CIM电网计算平台的序网电路扩展

周 锐 ，赵元鹏

（1西安石油大学电子工程学院 陕西 西安 710065）

（2西安理工大学水利水电学院 陕西 西安 710048）

1 引言

为了对源自于不同厂家的EMS系统应用集成和互联进行有效的处理，国际电工委员会（IEC）结合实际情况进行电力能量管理系统（EMS）信息模型标准的合理制定，这就是电网领域中的IEC61970标准[1]。该标准是一个目前可以应用于电网表示模型的唯一标准。因此，在开发电网分析计算软件时，为了保证其开放性和扩展性，需要遵循此标准。电网计算平台在实践应用中的基本功能主要涉及到短路电流、谐波潮流、潮流等综合性的计算功能。通过所建立的序网分析模型对电网分析计算方面有效的处理[2]。所以，要结合实际情况进行序网组件的开发设计[3]。文献[3]中，利用传统的数值方式来直观的表示序网，实质上是把CIM内的电网拓扑信息采取专业性的方式转换为所需的邻接矩阵，最终实现序网电路参数的有效提取，此环节中只获取到的是序网拓扑的信息。在综合性分析研究序网的过程中，结合CIM将其它序网电路参数结合实际需求有效的获取。此方法与CIM数据交互频繁，程序耦合度高。若通过面向对象的方法实现序网模型的建构，建立模型的整个过程中涵盖所有的序网分析参数，进而有效降低计算组件冗余现象，对模型的扩展性、通用性和科学可行性等方面全面的保障。论文在实践应用中依照CIM的建模方法实现序网电路模型的设计应用与功能实现。首先，进行电网的序网表示与CIM的关联性的深入分析，通过UML实现序网电路的对象模型的科学性设计，进而实现序网组件的功能实现。最后，组件与平台测试连接，对设计的科学合理性进行全面的验证。

2 序网电路模型与CIM中电网描述

2.1 电网的序网电路模型

在综合性分析与计算电网进行稳态的过程中，在建立电网等效电路模型基础上进行电网计算。将电网发生的不对称问题结合实际情况划分为正序、负序、零序这三大对称网络问题。每一个序网电路模型的基础实际上涉及到的是技术设备的等值电路，其中涵盖的设备有变压器、电源、负荷以及线路。

2.1.1 电源和负荷等值电路模型 稳态计算的综合性过程中，把电源视作为一个理想的电压源、电路节点和电路支路这三大技术设备的组合。一个理想的电源和内部电路节点结合实际情况采取科学的技术方式在正负序网中合理的相连，具体示意图如图1(a)所示，一个理想电源和内部电路节点在零序网中不相连的操作示意图如图1(b)所示。

图1 电源的等值电路模型

2.1.2 线路的等值电路模型 传统模式的线路等值模型是通过π型模型实现的，具体操作示意图如下图2所示；线路映射在整个过程中视作为一个公共接地点t0与三条支路的有机组合。中间支路在t1和t2两个外部电路节点中进行有效的串联，接地支路在其中有一个节点和t0这一公共接地点结合专业性的规范标准进行连接。

图2 线路的等值电路模型

2.1.3 变压器的等值电路模型 变压器的等值电路模型在整个正负序网中的操作示意图如图3所示，图(a)是变压器原边等值电路示意图，图(b)是变压器副边等值电路。当外电路在原边绕组侧进行零序电压施加的过程中，若此侧绕组出现序电流，则判定为此侧绕组和外电路在具体操作过程中处于接通的状态，说明和外电路节点相连。反之判定为不相连。据此只有变压器星型接法才与外电路节点相连。当变压器副边绕组侧具有由原边产生的零序电势时，若外电路也存在零序电势并有零序电流通路，则判定该侧绕组与外部电路节点相连，否则视为未相连。据此只有中性点接地的绕组才能与外部节点相连。

图6 序网电路生成静态图

图3 正、负序中变压器等值电路模型

2.2 CIM中的电网描述

2.2.1 CIM中的电网拓扑模型 CIM模型是由多个包组成。图4是拓扑包的结构示意图。拓扑包对电力系统中每一个技术设备之间的连接关系进行明确的定义：导电设备（Conducting Equipment）在系统中和零或多个端子（Terminal）结合实际情况合理的连接，多个端子在此基础上和连接点（Connectivity Node）之间进行连接。拓扑节点（Topological Node）实质上是系统中连接点的集合。连接节点的构成是根据开关设备的通断实现的。此外，拓扑节点中包含了该节点的净注入有功与净注入无功。拓扑岛（Topological Island）实质上是拓扑节点的集合，在实践应用中展现出电网的动态拓扑。电网中设备的连接直接影响动态拓扑的变化。

图4 拓扑包

2.2.2 CIM中导电设备的模型 电线包（Wire）在实践操作中体现出核心包与拓扑包的扩展，是进行输配电网内部电气特性信息模型的科学性构建。电网外部电源模型的描述是通过等值电源类（Equivalent Source）综合性的实现。它属于导电技术设备的子类，其中涉及到戴维南正序电阻r、负序电阻rn和零序电阻r0三大核心技术部件，这些部件在专业范畴中是标称线电压，A相开路相角和开路线电压幅值。在描述电网外部负荷模型用电能用户类（Energy Consumer）的过程中，通过导电设备子类进行全面实现的，其中涉及到负荷的有功分量pfixed以及无功分量qfixed。图5是输电线路模型操作示意图。线路类（Line）在整个系统中是电力系统资源类的子类，主要是通过多个交流线段（AC Line Segment）采取科学的技术方式有机构成。

图5 电线包中线路的模型

导体类（Conductor）在店里系统中属于导电设备类的子集，而交流线段类继承了导线类，交流线段这种导线具有描述线路构成的属性。变压器类是整个系统中技术设备的子集，变压器的相关参数就是属性。一个变压器通常是利用一个或多个变压器绕组构成的。变压器绕组类是电路系统中导电设备类子集，也就是说变压器绕组是一种具有代表性的导电设备。在变压器绕组类内和拓扑具有一定关联性的属性包括：绕组接线类、绕组类以及是否接地等主要的参数。

3 序网组件的静态模型设计

3.1 序网组件的静态模型拓扑

电路拓扑主要包含节点和支路。电路岛类分为正序、负序、零序电路岛类，它包含电路节点类,支路类,电源类和负荷类。图6是序网电路组件形成静态模型示意图。

3.2 静态模型中类的属性和方法

等值负荷有功功率pfixed和等值负荷无功功率qfixed是电路节点类在整个电路系统中的固有属性。与其具有一定关联性的属性包括：与CIM模型内拓扑节点间形成0..n:1关联性的topological Node；和电路支路间juy n:n关联性的，即e_branchlist；和导电设备之间具有0..n:1关联的，为conductingEquipment；和理想电源之间具有1:0..n的关联，即e_idealsourcelist；和负荷之间具有1:0..n关联的，即e_loadlist。电阻r与电抗x是电路支路类所涉及到的相关属性；具有一定关联性的属性有：和电路节点之间具有n:n关联的，即E_busList，和导电设备之间具有n:1关联的，即conductingEquipement。

理想电源类主要涉及到的固有属性有：等值电源有功功率netInjectionMW，无功功率netInjectionMVar，标称线电压nomialVotage，A相开路相角voltageAngle、开路线电压幅值voltageMagnitude。关联属性主要涉及到和导电设备之间具有0...1:n关联的，即conductingEquipement；和电路节点之间具体0.1:1关联的，即e_bus。pfixed和qfixed是电路负荷类的固有属性。关联属性主要包括和电路节点之间具有0...1:1关联的，即e_bus；和导电技术设备之间具有0...1:1关联的，这类属性是conductingEquipement。

电路岛类在店里系统中一个一定具有代表性的虚基类。负序电路岛类与零序电路岛类的父类在系统中属于正序电路岛类。关联属性主要涉及到和电路节点具有一定关联性的，即E_busList；和电路支路之间具有一定关联性的，即E_branchList；和电路电源之间存在一定关联性的，即E_idealsourcelist；和电路负荷之间在操作中具有一定关联性的，即E_loadlist；整个过程中的操作方法是：电路岛中存在一个纯虚方法（E_IslandMade），进而有效的存储与管理电路岛中的节点与支路。方法是在正序、负序、零序电路岛类中结合实际情况采取科学的技术方式有效实现，在操作中分别把此序网中的电路节点、支路、理想电源统与负荷在与之相对应的电路岛属性中进行存储管理。

序网电路拓扑接口类主要对整个组件的运行操作进行全方位的管理，其中对输入输出的操作格式明确的规定。序网电路拓扑中的输入输出数据至整个电路系统中的固有属性。电网的拓扑岛与导电设备集合导电技术设备的集合是电路外部系统的输入属性，为外部系统在实践应用中提供电路拓扑输出的属性的主要是正序电路岛、负序电路岛以及零序拓扑岛。操作方法：完成各序网拓扑节点在电路节点映射的E_busMade，将各序网局部电路构成与之相互对应的电路节点关联的E_branchMade在整个实践应用中全面的实现。

4 序网组件程序的编制和验证

基于上述综合性的分析可知，采取C++/CLI实现序网组件程序的有效编制，以此为基础在文献[4]中进行接入，该文献中提出了电网计算平台的技术操作。某地区的三个变电站部分输电网操作示意图如图7所示。

图7 输电网示意图

上述输电网在实践运作中的具体方式主要有两种：一是采取与各变电站相对应的主变形式并列投入运行的；二是，三桥变与阿房变主变在系统中通过一主一备的技术方式运行的。输电网通过上述两种运行方式在整个操作中，分别对其序网电路进行生成。两种情况下的测试均正确得到等值序网电路。表1中的时间测试结果对比说明不同的运行状态，对程序运行时间的影响不大。

表1 测试时间

5 结语

CIM中未采取任何的方式描述序网的相关参数。为了通过以CIM为基础的电网计算平台进行电网计算组件的开发应用，本文所做的工作总结如下：（1）在总结序网模型和CIM的基础上，采用面向对象方法实现序网表示对象模型的有效建立。（2）进行从CIM模型到序网电路模型的映射的建立。（3）结合系统的实际需求进行时序网组件的编制。电网计算平台在整个实践操作中的测试结果对设计模型的精确性进行全面验证。运行效率能够对实际应用分析方面的具体要求全面满足。

[1]刘海璇, 吴福保, 董大兴，等.微电网能量管理系统中的公共信息模型扩展[J].电力系统自动化，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.基于邻接矩阵准平方法网络拓扑分析[J].电力系统保护与控制,2012,40(6)：17-21，29.

[4]董张卓，刘雪.采用.NET Remoting技术的配电网分析平台架构[J].计算机应用与软件, 2010, 27(9)：190-193.