面向配电物联网的中低压配电网拓扑建模

江 航，苏毅方，周金辉，陆 超

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310000；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310013；3.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京 211111）

在电力系统中，配电网起着直接与用户连接、向用户输送和分配电力的作用[1]。在用户侧高供电质量要求、电力市场化改革、分布式发电渗透率不断提高的影响下，随着新能源技术及信息通信技术的发展，配电网将向信息流、潮流高度融合的智能配电网发展。然而，由于配电网节点众多、覆盖面广、网络复杂，以及投资成本、人力资源和技术水平的限制，针对配电网改造的重点主要集中在10 kV及以上电压等级的电网上。长期以来，低压配电网一直处于监控盲区[2]。

物联网技术与配电网的深度融合形成的配电物联网D-IoT（distribution internet of things），为中低压配电网的运行维护问题提供了新的解决方案[3-4]。D-IoT以“云管边端”[5]为架构体系，如图1所示。当越来越多的电气设备、数据采集设备、边缘计算设备和各类管理系统通过电力网和信息网两个实际物理网络进行互联和映射时，可极大地提高配电网的态势感知能力和分析处理能力。2019年，国家电网公司发布了泛在电力物联网建设大纲[6]，提出以配用电领域应用需求为导向，将“大云物移智”等先进信息通信技术融入到配电侧的各个环节的配电物联网建设，并在上海、南京、苏州等城市开展配电物联网示范区专项建设，为规划建设、企业管理、生产运行、供电服务、电力营销建设支撑平台。

图1 D-IOT架构Fig.1 Structure of D-IoT

公共信息模型CIM（common information model）由IEC61970与IEC61968系列标准共同定义[7]，其表示了电力企业运行所需要模型中包含的所有主要对象。各类厂商开发的应用都应以CIM为标准，对电力网络进行描述，并在此基础上实现信息交互。CIM自引入以来，已广泛用于电力系统的各个应用领域[8-12]，并取得了良好成果。

随着D-IoT建设的推进，构建统一的配电网信息模型已成为最基本的步骤。目前，国内外在配用电信息交互与集成方面的研究主要集中于以CIM为标准的信息交互规范。然而，关于如何建立低压配电网拓扑模型，并通过统一信息模型来驱动DIoT上层应用的开发，还处于起步阶段。配电网拓扑是对配电网设备、线路及连接关系的完整描述，是实现配电网智能化应用的重要基础，完整、一致、准确、及时、可靠的配电网拓扑连接与分析模型及拓扑参数能够为配电网运行调度、故障检修、提升供电质量等提供关键支撑，是实现配电网主动抢修、故障自愈等智能化应用的基础。目前，CIM对于D-IoT的覆盖和描述能力欠缺，尤其是缺乏低压设备和拓扑模型及相关描述。因此，研究面向DIoT的中低压配电网拓扑建模与分析技术具有重要的理论和实用价值。本文做出了以下两个关键贡献：①本文对现有CIM进行了扩展和完善，着重解决了目前缺少面向D-IoT低压设备和拓扑模型的问题；②本文针对D-IoT的拓扑特点，分别在D-IoT云侧和边侧建立了相应的拓扑分析模型，提出了DIoT云边协同的拓扑交互方法，并规定了采用的通信协议。

1 CIM中拓扑模型

CIM使用统一建模语言UML（unified modeling language）把电力系统对象描述为类和属性。IEC61970标准定义的CIM分为核心包（Core）、负荷包（LoadModel）、域包（Domain）、发电包（Generation）、量测包（Measurement）、保护包（Protection）、停运包（Outage）、拓扑包（Topology）及电线包（Wires），如图2所示。每个包涵盖了与之相关的所有类，每个类包括了其属性特征描述，以及与此类有关系的所有类。CIM中的类与类主要有简单关联、继承、聚合3种关系，其中简单关联表示类与类之间要相互作用，继承表示相对普遍和具体这两个类别之间的关系，聚合是一种整体和局部特殊的关联。在类图中，简单关联关系用短直线表示，继承关系用三角箭头表示，聚合关系用菱形箭头表示。

图2 IEC61970 CIM模型架构Fig.2 Structure of IEC61970 CIM

电力系统拓扑模型的建立主要依据核心包和拓扑包。核心包描述了电力系统中大多数设备之间的层次关系；拓扑包作为核心包的扩展，定义了一系列电网拓扑建模相关的类。对电网拓扑连接关系的描述主要使用拓扑包中的5个类：导电设备（ConductingEquipment）、端子（Terminal）、连接节点（ConnectivityNode）、拓扑节点（TopologicalNode）和拓扑岛（TopologicalIsland）。图3为CIM中网络拓扑模型。表1详细介绍了每个类对于拓扑模型的描述内容。在CIM拓扑模型中，还列出了拓扑分析的2个基本模型，即基于连接节点的开关/节点模型和基于拓扑节点的母线/支路模型。其中，母线/支路模型主要用于状态估计、潮流计算等网络分析；开关/节点模型更多关注于开关状态，用于拓扑搜索、故障隔离与恢复等。

图3 CIM中网络拓扑模型Fig.3 Network topology model in CIM

表1 CIM拓扑包中的类Tab.1 Classes in CIM topology package

在CIM的高级应用中，拓扑分析是最基础的步骤之一，其目的是将以开关/节点模型为基础描述的电力系统网络简化为母线/支路模型。文献[13]介绍了在CIM中进行拓扑分析的节点合并法、图遍历法和邻接矩阵法。文献[14]给出了CIM在配电网络建模中的具体实现方法，并开发了一套配电网拓扑追踪软件，可以处理任何配电网站内外各种设备的网络追踪问题。高研等[15]建立了图形数据一体化的拓扑分析平台，便于和能量管理系统的其他应用实现信息共享和集成，提高了拓扑分析的速度。文献[16]研究了基于CIM的拓扑模型，提出了符合IEC61970标准的全局和局部拓扑分析算法。

2 面向配电物联网的CIM扩展

输电网与配电网的主要区别在于配电网固有的三相不平衡特性。这就要求在面向对象的配电网模型中必须清晰地描述网络元件的三相特性，并且能够理顺配电网的拓扑关系。

在配电网中，设备按照连接类型可分为串联和并联两种设备。其中，线路、开关、变压器等都属于串联设备元件；并联设备包括发电机、电容器、负荷等。在变压器的分类中，按绕组数可分为双绕组变压器和三绕组变压器，按变压器运行状态可分为三相平衡和三相不平衡；线路可分为架空线路和地下电缆等，并根据实际铺设情况分为三相、两相和单相线路。在建立配电网中低压拓扑模型时，需要对这些属性进行详细描述。

在面向D-IoT建设中，目前CIM对D-IoT体系的覆盖及描述能力有待完善。对于云侧模型，缺少低压设备和拓扑模型及相关描述，缺少包括配变监测终端、线路监测终端等各类新型智能配用电终端的建模。本文根据中低压配电网及D-IoT的拓扑建模需求，对CIM进行扩展。

2.1 端子类扩展

端子类描述所有导电设备的电气连接点，因此对配电网的CIM进行扩展时，首先要对其进行扩展，如图4所示。端子类扩展相位属性字段，用来唯一标识端子所在的相位，不同相位的端子无法进行合并。端子类与导电设备类相关联，通过相位属性（phases）表示导电设备（线路、开关、变压器等）的相位编码；设计了导电设备运行状态类（Conductor Operation），用以描述设备单相、两项、三相平衡、三相不平衡运行。

图4 CIM端子类扩展Fig.4 Terminal extension of CIM

2.2 线路类扩展

对线路类（Conductor）进行扩展，如图5所示，增加了描述低压拓扑连接的属性，扩展导体属性连接开关柜编号，用以描述低压配网导体两端连接电气设备；设计了线路类型类（WireType），相位属性用以表示线路相位编码，线路连接类型属性表示三相线路采用的连接方式，进一步分为架空线（OverheadLine）、地下电缆（UndergroundCable），扩展线路参数字段，表示不同线路型号；扩展了每相阻抗数据类（PhaseImpedanceData），属性字段正序电导、电纳、电阻、电抗用以表示每相线路参数，相位属性表示该段线路的相位编码。

图5 CIM线路类扩展Fig.5 Conductor extension of CIM

2.3 开关类扩展

针对配网开关类（Switch）的扩展，如图6所示，设计了开关相位类（SwitchPhase），控制相位属性用以表示单个开关控制的相位。对各种开关柜等设备建模，开关柜的主要作用是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜在建模时可以看作是断路器、负荷开关、隔离开关、操作部件、互感器及各种保护装置的集合，因此与这类元件的关系为聚合关系。由此设计了开关柜类（Cabinet），表示各类开关的聚合，其中开关柜编号属性唯一标识数据库中的开关柜编号信息，相位属性表示该开关柜中可控的相位编码。

图6 CIM开关类扩展Fig.6 Switch extension of CIM

2.4 电力变压器类模型

在最新的CIM中，电力变压器类（PowerTransformer）已更新了三相模型，由电力变压器端点类（PowerTransformerEnd）来描述变压器端部线路阻抗参数，电力变压器端点类通过与变压器星形阻抗类（TransformerStarImpedance）、变压器导纳类（TransformerCoreAdmittance）等相关联来表示电力变压器的具体参数矩阵。CIM电力变压器类如图7所示。

图7 CIM电力变压器类Fig.7 Power transformer of CIM

2.5 负荷类扩展

CIM负荷类（EnergyConsumer）扩展如图8所示，表示负荷额定有功无功，相位连接属性用以表示三相负荷的连接方式；扩展了每相负荷类（EnergyConsumerPhase），其属性字段用以表示每相有功无功负荷以及所在相位；扩展了负荷响应特性类（LoadResponseCharacteristic），负荷类型属性表示负荷类型（恒功率、恒阻抗、恒电流），不同类型负荷的有功无功参数由余下属性进行表示。

图8 CIM负荷类扩展Fig.8 Energy consumer extension of CIM

2.6 量测类扩展

对量测类（Measurement）进行扩展，如图9所示，设计了低压量测终端类（LowVoltageTerminal Unit），与端子类相关联，用以描述低压量测终端，包括配电监测单元（DistributionMonitoringUnit）、馈线监测单元（FeederMonitoringUnit）、智能电表等。其中低压量测终端编号唯一标识数据库中的低压量测终端编号信息，开关柜编号属性表明该量测装置所在的电气节点，相位属性表明该装置的量测相位。

图9 CIM模型量测类扩展Fig.9 Measurement extension of CIM

3 面向配电物联网的拓扑分析模型

3.1 云侧拓扑扩展分相模型

“云”是云化的主站平台。以从同一主站引出的所有馈线作为1个整体对象，对新输入CIM电网数据进行处理，形成全网的拓扑结构。云侧低压配电网在实际运行中会出现三相不平衡运行状态，在合并连接节点时，首先要确认连接节点周围端子相位属性值相同，然后再形成拓扑节点，划分子系统，形成拓扑岛进行分析。图10给出了中低压配电网云侧拓扑分析流程。

图10 云侧拓扑分析流程Fig.10 Process of cloud-side topology analysis

3.2 边侧局部拓扑分析模型

“边”为用户终端侧，在实际的系统中，经常出现开关类元件变位的情况。边侧开关动作会改变系统的拓扑结构，但对网络拓扑的影响仅局限于局部区域。在完成云侧全局拓扑分析的基础上，此时无需重新分析整个网络的拓扑，只需要修正动作开关所涉及区域的拓扑，即可实现快速拓扑分析。图11给出了边侧局部拓扑分析流程。

图11 边侧局部拓扑分析流程Fig.11 Process of edge-side local topology analysis

4 D-IoT云边协同拓扑交互方法

D-IoT云边协同远程通信协议采用标准的设备管理、配置、命令、数据上报接口。信息模型包含云主站信息模型、边节点信息模型等。云主站模型包含一次设备、二次设备、配置、电网拓扑、量测、服务等信息；边节点信息模型包含设备拓扑、量测、设备管理等信息。把拓扑信息按照CIM格式，以消息队列遥测传输协议MQTT（message queuing telemetry transport）进行传输，能够满足D-IoT平台设计、数据交换方面的快速开发、即插即用、高效传输。

5 结语

作为不断发展更新的标准，CIM提供了电力系统各业务应用之间的模型和数据标准。由于现有的CIM缺乏面向D-IoT的拓扑模型，本文对拓扑建模涉及的导电设备模型进行了扩展，分别对端子、线路、开关、变压器、负荷和低压终端进行了建模和扩展，建立了D-IoT云侧低压配电网扩展分相模型和边侧局部拓扑分析模型，明确了D-IoT云边协同的拓扑交互方法与内容，以及所采用的通信协议。