基于CIM標(biāo)準(zhǔn)的四川省電網(wǎng)圖模數(shù)集成方法研究

周　劍，張國芳，代宇涵

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都　610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都　610072)

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基于CIM標(biāo)準(zhǔn)的四川省電網(wǎng)圖模數(shù)集成方法研究

周劍1，張國芳1，代宇涵2

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072)

摘要：隨著調(diào)度自動(dòng)化主站技術(shù)的發(fā)展，分級電網(wǎng)管理并對外網(wǎng)等值的建模方式已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)分析與計(jì)算對大電網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的需求。傳統(tǒng)建模方式中，邊界處設(shè)備被等值所導(dǎo)致的轄區(qū)外電網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)特性缺失易導(dǎo)致轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)與潮流計(jì)算的局限性。結(jié)合四川電網(wǎng)分布廣、區(qū)域劃分多、模型離散度大等特性，優(yōu)化圖模數(shù)集成方法，闡述了邊界設(shè)備智能查詢、ID重構(gòu)、比對增量入庫、模糊匹配等方法實(shí)現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)與圖形的省地一體化集成[1]。

關(guān)鍵詞：CIME文件解析；模型合并；智能邊界查詢；ID重構(gòu)；模糊匹配

Abstract：With the development of dispatching automation technology, hierarchical power grid management and external network equivalent modeling method cannot meet the requirements of power system analysis and calculation for large power grids and huge data. In traditional modeling method, there lacks the dynamic characteristics of power grid model of the equipment in the boundary caused by the equivalents, which can easily lead to the limitation of state estimation and power flow calculation. Due to the features of wide distribution, many region partition, large discrete degree of model in Sichuan power grid, the model-data-graph integration method is optimized, and the smart border-searching, ID reconstruction, incremental loading, fuzzy matching and other methods are presented to achieve the model-data-graphic integration.

Key words：CIM file analysis; model merging; smart border-searching; ID reconstruction; fuzzy matching

0引言

四川電網(wǎng)以行政區(qū)域作為依據(jù)劃分為21個(gè)地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度，但是電網(wǎng)規(guī)劃獨(dú)立于行政區(qū)域劃分，電網(wǎng)電氣聯(lián)系和區(qū)域劃分并不一致，地調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)不統(tǒng)一，導(dǎo)致地調(diào)與省調(diào)掌握的電網(wǎng)信息難以滿足一致性、完整性、可靠性與實(shí)時(shí)性方面的要求。省地調(diào)圖模數(shù)一體化集成的工作可以整合四川電網(wǎng)省調(diào)及各地調(diào)調(diào)度控制系統(tǒng)模型、圖形及電網(wǎng)運(yùn)行信息，提供統(tǒng)一模型管理及電網(wǎng)分析計(jì)算平臺(tái)。

傳統(tǒng)拼接方式在進(jìn)行大規(guī)模模型合并的過程中面臨邊界數(shù)量巨大，冗余模型難以切除，設(shè)備命名規(guī)范不統(tǒng)一，實(shí)測數(shù)據(jù)易發(fā)生跳變等諸多困難。省地調(diào)大規(guī)模圖模數(shù)一體化集成工作在全國范圍內(nèi)實(shí)用化程度不高[2]。此外由于在模型合并過程中需要切除公共建模部分的重復(fù)量測點(diǎn)，缺少量測的廠站圖與潮流圖會(huì)相應(yīng)失去使用價(jià)值。

針對上述局限性，提出了基于CIM規(guī)范的圖模數(shù)各自新的集成思路，通過CIME模型解析、智能邊界查詢、ID重構(gòu)、字段模糊匹配等多項(xiàng)技術(shù)，解決了模型合并中多系統(tǒng)融合的問題，提高了模型合并工作的可靠性。這些技術(shù)的使用可極大降低模型數(shù)據(jù)合并對省地兩級調(diào)度狀態(tài)估計(jì)的沖擊，為調(diào)度自動(dòng)化高級應(yīng)用提供實(shí)時(shí)性更高的模型數(shù)據(jù)以及實(shí)用性更強(qiáng)的圖形。

1知識(shí)點(diǎn)描述

1.1電網(wǎng)模型

電網(wǎng)模型通用描述規(guī)范(CIM based efficient model exchange format)，簡稱CIME。CIME是在 IEC 61970-301電力系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，為解決CIM/XML方式進(jìn)行描述時(shí)的效率問題而開發(fā)的一種新型高效的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述規(guī)范，具有簡潔、高效和適用于描述和交換大型電網(wǎng)模型的特點(diǎn)。目前國內(nèi)大部分調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)都遵循IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)，支持使用 CIM描述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，支持CIM文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出[3]，采用CIM規(guī)范作為圖形與模型標(biāo)準(zhǔn)為四川省地一體化建設(shè)的多系統(tǒng)平臺(tái)融合提供了便捷。

1.2模型合并

模型合并利用各調(diào)度單位調(diào)管范圍之內(nèi)的電網(wǎng)模型在調(diào)度邊界處通過拆分、組合，拼接出全網(wǎng)電網(wǎng)模型。各調(diào)度不同系統(tǒng)提供的模型文件格式及所包含域必須遵照《CIME電網(wǎng)物理模型描述與交換規(guī)范》，相同設(shè)備需使用統(tǒng)一的參數(shù)列表，共享區(qū)域ID編碼方式。

2模型集成關(guān)鍵技術(shù)

2.1一致性建模

四川地調(diào)模型拓?fù)潆x散度高，孤島數(shù)量多且不同地調(diào)建模系統(tǒng)不同，為模型邊界維護(hù)、圖形量測關(guān)聯(lián)帶來了巨大困難。基于CIM規(guī)范的模型與圖形文件為模型合并提供了可能性。本方法對不同系統(tǒng)建模提出如下要求：1)模型必須包含調(diào)度邊界設(shè)備及連接關(guān)系；2)模型導(dǎo)電設(shè)備參數(shù)齊全，滿足高級應(yīng)用軟件和調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的需要[4]；3)模型拓?fù)溥B接正確；4)模型中量測對象完整；5)模型符合原子性原則，在CIME文件中廠站為最小單元，即一個(gè)文件中的數(shù)據(jù)模型是若干個(gè)廠站的集合，不能只包含電壓等級和設(shè)備而沒有它們所屬的廠站[4-5]。

2.2高效模型解析

針對四川電網(wǎng)模型規(guī)模大、電廠數(shù)量多等特點(diǎn)，模型切除與合并耗時(shí)較長，成為為分級電網(wǎng)數(shù)模圖同步的瓶頸。解決大批量文件處理的效率問題是模型合并關(guān)鍵技術(shù)之一。因此需要根據(jù)CIME文件的特點(diǎn)，采用共享內(nèi)存高速索引技術(shù)，研究CIME文件的專用解析器。所提出的CIME解析工具從兩個(gè)方面成功地解決了效率問題：1)利用共享內(nèi)存技術(shù)成功避免了大量的I/O[6]；2)采用快速排序與檢索算法提高了共享內(nèi)存中海量數(shù)據(jù)的檢索效率。該CIME文件工具作為模型合并的基礎(chǔ)，為后續(xù)的所有操作共享內(nèi)存。

3圖模數(shù)集成創(chuàng)新性

圖1　模型合并架構(gòu)

3.1模型校驗(yàn)與共享

在進(jìn)行合并之前需要檢測參與合并的子模型拓?fù)浼皡?shù)是否符合CIM規(guī)范。因?yàn)樽幽Ｐ痛嬖诳缦到y(tǒng)偏差，除對拓?fù)溥B接進(jìn)行校驗(yàn)外，還需針對模型參數(shù)格式、設(shè)備及關(guān)聯(lián)量測重復(fù)等錯(cuò)誤提出告警，最大化實(shí)現(xiàn)拼接后模型的相容性與可靠性。實(shí)用過程中難以保證子模型的獨(dú)立性，因?yàn)榭缦到y(tǒng)導(dǎo)出的子模型存在設(shè)備ID與命名重復(fù)等潛在缺陷[7-8]，所提方法遵從唯一性原則對設(shè)備與量測ID重構(gòu)，將不同系統(tǒng)的建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，最終通過高速內(nèi)存實(shí)現(xiàn)設(shè)備與拓?fù)涔蚕怼?/p>

3.2智能邊界查詢

古典的模型合并方式是：1+1 類型的簡單模型合并[9]，即每次實(shí)現(xiàn)本級調(diào)度與下級一個(gè)調(diào)度進(jìn)行模型合并。提出基于1+n的多系統(tǒng)模型合并新方案，實(shí)現(xiàn)本級調(diào)度和n個(gè)下級調(diào)度模型的同時(shí)合并，即在參與拼接的模型中兩模型間設(shè)置邊界，提高低電壓等級模型的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。同時(shí)可以將上述兩種模式合成，形成1+1+n模式的模型合并，即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)的3級電網(wǎng)調(diào)度模型的一體化建模。

傳統(tǒng)模型合并方式選擇線路或者隔離開關(guān)作為邊界，將會(huì)帶來以下問題：1)邊界設(shè)備不具備唯一性且缺乏一致性規(guī)律，難以實(shí)現(xiàn)智能檢索；2)邊界處出線多，邊界維護(hù)量大，邊界處拓?fù)渥兓l繁，手動(dòng)維護(hù)繁瑣。針對四川省模型劃分區(qū)域多，邊界拓?fù)鋸?fù)雜等情況，提出新的設(shè)備邊界設(shè)置規(guī)則：以220 kV廠站主變壓器高壓側(cè)繞組作為邊界，220 kV母線及所有間隔由參與拼接的省調(diào)維護(hù)，110 kV母線及所有間隔由參與拼接的地調(diào)維護(hù)，如圖2所示。

由于220 kV廠站數(shù)量相對較少，省、地對邊界設(shè)備(高壓側(cè)繞組)以及邊界內(nèi)側(cè)設(shè)備(主變壓器)有統(tǒng)一的命名規(guī)范。通過CIME文件中的電壓等級篩選出220 kV廠站作為邊界廠站，再利用統(tǒng)一的主變壓器命名字段進(jìn)行模糊匹配，從而產(chǎn)生邊界列表以及邊界內(nèi)側(cè)設(shè)備列表，實(shí)現(xiàn)智能化模型邊界查找與維護(hù)。

圖2　模型邊界劃分

3.3高效模型同步

在大規(guī)模模型合并過程中，不同系統(tǒng)導(dǎo)出生成的全模型節(jié)點(diǎn)多，遙信遙測數(shù)據(jù)量巨大，模型更新與系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步難以得到保障[10]。所提方法對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)分層，采用增量對比的方法將模型同步時(shí)間由數(shù)小時(shí)級別縮短至數(shù)分鐘級別。

數(shù)據(jù)同步是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成管理的基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)模型合并過程中，全模型與子模型間通過通信鏈路全點(diǎn)表來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[11-12]，如果子模型發(fā)生增刪或修改，通信鏈路中與之對應(yīng)的點(diǎn)表會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位。點(diǎn)表錯(cuò)位與重新導(dǎo)入過程中導(dǎo)致的量測跳變?nèi)菀讓?dǎo)致高級應(yīng)用的錯(cuò)誤決策。所提方法對通信鏈路點(diǎn)號(hào)進(jìn)行排序，通過增量點(diǎn)表導(dǎo)入，確保模型變更引起的點(diǎn)表差異最小化。對于龐大模型包含量測數(shù)量超過跨系統(tǒng)限制值——10 000條的情況，通過鏈路拆分與自動(dòng)排序使得點(diǎn)表規(guī)模小于最大限制，也將每次點(diǎn)表變化量控制在100條以內(nèi)。所提方法已確保在線系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新頻率1 Hz時(shí)實(shí)測數(shù)據(jù)不發(fā)生跳變。采集裝置的采集頻率提高后，可進(jìn)一步滿足毫秒級采樣[13-14]的需求。

3.4多系統(tǒng)圖形匹配

模型合并需要圖形匹配來提高其可視性與直觀性。模型合并過程中對邊界處重復(fù)建模進(jìn)行切除，邊界廠站圖(或潮流圖)因?yàn)槿鄙賹?yīng)量測成為殘缺圖。由于合并邊界處被切除的設(shè)備與所保留的內(nèi)側(cè)設(shè)備來自不同地調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)備ID在合并過程中需進(jìn)行唯一性處理并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過對設(shè)備命名與量測模糊匹配形成切除設(shè)備ID對照表，將量測ID編碼進(jìn)行重構(gòu)，完善量測關(guān)聯(lián)度。借助合理的模糊匹配規(guī)則，確保被部分切除量測廠站圖(或潮流圖)的完整性。

4運(yùn)行測試

前面介紹的圖模數(shù)集成方法在四川省地一體化平臺(tái)使用，形成圖模數(shù)一體化的模型中心。一體化模型中心現(xiàn)已常態(tài)化對省調(diào)在內(nèi)的22個(gè)子模型進(jìn)行模型拼接，智能維護(hù)邊界超過600條，全模型包含10～500 kV四川省電網(wǎng)一次模型。圖形匹配后可以完整調(diào)閱全網(wǎng)廠站圖及潮流圖。單次模型拓?fù)淝谐c拼接可20 min內(nèi)自動(dòng)完成，子模型間全通信鏈路更新時(shí)長控制在1 h內(nèi)，為模型中心提供完整拓?fù)渑c可靠數(shù)據(jù)的同時(shí)，極大提高了模型合并與數(shù)據(jù)同步的效率。

5結(jié)論

所提出的CIME模型解析、智能邊界查找、ID重構(gòu)、模糊匹配等方法為四川省地一體化模型中心建設(shè)提供了高效同步的圖模數(shù)集成途徑。優(yōu)化后高效的模型合并技術(shù)、數(shù)據(jù)采集通道與圖形匹配功能，為調(diào)度系統(tǒng)的橫向協(xié)同、縱向貫通帶來便捷。實(shí)用化與常態(tài)化的圖模數(shù)集成與同步為提高互聯(lián)大電網(wǎng)的在線監(jiān)控、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)安全穩(wěn)定分析水平提供信息基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

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中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0045-04

(收稿日期：2015-10-12)