齊林海，柳 超，任 旭

?

基于IEC 61970的電網(wǎng)拓撲分析結果共享技術的研究

齊林海，柳 超，任 旭

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

隨著電網(wǎng)規(guī)模和復雜度不斷提升，電網(wǎng)實時拓撲分析已經(jīng)成為電網(wǎng)高級應用必不可少的一部分。而數(shù)據(jù)的差異性和系統(tǒng)的封閉性造成現(xiàn)有的拓撲分析多在各系統(tǒng)內(nèi)部完成，導致了大量的重復計算和資源浪費，拓撲結果無法共享。提出了一種基于IEC 61970標準的通用拓撲分析算法。根據(jù)IEC 61970標準中的拓撲包對拓撲分析的結果進行封裝，并通過Web服務發(fā)布給其他應用系統(tǒng)使用，以達到分析結果共享的目的。介紹了研究成果在電壓合格率智能分析系統(tǒng)中的應用過程。

IEC 61970；拓撲分析；結果數(shù)據(jù)模型；封裝重用；發(fā)布共享

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模和復雜程度的不斷提升，電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行需要專業(yè)分析手段進行保證。在許多電力系統(tǒng)的高級分析應用中，電網(wǎng)實時拓撲分析是其中必不可少的環(huán)節(jié)之一。拓撲分析結果可以作為潮流計算、狀態(tài)估計、擾動源定位、電壓凹陷域分析等高級應用的拓撲源來進行后續(xù)的仿真或分析[1-2]。但是，現(xiàn)有拓撲分析大多嵌入在各個應用系統(tǒng)內(nèi)獨立完成，結果造成了嚴重的資源浪費和數(shù)據(jù)冗余。提高拓撲結果的通用性和重用性成為亟待解決的問題。

本文提出一種基于符合IEC 61970標準的CIM和SCADA數(shù)據(jù)進行實時拓撲的分析算法，并且依據(jù)IEC 61970標準中的拓撲包對拓撲結果進行組織封裝，利用Web服務發(fā)布給其他應用，最終形成一個具有一定通用性的軟件包，供其他應用系統(tǒng)調(diào)用，從而實現(xiàn)電網(wǎng)拓撲分析結果的共享。

1 拓撲分析算法研究

1.1 拓撲分析現(xiàn)狀

電網(wǎng)模型的拓撲分析，基于電網(wǎng)模型和實時斷面信息，具有對電網(wǎng)實時量測信息中的不準確數(shù)據(jù)進行預處理的功能，生成的拓撲分析結果可用于其他高級應用[3]，正日益成為電力系統(tǒng)自動化的關鍵技術之一[4]。文獻[5-7]介紹了稀疏矩陣、改進的鄰接矩陣法、節(jié)點標記法等多種電網(wǎng)拓撲算法。文獻[2, 8-9]將拓撲分析結果用于解決配電網(wǎng)潮流計算、故障定位等實際問題。

1.2 基于IEC 61970標準的電網(wǎng)拓撲分析方法

IEC 61970標準由國際電工委員會提出，解決了異構系統(tǒng)之間資源共享的難題[10]。文獻[11-12]介紹了國內(nèi)外針對IEC 61970標準展開的研究以及擴展應用，文獻[13]提出了一種基于IEC 61970的CIS服務可縮放矢量圖形(SVG)的圖形生成和Web交互的系統(tǒng)。

本文研究的基于IEC 61970標準的電網(wǎng)拓撲結構分析方法，以電網(wǎng)靜態(tài)CIM數(shù)據(jù)和動態(tài)SCADA數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)進行連通網(wǎng)絡搜索與實時拓撲分析，具有很強的通用性和普適性，目的就是在通用數(shù)據(jù)的基礎上將電力網(wǎng)絡簡化成由拓撲節(jié)點和非零阻抗電氣元件組成的網(wǎng)絡形式，即負荷Bus/Branch模型的簡化網(wǎng)絡[14]。Bus/Branch模型是基于拓撲節(jié)點類的模型，即母線模型，該模型主要用于網(wǎng)絡分析類電力應用。

1.3 基礎數(shù)據(jù)處理

本算法采用基于IEC 61970標準的CIM和SCADA數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)。由于CIM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)變化頻率不高，所以我們直接解析CIM數(shù)據(jù)并根據(jù)標準格式進行解析轉(zhuǎn)儲。SCADA數(shù)據(jù)描述了電網(wǎng)實時狀態(tài)，這里我們通過Web服務從SCADA系統(tǒng)實時獲取所需數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)格式進行解析，獲得需要的數(shù)據(jù)。

由于上述數(shù)據(jù)來自不同系統(tǒng)，故可能存在電氣元件命名不統(tǒng)一等問題，需要針對數(shù)據(jù)的一致性進行校驗。本文算例利用變電站名和元件名聯(lián)合唯一確定一個電氣元件，從而達到了消除數(shù)據(jù)差異的目的。實際工程只需要根據(jù)數(shù)據(jù)實際特征進行“一次性”校驗即可。

1.4 網(wǎng)絡搜索和拓撲分析

本文提出的拓撲分析算法主要包括網(wǎng)絡搜索算法和拓撲分析算法兩部分。網(wǎng)絡搜索算法用于在確定的邊界內(nèi)進行搜索，從而確定拓撲分析的范圍。拓撲分析算法用于在全電網(wǎng)范圍內(nèi)或網(wǎng)絡搜索范圍內(nèi)進行拓撲分析，并最后形成拓撲分析結果。

(1) 網(wǎng)絡搜索算法

網(wǎng)絡搜索算法是利用電網(wǎng)中電氣元件的節(jié)點連接關系，采用廣度優(yōu)先搜索算法從某個電氣元件(多為母線)的節(jié)點出發(fā)，結合節(jié)點的連接關系，搜索出與起始電氣元件連通的電氣網(wǎng)絡，詳細步驟如下：

① 為每一類元件建立數(shù)據(jù)表dt和dtTopo，分別存放源數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡搜索后的分類數(shù)據(jù)。

② 創(chuàng)建列表ListCN，用于存放待分析的節(jié)點號(CN)。根據(jù)CIM數(shù)據(jù)將起始點連接的節(jié)點的節(jié)點CN存入列表ListCN中。

③ 如果ListCN不為空，對于每一個CN節(jié)點，將其所連接的電氣元件中的非邊界元件轉(zhuǎn)至步驟④；邊界元件轉(zhuǎn)至步驟⑤；若ListCN為空則結束。

④ 將該電氣元件其他的CN節(jié)點全部加入列表ListCN中，進入步驟⑤。

⑤ 將該電氣元件的信息從數(shù)據(jù)表dt中刪除，數(shù)據(jù)表dtTopo中加入該電氣元件信息，轉(zhuǎn)到步驟③。

至此，由一個起始點，再通過聯(lián)通的線路到達了邊界元件，我們獲得了一個“極大網(wǎng)”，亦即拓撲分析的分析范圍。網(wǎng)絡搜索為拓撲分析劃定了分析范圍，提供了更多業(yè)務形式。

(2) 拓撲分析算法

本算法基于電網(wǎng)CIM和SCADA數(shù)據(jù)，進行實時拓撲分析，形成Bus/Branch模型分析結果，算法過程主要包括兩個步驟：

1) 首先遍歷所有閉合的隔離開關和刀閘，合并直接相連的隔離開關與刀閘，形成拓撲節(jié)點；

2) 其次，針對形成的拓撲節(jié)點與其他電氣元件信息進行劃分，形成拓撲島。

拓撲節(jié)點和拓撲島是電力網(wǎng)絡拓撲分析的結果模型。其中，拓撲節(jié)點是通過閉合開關合并的一組連接節(jié)點；拓撲島是電力網(wǎng)絡的一個電氣連接的子系統(tǒng)，拓撲島之間不存在電氣連接聯(lián)系。

在本文研究的拓撲分析算法中，首先利用無阻抗元件(刀閘，開關)進行節(jié)點合并形成拓撲節(jié)點；對于每一個拓撲節(jié)點，如果拓撲節(jié)點中的連接點連接著閉合開關(刀閘)或母線，那么認為開關另一側或母線所有相連點都屬于相同的拓撲節(jié)點，將這種搜索方式稱為“延伸搜索”。將拓撲節(jié)點中的所有節(jié)點都進行“延伸”后，將獲得該拓撲節(jié)點的“極大值”。當將所有拓撲節(jié)點都延伸至“極大值”后，其他延伸不到的節(jié)點獨立為拓撲節(jié)點，這樣就獲得了最終拓撲分析的結果。完整的拓撲分析算法流程如圖1所示。

拓撲分析算法包括生成拓撲節(jié)點和拓撲島劃分兩個部分。在生成拓撲節(jié)點部分：

① 以開關、刀閘等無阻抗元件進行節(jié)點合并，將直接相連的開關和刀閘的所有節(jié)點CN用統(tǒng)一TN(拓撲節(jié)點編號)命名，并將節(jié)點對加入到列表ListCNTN中。

② 對①中生成的拓撲節(jié)點進行“延伸搜索”。將直接相連的節(jié)點賦予相同的TN，延伸不到的元件CN，賦予新的，并且將節(jié)點對加入到列表ListCNTN中。

至此，將電網(wǎng)進行了合理的劃分和簡化，ListCNTN中保存了全網(wǎng)元件節(jié)點信息以及節(jié)點的相互關系，同一拓撲節(jié)點中的全部節(jié)點屬于同一個邏輯節(jié)點，等效于直接相連。接下來通過非零阻抗器件(線路，變壓器等)將拓撲節(jié)點連接起來，最終獲得多個彼此隔離的拓撲島。

圖1 拓撲分析算法流程圖

③ 將所有雙節(jié)點電氣元件的節(jié)點信息全部用ListCNTN中對應的TN替換，將替換后的結果用表示，存入列表ListTNTN。

④?采用廣度優(yōu)先搜索方法遍歷列表ListTNTN。根據(jù)解析的結果，可以將整個電網(wǎng)分成一個或多個拓撲島，對各個拓撲島內(nèi)的TN全部重新進行統(tǒng)一編號。

搜索完成，得到所有拓撲島的信息，每個拓撲島就是一個連通的電氣網(wǎng)絡。

經(jīng)過電網(wǎng)拓撲結構分析，可以得出所有阻抗設備之間的相互連接關系、各電氣元件的屬性信息、實時狀態(tài)信息。其他高級分析可以利用拓撲分析的結果進行整個電網(wǎng)的分析，也可以針對關注的某個拓撲島進行分析。

2 拓撲分析結果發(fā)布

在以上拓撲分析結果基礎上，本文將利用IEC 61970標準拓撲包對拓撲結果進行解析和封裝，并進行發(fā)布。

2.1 基礎數(shù)據(jù)處理

本文提出基于IEC 61970的電網(wǎng)拓撲分析結果數(shù)據(jù)模型，主要基于CIM模型中的拓撲包。該模型數(shù)據(jù)包括拓撲島信息、拓撲節(jié)點信息與各電氣元件的信息。拓撲分析結果的數(shù)據(jù)模型具體如圖2所示。

圖2 拓撲分析結果數(shù)據(jù)模型

拓撲分析結果模型是基于IEC 61970標準的，該拓撲分析結果的公共數(shù)據(jù)模型主要由拓撲節(jié)點、電氣元件、拓撲島三個模塊組成。其詳細內(nèi)容如下：

拓撲節(jié)點是拓撲分析結果的邏輯節(jié)點，該節(jié)點可能直接與一個或多個電氣元件相連。拓撲節(jié)點具有拓撲節(jié)點號、電壓等級、所屬拓撲島等屬性。

電氣元件是各類高級分析的基礎，經(jīng)過拓撲分析，電氣元件的原始端點CN號被替換為TN號(拓撲節(jié)點號)，這樣就可以判斷出在實際運行的電網(wǎng)中哪些電氣元件在邏輯上是直接相連的。

拓撲分析后，并非所有的電氣元件全部處于同一拓撲島中。因此，拓撲分析結果的數(shù)據(jù)模型還提供拓撲島的具體信息，即拓撲島內(nèi)包含的電氣元件的ID，通過元件ID就可以在電氣元件模塊中找到其詳細信息。

圖3中的Topological Island表示拓撲島類，Topological Node表示拓撲節(jié)點類，Equipment表示核心包中的各電氣元件類。一個拓撲島中至少包括一個電氣元件，同時也至少包含一個拓撲節(jié)點；每個電氣元件都至少有一個拓撲節(jié)點。

圖3 拓撲分析結果類圖

經(jīng)過拓撲分析后的各電氣元件的信息包括所有的屬性信息與實時運行信息，分別來自CIM和SCADA數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在實際工程中可以進行擴充，并不影響模型的整體應用。下面僅列出部分電氣元件的部分屬性信息和運行數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)模型的電氣元件信息

2.2 拓撲分析結果發(fā)布

IEC61970中CIS描述的接口主要用于信息交換以及訪問公共數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[15]。本文根據(jù)提出的統(tǒng)一拓撲分析結果的數(shù)據(jù)模型，將該數(shù)據(jù)模型中各類電氣元件的屬性值及其實時監(jiān)測值以Web服務形式發(fā)布出去，各廠商可以根據(jù)該模型進行開發(fā)，從而達到IEC 61970中信息交換的目的，最終方便了系統(tǒng)的集成與維護。

服務的提供者按照規(guī)范格式，將數(shù)據(jù)提供給請求者，請求者從服務端獲取數(shù)據(jù)后，根據(jù)服務的規(guī)范格式進行解析，得到相關信息。下面我們給出拓撲節(jié)點的接口格式：

節(jié)點個數(shù)拓撲節(jié)點編號電壓等級所屬拓撲島....

其他電氣元件的信息與拓撲節(jié)點類似，每個標簽有各自的含義，標簽內(nèi)的值為電氣元件的屬性值。在定義的服務規(guī)范中，包括列出了某些屬性及標簽，但是若有需要，可以對其進行擴充，并且標簽的標記名稱也可以根據(jù)需要進行修改。

3 工程實例

3.1 拓撲分析系統(tǒng)

本文提出的拓撲分析系統(tǒng)以電網(wǎng)CIM和SCADA為基礎數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、一致性處理、拓撲分析等操作后形成拓撲分析結果，并將拓撲分析結果以Web服務的形式發(fā)布出去，供其他系統(tǒng)使用，最終實現(xiàn)大粒度的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)訪問層、拓撲分析業(yè)務處理層與數(shù)據(jù)接口層，系統(tǒng)邏輯圖如圖4所示。

圖4 拓撲分析系統(tǒng)邏輯圖

(1) 數(shù)據(jù)訪問層包括服務訪問和數(shù)據(jù)庫訪問兩部分，主要是基礎數(shù)據(jù)的獲取。

(2) 業(yè)務邏輯層包括數(shù)據(jù)一致性、網(wǎng)絡搜索、拓撲分析等過程。

(3) 數(shù)據(jù)接口層主要針對拓撲分析的結果提出數(shù)據(jù)模型并利用Web服務技術對外發(fā)布拓撲分析結果數(shù)據(jù)。

3.2 電壓合格率智能分析系統(tǒng)

基于電壓合格率的高級智能分析是對電壓監(jiān)測系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、電網(wǎng)CIM和SCADA數(shù)據(jù)進行分析，從電壓不合格的監(jiān)測點出發(fā)，搜索出在電壓不合格時刻，該監(jiān)測點所處的電網(wǎng)結構，并對該連通網(wǎng)絡進行拓撲分析與電壓不合格原因的分析，找出電壓不合格的原因，并且提出治理的方案。

其中的網(wǎng)絡拓撲分析部分，我們從拓撲分析系統(tǒng)中獲取。向拓撲分析系統(tǒng)提供時間和監(jiān)測點參數(shù)后對返回結果進行解析，從而獲得拓撲分析結果，在此基礎上進行潮流計算以及后續(xù)的分析。通過向拓撲系統(tǒng)請求分析結果，減輕了本地分析系統(tǒng)的壓力，同時提高了數(shù)據(jù)的重用性。

拓撲分析系統(tǒng)已經(jīng)在電壓合格率系統(tǒng)、電壓凹陷域分析系統(tǒng)等多個電力應用中得到利用，算法的正確性和時效性都得到了驗證。由于本算法結果基于IEC 61970標準進行封裝和發(fā)布，符合現(xiàn)行電力應用數(shù)據(jù)標準，必將獲得更為廣闊的利用和推廣。

4 結論

不斷擴大的電網(wǎng)規(guī)模和不斷增長的電力高級應用需求需要電網(wǎng)實時拓撲分析的支撐，而高效、統(tǒng)一、可復用的電網(wǎng)實時拓撲分析技術成為其中關鍵?；贗EC 61970標準的電網(wǎng)拓撲結果分析技術基于CIM、SCADA數(shù)據(jù)進行實時拓撲分析，并將拓撲分析結果按照IEC 61970標準的格式進行模型設計，以Web服務的形式發(fā)布，實現(xiàn)了大粒度的數(shù)據(jù)共享和復用，解決了拓撲分析和結果復用的問題。

[1] 魏震波, 劉俊勇, 朱覓, 等. 基于網(wǎng)絡數(shù)字化挖掘的電網(wǎng)拓撲結構辨識[J].電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(4): 12-17.

WEI Zhenbo, LIU Junyong, ZHU Mi, et al. Identification of power topological structure based on network data mining[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(4): 12-17.

[2] 范瑞娟, 王倩, 羅強. 一種配電網(wǎng)故障恢復快速拓撲和潮流計算方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014, 42(21): 23-28.

FAN Ruijuan, WANG Qian, LUO Qiang. A fast topology analysis and power flow calculation algorithm for distribution network service restoration[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(21): 23-28.

[3] 安永橋.電網(wǎng)調(diào)度拓撲模型智能校核工具的研究及應用[D].北京:華北電力大學, 2012.

AN Yongqiao. Research and application on tool of intelligent verification for topology model in power grid dispatching[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2012.

[4] 王昊, 夏慧, 陳威, 等. 基于分治策略的分布式調(diào)度自動化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(18): 101-107.

WANG Hao, XIA Hui, CHEN Wei, et al. Analysis of distributed dispatching automation system stability monitoring of topology based on divide-and-conquer strategy[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(18): 101-107.

[5] 姚玉斌, 葉爽利, 吳志良, 等. 稀疏矩陣法網(wǎng)絡拓撲分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2011, 39(23): 1-5, 10.

YAO Yubin, YE Shuangli, WU Zhiliang, et al. Analysis of network topology by the matrix method with sparse matrix techniques[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(23): 1-5, 10.

[6] 王增平, 張晉芳, 張亞剛. 基于主接線圖形特征的廠站內(nèi)拓撲分析新方法[J]. 電工技術學報, 2012, 27(2): 255-260.

WANG Zengping, ZHANG Jinfang, ZHANG Yagang. A novel graphic characteristic based method for topology analysis in substations and power plants[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(2): 255-260.

[7] 郝廣濤, 韓學山, 梁軍, 等. 多代理系統(tǒng)和黑板模型結合的全景電網(wǎng)拓撲分析[J]. 電工技術學報, 2014, 29(12): 200-210.

HAO Guangtao, HAN Xueshan, LIANG Jun, et al. Panorama power system topology analysis based on multi-agent system and blackboard model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(12): 200-210.

[8] 樓宗明, 章堅民, 莊曉丹, 等. 基于在線開關狀態(tài)和DG角色的動態(tài)配電網(wǎng)拓撲分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014, 42(13): 64-69.

LOU Zongming, ZHANG Jianmin, ZHUANG Xiaodan, et al. Dynamic topologic analysis of distribution network based on on-line switch and DG states[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(13): 64-69.

[9] 于娜. 矩陣法網(wǎng)絡拓撲分析的實用化研究和設計[D].大連: 大連海事大學, 2011.

YU Na. The practical research and design of matrix network topology analysis[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2011.

[10] 張慎明, 劉國定. IEC61970標準系列簡介[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2002, 26(14): 1-6.

ZHANG Shenming, LIU Guoding. Introduction of standard IEC61970[J]. Automation of Electric Power Systems, 2002, 26(14): 1-6.

[11] 方爍, 梁成輝, 徐慶平, 等. IEC61970標準中CIS的Web服務定義與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2006, 30(15): 81-84.

FANG Shuo, LIANG Chenghui, XU Qingping, et al. Using Web services to implement component interface specification in IEC61970[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(15): 81-84.

[12] 陶順, 周雙亞, 肖湘寧, 等. 基于IEC61970公共信息模型的電壓凹陷域分析[J]. 電工技術學報, 2013, 28(9): 40-46.

TAO Shun, ZHOU Shuangya, XIAO Xiangning, et al. Analysis of area of vulnerability based on common information model in IEC61970[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(9): 40-46.

[13] 王志南, 吳文傳, 張伯明, 等. 基于IEC 61970的CIS服務與SVG的研究和實踐[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(22): 65-68, 85.

WANG Zhinan, WU Wenchuan, ZHANG Boming, et al. Study and implementation of CIS and SVG based on IEC61970[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(22): 65-68, 85.

[14] 李盟, 秦立軍, 郭慶, 等. 基于CIM模型的電網(wǎng)拓撲分析[J]. 電力科學與工程, 2011, 27(9): 18-22.

LI Meng, QIN Lijun, GUO Qing, et al. CIM based network topology analysis[J]. Electric Power Science and Engineering, 2011, 27(9): 18-22.

[15] Draft IEC61970: energy management system application program interface (EMS-API)-part 301: common information model (CIM) base[S]. Revision 6, 2001.

(編輯 魏小麗)

Research on sharing technology of power grid topology analysis result based on IEC 61970

QI Linhai, LIU Chao, REN Xu

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

With keeping increase of the power grid in scale and complexity, power grid real-time topology analysis has become an integral part of grid advanced applications. However, topology analysis is usually performed in each system by itself because of the dissimilarity of data and the closure of systems, which makes the topology results cannot be shared and causes much double counting and waste of resources. This paper proposes a kind of topology analysis algorithm based on IEC 61970 and encapsulates the results of topology analysis according to IEC 61970. Then, it releases the result to other applications by Web Service to share the analysis result. A successful application case using the research results is introduced finally.

IEC 61970; topology analysis; result data model; encapsulate and reuse;release and share

10.7667/PSPC151609

2015-09-09；

2015-12-09

齊林海(1964-)，男，本科，副教授，研究方向為計算機網(wǎng)絡應用、數(shù)據(jù)庫與信息處理、商務智能；E-mail: qilinhai@ncepu.edu.cn 柳 超(1990-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為并發(fā)與并行計算；E-mail: gongfu1235@163.com 任 旭(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)庫與信息系統(tǒng)。E-mail: renxu90@126.com