基于IEC61970的电容器保护CIM模型研究

曹宁，袁嘉博

（河海大学计算机与信息学院，江苏南京211100）

目前我国的电力系统已基本形成大电网、大机组、高电压书店和大区互联的格局，这种电力系统规模不断扩大和分布地域辽阔的特点，使电力系统结构和运行方式日益复杂，要确保电网安全、经济、优质运行，必须有自动化技术的支持。作为电力系统子站系统——变电站自动化，必须能够正确和及时地掌握电力系统的实时运行情况，控制和协调电力系统的运行方式，及时处理影响系统正常运行的事故和异常情况，才能够保证电力系统的安全、经济运行。

变电站自动化系统按照功能可以分为4类：1）电力系统和设备的保护系统，如线路、变压器、母线保护等；主要针对设备和电力系统响应异常缺陷，快速隔离故障，实现可靠功能；2）运行控制系统，如测控、监控系统等，主要针对电网控制运行，如“遥控、遥测、遥信、遥调”，顺控、防误闭锁等功能要求主要功能实现集中在监控系统，测控功能比较单一；3）监视分析系统，主要体现为变电站二次系统的监视和对于系统1）、2）响应的分析；4）计量系统用于电力/电量结算。

随着智能变电站内部设备和系统的发展，尤其是状态监测、辅助应用等设备的接入，虽然在一定程度上提高了变电站的自动化水平，同时也带来了信息难以共享、设备之间不具备互操作性的问题[1]。

文中在IEC 61970的研究基础上，根据公共信息模型CIM的建模原理和特点，尝试建立电容器模型及其保护模型，解决智能变电站保护模型中电容器保护模型的缺失问题，验证CIM建模理论和方法的有效性。

1 CIM类和关系

IEC 61970采用面向对象建模技术，定义了基于CIM的公共语言，包括语法和语义。CIM是一个抽象信息模型，描述电力企业所有对象逻辑结构和关系的信息模型，提供了一种表示电力系统对象，包括其属性和相互关系的标准[2]。

CIM由包组成，包是人为将相关模型分组[3]，有15个逻辑包，290多个类。类是面向对象中系统组织结构的核心，类是对一组具有相同属性、操作、关系和语义的事物抽象。

如图1变压器模型所示，电力系统资源类（Power System Resource）、设备类（Equipment）和导电设备类（Conducting Equipment）是属于核心包（Core），其他类比如变压器类（Power Transformer）、变压器绕组类（TransformerWinding）、绕组测试类（WindingTest）等等是属于电线包（Wires），包的划分并不意味着界限的划分，一个应用可以跨越多个包。同时可以发现类与类之间的关系主要有以下3种：1）电力系统资源类是父类，设备类是子类，设备类可以继承电力系统资源类的属性；2）变压器类中可以包含多个变压器绕组类，而一个变压器绕组类只能属于一个变压器类，体现了聚集关系，菱形箭头指向的一端是整体类，另一端是局部类；3）绕组测试类和变压器绕组类是双向的简单关联关系。

2 电容器CIM建模

图1 变压器模型Fig.1 Power Transformer Model

电力网中由于占大多数的感性负荷的存在，需要吸收大量的无功功率，如果这些无功功率都要求由电源供给，将使得功率因素下降、线路压降提高、损耗增加、降低输电的效率和电能质量。因此，在电网建设和运行中要求无功功率尽可能实现就地平衡，在变电站内装设并联电容器组。根据CIM建模思想，用UML语言描述模型，通过Rational Rose建模工具对CIM模型进行更新和维护。如图2电容器CIM模型。电容补偿器类（Compensator）是调节导电设备类（Regulating CondEq）的泛化，继承其属性结构。调节导电设备类是来自核心包的导电设备类的泛化，可调节测量类，并有一个调节计划类（RegulationSchedule）。电容补偿器类和交流线段类（ACLine Segment）是聚集关系，交流导线是电容器组的必备部分，当并联电容器组装设时，需要一组电气特性一致的交流导线，传输补偿的无功功率。电容补偿器类和接地类（Ground）呈简单关联关系，保证地段电势为0 V，保证电器和人身安全。

图2 电容器模型Fig.2 Compensator Model

3 电容器保护模型的实现

3.1 IEC 61970标准保护模型研究

保护包（Protection）是电力一二次系统关联的最主要的包，是核心包和电线包的扩展，用来建立保护设备（如继电器）的信息模型[4]。

如图3所示，是标准中保护包的主模型。可以看出保护模型围绕（ProtectionEquipment）展开描述。通过保护设备类与导电设备类之间的多元关联，描述电力系统中保护设备与导电设备间的关系，即一个保护设备可以保护多个导电设备，同时一个导电设备可以被多个保护设备所保护。其中还定义了SynchrocheckRelay（同步保护）和CurrentRelay（过流保护），都是从保护设备派生而来[5]。

图3 保护模型Fig.3 Protection Model

3.2 电容器保护模型

IEC 61970标准中定义的保护模型较简单，无法完整地描述电力系统中电容器的整个保护逻辑，所以，首先在了解研究电容器保护原理的基础上，对设备内部的保护功能进行区分[6]，阐述保护定值信息等具体内容，以更好地形成保护功能。

35 kV及以下系统中电容器组需考虑以下故障情况：①电容器组与断路器之间连线的短路；②单台电容器内部极间短路；③电容器组多台电容器故障；④母线电压升高；⑤电容器组过负荷；⑥电容器组失压。针对以上故障情况，装设以下保护如图4所示：电容器本身具有的熔断保护类（Fuse），当过电流通过时，元件受热并熔断，所以应该设置熔断电流额定值；过电流保护类（OverCurrentProtection），需要相应地定值过电流保护1段和动作时限1、过电流保护2段和动作时限等保护属性；不平衡保护类（UnbalanceProtection），主要包括不平衡电压及不平衡电流等等；过电压保护（Over Voltage Protection），反映母线电压升高，宜设置反时限特性（Inverse Time Flag）属性。

图4 电容器保护模型Fig.4 Compensator Protection Model

4 结束语

智能变电站技术的发展将最终为电网建设、运行带来安全、经济价值，诸多技术问题需要在智能变电站试点工程实施过程中进行积极探索。因此，对于IEC 61970标准中的信息模型要求也越来越高，要求能够协调装置之间的互操作，实现信息的高效共享，适应智能变电站的不断发展和创新。

[1] 樊陈，倪益民，窦仁晖，等.智能变电站信息模型的讨论[J].电力系统自动化，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] 彭明伟，刘毅，郭创新.CIM模型在继电保护设备建模中的应用[J].机电工程，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.

[3] 张慎明，刘国定.IEC61970标准系列简介[J].电力系统自动化，2002，26（14）:1-6.ZHANG Shen-ming，LIU Guo-ding.Introduction of standard IEC 61970[J].Automation of Electric Power Systems，2002，26（14）:1-6.

[4] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 890.301-2004能量管理系统应用程序接口（EMS-API）第301部分：公共信息模型（CIM）基础[S].北京:中国电力出版社，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，孙建伟，黄缙华，等.基于IEC61970标准的电力系统保护模型扩展方案研究与应用[J].电力系统保护与控制，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] 毛鹏，魏晋雁，茹锋.基于IEC61970的电力系统二次设备CIM建模初探[J].继电器，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.