（电力系统及其自动化专业论文）电力系统中通用信息模型的研究和应用.pdf

电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 a b s t r a c t c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c v 0i st h ef o u n d a t i o no fi e 0 6 1 9 7 0 i ti sak i n do f i n f o r m a t i o nm o d e ld e s c r i b i n gt h el o g i c a lf t a m e w o r i 【a n dr e l a t i o n s h i po fa l lo b j e c t si n p o w e rs y s t e m i td e f i n e ds e l l l a n t 鲫eo fc h a n g e di n f o r m a t i o na n dp r o v i d e dt h el o g i c a l d e s c r i p t i o no fp o w e rs y s t e mf o re a c ha p p l i c a t i o nt h a th a sn o t h i n gt od ow i t hp l a t f o r m u s i n gc i ma ss t a n d a r di n f o r m a t i o nm o d e l t h ec o s to fd a t et r a n s f e r r i n gb e t w e e n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sw i l lb et h el e a s t n 地r e c e i v i n gs i d ek n e wt h ed e f i n i t i o no f i n f o r m a t i o nc l e a r l yw h e nc h a n g i n gd a t e 1 1 1 em o d e mp o w e rs y s t e mi sah u g ea n dc o m p l e xs y s t e m , w h i c hu s e dc l o s e dl o o p c o n t r o l ，i n c l u d i n gt h eg e n e r a t i o n 、t r a n s m i s s i o n 、d i s t r i b u t i o na n d s a l eo f p o w e r , i n v o l v e d i ng e n e r a t i o nc o m p a n y 、a g e n t 、m a r k e t 、b i gc o n s u m e r i no r d e rt om o d e lt h i ss y s t e m ，t h e f i r s ts t e pi sf o u n dt h ec l a s sa n dp r o p e r t yo ft h ee n t r y 1 1 ”n o n o b j e c t i v ed e s c r i p t i o nw a s s oc a l l e dm e t a d a t a m e t a d a t ai st h ed a t ed e s c r i b i n gd a t e , o rt h ei n f o r m a t i o na b o u td a t e c o n t e n t 、q u a l i t yo ro t h e rc h a r a c t e r a st op o w e rs y s t e m , c i mi st h em e t a d a t a n i ep a p e rs t a r t e df r o mc i mm o d e l ，l e a r n e di t sd e f i n i t i o na n dc o n t e n td e e p l y , i n c l u d i n gt h ep a c k a g e so f c i m 、t h ec l a s s e so f c i ma n di t sr e l a t i o n s h i p ，s t u d i e dh o w t o b u i l dt h ep o w e rs y s t e mm o d e l i n gb a s e do nc 1 m c i mh a sb e c o m et h es t a n d a r do f d a t ae x c h a n g eo f p o w e rs y s t e m n e t w o r kt o p o l o g y a n a l y s i si sb a s ep r o c e s sf o rt h ea d v a n c e du s eo fc i md a t e a i m i n ga ts y s t e mm o d e l b u i l e db yc i m ，t h et o p o l o g i c a la n a l y s i sm e t h o d so fc i mp o w e rn e t w o r kw a sp r e s e n t e d m o d e l i tw a sf i n i s h e db yu s i n gt h eb r e a d t hf i r s ts e a r c h , w h i c hq u i c k e nt h es e a r c h s p e e d i tc o m b i n e dw i t ht h ea r r a n g e m e n tr e l a t i o n s h i po f c 蹦a c h i e v e dp a r to f n e t w o r k f a s tt o p o l o g ya n a l y s i s d cl r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya t ew i t hl a r g ec a p a c i t ya n dl o n gd i s t a n c eo fp o w e r t r a n s m i s s i o n , w h i c hc a ns a v el o t so fm a t e r i a l sa n de q u i p m e n t s ，r e d u c eo r i g i n a l i n v e s t m e n t , a n dr e t r e n c h e dt h ec o s t i t sat r e n do f p o w e rt r a n s m i s s i o ni no b rc o u n t r y t h e p a p e rs t a r t e dt h ec i m a n da c d cp o w e rs y s t e m 。 m a d et h ee x t e n s i o no fc i mt o m e e tt h ed e m a n d so fa c d cp o w e rs y s t e m t 1 l ec o n c r e t ea c d cp o w e rs y s t e mw a s d e s c r i b e db a s e do nc i m x m l t h ee x t e n d e dc i mw a sp r o v e db ys i m p l ei m p o r t p r o g r a m a tl a s t ，c o m b i n i n gw i l l lu i ba n dc o b r a ，t h ed e v e l o p i n gt r e n do f c 田mw a s p r e s e n t e d k e y w o r k s ：c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ；e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ； t o p o l o g i c a la n a l y s i s ；s y s t e mm o d e l i n g 郑州大学工学硕士学位论文 1 1 概述 1 绪论 电力企业在国家的经济建设中起着举足轻重的作用，它的工作关系着社会的 方方面面，企业的正常运转，人们的日常生活，都离不开电力。电力企业的各个 生产部门的职责就是将电安全，稳定和及时的输送到各大企业和千家万户。因此， 电力企业内部科学规范的业务管理和生产过程自动化尤为重要。 我国电力体制正在进行改革，改革必然带来市场竞争，带来国际化规范运作 方式的实施，使电力成为真正的商品。电力企业必须建立规范的现代企业制度， 减员增效，提高劳动生产率，提高管理水平，加强信息反馈，提高决策的科学性 和准确性，提高企业的综合能力，适应市场经济要求和电力生产特点。 改革后电力企业在生产经营决策和成本与效益上的择优与追求更加迫切，将 会引起电力企业在内部管理机制、运作方式、经营模式、市场应对策略以及用户 资源和管理等方面发生巨大变化这种变化主要体现在电力企业的管理理念和企 业运作方式上。 电力系统的信息化起步于上世纪6 0 年代，几度潮起潮落，既有成绩，也有困 惑f j 】。一方面是各种基础设施和应用软件在不断升级换代，另一方面随着建设水平 不断提升，一些单位和部门从各自的需求出发，建立了各自不同的信息管理系统， 如办公自动化系统、管理信息系统、电力市场和营销系统、能量管理系统、配电 管理系统、呼叫中心等。这些系统的建设，大大提高了电力企业内业务流程的自 动化以及企业的运行效率。然而，随着电力改革的深入和竞争机制的逐步引入， 电力市场对电力企业的运作效率和灵活性提出了更高的要求。特别是一些业务流 需要跨越多个部门、多个系统才能完成，以及企业的一些决策需要综合多个业务 部门的信息。 由于现有业务系统缺乏从整个企业的角度进行统一规划和设计，开发实践不 同，使用的操作系统，系统模型，数据格式都各异，系统问信息交互困难，形成 了越来越多、大大小小的信息“孤岛”。应用系统之闻的数据交换接口就成为困 扰企业信息管理发展的一大难题。为摆脱这困境，专家认为，只有在把握企业 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 信息化发展规律的基础上，加强应用建设和资源整合，联通“孤岛”，搭建起统 一高效的信息平台，才能更好地满足企业现代化管理的要求。 1 2 本课题研究的意义 随着电力工业的发展，各个应用系统之间信息共享和应用集成需求凸现出来， 其需求覆盖了不同的层次，从电力公司内部不同应用之间，到不同电力公司之间， 都要求方便、灵活地实现信息共享和应用集成。 应用系统之间的信息的交换与共享可以在多个层次上进行，从最基本的数据交 换，到模型信息的交换，到应用功能层面上的共享和集成。电力行业应用系统之 阃的数据交换十分普遍，例如能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 之间的实时数据交换。数据交换的手段和实现方式非常丰富，依赖于各个应用系 统的具体情况。 电力系统模型信息交换的需求由来己久一个典型的应用就是相邻的电力公司 相互交换电网运行模型信息，以支持系统规划功能，包括电网规划、检修计划和 运行方式规划，搭建仿真计算环境进行电力系统经济性安全性分析。为了能正确 地进行分析，除了本组织所辖的电网外，相邻电网的主要部分必须在系统中建模。 随着电力市场的出现，电网运行操作必须完全开放以促进电力公司间的公平 竞争。为了高效地协调输电网的使用，确保电网安全可靠运行，在美国出现了独 立运营商( i n d e p e n d e n ts e r v i c eo r g a n i z a t i o n ，i s o ) 和地区输电商( r e g i o n a l t r a n s m s s i o no r g a n i z a t i o n ，r t o ) 。这些组织必须维护一个跨越多个服务区域的电 网运行模型，以便正确地检查电网操作的安全性、可靠性。为了实现这个目标， 他们和各电力公司必须定期交换基于节点开关的详细的系统模型，基于规划模式 的数据格式不能满足这个要求。i s o r t o 借助特定的格式转换程序，将来自不同参 与公司的节点开关模型，人工进行数据维护【2 j 。 应用功能的共享和集成是今后信息系统建设的方向，目标是建设一个统一的、 “即插即用”的应用平台，支持各类应用系统功能模块之间的集成和共享。这也 是目前正在快速发展的“企业应用集成”( e n t e r p r i s e a p p l i c a t i o n i n t e g r a t i o n ，e a i ) 的核心内容。 针对蓬勃发展的信息共享和应用集成的需求，目前的应用系统接口己不能适 应。在电力系统生产的神经中枢一调度中心控制中心，这一趋势表现得尤为明显， 问题尤其突出【引。 2 郑州大学工学硕士学位论文 电网控制中心的核心系统是能量管理系统( e m s ) ，e m s 系统是为电力系统控 制中心提供数据采集、监视、控制和优化，以及为电力市场提供交易计划安全分 析服务的计算机软硬件系统的总称。它包括为上层电力应用提供服务的支撑软件 平台和为发电和输电设备安全监视和控制、经济运行提供支持的电力应用软件， 其目的是用最小成本保证电网的供电安全性。随着电力系统规模的不断扩大，电 网管理自动化水平的不断提高，电网能量管理系统的实用化应用水平不断深入， e m s 已从传统的数据采集与监控系统、自动发电控制系统( s c a d a a g c ) 的实 用化提高到电网能量管理系统的负荷预测、状态估计、调度员潮流、安全分析、 电压无功优化、最优潮流等电力应用软件的实用化。 尽管目前绝大多数能量管理系统( e m s ) ，配网管理系统( d i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，d m s ) 等运行在通用的计算机硬件平台上，基于标准的通用 操作系统，但是这些系统仍然基于专有的数据库。各厂商的数据库定义格式和数 据字典被视为商业机密，每一家都采用了不同的数据库格式，但实际上它们表达 的是基本相同的信息。应用系统的专有数据库大都仅仅针对各自系统的功能和特 性要求进行设计和开发，用户只能按照开发者预先定义的数据模式和结构输入数 据。系统厂商有时可以提供从其他系统输入数据的功能，但是很少为其它系统提 供深入的、完整的信息。 专有数据库限制了第三方的访问，使其很难在现有系统上开发新的应用，或是 将第三方软件集成进己有的系统。如果要在己有的系统上作较大的升级或改动， 只能由原来的开发商进行，或是用户自己完成。这给用户造成升级和移植的不便， 极大地增加了开发和维护的费用，甚至会导致系统重新开发设计的灾难性后果。 通常情况下，只能由用户来承担所有的成本1 4 】。 在软件系统开发设计时，需要对电力系统在应用中建模，如何描述电力系统取 决于各个不同的应用。目前能量管理系统、配电网管理系统、电能量计量计费系 统等软件系统通常包括许多不同的模块，各个模块仅分析电力系统运行的一个方 面，可能需要不同格式的数据输入。当应用要求发展时，所设计的数据结构可能 要做频繁的更改，些基础的修改可能会扩散到所有开发的模块。对于大型软件 系统这种建模方法会导致灾难性的后果，系统变得难以管理和维护，必须重新设 计【5 l 。 此外，为了满足特殊的需要，不同的功能由许多不同类型的计算机系统和应用 软件来执行，而这些系统和应用软件很少有被设计成能够彼此交换信息的。通常 每个系统的数据格式应用接口都是不同的，每个应用需要针对其他应用开发专门 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 的数据接口转换程序以实现信息共享。可以很简单的得出，在没有通用的数据接 1 ：3 的情况下，n 个应用所需要的数据接口转换程序数量为n ( n 1 ) 2 个。随着应用 系统数量的增加，这样做的成本很高，管理维护困难，不能灵活地实现各个应用 间的互操作，不能充分有效地保护在各个应用中已有的投资。 1 3 国内外研究现状 电力企业希望通过数据资源的集成和整合，优化企业数据关系，有效配置企业 资源，提升企业的效率和成本控制。电力企业的集成很关键的一点是企业数据的 集成，也就是企业范围内信息模型的统一。 过去的电力企业的信息系统设计，采用的模型都是各个系统供应商根据企业的 实际需求而设计，模型设计不规范，并且私有不开放。为此，国际电工技术委员 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 ，i e c ) 第5 7 技术委员会的1 3 3 2 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 以通用信息模型( c o m m o n i n f o r m a t i o n m o d e l ，c n “) 描述电网的公共信息，为电 力信息系统的集成和开放奠定了基础。i e c 6 1 9 7 0 种第三篇定义了c i m 。 c m 提供了能量管理信息系统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，同时为了保护原有投资，基于c i m 改 造原有系统能够集成和优化原有各应用系统，又能满足当前和未来的挑战性需求， 以实现整个电力运营的全过程管理和控制，及时真实地了解、应用、分析各方面 的信息，提高判断和决策的及时性和准确度。 一些专家学者也基于c i m 对电力企业的信息共享和应用集成进行了研究，比 如，基于c i m 的s c a d a 系统的整合封装；用c i m 和x m l 构造e m s 统一信息交换模 型。围绕企业应用和数据集成，研究如何用c i m 及信息总线创建一个更有力和更灵 活的企业构架等。 c i m 是一个代表电力企业所有主要对象的抽象模型，但它并不能覆盖电力企业 的所有对象模型。因此，采用u m l 语言，研究c i m 的扩展模型，来满足电力企业 的实际需要。包括其在配电网中的扩展，包含预想故障集、直流输电系统的通用 4 郑州大学工学硕士学位论文 信息模型的扩展，基于c i m 的电力设备维护管理系统模型等。 1 4 本论文的主要工作 针对现有的应用环境，实现电力系统信息共享和应用集成的最大障碍之一就是 各个系统的信息模型是专有的，缺乏公共、统一的数据模型。 本论文的主要工作包括： ( 1 ) 研究目前的信息共享和应用集成情况，分析了现在电力信息系统对通用信 息模型的需求。 ( 2 ) 从c i m 出发，详细地研究电力系统通用信息模型的概念，定义，内容及其 相互关系。 ( 3 ) 实现从实际电路到c i m 模型的转化，并在此基础上研究了c i m 模型的拓扑 分析，在搜索算法上采用广度优先搜索，并结合c i m 自身的特点，可以完成任何接 线方式的拓扑分析。 ( 4 ) 研究c i m x m l 文档，分析其如何表达c i m 模型，同时对c 1 m 在直流输电领 域做一些扩展，针对具体的交直流输电系统，用c i m x m l 提供完善的电网模型数 据，并利用导入程序对其进行分析验证。 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 2 通用信息模型 电工技术委员会i e c 推出的i e c6 1 9 7 0 标准，定义了能量管理系统应用程序接口 ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m - a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，e m s - a p i ) ，使 得面对e m s 的应用软件傲到组件化和开放化。能即插即用和互联互通，降低了系 统的集成成本，更好地保护用户资源。通用信息模型( c o n u n o ni n f o r m a t i o nm o d e l ， c m i ) 是整个标准框架的重要基础，它定义了应用程序接口的语义部分，包括公用 类、属性、关系等。各类应用将以c i m 为标准，对电网进行描述，并在此基础上交 换信息。 如果使用c i m ，需要进行数据交换的应用系统双方之间只需要传输数据，不 必知道双方各自的模型。c i m 的定义使得数据交换变得有标准可依，简单易行， 基于c i m 模型开发和改造的系统，将为建成“纵向贯通、横向集成”的一体化企 业级信息集成平台，实现公司上下信息畅通和数据共享，在全系统实施国家电网 公司提出的“s g l 8 6 工程”的规划奠定良好的基础。 2 1c i m 概述 现代电力系统是一个涵盖发电、输电、配电、售电各个环节，包括发电机、断 路器、输电线路，用电设备等各类电气设备，涉及到电力公司、发电公司、代理 商，市场运营方、监管方、大用户及零售用户各方面，实行实时闭环控制的复杂 系统。 对这样的一个系统进行建模、描述、首先要抽象出问题域中的实体的类型、类 型的性质。这些抽象的描述就是所谓的“元数据( m e t a d a t a ) ”元数据是指关于“数 据的数据”或者“关于数据的结构数据”，即关于数据的内容、质量、状况和其他 特性的信息。例如：书的文本就是书的数据。而书名、作者、版权数据、被借次 数都是书的元数据。元数据最基本的用途就是管理数据，从而实现查询、交换和 共享。 其次，需要选择数据描述语言，描绘闯题域中元数据之问的相互关系，即“模 式( s c h e m a ) ”。模式是元数据的框架，描述了元数据是如何组织的。可以把模式 6 郑州大学工学硕士学位论文 理解为数据模型的类型，而具体的数据模型或“数据库”，则是模型类型的实例。 对于电力系统领域而言，通用信息模型( c 蛆) 就是电力系统元数据的模式， 可以用来描绘具体的电力系统数据模型。 2 2 c i m 规范 2 2 1c i m 建模表示方法 c n 诅用面向对象的建模技术定义。具体地说，c i m 规范使用统一建模语言 ( u m f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 表达方法，它将c i m 定义成很多包，每一 个包中包含一个或多个类图，用图形方式展示该包中的所有类及它们之间的关系。 然后根据类的属性及与其它类的关系，用文字形式定义各个类。 2 2 2 c m 包 一个包一般意义上是指将相关模型元件分组的方法，没有具体的语义意义。包 的选择是为了使模型更易于设计、理解和查看。公共信息模型是由一整套包所组 成的，模型元件对象实体可以具有跨包的关联，每一应用可以使用几个包所表示 的信息。 整个e m s 应用中的c i m 分为下面几个包，同时包再分成组，以此作为一个单独 的标准文件。 与分接头有聚合关系。 2 4 3 连接模型 导电设备类用于定义能导电的物理设备。很大一部分电力系统资源是导电设 备，这些设备之间的连接关系通过继承如下的关系来指定：( 1 ) 导电设备具有终端； ( 2 ) 终端连接到连接节点上；( 3 ) 连接节点是拓扑节点的一个成员。 图2 6 描述了导电设备的连接模型，用来描述不同类型的导电设备闻的连接关 系，同时还包括了与测量有关的测量包类图的一部分，它说明测量设备怎样与导 1 5 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 电设备相关联。 为了描述连接关系，首先定义了端点类和连接节点类，所有的导电设备都连接 到端点上，每个端点为导电设备提供0 、1 或多个连接。然而，端点并不直接相连， 端点是通过连接节点类连接到一起的。就是说，端点的一端连接导电设备，另一 端连接于连接节点。 lc o n d u c t i n g e q u i p m e n ti竺it e r m i n a l f导电设备f( 有) i 终端 ( 连接到： c o n n e c t i v i t y n o d e ( 连接点) ( 属于) t o p o l o g i c a l n o d e ( b u s ) ( 拓扑节点) 图2 6 导电设备连接关系示意图 f i g 2 6d i a g r a mo f c o n n e c t i v i t yr e l a t i o n s h i pa b o u tc o n d u c t i n ge q u i p m e n t 连接节点是导电设备的端点以零阻抗连接到一起的点。它并不是电力系统中物 理存在的设备，而只是c i m 模型中存在的一个逻辑点。连接节点可以是拓扑节点的 成员( 例如母线) ，拓扑节点又可以是拓扑岛的成员。拓扑节点和拓扑岛是由拓 扑处理结果建立的，拓扑处理是根据“已建立”的拓扑关系和实际的开关位置进 行的。 “导电设备一端点一连接节点”的关联关系，准确地表达了真实世界中的电 气连接关系。对于每一个通过“导电设备一端点一连接节点”连接到某个连接 点的导电设备而言，与通过其他端点连接到同一个联结点上的导电设备在电气上 是联通的。 设备容器是电力系统资源的特殊化，它可以包含o 个、1 个或多个连接点，关联 “导电设备端点”和“端点一连接节点”表达了实际电力系统网络已建立的拓 扑关系。对于连接于连接节点的每一个端点，它与其他连接同一个连接节点的端 点之闻的关联确定了导电设备对象的电气连接关系。网络拓扑模型如图2 7 所示。 1 6 郑州大学工学硕士学位论文 2 4 3 1 连接和包容的例子 图2 7 网络拓扑模型 f i g 2 7m o d e lo f t o p o l o g y 为了阐述连接模型和包容模型是怎样表示成对象的，如图2 8 给出了示例。 1 7 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 图2 8 连接模型 f i g 2 8m o d e lo f c o n n e c t i v i t y 在此例中表示了一条跨越两个变电所的t 型连接的输电线路，其中一个变电所 含有通过变压器连接的两个电压等级。输电线路包括两条不同的电缆。其中一个 电压等级有一个母线段，该母线段包含一条单一母线和连接到该母线的两个非常 简单的开关间隔设备。 图2 9 显示了在c i m 中如何建立连接关系模型，以及在图2 7 中建立包容关系 模型的一种方法，但不是唯一的方法。阴影框代表设备容器，白框代表导电设备。 黑色阴影表示设备容器在包容层次结构中处于较高层，也就是说，变电站 ( s u b s t a t i o n ) 在最上层，接下来是电压等级( v o l t a g e l e v e l ) 等。白圈表示连接点， 黑色的小圈表示端点。一个端点属于一个导电设备，一个连接点属于一个设备容 器。这就意味着导电设备之间的边界( 或者说接触点) 是它们通过连接点相互连 接的端点。 郑州大学工学硕士学位论文 圈2 9 基于c 订拓扑的简单网络的连接模型 f i g 2 9 m o d e l o f c o n n e c t i v i t y o f s i m p l y n e t w o r k b a s e o n t o p o l o g y i n c 蹦 l i n e s s l s s 2 有两个a c l i n e s e g m e n t s - - - c a b l e i 和c a b l e 2 。分离出的变电站s s 3 有连接点c n 2 ，它建立了a c l i n e s e g t n e n t s 之间的连接点模型以及到c a b l e 3 的t 节点模型，c a b l e 3 提供了s s 3 与变电站s s 4 的连接。每个a c l i n e s e g m e n t 有两个 端点。c 曲l e l 通过它的端点连接到c n 3 和c n 2 上。c n 3 包含于电压等级 ( v o l t a g e l e v e l4 0 0 k v ) 。断路器b r l 有两个端点，其中一个连接到c n 3 。 量测类( m e a s u r e m e n s ) 由矩形标注表示，其箭头指向端点。一个量测类描述 任何个量测的、计算的或者非量测非计算的量。任何一个设备都可以包含量测， 例如一个断路器可以包含开关状态量测。量测类p l 连接到属于断路器b r i 的右端 端点上其中p 1 画在了表示b r i 的方块内，表明p l 是对b r i 的量测。这是因为 一个m e a s u r e m e n t 属于一个p o w e r s y s t e m r e s o u r c e ( p s 鼬。量测类p 2 画在了电压等 级4 0 0 k v 内，意味着它属于4 0 0 k v 电压等级。是对该电压等级某个量的量测，而 不属于b r 3 2 5 c i m 小结 本章着重阐述了通用信息模型的定义及其内容，通过对本章的学习和理解，我 1 9 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 们认为： ( 1 ) c i m 不是数据库，而仅仅是数据模型( 元数据) ( 2 ) 遵从c i m 意味着公用接口的数据表示符合c i m 3 方面的要求： 语义：命名和数据的意义 词法：数据类型 关系：根据与c i m 其他部分的关系，可以找到与此相关的数据 ( 3 ) 遵从c i m 并不意味着数据库的结构与c i m 的类图完全一致，也不意味着 支持c i m 的所有方面。只要在接口上遵循c i m 原则即可。 ( 4 ) c i m 具有扩展性，c i m 是一个综合的电力系统信息模型，可以满足电力 系统控制中心大部分应用的需要。对于某些应用，只需要使用c i m 的一部分，即 c i m 的一个子集。例如，为了能够在安全协调机构之间交换能够进行状态估计、 潮流分析和故障分析的电力系统模型数据，北美可靠性委员会数据交换工作组 ( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t yd a t ae x c h a n g ew o r k i n gg r o u p ，n e r cd e w g ) 定义了一个c i m 子集：通用电力系统模型( c o m m o np o w e rs y s t e mm o d e l ，c p s m ) 。 c p s m 包含了8 个包和7 5 个类，其中的域包( d o m a i n ) 有3 5 个类，其余7 个包共 有4 0 个类；这是对c i m 模型进行裁剪的一个典型例子。 另一方面，根据开发商或电力企业的特殊需要也可以对c i m 模型进行扩展。通 过增加新的类、属性或关联，以携带新的信息。 郑州大学工学硕士学位论文 3c i m 电网模型的拓扑分析 c i m 模型的采用，可以顺利实现系统间的信息交换。c i m 已经为许多电力企 业所接受，软件开发商可以提供众多的支持c 1 m 的应用。在c i m 接口的高级应用 中，电力网络的拓扑分析是其中最基础的一个环节。电力网络拓扑分析的任务是 处理开关信息的变化，形成新的网络接线。 3 。1 基于c i m 的电网元件模型 模型是现实事物，实际系统的抽象。它是针对所需要了解和解决的问题，抽 取其主要因素和主要矛盾，忽略一些不影响基本性质的次要因素，形成对实际系 统的表示方法。 针对电力应用系统特别是能量管理系统而言，真实的电力系统在应用中的模 型实现是系统设计的灵魂。对c i m 而言，就是c i m 中类与对象以通用的方式对电 力系统中需要表示的模型进行建模。电力系统模型根据对系统细节的表现程度不 同可分为开关节点模型和母线支路模型。 开关节点模型是母线支路模型的基础，它包含了电力系统实时运行操作需 要的有关现场设备及其连接关系的详细信息，例如开关，刀闸，母线分段，线路 的连接关系信息，各个设备的状态信息，量测信息等。 通过对节点开关模型进行拓扑分析，省略开关类元件及复杂的设备连接，只 考虑线路，变压器，负荷，发电机等非零阻抗电气元件，便可以得到母线支路模 型。 c i m 是一套规范化的、面向对象的抽象模型，通过采用对象类、对象属性以 及相互之间的关系来描述电力系统资源。鉴于c i m 已经为我们构造了相对完整的 电力系统模型，本文中所建的电力系统对象模型中，所有的对象都是根据c i m 定 义的。在对电网建模过程中，首先对按照c i m 定义的电力系统设备进行分类，按 照c i m 的继承的层次结构，建立设备模型；然后对电力系统对象模型进行分析， 理清整个网络的拓扑关系，以拓扑岛为基本单元进行网络划分，建立拓扑模型。 在拓扑分析中，涉及到的c i m 中的包有电线包，核心包和拓扑包。 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 3 1 1 设备模型 设备模型指电力网络中的一次设备模型，例如线路、开关、母线等，在c i m 电 线包中定义。每种设备模型对应于电线包中的一个类，而该类同时又属于核心包 中导电设备类。核心包中的导电设备类描述电力系统的组成部分，是为输送电流 或与导电连接相关而设计的。导电设备包含在一个设备容器中，设备容器可以是 一个变电站，或一个变电站中的电压等级或一个问隔。 变电站类是一组设备的组合，其目的不是发电或用电，而是为了开关或修改特 性的目的而让大量电能通过它；电压等级类是在同一个系统电压下的设备集合， 形成一套开关设备。设备一般包括断路器、母线段、控制、调节和保护设备，以 及所有这些的组合。基于c i m 建立电力网络，可概括电网中所有的设备拓扑模型， 具有很好的可扩展性。 3 1 2 拓扑模型 c i m 定义了端点和连接节点，用以表达导电设备之间的连接。c l m 中定义了 导电设备含有端点，两个导电设备的连接是通过端点的融合来实现的，该融合点 用一个连接节点来表示。 大多数的导电设备是两端连接的，分别涉及到两个端点，比如一个刀闸有两个 端点，一个线路段有两个端点。这种表达模型为电网的开关，节点模型。描述了电 网全局的详细信息。 对于一些高级应用来说，例如状态估计、潮流计算等，考虑到等电位的情况( 如 变电站中相互连接的母线、闸刀、开关等) ，形成了逻辑上的拓扑节点的概念。 c i m 定义了拓扑节点和拓扑岛。拓扑节点是在当前网络状态下通过闭合的开关 连接在一起的一组连接节点；拓扑岛是网络的一个电气连接的子集。 电力系统网络表达成为拓扑节点和拓扑节点间带阻抗的电器元件连接，即母线 支路模型。两种模型相比较，若干个连接节点对应一个拓扑节点，若干拓扑节点 形成一个拓扑岛。 在基于母线，支路的模型中，开关类元件将被略去，只考虑线路、变压器、负 蘅、发电机等非零阻抗电气元件。这是因为一方面闭合的闸刀，断路器并不对潮 流的分布产生很大的影响，同时在潮流计算中过多的小阻抗支路会对潮流计算的 郑州大学工学硕士学位论文 收敛性和精确度带来不利影响。在c i m 表达的基于开关节点模型的电力系统数据 中，大量的是开关类元件。 例如，在一个描述i e e e1 4 b u s 完整系统的c i m 文件中，有交流线路对象和变 压器绕组对象共2 2 个，而闸刀对象和断路器对象有1 4 4 个。 合理地略去闭合的闸刀、断路器，形成拓扑节点，把网络中其他元件的连接关 系转化为以拓扑节点为基础的连接是拓扑分析要完成的工作闭合的开关或闸刀 元件是一个阻抗近似为零的电气元件，两侧是等电位的，因此在高级应用中会略 去该元件，并将其两端的连接节点合并归于同一个拓扑节点中。随着开关类元件 以串联或并联的方式扩展，更多的连接节点可归属于该拓扑节点中。 图3 1 基于c i m 模型的网络接线图 f i g 3 1t h ed i a g r a mo f n e t w o r ke o n n e c t i v i t yb a s e d0 1 1c i m 图3 ，l 是基于c i m 模型建立的电网一次接线图，端点编号从l 到2 9 ，连接点 编号从c n i 到c n il 。拓扑分析要求形成c i m 系统中所有的连接节点对象，并找 出每个拓扑节点所包含的所有连接节点。 3 2c i m 网络拓扑分析 基于c i m 的电力网络的拓扑分析包括连接节点分析和拓扑岛分析，二者都采用 广度优先搜索法进行分析。 广度优先搜索方法是一种分层的搜索过程，是树搜索法中的一种，它基于网络 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 元件与节点的初始连接关系来实现。搜索的顺序可描述为：从图中某一节点出 发，首先访问该节点相邻的所有未被访问过的节点乃、乃k ；再依次访问 与乃乃k 相邻的且未被访问过的所有节点。如此继续，直到访问完图中 所有的节点。如图3 2 的树状图中，广度优先搜索的顺序为：巧一n 一玛一一 巧一巧一玛一v i o 一一玢 图3 2 树状图 f i 3 2ak i n do f d i a g r a ml i k e dt r e e 广度优先搜索算法克服了传统算法中重复搜索设备和节点的缺点，有效提高了 搜索效率，加快了拓扑速度。 连接节点分析的对象是网络中的连接节点和端点，其基本思路如下： ( 1 ) 从任一个连接节点出发，利用连接节点和端点的关联关系，查找该连接节点 包含的所有端点； ( 2 ) 通过端点与设备的关联关系，找到该连接节点上所有闭合开关和刀闸； ( 3 ) 定位这些开关或刀闸的另端端点，可以找到相邻层次的连接节点； ( 4 ) 从该相邻层次的连接节点出发，查找下一层的连接节点，直到相连的一组连 接节点都被访问到； ( 5 ) 合并所访问到的所有的连接节点，则得到一个拓扑节点； ( 6 ) 从下一个未被访问的连接节点出发，按上述方法处理，直到拓扑分析合并完 所有连接节点，形成全网的拓扑节点。 形成拓扑节点后，图3 1 中的所有开关和刀闸可以忽略，连接节点c n i 到c n 8 合并成一个拓扑节点，发电机、负荷l 挂在该拓扑节点上的上；负荷2 独立构成另 一个拓扑节点；变压器则是连接这两个拓扑节点的一条支路。这样，网络拓扑将 基于c i m 模型建立的电网一次接线图等效成主设备的电气接线图，只包含拓扑节点 和各主设备，等效接线图如图3 3 所示，t n l 和t n 2 表示拓扑节点。 郑州大学工学硕士学位论文 图3 3 电气接线图 f i g 3 。3e l e c t r i c a lc o n n e c t i n gd i a g r a m 拓扑岛的分析方法与连接节点分析类似，只是搜索的对象是拓扑岛中的拓扑节 点。c i m 模型中定义了公司、子控制区、变电所、电压等级之间的层次关系。每个 电压等级类下排列着：开关类、发电机类、等值电源类、电容器组类。按照拓扑模 型中的层次关系，将全网划分为若干个子系统，形成拓扑岛。 3 4 局部快速拓扑分析 在实际的应用中，经常出现开关类元件变位的情况。它会改变系统的拓扑结构。 但仅仅是局部区域的变化。在已完成的拓扑分析的基础上，此时已无须对整个网 络的拓扑分析进行重新的分析，而只是对变位元件涉及的区域进行拓扑的修正， 以达到快速分析的目的。 开关变位时，仅影响同一电压等级下的网络接线部分。因此，通过变位开关找 到其所在的电压等级，只要确定该电压等级下的所有设备及节点，就可以划分出 局部网络拓扑范围，可以迅速地确定开关的影响范围。 根据上述方法，重新形成该被影响范围内的拓扑节点，得到新的全网电气接线 图。这样处理，极大的缩小了拓扑范围，减少了拓扑节点形成时间。最后，在全 网电气接线图上重新划分拓扑岛，获得相关拓扑信息。 3 5 本章小结 本章讨论了c 蹦电网模型的拓扑分析方法，基于所述方法进行拓扑分析不需要 对已搜索的路径进行回溯，也不需要重复搜索节点和设备以探索新的路径，效率 较高。形成拓扑点时，只分析闭合的开关和刀闸，提高了拓扑点的形成速度。形 电力系统中通用信息模型的研究和应用刘冬 成拓扑岛时，按照c i m 定义的层次关系，对简化后的等效电气接线图进行分析，大 大加快了划分拓扑岛的过程。同时，拓扑模型遵循c i m 定义，使得网络拓扑可以运 行于任何支持c i m 模型的系统平台上，实现“即插即用”功能。 郑州大学工学硕士学位论文 4 c i m x m i 语言 c i m 模型只是一个抽象的模型，它既未定义模型数据库的规范，也未定义数据 交换的格式。在工程应用中，需要对c i m 模型的实现方式作出明确、可行的规定。 可扩展性标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 的出现解决了这个问 题。x m l 语言以一种开放的自我描述方式定义了数据结构，在描述数据内容的同 时能突出对结构的描述，从而体现出数据之间的关系。x m l 提供了一个为数据编 码的方式，但它并没有对数据本身做出解释，并没有指明数据的用途和语义，所 以凡是使用x m l 表达内部的数据以用于交换时，必须在使用前定义它的词汇表、 用途和语义。 为了建立机器可理解的交换文件，资源描述框架( r e s o u r c e d e s c r i p t i o n f r a m e w o r k ，r d f ) 实现了这个功能。r d f 定义了一个用命名的属性