基于CIM 拓扑模型的配电网线路联络分析

孙加++吴昊

【摘 要】本文在IEC61970CIM 的基础上对CIM 拓扑模型进行配电网线路的联络路径与瓶颈区间分析，提出一种基于多叉树的拓扑分析方法，将杆塔、开关、变压器、站所、用户等看作节点，将馈线段看作边，利用从属关系反映他们间的连接关系，构建一棵有序的多叉树，同时将设备属性、馈线段规格与上下级关系保存于每个节点中，便于根据特定的应用从某个节点正反向追溯计算。该方法的C#实现主要用于配电网拓扑计算，较其它复杂拓扑实现起来更简单和可扩充。

【关键词】配电网 CIM 拓扑模型 多叉樹

IEC61970标准是由国际电工组织制定，描述能量管理系统应用程序的模型和接口的标准，包含导则、术语、公用信息模型（Common Information Model，CIM）和两种级别的组件接口规范（Component Interface Specification，CIS）共5个部分。其中， CIM定义了能量管理系统（EMS）的应用程序接口标准，即电力对象模型及其关系，并给出了电力对象的确切定义和域描述 ，是IEC61970的基本包集。采用CIM模型，可以顺利实现系统间的信息交换。

目前，各调度软件开发厂商均在开发以IEC61970规约为基础的调度软件。调度软件中的网络拓扑，需要将配电网一次接线图处理成高级应用软件所需的计算节点模型，形成新的网络接线形式。本文提出的基于多叉树的网络拓扑分析，根据CIM模型构建的配电网一次接线图，利用模型间的继承关系和关联关系，采用按树搜索策略，能够对任何接线方式下的网络结构进行分析。

1 CIM 拓扑模型

拓扑包是CIM模型中的核心包之一，拓扑包定义的的各个类主要描述电网模型的拓扑连接关系。图1是CIM模型Topology包中的拓扑模型结构：CIM的拓扑模型中定义了端子（Terminal）和连接点（Connectivity Node）。其中，端子是导电设备的电气点。连接点是导电设备端子的无电阻融合点，包含一组端子。CIM模型中一个导电设备包含几个端子。例如一个开关刀闸（Switch及其子类）有两个端子，一个线路段（AC Line Segment）有两个端子。每个端子属于某个连接点，如果几个端子指向的连接点相同，表示这些端子融合。CIM模型通过关联关系定义了导电设备类与端子，端子与连接点间的关联关系。端子和连接点共同建立起设备之间的电气连接关系。

2 网络拓扑方法

电网专题图拓扑数据和图形分别以CIM格式SVG矢量图形格式定义，CIM与SVG结合完整表达电网模型如图2所示，用于电网模型的可视化展示。

2.1 拓扑算法描述

配电网管理的对象包括变电站、开闭所、线路（包括电缆）、杆塔、变压器、配电箱、开关、刀闸等设备，以及连接在变压器上的各类用户单位。某配电网联络区间如图3所示。基于供电可靠性考虑，在一些主干线路之间往往有联络开关相连，平时断开，当一端线路供电的变电站出现故障，停止供电后，线路间的联络开关闭合，由对供线路供电。根据配网结构示意图可以看出，如果将变电站看作是根节点，则线路及其分支就可以看成是一棵多叉树，每一个末端设备，如杆塔、变压器、开关、站所、用户等都可以看作是树叶，分叉处的节点可能是杆塔、站所等，我们采用深度优先的搜索策略，从根节点（变电站）出发，沿指定的主干线或其支线搜索到路径的末端。再回溯该搜索路径的节点，继续寻找当前主干线的其它路径，直到搜索完所有支路和节点，边搜索边将上下级关系或称为父子关系登记以备查。

2.2 联络分析描述

包含联络关系的某配网线路一次接线图的电气拓扑，如图4所示，红色数字代表CIM模型中的端子（Terminal）。采用深度优先算法的搜索路径过程：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16→15→14→13→12→17→18→19→20→21→22→23→22→21→20→19→18→17→11→10→9→8→24→7→6→5→4→27→28→29→30→31→32→33→32→31→30→29→28→27→3→2→1。整理数据后发现：LK2开关的23号端子、LK3开关的16号端子、ZS的24号端子在当前线路上无连接关系，但分别和线路3、线路4、线路2相连，所以可以判断当前线路通过”KG2”，”KG3”， ”ZS”这三个设备和其它线路构成联络关系。为简化数据组织与搜索过程，把每个设备的端子看作有统一连接点，设备本身等效为唯一的连接点，以名称或编号识别，就形成了图5所示的等效图。

经过简化后的搜索路径过程：01→02→03→ZS→04→05→06→LK3→06→05→05_1→05_2→LK2→05_2→05_1→05→04→ZS→03→02→02_1→02_2→KG1→YH→KG1→02_2→02_1→02→01。整理数据后发现，处于叶子节点的设备有”KG2”，”KG3”，”YH”，特点是它们没有往下的子节点了，再加上所有站所设备”ZS”，再过滤掉不能构成联络的用户类型对象”YH”，就剩下”KG2”，”KG3”，”ZS”，且发现他们都与其它非当前线路存在相连，得到与前图相同的结论。根据上述分析，本文论述的基于CIM模型的拓扑分析算法流程如图6所示。

3 结语

本文采用基于CIM模型的简化后的深度优先的拓扑算法，克服了传统拓扑方法搜索效率低、不易理解和编程复杂的缺点。提高了拓扑搜索速度。采用面向对象的设计方式，拓扑过程不针对具体的设备类型，具有很强的适应性和扩展性。同时，拓扑模型遵循CIM定义，使得网络拓扑可以运行在任何支持CIM模型的系统平台上，实现即插即用功能。实际应用中，采用C#面向对象语言实现网络拓扑，应用在导线规格统计、线路瓶颈统计、线损计算、动态着色等方面，取得了良好的效果。

参考文献：

[1]《国家电网公司生产管理系统与电网GIS空间信息服务平台应用集成规范》[S].

[2]《国家电网公司SG186工程生产管理系统业务功能需求规范》[S].

[3]《国家电网公司电网GIS空间信息服务平台数据模型设计》[S].

[4]《国家电网公司电网GIS空间信息服务平台图元规范》[S].

[5]《国家电网公司数据中心公共数据模型（SG-CIM）典型设计》[M].

[6]辛耀中.新世纪电网调度自动化技术发展趋势[J].电网技术，2001，25（12）：1-10.