CIM電網(wǎng)計算平臺的序網(wǎng)電路擴展

周 銳 ，趙元鵬

（1西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 西安 710065）

（2西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 陜西 西安 710048）

1 引言

為了對源自于不同廠家的EMS系統(tǒng)應(yīng)用集成和互聯(lián)進行有效的處理，國際電工委員會（IEC）結(jié)合實際情況進行電力能量管理系統(tǒng)（EMS）信息模型標(biāo)準(zhǔn)的合理制定，這就是電網(wǎng)領(lǐng)域中的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)[1]。該標(biāo)準(zhǔn)是一個目前可以應(yīng)用于電網(wǎng)表示模型的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此，在開發(fā)電網(wǎng)分析計算軟件時，為了保證其開放性和擴展性，需要遵循此標(biāo)準(zhǔn)。電網(wǎng)計算平臺在實踐應(yīng)用中的基本功能主要涉及到短路電流、諧波潮流、潮流等綜合性的計算功能。通過所建立的序網(wǎng)分析模型對電網(wǎng)分析計算方面有效的處理[2]。所以，要結(jié)合實際情況進行序網(wǎng)組件的開發(fā)設(shè)計[3]。文獻[3]中，利用傳統(tǒng)的數(shù)值方式來直觀的表示序網(wǎng)，實質(zhì)上是把CIM內(nèi)的電網(wǎng)拓?fù)湫畔⒉扇I(yè)性的方式轉(zhuǎn)換為所需的鄰接矩陣，最終實現(xiàn)序網(wǎng)電路參數(shù)的有效提取，此環(huán)節(jié)中只獲取到的是序網(wǎng)拓?fù)涞男畔ⅰＴ诰C合性分析研究序網(wǎng)的過程中，結(jié)合CIM將其它序網(wǎng)電路參數(shù)結(jié)合實際需求有效的獲取。此方法與CIM數(shù)據(jù)交互頻繁，程序耦合度高。若通過面向?qū)ο蟮姆椒▽崿F(xiàn)序網(wǎng)模型的建構(gòu)，建立模型的整個過程中涵蓋所有的序網(wǎng)分析參數(shù)，進而有效降低計算組件冗余現(xiàn)象，對模型的擴展性、通用性和科學(xué)可行性等方面全面的保障。論文在實踐應(yīng)用中依照CIM的建模方法實現(xiàn)序網(wǎng)電路模型的設(shè)計應(yīng)用與功能實現(xiàn)。首先，進行電網(wǎng)的序網(wǎng)表示與CIM的關(guān)聯(lián)性的深入分析，通過UML實現(xiàn)序網(wǎng)電路的對象模型的科學(xué)性設(shè)計，進而實現(xiàn)序網(wǎng)組件的功能實現(xiàn)。最后，組件與平臺測試連接，對設(shè)計的科學(xué)合理性進行全面的驗證。

2 序網(wǎng)電路模型與CIM中電網(wǎng)描述

2.1 電網(wǎng)的序網(wǎng)電路模型

在綜合性分析與計算電網(wǎng)進行穩(wěn)態(tài)的過程中，在建立電網(wǎng)等效電路模型基礎(chǔ)上進行電網(wǎng)計算。將電網(wǎng)發(fā)生的不對稱問題結(jié)合實際情況劃分為正序、負(fù)序、零序這三大對稱網(wǎng)絡(luò)問題。每一個序網(wǎng)電路模型的基礎(chǔ)實際上涉及到的是技術(shù)設(shè)備的等值電路，其中涵蓋的設(shè)備有變壓器、電源、負(fù)荷以及線路。

2.1.1 電源和負(fù)荷等值電路模型 穩(wěn)態(tài)計算的綜合性過程中，把電源視作為一個理想的電壓源、電路節(jié)點和電路支路這三大技術(shù)設(shè)備的組合。一個理想的電源和內(nèi)部電路節(jié)點結(jié)合實際情況采取科學(xué)的技術(shù)方式在正負(fù)序網(wǎng)中合理的相連，具體示意圖如圖1(a)所示，一個理想電源和內(nèi)部電路節(jié)點在零序網(wǎng)中不相連的操作示意圖如圖1(b)所示。

圖1 電源的等值電路模型

2.1.2 線路的等值電路模型 傳統(tǒng)模式的線路等值模型是通過π型模型實現(xiàn)的，具體操作示意圖如下圖2所示；線路映射在整個過程中視作為一個公共接地點t0與三條支路的有機組合。中間支路在t1和t2兩個外部電路節(jié)點中進行有效的串聯(lián)，接地支路在其中有一個節(jié)點和t0這一公共接地點結(jié)合專業(yè)性的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行連接。

圖2 線路的等值電路模型

2.1.3 變壓器的等值電路模型 變壓器的等值電路模型在整個正負(fù)序網(wǎng)中的操作示意圖如圖3所示，圖(a)是變壓器原邊等值電路示意圖，圖(b)是變壓器副邊等值電路。當(dāng)外電路在原邊繞組側(cè)進行零序電壓施加的過程中，若此側(cè)繞組出現(xiàn)序電流，則判定為此側(cè)繞組和外電路在具體操作過程中處于接通的狀態(tài)，說明和外電路節(jié)點相連。反之判定為不相連。據(jù)此只有變壓器星型接法才與外電路節(jié)點相連。當(dāng)變壓器副邊繞組側(cè)具有由原邊產(chǎn)生的零序電勢時，若外電路也存在零序電勢并有零序電流通路，則判定該側(cè)繞組與外部電路節(jié)點相連，否則視為未相連。據(jù)此只有中性點接地的繞組才能與外部節(jié)點相連。

圖6 序網(wǎng)電路生成靜態(tài)圖

圖3 正、負(fù)序中變壓器等值電路模型

2.2 CIM中的電網(wǎng)描述

2.2.1 CIM中的電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?CIM模型是由多個包組成。圖4是拓?fù)浒慕Y(jié)構(gòu)示意圖。拓?fù)浒鼘﹄娏ο到y(tǒng)中每一個技術(shù)設(shè)備之間的連接關(guān)系進行明確的定義：導(dǎo)電設(shè)備（Conducting Equipment）在系統(tǒng)中和零或多個端子（Terminal）結(jié)合實際情況合理的連接，多個端子在此基礎(chǔ)上和連接點（Connectivity Node）之間進行連接。拓?fù)涔?jié)點（Topological Node）實質(zhì)上是系統(tǒng)中連接點的集合。連接節(jié)點的構(gòu)成是根據(jù)開關(guān)設(shè)備的通斷實現(xiàn)的。此外，拓?fù)涔?jié)點中包含了該節(jié)點的凈注入有功與凈注入無功。拓?fù)鋶u（Topological Island）實質(zhì)上是拓?fù)涔?jié)點的集合，在實踐應(yīng)用中展現(xiàn)出電網(wǎng)的動態(tài)拓?fù)洹ｋ娋W(wǎng)中設(shè)備的連接直接影響動態(tài)拓?fù)涞淖兓?/p>

圖4 拓?fù)浒?/p>

2.2.2 CIM中導(dǎo)電設(shè)備的模型 電線包（Wire）在實踐操作中體現(xiàn)出核心包與拓?fù)浒臄U展，是進行輸配電網(wǎng)內(nèi)部電氣特性信息模型的科學(xué)性構(gòu)建。電網(wǎng)外部電源模型的描述是通過等值電源類（Equivalent Source）綜合性的實現(xiàn)。它屬于導(dǎo)電技術(shù)設(shè)備的子類，其中涉及到戴維南正序電阻r、負(fù)序電阻rn和零序電阻r0三大核心技術(shù)部件，這些部件在專業(yè)范疇中是標(biāo)稱線電壓，A相開路相角和開路線電壓幅值。在描述電網(wǎng)外部負(fù)荷模型用電能用戶類（Energy Consumer）的過程中，通過導(dǎo)電設(shè)備子類進行全面實現(xiàn)的，其中涉及到負(fù)荷的有功分量pfixed以及無功分量qfixed。圖5是輸電線路模型操作示意圖。線路類（Line）在整個系統(tǒng)中是電力系統(tǒng)資源類的子類，主要是通過多個交流線段（AC Line Segment）采取科學(xué)的技術(shù)方式有機構(gòu)成。

圖5 電線包中線路的模型

導(dǎo)體類（Conductor）在店里系統(tǒng)中屬于導(dǎo)電設(shè)備類的子集，而交流線段類繼承了導(dǎo)線類，交流線段這種導(dǎo)線具有描述線路構(gòu)成的屬性。變壓器類是整個系統(tǒng)中技術(shù)設(shè)備的子集，變壓器的相關(guān)參數(shù)就是屬性。一個變壓器通常是利用一個或多個變壓器繞組構(gòu)成的。變壓器繞組類是電路系統(tǒng)中導(dǎo)電設(shè)備類子集，也就是說變壓器繞組是一種具有代表性的導(dǎo)電設(shè)備。在變壓器繞組類內(nèi)和拓?fù)渚哂幸欢P(guān)聯(lián)性的屬性包括：繞組接線類、繞組類以及是否接地等主要的參數(shù)。

3 序網(wǎng)組件的靜態(tài)模型設(shè)計

3.1 序網(wǎng)組件的靜態(tài)模型拓?fù)?/h3>

電路拓?fù)渲饕?jié)點和支路。電路島類分為正序、負(fù)序、零序電路島類，它包含電路節(jié)點類,支路類,電源類和負(fù)荷類。圖6是序網(wǎng)電路組件形成靜態(tài)模型示意圖。

3.2 靜態(tài)模型中類的屬性和方法

等值負(fù)荷有功功率pfixed和等值負(fù)荷無功功率qfixed是電路節(jié)點類在整個電路系統(tǒng)中的固有屬性。與其具有一定關(guān)聯(lián)性的屬性包括：與CIM模型內(nèi)拓?fù)涔?jié)點間形成0..n:1關(guān)聯(lián)性的topological Node；和電路支路間juy n:n關(guān)聯(lián)性的，即e_branchlist；和導(dǎo)電設(shè)備之間具有0..n:1關(guān)聯(lián)的，為conductingEquipment；和理想電源之間具有1:0..n的關(guān)聯(lián)，即e_idealsourcelist；和負(fù)荷之間具有1:0..n關(guān)聯(lián)的，即e_loadlist。電阻r與電抗x是電路支路類所涉及到的相關(guān)屬性；具有一定關(guān)聯(lián)性的屬性有：和電路節(jié)點之間具有n:n關(guān)聯(lián)的，即E_busList，和導(dǎo)電設(shè)備之間具有n:1關(guān)聯(lián)的，即conductingEquipement。

理想電源類主要涉及到的固有屬性有：等值電源有功功率netInjectionMW，無功功率netInjectionMVar，標(biāo)稱線電壓nomialVotage，A相開路相角voltageAngle、開路線電壓幅值voltageMagnitude。關(guān)聯(lián)屬性主要涉及到和導(dǎo)電設(shè)備之間具有0...1:n關(guān)聯(lián)的，即conductingEquipement；和電路節(jié)點之間具體0.1:1關(guān)聯(lián)的，即e_bus。pfixed和qfixed是電路負(fù)荷類的固有屬性。關(guān)聯(lián)屬性主要包括和電路節(jié)點之間具有0...1:1關(guān)聯(lián)的，即e_bus；和導(dǎo)電技術(shù)設(shè)備之間具有0...1:1關(guān)聯(lián)的，這類屬性是conductingEquipement。

電路島類在店里系統(tǒng)中一個一定具有代表性的虛基類。負(fù)序電路島類與零序電路島類的父類在系統(tǒng)中屬于正序電路島類。關(guān)聯(lián)屬性主要涉及到和電路節(jié)點具有一定關(guān)聯(lián)性的，即E_busList；和電路支路之間具有一定關(guān)聯(lián)性的，即E_branchList；和電路電源之間存在一定關(guān)聯(lián)性的，即E_idealsourcelist；和電路負(fù)荷之間在操作中具有一定關(guān)聯(lián)性的，即E_loadlist；整個過程中的操作方法是：電路島中存在一個純虛方法（E_IslandMade），進而有效的存儲與管理電路島中的節(jié)點與支路。方法是在正序、負(fù)序、零序電路島類中結(jié)合實際情況采取科學(xué)的技術(shù)方式有效實現(xiàn)，在操作中分別把此序網(wǎng)中的電路節(jié)點、支路、理想電源統(tǒng)與負(fù)荷在與之相對應(yīng)的電路島屬性中進行存儲管理。

序網(wǎng)電路拓?fù)浣涌陬愔饕獙φ麄€組件的運行操作進行全方位的管理，其中對輸入輸出的操作格式明確的規(guī)定。序網(wǎng)電路拓?fù)渲械妮斎胼敵鰯?shù)據(jù)至整個電路系統(tǒng)中的固有屬性。電網(wǎng)的拓?fù)鋶u與導(dǎo)電設(shè)備集合導(dǎo)電技術(shù)設(shè)備的集合是電路外部系統(tǒng)的輸入屬性，為外部系統(tǒng)在實踐應(yīng)用中提供電路拓?fù)漭敵龅膶傩缘闹饕钦螂娐穽u、負(fù)序電路島以及零序拓?fù)鋶u。操作方法：完成各序網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點在電路節(jié)點映射的E_busMade，將各序網(wǎng)局部電路構(gòu)成與之相互對應(yīng)的電路節(jié)點關(guān)聯(lián)的E_branchMade在整個實踐應(yīng)用中全面的實現(xiàn)。

4 序網(wǎng)組件程序的編制和驗證

基于上述綜合性的分析可知，采取C++/CLI實現(xiàn)序網(wǎng)組件程序的有效編制，以此為基礎(chǔ)在文獻[4]中進行接入，該文獻中提出了電網(wǎng)計算平臺的技術(shù)操作。某地區(qū)的三個變電站部分輸電網(wǎng)操作示意圖如圖7所示。

圖7 輸電網(wǎng)示意圖

上述輸電網(wǎng)在實踐運作中的具體方式主要有兩種：一是采取與各變電站相對應(yīng)的主變形式并列投入運行的；二是，三橋變與阿房變主變在系統(tǒng)中通過一主一備的技術(shù)方式運行的。輸電網(wǎng)通過上述兩種運行方式在整個操作中，分別對其序網(wǎng)電路進行生成。兩種情況下的測試均正確得到等值序網(wǎng)電路。表1中的時間測試結(jié)果對比說明不同的運行狀態(tài)，對程序運行時間的影響不大。

表1 測試時間

5 結(jié)語

CIM中未采取任何的方式描述序網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)。為了通過以CIM為基礎(chǔ)的電網(wǎng)計算平臺進行電網(wǎng)計算組件的開發(fā)應(yīng)用，本文所做的工作總結(jié)如下：（1）在總結(jié)序網(wǎng)模型和CIM的基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蠓椒▽崿F(xiàn)序網(wǎng)表示對象模型的有效建立。（2）進行從CIM模型到序網(wǎng)電路模型的映射的建立。（3）結(jié)合系統(tǒng)的實際需求進行時序網(wǎng)組件的編制。電網(wǎng)計算平臺在整個實踐操作中的測試結(jié)果對設(shè)計模型的精確性進行全面驗證。運行效率能夠?qū)嶋H應(yīng)用分析方面的具體要求全面滿足。

[1]劉海璇, 吳福保, 董大興，等.微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中的公共信息模型擴展[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(6）：45-51.

[2]NEDIC D P,DOBSONI,KIRSCHENDS,etc.Criticality in a cascading failure blackout model.International Journal of Electrical Power and Energy Systems.2006.

[3]姚玉斌.基于鄰接矩陣準(zhǔn)平方法網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鯷J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(6)：17-21，29.

[4]董張卓，劉雪.采用.NET Remoting技術(shù)的配電網(wǎng)分析平臺架構(gòu)[J].計算機應(yīng)用與軟件, 2010, 27(9)：190-193.