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(wǎng)健康有序地發(fā)展，包括中國在內(nèi)的許多國家都在大力推進智能電網(wǎng)標準化工作，相繼提出了一批對智能電網(wǎng)建設(shè)有重大影響，并適用于智能電網(wǎng)多個技術(shù)領(lǐng)域的核心標準［1］。IEC 61970作為智能電網(wǎng)核心標準，在模型和圖形等方面都發(fā)生了較大的變化。中國結(jié)合智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的實際應(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，其中由中國向IEC提交的CIM/E和CIM/G 2項智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)國際標準提案已獲準立項并將轉(zhuǎn)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(tǒng)的圖模生成中的應(yīng)用，并基于此進行的主站系統(tǒng)對變電站共享圖模的按需裁減技術(shù)。

目前常見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(nèi)信息量較大時無論是變電站側(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(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題。因此，對于實時性要求越來越高、信息量越來越大的電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)來說通過CIM/E和CIM/G規(guī)范來交互調(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)度主站對變電站共享的模型沒有選擇權(quán)，無法根據(jù)實際需要獲取所關(guān)心的模型，過濾掉不需要的模型，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(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個方面的內(nèi)容，對于變電站側(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(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］。通過變電站SCD模型轉(zhuǎn)換生成變電站一次設(shè)備模型及拓撲關(guān)系，并且能夠根據(jù)SCD模型生成開關(guān)、刀閘、變壓器等一次設(shè)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(zhuǎn)換可以通過CIM/XML的方式來實現(xiàn)，但由于CIM/XML自身存在變電站內(nèi)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(yōu)點

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

CIM/E基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，繼承了CIM和XML的優(yōu)點，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，繼承了其長期研究的成果，又吸收了面向?qū)ο蠓椒ǖ奶攸c［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)備的量測信息，對于CIM/E來說數(shù)據(jù)量越大，效率越高。

CIM/E已經(jīng)在國家電網(wǎng)公司范圍內(nèi)進行了大量的工程應(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，生成開關(guān)、刀閘、變壓器等一次設(shè)備量測信號相關(guān)的資源及其關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過靜態(tài)模型轉(zhuǎn)化，可以獲取到變電站一次設(shè)備的模型信息，而通過動態(tài)模型轉(zhuǎn)化可以得到變電站內(nèi)一次設(shè)備的量測定義以及與調(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(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(shè)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(guān)系(見圖2)，但并不都是一對一的嚴格映射關(guān)系，還包括具有一對多的映射關(guān)系。如變電站間隔模型與主站CIM/E模型中間隔和母線段2個對象模型形成映射關(guān)系;也有多對多的映射關(guān)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(lián)補償器形成映射關(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，生成開關(guān)、刀閘、變壓器等一次設(shè)備量測信號相關(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(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SVG文本較大，且網(wǎng)絡(luò)傳輸較慢這個問題所發(fā)展起來的專門為電力系統(tǒng)服務(wù)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(tǒng)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(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是一種基于標記的遵循XML標準的純文本語言，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來描述變電站接線圖，是實現(xiàn)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(zhuǎn)到CIM/E和CIM/G模型，圖形轉(zhuǎn)換的具體實現(xiàn)方式一般由各變電站廠家參照CIM/E和CIM/G規(guī)范來完成。

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很重要的問題就是主站只能被動地接收變電站側(cè)提供的全部模型，而變電站側(cè)很難為各級調(diào)度生成不同的模型。例如，對于500 kV變電站來說，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;對于220 kV變電站來說，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站全站模型。圖模裁減技術(shù)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(nèi)所有的設(shè)備信息，而不同級別的調(diào)度系統(tǒng)則可以通過圖模裁減技術(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)實際需求并結(jié)合電力系統(tǒng)中的常見情況，歸納總結(jié)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(cè)等值成負荷，同時刪除中低壓側(cè)的設(shè)備。此種情況常見于網(wǎng)省調(diào)在廠站模型共享的時候，它只關(guān)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(cè)模型裁減流程包括幾個方面的內(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)備變壓器和線路，在等值策略中按電壓等級列出抽取的設(shè)備，用戶根據(jù)實際需要選擇相應(yīng)設(shè)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(jù)選取的電壓等級，以對應(yīng)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(shè)備，并將這些設(shè)備置上裁減標志，根據(jù)裁減標志將這些設(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(tǒng)規(guī)則校驗。

(4)將裁減完和校驗正確后的模型導(dǎo)入主站系統(tǒng)。

結(jié) 合 W1、W2、W3及 3 個 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)則對廠站端提供的CIM/G圖形進行裁剪，以滿足不同級別調(diào)度機構(gòu)對廠站圖的要求。最常見的應(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。如有些廠站部分設(shè)備還在改造建設(shè)當中，模型中并無此設(shè)備的信息，但廠站提供的接線圖中很可能已經(jīng)提供了這個設(shè)備的圖形信息，如果單純依賴模型裁減時提供的刪除設(shè)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(jù)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(jié)構(gòu)比單純的模型更加復(fù)雜，通過深度優(yōu)先搜索可以極大地簡化圖形結(jié)構(gòu)，快速形成拓撲。

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

(4)可以有效地發(fā)現(xiàn)廠站接線圖中圖元間連接信息有誤的問題，如相鄰開關(guān)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(yōu)先搜索方法的應(yīng)用

在CIM/G圖形中連接線(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)備間通過連接線相連的關(guān)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(shè)備圖元作為節(jié)點，連接線作為邊，等值定義的設(shè)備圖元作為起點和終點進行深度優(yōu)先搜索，遍歷搜索過的設(shè)備圖元都置上染色的標志，搜索完成后所有染上色的設(shè)備圖元都作為裁減的對象(見圖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

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)模型和變電站接線圖均來自站端，站端上送的實時數(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、主站建模完全依賴變電站側(cè)而不能靈活自動地根據(jù)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(yīng)用前景和推廣價值。

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