狀態監測、輔助應用等設備的接入，雖然在一定程度上提高了變電站的自動化水平，同時也帶來了信息難以共享、設備之間不具備互操作性的問題[1]。

文中在IEC 61970的研究基礎上，根據公共信息模型CIM的建模原理和特點，嘗試建立電容器模型及其保護模型，解決智能變電站保護模型中電容器保護模型的缺失問題，驗證CIM建模理論和方法的有效性。

1 CIM類和關系

IEC 61970采用面向對象建模技術，定義了基于CIM的公共語言，包括語法和語義。CIM是一個抽象信息模型，描述電力企業所有對象邏輯結構和關系的信息模型，提供了一種表示電力系統對象，包括其屬性和相互關系的標準[2]。

CIM由包組成，包是人為將相關模型分組[3]，有15個邏輯包，290多個類。類是面向對象中系統組織結構的核心，類是對一組具有相同屬性、操作、關系和語義的事物抽象。

如圖1變壓器模型所示，電力系統資源類（Power System Resource）、設備類（Equipment）和導電設備類（Conducting Equipment）是屬于核心包（Core），其他類比如變壓器類（Power Transformer）、變壓器繞組類（TransformerWinding）、繞組測試類（WindingTest）等等是屬于電線包（Wires），包的劃分并不意味著界限的劃分，一個應用可以跨越多個包。同時可以發現類與類之間的關系主要有以下3種：1）電力系統資源類是父類，設備類是子類，設備類可以繼承電力系統資源類的屬性；2）變壓器類中可以包含多個變壓器繞組類，而一個變壓器繞組類只能屬于一個變壓器類，體現了聚集關系，菱形箭頭指向的一端是整體類，另一端是局部類；3）繞組測試類和變壓器繞組類是雙向的簡單關聯關系。

2 電容器CIM建模

圖1 變壓器模型Fig.1 Power Transformer Model

電力網中由于占大多數的感性負荷的存在，需要吸收大量的無功功率，如果這些無功功率都要求由電源供給，將使得功率因素下降、線路壓降提高、損耗增加、降低輸電的效率和電能質量。因此，在電網建設和運行中要求無功功率盡可能實現就地平衡，在變電站內裝設并聯電容器組。根據CIM建模思想，用UML語言描述模型，通過Rational Rose建模工具對CIM模型進行更新和維護。如圖2電容器CIM模型。電容補償器類（Compensator）是調節導電設備類（Regulating CondEq）的泛化，繼承其屬性結構。調節導電設備類是來自核心包的導電設備類的泛化，可調節測量類，并有一個調節計劃類（RegulationSchedule）。電容補償器類和交流線段類（ACLine Segment）是聚集關系，交流導線是電容器組的必備部分，當并聯電容器組裝設時，需要一組電氣特性一致的交流導線，傳輸補償的無功功率。電容補償器類和接地類（Ground）呈簡單關聯關系，保證地段電勢為0 V，保證電器和人身安全。

圖2 電容器模型Fig.2 Compensator Model

3 電容器保護模型的實現

3.1 IEC 61970標準保護模型研究

保護包（Protection）是電力一二次系統關聯的最主要的包，是核心包和電線包的擴展，用來建立保護設備（如繼電器）的信息模型[4]。

如圖3所示，是標準中保護包的主模型。可以看出保護模型圍繞（ProtectionEquipment）展開描述。通過保護設備類與導電設備類之間的多元關聯，描述電力系統中保護設備與導電設備間的關系，即一個保護設備可以保護多個導電設備，同時一個導電設備可以被多個保護設備所保護。其中還定義了SynchrocheckRelay（同步保護）和CurrentRelay（過流保護），都是從保護設備派生而來[5]。

圖3 保護模型Fig.3 Protection Model

3.2 電容器保護模型

IEC 61970標準中定義的保護模型較簡單，無法完整地描述電力系統中電容器的整個保護邏輯，所以，首先在了解研究電容器保護原理的基礎上，對設備內部的保護功能進行區分[6]，闡述保護定值信息等具體內容，以更好地形成保護功能。

35 kV及以下系統中電容器組需考慮以下故障情況：①電容器組與斷路器之間連線的短路；②單臺電容器內部極間短路；③電容器組多臺電容器故障；④母線電壓升高；⑤電容器組過負荷；⑥電容器組失壓。針對以上故障情況，裝設以下保護如圖4所示：電容器本身具有的熔斷保護類（Fuse），當過電流通過時，元件受熱并熔斷，所以應該設置熔斷電流額定值；過電流保護類（OverCurrentProtection），需要相應地定值過電流保護1段和動作時限1、過電流保護2段和動作時限等保護屬性；不平衡保護類（UnbalanceProtection），主要包括不平衡電壓及不平衡電流等等；過電壓保護（Over Voltage Protection），反映母線電壓升高，宜設置反時限特性（Inverse Time Flag）屬性。

圖4 電容器保護模型Fig.4 Compensator Protection Model

4 結束語

智能變電站技術的發展將最終為電網建設、運行帶來安全、經濟價值，諸多技術問題需要在智能變電站試點工程實施過程中進行積極探索。因此，對于IEC 61970標準中的信息模型要求也越來越高，要求能夠協調裝置之間的互操作，實現信息的高效共享，適應智能變電站的不斷發展和創新。

[1] 樊陳，倪益民，竇仁暉，等.智能變電站信息模型的討論[J].電力系統自動化，2012，36（13）:15-19.FAN Chen，NI Yi-min，DOU Ren-hui，et al.Discussion on smart substation information mdel[J].Automation of Elect-ric Power Systems，2012，36（13）:15-19.

[2] 彭明偉，劉毅，郭創新.CIM模型在繼電保護設備建模中的應用[J].機電工程，2009，26（5）:98-100.PENG Ming-wei，LIU Yi，GUO Chuang-xin.Application of CIMin modeling relay protection equipment[J].Mechanical&Electrical Engineering Magazine，2009，26（5）:98-100.

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[4] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 890.301-2004能量管理系統應用程序接口（EMS-API）第301部分：公共信息模型（CIM）基礎[S].北京:中國電力出版社，2005.Draft IEC61970:Energy Management System Application Program Interface（EMS-API）-Part 301:Common Information Model（CIM）[S].Beijing:China Electric Power Press，2005.

[5] 周伊琳，孫建偉，黃縉華，等.基于IEC61970標準的電力系統保護模型擴展方案研究與應用[J].電力系統保護與控制，2013，41（14）:120-124.ZHOU Yi-lin，SUN Jian-wei，HUANG Jin-hua，et al.Research and application of power system protection model extend schema based on IEC61970[J].Power System Protection and Control，2013，41（14）:120-124.

[6] 毛鵬，魏晉雁，茹鋒.基于IEC61970的電力系統二次設備CIM建模初探[J].繼電器，2007，35（11）:65-68.MAO Peng，WEI Jin-yan，RU Feng.The primary exploration od CIMmodeling for the secondary equipments in power system based on IEC61970[J].Relay，2007，35（11）:65-68.