（电力系统及其自动化专业论文）基于公共信息模型的配电网静态安全分析设计与实现.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 静态安全分析是e m s 的重要组成部分，是调度员监视、分析和控制电力系统，保证 电网安全经济运行的重要工具。 本文首先综述了静态安全分析的研究动态；简要介绍了国际电工委员会( i b c ) 推 出的、主要用来描述电网公用信息的i e c 6 1 9 7 0 。然后，在对公共信息模型研究的基础上， 根据c i m 规定的语法和语义，对c i m 进行了扩展，设计了静态安全分析特有的类：针对 配电网与输电网在结构和功能上的差异，提出了采用两次拓扑的方法来识别不同运行方 式下备自投设备的投切，该方法可以方便、准确模拟各类备自投设备的动作。 对甘肃某地区电网的计算表明，该方法可以方便的定义各种故障，较好的符合地区 电网运行的实际情况，表明了该算法的有效性和实用性。 关键词：能量管理系统，配电管理系统，公共信息模型，静态安全分析 a b s t r a c t s t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i si sa ni m p o a a n tp a r ti ne m s d m st oh e l pt h ed i s p a t c h e rm o n i t o r a n da n a l y z et h ep o w e rs y s t e m 1 1 1 et h e s i s d e p i c t st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fs t a t i cs e c u r i t y a n a l y s i s ；t h ei e c 6 1 9 7 0i sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，w h i c hi su s e dt od e p i c tt h ec o m m o ni n f o r m a t i o n o f t h en e t w o r k b a s e do nt h es y n t a xa n ds e m a n t i c so fc i m ，t h ec i mi se x t e n d e dt od e s i g nt h eu n i q u e c l a s s e so fs t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i s c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n ，t h es t a t i cs e c u r i t y a n a l y z i n gm e t h o dc o n s i d e r i n gt h eb u s b a ra u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h ( b a t s ) b yt w i c et o p o l o g y i sp r e s e n t e db a s e do nt h e ，w h i c hc a na c c u r a t e l ys i m u l a t eb a t s a c t u a la p p l i c a t i o ni no n ed i s t r i b u t i o no fg a n s up o w e rs y s t e ms h o w st h a tt h er e s u l t so f a n a l y s i sa g r e ew i t ha c t u a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，p r o v i n gt h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h ea b o v em e t h o d p e n gw e n c h e n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gz h a n gl iz i k e y w o r d s ：e m s ，d m s ，c i m ，s t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 ，是本人在华北电 力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所 知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名： 匦兰丝 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期：理6 ：ib日 期：丛! ：y 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 一、本课题研究的目的和意义 当前，电力系统市场化的改革浪潮席卷全球，其根本宗旨是打破电力行业垄断， 促进市场竞争，提高效率，降低成本和电价，从而提高本国经济在国际市场上的竞 争能力。然而电力市场化改革也给电力系统运行和控制带来一系列的新问题。引入 竞争后，各电力公司的降低成本的压力与日俱增，使其不得不调整运营成本。降低 成本的一般性措施包括使电力系统在更接近安全极限的水平下运行，减少维修次 数，减少在人力和设备上的投入。显然，电力公司采取的降低成本的各种措施，会 对维持电网的安全稳定运行产生一定负面的影响n ，。 近年来，国内外电力系统相继发生多起大面积停电事故，造成了重大损失。特 别是2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加大停电，造成了严重的经济损失和政治影响。这引起 了人们对电力系统安全性的强烈关注。1 。 现代电力系统变得日益庞大和复杂，发生故障的概率也在增加，尤其是发生故 障的连锁反应时，停电时间长、范围大，对社会的政治、经济和人们的日常生活都 会产生无法估量的严重后果。电力系统的运行日益亟需高效的电力系统安全分析软 件来帮助他们分析电网运行的方式，分析当前系统运行的安全水平，防患于未然。 而随着电网规模的不断扩大以及电力市场的不断放开，交易的规模将不断扩大，相 应地对电网的静态安全分析的要求不断提高。因此，在电力市场环境下，研究电力系 统静态安全分析有其现实意义。 按电力系统安全稳定导则，电力系统静态安全分析指应用n 一1 原则，逐个 无故障断开线路、变压器等元件，检查其他元件是否因此过负荷和电网低电压，用 以检验电网结构强度和运行方式是否满足安全运行要求，如当线路和变压器开断 后，会否引起其它线路的过载或节点电压的越限。静态安全分析是调度员监视、分 析和控制系统，保证电网安全经济运行的重要工具”3 。 考虑到配电网在整个社会中所起的重要作用，它是电力系统直接面向用户的重 要环节，关系到千家万户的用电问题，随着用户对供电质量和供电可靠性要求的不 断提高，作为d m s 重要组成部分的静态安全分析受到了研究和运行人员越来越多的 重视，而且配电自动化系统的逐步投入也使得配电网的安全分析变得更易实现和实 用“。 与输电网有所不同，配电系统的电压等级较低，负荷较轻，且动态元件少，一 华北电力大学硕士学位论文 般认为配电网中没有明显的暂态过程，其安全分析主要集中在静态方面，其主要目 的是配电网故障后可靠供电的能力进行评估，并结合安全性指标给出定量的评价， 以提供配电网的供电安全性、可靠性和经济性。 长期以来，研究人员将精力集中在输电网的安全分析上，提出了输电网安全分 析的( n - 1 ) 原则。1 ，目前，对输电网安全分析的研究现在已经很成熟，其成果的实 用化对减少输电网运行事故的发生起到了重要的作用。与此相比，国内外对配电网 安全分析的研究还相对较少，虽然已有研究人员对配电网安全分析的分析方法和评 价指标进行了探讨，但还没有形成完整的体系。特别是考虑到配电网和输电网在结 构上的差异，安全分析不能照搬输电网的( n 一1 ) 准则，必须从配电网自身的结构 特点出发，设计适用于配电网的静态安全分析。 由此可见，借助日益成熟的计算机技术及软件技术，对配电网安全分析的方法 进行深入的研究，研制开发适用于配电网的静态安全分析实用化软件具有重要的现 实意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 网络分析的基础一潮流计算 配电网潮流计算是配电网网络分析的基础，配电网的网络重构、故障处理、无 功优化和状态估计等都需要用到配网潮流的数据。因此，一套性能优良的配电网潮 流程序是开发d m s 系统的关键。 由于配电网所具有的一些不同于高压输电网的特征，例如一般是辐射型树状结 构或弱环网结构，支路参数电阻和电抗比值较大，以及三相负荷不对称问题比较突 出等，使得原来在高压输电网中行之有效的潮流算法快速分解法在配电网中收敛性 能不佳。为此在各类文献中已研究出一些适合于配电网的潮流算法，主要包括： 1 ) 前推回代法“1 。前推回代法是配电网潮流算法中被广泛研究的一种方法。此 类算法具有收敛速度快、数值稳定性好的特点，不需要矩阵运算，占用计算机资源 很少。但是，当配电网的规模增大时，这类算法的叠代次数呈线性增长，另外，多 数前推回代法不能求解电压角度，这也限制了它的使用。 2 ) 牛顿法”1 。由于牛顿法潮流的二阶收敛特性，在配电网潮流计算中仍然保持 着收敛速度和叠代次数方面的优势。在配电网的实际应用中仍然是一种性能优异的 潮流算法。 3 ) z b u s 法。以母线的注入量为自变量列出潮流方程，该方法虽然是一阶收 敛的算法，但也是一种性能优异的配电网潮流算法。具有接近牛顿法的收敛速度和 华北电力大学硕士学位论文 收敛特性。在实际应用中也是一种可以被采用的方法。 4 ) 直流法”1 。由于直流法由于具有简单、快速和便于实时计算等优点，在静态 安全分析中得到了广泛应用，但其精度一直不能让人满意。而交流潮流法虽然在精 度上可以取得令人满意的效果，但在执行时间上有所增加。现在已有专家学者提出 改进的直流潮流法，提高了直流法的计算精度。 1 2 2 静态安全分析概述 在早期的静态安全分析中，一般只进行n 一1 扫描式的故障选择和分析，即分别 开断系统的每一个网络元件，计算开断后的电网状态。然而，随着电网结构的增强， 绝大多数单重元件的开断已经不构成对系统有害的故障；况且极少数构成危害的单 重元件开断的影响范围和安全对策已被调度人员熟悉。更受调度员重视的故障是多 重故障分析，但如果采取n - 2 或n 一3 的故障扫描方式，则计算量将以几何极数增长， 基本上是不可行的。所以，9 0 年代初，静态安全分析的技术发展一直集中在如何减 少待分析的故障数及如何加快分析速度这两个关键点上0 1 。 近些年来，人们大都是以下三个方面来对静态安全分析的算法进行研究和改 进，即预想故障集的结构、行为指标的结构和终止判据的确定，从而力求速度和精 度都能满足实际应用的要求“2 “3 “。 1 预想故障集 9 0 年代初，在预想故障集的概念引入了静态安全分析之后，静态安全分析软件 的实用性得以大大提升。在故障集中，可以任意定义各种调度员感兴趣的复杂故障， 降低静态安全分析的计算量，灵活、方便的快速模拟和再现电网的故障过程。可以 说，故障分类的科学性是提高预想故障分析软件设计质量的重要一步。在文献 1 中定义的故障包括四部分：主开断元件、条件监视元件、条件开断元件和规则集。 若干具有某种特征的故障可以定义到一个故障组中，而且一个故障可以定义到多个 故障组中。 对e m s 而言，这种故障的定义已经可以满足静态安全分析的需要。但在配电网 中，为保证用户的供电可靠性，地区电网中装备了大量的自动装置如失压解列、故 障解列等自动装置。当故障发生时，往往引起一系列自动装置的相继动作。如果在 配电网中进行安全分析时，不考虑备自投装置的动作，这样的分析结果明显与实际 情况不符。目前，已经有研究人员提出了配电网所特有的n - i + i 准则”3 。 2 行为指标 行为指标是一种度量，它可以用于对一个预想事故的相对严重程度进行估计。 系统的行为指标不是固定的，依据对工程的重要性的参数不同，行为指标可以有多 华北电力大学硕士学位论文 种形式。通常，一个电力系统的实际状态通过一组系统变量来定义，为了表征预想 事故的严重程度并据此来排队，那么就需要将这一组变量转化为一个可度量的量， 即行为指标。系统行为指标最常用的形式是对系统变量诸如线路潮流、节点电压、 节点功率注入等物理量的偏移的度量。行为指标的结构和评价标准的正确性是自动 预想事故选择的关键。作为对预想事故的一种估量，行为指标应具备两方面功能： ( 1 ) 能区分开严重故障与不严重故障 ( 2 ) 严重故障对系统危害程度的预测 对于输电网中的事故筛选和预想事故分析而言，对事故后果严重程度行为指标 的定义和应用已经很成熟。常用的行为指标有“有功功率行为指标”和“电压一无 功功率行为指标”，并且允许把有功功率行为指标和电压一无功功率行为指标分开 处理，形成两种不同的预想事故排列表格。由于对配电网安全分析的研究才开始不 久，加之其不同于输电网的诸多特点，因此，不能套用输电网常用的安全性指标。 在评价开断对配电网影响的严重性程度上，可以根据配电网的特点，增加新的指标， 如失负荷指标和失电压母线数指标来判断故障的严重性程度。失负荷指标即失去负 荷的功率数，指标越大，故障越严重：失电压母线数指标即失去电压的物理母线数， 指标越大，表示停电范围越大，故障也越严重。 3 终止判据 进行预想故障选择，除了行为指标及算法外，还有终止判据问题。终止判据 是指对一览表中的、需要进行详细交流潮流计算的预想事故进行选择的判据。是属 于终止判据范围以外的预想事故，就认为不会对电力系统引起违限或虽引起违限但 影响并不重要，因而可以不必再用交流潮流进行校验。下面是常用的两种终止判据： a ) 只分析预想事故一栏表中的前面n 个。这种方法计算时间短，但对n 个 以后的开断情况，也有可能会引起违限，就不能再对他们作详尽的分析了。 b ) 采用不再出现违限的开断情况作为终止判据。这种方法可以降低出现遗漏 严重情况的可能性，但增加了预想事故分析所需的时间。 c ) 分别对应不同行为指标所得到的事故一览表，对各种指标，采用“在m 个 连续开断情况中没有出现节点电压或有功潮流越限”的判据。这种判据的m 值需 要经过不断的应用和验证来加以选择。 近年来，已有很多的预想事故自动选择算法发表，而且某些算法已进入实旄、 考验阶段“2 “。但是整个问题并未完全解决，尤其是所谓的遮蔽现象还时有发生， 因此a c s 算法还有待于进一步地研究和完善。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3i e c 6 1 9 7 0 系列规范 ( 1 ) 国际电工委员会( i e c ) i e c 是国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的英 文缩写，是非政府性国际组织，正式成立于1 9 0 6 年，是世界上成立最早的专业国 际标准化机构，负责有关电气、电子工程领域的国际标准化工作。i e c 的宗旨是， 促进电气、电子工程领域中标准化及有关问题的国际合作，增进国际间的相互了解。 为实现这一目的，i e c 出版包括国际标准在内的各种出版物，并希望各成员在本国 条件允许的情况下，在本国的标准化工作中使用这些标准。我国于1 9 5 7 年加入i e c 。 i e c 标准的权威性是世界公认的。i e c 每年要在世界各地召开一百多次国际标 准会议，世界各国的近1 0 万名专家在参与i e c 的标准制订、修订工作。i e c 现在有 技术委员会( t c ) 8 9 个；分技术委员会( s c ) 1 0 7 个。i e c 标准在迅速增加，1 9 6 3 年只 有1 2 0 个标准，截止到2 0 0 0 年1 2 月底，i e c 已制定了4 8 8 5 个国际标准。 ( 2 ) i e c 6 1 9 7 0 概述。 随着电力系统的发展和电力体制改革的深化，为保证电网安全、优质和经济运 行以及电力市场的有序运行，电力调度中心可能同时运行有多个应用系统，例如能 量管理系统( e m s ) 、电能量计量系统、调度生产管理系统、配电管理系统( d m s ) 和电 力市场技术支持系统等。这些系统之间需要交换数据、共享信息，而可能又来源于 不同的开发商。为此，i e c 第5 7 技术委员会的1 3 工作组推出了主站侧各应用系统接 口的系列标准i e c 6 1 9 7 0 ，以满足上述需求，其主要部分以c i m ( 公共信息模型) 描述电 网的公用信息“川。 i e c 6 1 9 7 0 分为指导与要求、术语表、公共信息模型、组件接口规范这几个组成 部分。本下列标准包括下列各篇： 第1 篇：导则和般要求 第2 篇：术语表 第3 x x 篇：公共信息模型( c i m ) 第4 x x 篇：组件接口规范( c i s ) ，级别1 第5 x x 篇：组件接口规范( c i s ) ，级别2 第1 篇规定了应用e m s a p i 接口标准所需的一组指导原则和一般的基础结构能 力。 第2 篇给出了一份词汇表，其中列出了标准中特定的或者需要解释的术语和缩 写。 第3 篇定义了公共信息模型( c i m ) 。c i m 提供能量管理系统信息的一个综合的 逻辑视图。c i m 采用面向对象的技术，以一种标准的类与类之间的关系来描述电力 5 华北电力太学硕士学位论义 系统模型。采用c i m 作为标准的信息模型，可以将不同应用程序间的数据传递花销 降低为最小，数据交换时接受方明确知道数据的定义，方便了用户的移植和升级， 大大降低开发和维护的费用。目前，c i m 已经被多个电力企业接受。我国主要e m s d m s 开发单位正在积极研制开发支持c i m 的新一代调度自动化系统。随着越来越多的厂 商以i e c 6 1 9 7 0 制订的公共信息模型为基础开发电力系统自动化的各级产品，设计 支持公共信息模型的e m s d m s 软件，实现软件的“即插即用”，是e m s d m s 软件下 一步发展的方向。 第4 x x 篇和5 x x 篇制定了能量管理系统的组件接口规范( c i s ) 。c i s 规定的接 口是组件为了能够以一种标准的方式和其它的组件交换信息或访问公共数据所应 该实现的各种接口。 1 3 本文的主要工作 结合“地区电网调度决策支持系统”中静态安全分析模块，对配电网静态安全 分析进行了实用性研究。 开发了可视化的电力系统静态安全分析软件包，集图形支持系统、数据库系统、 网络开断计算、事故预想排序于一体。 具体完成的工作主要有： 1 根据配电网的特点，为真实再现故障后电网的状态，采用双次拓扑的方 法，方便，准确的模拟各自投设备的动作。 2 根据c i m 规定的语法和语义，对c i m 进行了扩展，设计了静态安全分析 特有的类，提出了一个基于c i m 通用的静态安全分析软件。 3 采用数据库的方式来对预想故障集进行维护和管理，方便用户有针对性 的选择部分或特殊的预想故障集来进行安全分析。 4 完成了图形支持系统程序的编制。 5 完成了开断计算、预想事故自动选择分析程序的编制。 6 华北电力大学硕士学位论文 二、基于公共信息模型电力系统静态安全分析软件 2 1i e c 6 1 9 7 0 公共信息模型简介 为了实现电力系统应用软件的“即插即用”和相互的“无缝连接”，就需要一 个公用的信息模型，以便用一种通用的方法来描绘现实电力系统中的各个对象( 例 如：变压器、量测等等) ，同时还需要一组用于数据交换的公用语义和语法”“。 i e c 第5 7 技术委员会的1 3 工作组推出了主站侧各应用系统接口的系列标准 i e c 6 1 9 7 0 系列，该系列是新一代调度自动化系统的基础。其主要部分以公共信息模 型( c i m ) 描述电网的公用信息，c i m 采用面向对象的技术，以一种标准的类与类之 间的关系来描述电力系统模型，将电力系统抽象为若干个包，包括：核心、拓扑、线、 保护、度量、负荷、发电、生产、域等。每个包都含有若干个类，类在定义的同时 也规定了与其它类之间的关系。c i m 定义了覆盖各个应用的面向对象的电力系统模 型，是i e c 6 1 9 7 0 标准的灵魂。采用c i m 作为标准的信息模型，可以将不同应用程序 间的数据传递花销降低为最小，数据交换时接受方明确知道数据的定义，方便了用 户的移植和升级，大大降低开发和维护的费用“4 川。 c i m 的产生符合当前新一代电网调度自动化系统的要求，已为多个电力企业所 接受。北美电气可靠性委员会( n e r c ) 为了防止电力市场环境中承担安全协调任务的 电力公司以安全为由为自己公司谋利，已正式要求这些电力公司提供以公用电力系 统模型( c o m m o np o w e rs y s t e mm o d e l ，简称c p s m ) ( c i m 的一个子集) 描述的带量测的 电网模型。电力市场环境下的e m s 应用软件非常多，不可能由一家产品包打天下，必 须以标准的接口联接多家产品，共享信息和资源“。 2 2c i m 的具体结构 c i m 统一了电力系统模型。通过c i m ，以对象类和属性的方法来显示电力系统 资源以及它们之间关系的标准方法，实现了不同开发商独立开发e m s 各应用软件的 集成，或e m s 与电力系统运行中各个方面的其它系统( 如d m s ) 之间的集成。由于 考虑到整个c i m 的大小，c i m 中的类被组织成一些逻辑包，每个包显示了这个电力 系统模型的某一特定部分。它提供了能量管理系统( e m s ) 信息的物理方面的一个 逻辑视图，这些电力企业的信息是共享的。 图4 1 展示了i e c 6 1 9 7 0 3 0 1 篇中定义的c i m 各个包以及它们之间的依赖关系。 c o r e ( 核心包) 7 华北电力大学硕士学位论文 厂 i g e n e r a t i o nl o a d m o d e io u t a g e p r 0 伯c t i o n l 弋过j ，o w i r e s m e 8 - 3 t o p o l o g y 。_ j _ _ c o r e d o m a i n 图4 1 c i m 的皋本结构例 包含了所有应用共享的核心p o w e r s y s t e m r e s o u r c e ( 电力系统资源类) 和 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t ( 导电设备类) ，主要是抽象出大部分电力系统实体的公共特 性，这个包不依赖于任何其它的包，其它包基于这个包。 - t o p o l o g y ( 拓扑包) 这个包是c o r e 包的扩展，它与t e r m i n a l 类一起建立连接性( c o n n e c t i v i t y ) 的 模型。另外，它还建立了拓扑( t o p o l o g y ) 的模型，所谓拓扑分析，是根据电网的开 关状态分析判断出电网的结构( 即拓扑) ，根据开关状态把各种设备( 如发电机、负荷 馈线、并联电抗器、变压器、输电线等) 连接的电网表示成能用于电力系统分析计 算的结点一一一支路模型，并且识别相互孤立的子系统。它是电力系统分析计算的 基础。从本质上来说，拓扑分析是一个数学问题，拓扑的定义与其它的电气特性无 关。 w i r e ( 电线包) 从c o r e 和t o o p l o g y 扩展得到，它建立了输电( t r a n s m i s s i o n ) 和配电 ( d i s t r i b u t i o n ) 网络的电气特性的信息模型。w i r e 包广泛的应用在网络分析中，如 潮流( l o a df l o w ) 、状态估计( s t a t ee s t i m a t i o n ) 及晟优潮流( o p t i m a lp o w e rf l o w ) 。 o u t a g e ( 停运包) 扩展自c o r e 和w i r e s 包，建立了当前及计划网络结构的信息模型。 p r o t e c t i o i l ( 保护包) 8 华北电力大学硕士学位论文 扩展自c o r e 和w i r e s 包，建立了保护设备，如继电器的信息模型。 m e s a ( 量测包) 这个包包含描述各应用之间交换的动态测量数据的实体。 l o a d m o d e l ( 负荷模型包) 这个包以曲线及相关的曲线数据的形式为能量用户即系统负荷提供模型，并且 包括影响负荷的特殊情况，如季节与日类型。这一信息提供给负荷预测( l o a d f o r e c a s t i n g ) 和负荷管理( l o a dm a n a g e m e n t ) 使用。 p r o d u c t i o n ( 生产包) 这个包提供了各种类型发电机的模型。 d o m a i n ( 域包) 这个包中提供了大量的关于电力系统数据类型的定义，包括了整型量、枚举量、 字符串、浮点量的定义。 因为本文的主要操作涉及了c o r e ( 核心) 包，所以对c o r e 做一下介绍。 其基本结构如图4 2 所示，各个类及其相互关系请见附录1 。 图4 - 2c o r e ( 核心) 包结构图 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3u m l 概述 电力系统是一个超大规模的互联系统，其相关应用软件随着计算机的发展也变 得越来越复杂，源代码的规模越来越大，开发的周期也越来越长，项目失败的可能 性也相应增加。在长期的研究与实践中，人们愈来愈深刻地认识到，采用面向对象 技术，对现实问题进行科学的抽象，建立简单准确的表示模型，是把握复杂系统的 关键。建立模型可以使人们从全局上把握系统的全貌及各个部件的关系，防止过早 的陷入模块的实现细节n 。 c i m 作为一种面向对象的信息模型，采用了统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ，u m l ) 对系统建模“。统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是近年来软件工程领域内取得的最重要成果之一。它是一种定义良好、易于表达、 功能强大且普遍适用的建模语言。u m l 使用面向对象的概念来分析、描述软件系统 并构造系统模型，是一种在大型复杂系统的建模领域中得到认可的优秀的软件工程 方法。在电力系统复杂应用软件的各个开发阶段合理的使用统一建模语言，将有助 于降低开发成本，提高开发速度，降低软件的维护费用，对电力系统的高级应用软 件的开发具有实际的应用价值。 r a t i o n a l 公司推出的r a t i o n a lr o s e 是目前最好的基于u m l 的c a s e ( c o m p u t e r a i d e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 工具“”。r a t i o n a lr o s e 是业界领先的基于u m l 的 可视化建模工具。它把u m l 和谐地集成进面向对象的软件开发过程中。不论是在系 统需求阶段，还是在对象的分析与设计、软件的实现与测试阶段，它都提供了清晰 的u m l 表达方法和完善的工具，方便建立起相应的软件模型。 c i m 便是使用r a t i o n a lr o s e 建立起来的。整个c i m 作为一个扩展名为m d l 的 可以使用r a t i o n a lr o s e 观看的文件存在，其中包括各个类图及类、属性、类型和 关系的描述，并且允许从c i m 包构造新的模型，这就为不断发展和完善c i m 创造了 条件。 2 4 对静态安全分析故障集的修改 9 0 年代初，在预想故障集的概念引入了静态安全分析之后，静态安全分析软件 的实用性得以大大提升。在故障集中，可以任意定义各种调度员感兴趣的复杂故障， 降低静态安全分析的计算量，灵活、方便的快速模拟和再现电网的故障过程。可以 说，故障分类的科学性是提高预想故障分析软件设计质量的重要一步。在文献 8 1 0 华北电力大学硕士学位论文 中定义的故障包括四部分：主开断元件、条件监视元件、条件开断元件和规则集。 若干具有某种特征的故障可以定义到一个故障组中，而且一个故障可以定义到多个 故障组中。 对e m s 而言，这种故障的定义已经可以满足静态安全分析的需要。但在配电 网中，为保证用户的供电可靠性，地区电网中装备了大量的自动装置如失压解列、 故障解列等自动装置。当故障发生时，往往引起一系列自动装置的相继动作。如果 图4 - 3 修改后的预想故障集 在配电网中进行安全分析时，不考虑备自投装置的 动作，这样的分析结果明显与实际情况不符。因此 对传统的故障集进行了修改，增加了各自投装黄 “”1 。如图4 - 3 所示。最终实现的静态安全分析完 全可以满足配电网静态安全分析“n - i + m ”的特殊 要求。 2 5 包含静态安全分析故障集的公共信 息模型的扩展 尽管c i m 已经涵盖了e m s 中几乎所有的电力系 统模型，但为满足电力系统发展的需要，它本身依 然在不断的完善中”。文献 2 5 中对c i m 就行了扩 展，使它能应用到配电系统中。在文献 2 6 中，也 对c i m 进行了扩展，设计了直流系统特有的类，并 在扩展c i m 的基础上完成了交直流潮流框架设计。本文在研究静态安全分析和c i m 的时候，发现现有的c i m 尚不能满足静态安全分析中所需的故障和故障组定义的需 要。开发基于公共信息模型的静态安全分析软件，应做的首要工作是扩展i e c 6 1 9 7 0 系列标准中的公共信息模型( c i m ) ，补充对故障及故障组的定义。 补充定义的故障及故障组应满足以下要求： 具备通用性，可以根据调度员的需要方便的设定各种故障( 包括单重故障 和多重故障) 及故障内的各个元件( 包括主开断元件、条件监视元件、条件开断元 件、各自投元件) 。 定义好的故障可以放到一个故障组或多个故障组中，并给故障和故障组设 定“停用”标志，如果停用标志有效，则进行分析时会跳过这些故障和故障组。 故障组和故障表应方便维护，可以根据电网的实际需要补充新的故障及故 障组定义，删除无用的故障及故障组定义。这样才能使静态安全分析的效率达到最 高。 华北电力大学硕 学位论文 2 5 应用u m l 对静态安全分析软件进行系统建模 根据上述需求，采用r a t i o n a l 公司推出的r a t i o n a lr o s e 作为u m l 建模工具 来完成全部的建模工作。例如：利用用例图进行需求分析；建立类图描述系统中类 的静态结构，包括其属性、行为，以及相互关系。下面以几个典型的模型图加以说明。 用例图 用例图如4 4 所示。它是站在用户，在这里即是调度员的角度上，理解 一， 进行安全分析 ，7 一。、一早r 、 、一。一八7 激活故障组及故障 调度员 定义故障蛆及故障 厂生、r 、 一 设置控制毒教 图4 4 静态安全分析用例模型图 静态安全分析软件所要完成的功能。 类( c l a s s ) 图 类图是u m l 中最基本的模型图。 利用它，可以非常清晰直观地表示出系 统中的类的特征以及类之间的关系。相 对于其它软件，电力系统应用软件具有 相对稳定的体系机构，鉴于c i m 中已经 为我们构造了相对完整的电力系统模 型，所以我们所定义的故障类和故障组 类都可以从c i m 派生。其类图( c l a s s ) 如图三所示。其中，涉及到的n a m i n g 类、 图3 静态安全分析的类图 兰! ! 皇垄查兰堡圭竺垡兰苎 ，_ _ _ 一 c o n d u c t e q u i p m e n t 类是公共信息模型里的核心包中已经定义好的类。新生成的类包 括f a u l t ( 故障) 、f a u i t g r o u p ( 故障组) 是为了能够完整描述静态安全分析； a n a l v s e r e s u i t ( 分析结果) 和v i o l a t i o n s t a t i s t i c s ( n n n 况n t ) 是为了完整 描述安全分析后电网状态：其中从v i 0 1 a t i o n s t a t i s t i c s 类再向下派生两个子类a 类图如图三所示，具体说明如下 1 f a u l t ( 故障类，从n a m i n g 类继承) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 墨查塑适堕垫堕塑堑查 一 ( 1c u t e q u i p m e n t s ( 1 c o n d u c t i n一个故障至少包括一 n )n ) g e q u i p m e n t 个或多个 主开断设备 ( 1 c o n d i t i o n e q u i p ( 0 c o n d u c t i n一个故障可能包括一 n )m e n t sn ) g e q u i p m e n t 个或多个条件开断设备 ( 1 m o n i t o r e q u i p m e ( 0 c o n d u c t i n一个故障可能包括一 n ) n t s n ) g e q u i p m e n t 个或多个条件监视设备 ( 1 b a c k u p e q u i p m e n ( 0 c o n d u c t i n一个故障可能包括一 n ) t sn ) g e q u i p m e n t个或多个备用电源自动 投入设备 2 f a u l t g r o u d ( 故障组类，从n a m i n g 类继承) v i o l a t i o n l i n e c o u n ti n t e g e r 故障后越限的线路数目 日 一 一- i 目数 一 一“一 数器列一 二，一 线压解一 一壤一 母变否一 一包一 的的是一 一障一 限限统一 一故一 越越系一 一个一 后后后一 一f i 障障障一 l l 一 故故故一 一 一 r r n 一 一k 一 醇鹊里 一呈i 抬托生 一旦 h h 胁一 一 一 t _ _ - o 一 一 一 c 一 一 一 盯 一 一= l n 叮 一 一竺 伽时 一 一坐 虻帅 一 一坚 乩n 一 一小一 一景一坚1：j_ 贰乱l 关一 一 以以 朗一。一 一 华北电力大学硕士学位论文 g e q u i p m e n t障后的分析结果 4 v i o l a t i o n s t a t i s t i c s ( 具体设备的越限情况统计类，从n a m i n g 类继承) 4 1 关系 5 c a p a c i t y v i o l a t i o n ( 视在功率越限类，从v i o l a t i o n s t a t i s t i c s 类继承) 5 1 属性： 注：有些设备以视在功率作为判断是否越限的指标，如线路、变压器等 6 v o l t a g e v i o l a t i o n ( 节点电压越限类，从v i o l a t i o n s t a t i s t i c s 类继承) 6 1 属性： v o l t a g e v i o l a t i o n f l o a t 故障发生后导致设备电压越限的程度 7 a n g l e v i o l a t i o n ( 电压相角越限类，从v i o l a t i o n s t a t i s t i c s 类继承) 7 1 属性： 8 1 属性 ( 电流越限类，从v i o l a t i o n s t a t is t i c s 类继承) 具体的代码生成工作 u m l 成为”标准”建模语言的原因之在于，它与具体的程序设计语言无关。要 得到最终的可执行系统，还需要把抽象的软件模型转变为具体的代码“。采用 r a t i o n a lr o s e 作为建模工具的另一个好处是它可以根据模型产生系统的框架代码， 虫口c + 十，v i s u a lb a s i c ，j v a ，i d l ( i n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e ) 、d d l ( d a t ad e f i n i t i o n l a n g u a g e ) 等，这样可以节省大量的时间，使开发人员关注项目的特定业务方面。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 6 本章小结 ( 1 ) 对c i m 进行了扩展，完善了静态安全分析中故障和故障组的描述，并应 用扩展后的c i m 对静态安全分析进行建模，为下一步设计和实现基于c l m 的静态安 全分析软件创造了条件。 ( 2 ) 运用可视化的标准建模语言，对i e c 6 1 9 7 0 的公共信息模型( c i m ) 进行了 扩展，将静态安全分析中故障和故障组的概念引入了公共信息模型中，提出了一个 通用的基于c i m 的静态安全分析软件。事实证明，在电力系统应用软件的开发中， 采用u m l ，可以很好的控制软件的复杂度，提高开发速度，降低软件的维护费用， 对电力系统的高级应用软件的开发具有实际的应用价值! 华北电力人学硕士学位论文 三、配电网静态安全分析的设计与实现 近年来，国内外电力系统相继发生多起大面积停电事故，造成了重大损失。特 别是2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加大停电，造成了严重的经济损失和政治影响。这引起 了人们对电力系统安全性的强烈关注。在这种情况下，作为e m s ( 能量管理系统) 和d m s ( 配电管理系统) 的重要组成部分，调度员监视、分析和控制系统，保证电 网安全经济运行的重要工具，静态安全分析日益受到人们的重视”“”1 。 我国的电力系统可以分为发电、输电、配电三大部分，发、输电部分由省调、 网调管辖，具备较高的电压等级( 11 0 k v 以上) ；而地调所管辖的系统中一般不具备 大型电厂，只管中、高压输电线( 2 2 0 k v ) 到中、低压的配电( 3 5 k v 以及i o k v 母线) 。 在过去相当长的一段时间里，人们将精力集中在输电网的安全分析上，提出了 输电网安全分析的( n 一1 ) 准则，而对配电网的安全分析关注的却很少，并没有提出一 个合理的分析准则。输电网e m s ( 能量管理系统) 中的静态安全分析是在考虑无故障 情况下开断一个或多个电力元件时系统的稳态表现。即进行n 一1 扫描式的故障选择 和分析，按照n 一1 原则或事先排定的“开断表”分别开断系统的每个网络元件，一 般采用补偿法，少量修正因子表，通过前代回代即得开断后潮流，获得系统各节点、 支路及网络元件的运行状态，并计算给定的安全性指标，然后对所有开断按计算后 的安全性指标( 如有功功率行为指标和电压一无功功率行为指标) 的降序排队，越 在前面的开断对系统的危害越大。 近年来，随着d m s 的蓬勃发展，与配电网相关的一系列问题受到了广泛的关注。 考虑到配电网在整个社会中所起的重要作用，它直接关系到千家万户的用电问题， 作为d m s 的一个必要的组成部分，对配电网的安全性进行分析就成为一个非常重要 的问题，很多专家学者在这方面做了有益的探索，提出了一些适用于配电网静态安 全分析的算法和安全性指标“。 3 1 输电网和配电网在结构和功能上的不同 输电网是闭环设计、闭环运行的，此特点决定了输电网e m s ( 能量管理系统) 中的静态安全分析是应用n l 原则，逐个无故障断开线路、变压器等元件，检查 其他元件是否因此过负荷和电网低电压，用以检验电网结构强度和运行方式是否满 足安全运行要求。而故障的自动选择时，按每一可能的预想事故对系统导致后果严 重程度的顺序，根据严重性指标，排列出预想事故一觅表，为调度员分析故障提供 依据。这种开断通常不考虑自动装置的动作。有时也可根据需要，加入一些简单的 1 6 华北电力大学硕士学位论文 自动装置，如故障发生时机组联切，这在e m s 中就足够了。正因为如此，在e m s 系 统中进行静态安全分析时，网络结构和运行参数只是发生局部变化，网络的大部分 并没有变化，可以充分利用变化前的已有的信息快速计算出变化后的网络解，提高 分析速度。现在e m s 中静态安全分析软件常用的方法有补偿法、因子表修正法和稀 疏矢量技术”。 配电管理系统( d m s ) 的情况就大大不同了。配电网具有与输电网不同的结构 特点，是闭环设计、开环运行的，网络中存在大量的分段开关和少量的联络开关。 配电系统的电压等级较低，负荷较轻，且动态元件少，一般认为配电网中没有明显 的暂态过程。因而配电网的安全分析具有与输电网不同的特点。配电网大多呈辐射 状，任何一个支路元件的开断都会造成网络解列或失负荷、失电源等情况，会形成 多个孤岛节点。而在实际的配电系统中，为保证用户的供电可靠性，地区电网中装 备了大量的备用电源自动投入装置( b a t s b u s b a ra u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) 。 当电网发生故障导致母线失电甩负荷时，满足投入条件的b a t s 就会动作，对停电 母线供电。这样，