（电力系统及其自动化专业论文）配电系统公共信息模型扩展与算例仿真.pdf

a b s t r a c t i no r d e rt op r o v i d es u p p o r t sf o rt h es t a n d a r d i z a t i o na n di n t e g r a t i o no fd 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 t h ee x t e n s i o n so fc o m m o n i n f o r m a t i o nm o d e l c i m t o c o m p o n e n t sa n dc a s es i m u l a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e m sa r es t i l d i e d t b em a i nw o r k so ft h i sp a p e ri n c l u d ea sf o l l o w i n g n e wc i mc l a s s e so fd i s t r i b u t i o nc o m p o n e n t sa l ea d d e da tt h eb a s i so fp r e s e n t r e s e a r c h f i r s t d u et ot h ep r o p e r t yo ft h r e e p h a s eu n b a l a n c ea n ds o m es p e c i a lc o m p o n e n t s o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t h ec i mm o d e l so fr e c l o s e ra n ds e c t i o n a l i z e ra l eb u i l tb a s e d o nt h eo r i g i n a ls w i t c hm o d e li nc i mw i t ht h ea d d i t i o no fs o m en e wa t t r i b u t ea n dr o l e s a n dt h e nt h ea g g r e g a t i v ec l a s sm o d e l so fs w i t c h i n gs t a t i o na n dr i n gm a i nu n i ta r e b u i l t p i c t u r e s n a t w ea t t r i b u t e sa n dr o l e so ft h e s em o d e l sa r es h o w n s e c o n d d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d g i sa p p l i e dw i d e l yi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s c i mm o d e l so fd ga r eb u i l tf o rt h en e e do fd i s t r i b u t i o ng e n e r a t i o nd e v e l o p m e m a s a l le x a m p l e t h i sp a p e rs h o w sc i mm o d e lo ff u e l c e l la n dc 卜 c o d eg e n e r a t e db y r a t i o n a lr o s e t h u st h ec i me x t e n s i o n st od i s t r i b u t i o ns y s t e ma l ei m p l e m e m e d t h e s em o d e l sc a nd e s c r i b ed i s t i n c t l yc l a s s e so fd i f f e r e n tc o m p o n e n t sa n dd i s t r i b u t e d g e n e r a t o r s b a s i ca t t r i b u t e so ft h e s ec l a s s e sa n dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e m l a s t p e r f o r mt h et r a n s i e n ts i m u l a t i o no fi e e e 4s y s t e mo na t p a n a l y z et h e t r a n s i e n tp r o c e s sw i t ha n dw i t h o u td gt h e nt e s ti e e e1 3s y s t e ma n da n a l y z e i n f l u e n c et ov o l t a g ea n dc u r r e n tb r o u g h tb yd g k e yw o r d s d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d i s t r i b u t i o ns y s t e m c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l a t p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 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 也不包含为获得鑫注盘堂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 陈目月未函签字日期 7 阳7 年多月f7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 丕盗盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 匆 忤琢嗣彰c 丌 缩c 几前十 l 她能何毕 f 阻但宠犷 白i i 门卜农 翔彳n 蜂闭同岳粤 亦 7 i l7 t f l 一 o i 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 荫 曰月彳 面 签字日期 一叩年 月fj 日 导师签名 王呼招 签字日期 乙 7 年彭月f7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 公共信息模型的研究现状 经过多年的发展 国内电力自动化水平已经发展到一个较高的水平 特别是 随着电网商业化运营的深入展开和电网规模的扩大 电力系统自动监控分析决策 及人员培训等方面对自动化系统的要求也越来越高 目前自动化系统的发展呈现 出以下需求 m 1 1 标准化 美国电力科学研究院 e p r i 支持的c c a p i 的出现 使得互联系统 的控制中心以及不同厂家开发的不同应用模块的数据交换和共享已成为现实 2 全面一体化 e m s d t s d m s 等不同层面的应用系统建立在统一的支撑平 台上 3 在线和离线的资源共享 用于离线规划的系统与实时调度自动化系统的 资源紧密共享 甚至直接从在线系统中扩展出离线规划模块 图形支撑平台作为 e m s d t s d m s 等自动化系统的核心技术之一 其性能要求面临很大的挑战 图模一体化技术在调度自动化领域得到了很好的应用 其核心思想是利用图 形生成设备模型和拓扑结构 使得图形和数据库模型一一对应 降低系统维护难 度 实现数据的可视化维护 这种技术的广泛使用 使得图形和模型紧密相关 对于电网设备模型 e p r i 提出了通用信息模型c i m t 3 1 国际电工技术委员会制定的一个 即插即用 应用程序接口 a p i 卜珈c 6 1 9 7 0 其核心部分是控制中心接口的公用信息模型 c c a p i c i m c i m 描述了电力系统中的绝大多数对象实体 c i m x m i 为各种应用平 台的交互提供了一个通用转换接口 逐渐成为电力系统模型转换和信息交互的公 共语言 c i m 的t o p o l o g y 包定义了电网拓扑关系的类 对电网原始拓扑连接关系 的描述主要涉及4 个类 设备 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 端子 t e r m i n a l 连通节点 c o n n e c t i v i t y n o d e 和拓扑节点 t o p o l o g i c a l n o d e c o n d u c t i n g e q u i p m e m 是一个抽 象类 所有的设备类从该类派生而来 例如发电机 母线 线路等 t e r m i n a l 代 表设备与电网相连的连接点 从属于c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 设备之间通过 t e r m i n a l 相连 相连的t e r m i n a l 构成c o n n e c t i v i t y n o d e 需要特别指出的是从 c o n d u c t m g e q u i p m e n t 派生来的两个特殊设备类 母线段 b u s b a r s e c t i o n 和连接线 l i n k 这两个类的设备具有如下特性 它们没有阻抗 所有连接b u s b a r s e c t i o n 或l i n k 上的t e r m i n a l 属于同一个c o n n e c t i v i t y n o d e 第一章绪论 i e c6 1 9 7 0 尚处于研究和完善阶段 目前 国外与国内分别进行了5 次互操 作实验 c i m 针对不同应用还需要作扩展与修改 已有部分工作为建立配电网 模型和电力设备故障诊断与维护对c i m 进行了扩展 1 2c i m 中未涉及的配电系统元件 为了支持配电管理系统 d m s 的标准化和集成的需求 对配电系统元件的 c i m 扩展进行了研究 鉴于配电网具有三相不对称并拥有自己特有的设备等特 性 对配电系统的c i m 扩展需要在继承原有高压输电数据模型的基础上 新增 一些设备类的描述 下面简要介绍c i m 中没有涉及到的这些配电系统元件 1 2 1 重合器 重合器是一种开关电器 它具有自动检测故障电流 在给定时间内开断故障 电流以及进行给定次数重合 还可以按预先整定好的数据在一定重合次数后不再 重合 闭锁 等功f l 皂t 4 1 其实质是继电保护 自动装置与断路器及其操动机构的 组合装置 重合器之所以得到发展是由于它可以装设在变电所的构架上 线路杆 塔上 且无需再附加装置 使得常规变电所中的操作电源 继电保护屏 配电装 置间均可以省去 使得占地面积大大缩小 土建费用大幅度降低 重合器主要应 用于3 5 k v 以下的中压电网 其开关部分的结构与参数和常规的断路器并无区别 根据重合器的特殊要求又增加了其传动部分的有关参数与技术要求 1 2 2 分段器 分段器是配电系统中用来隔离线路区段的自动装置 分段器不能用来开断故 障电流 但可以切断负载电流 通常分段器与重合器或断路器配合使用 4 当分 段器发生故障时 电源侧保护跳开出口断路器或重合器 使线路故障开断并使分 段器上的计数装置计数 当计数达到预先整定的次数后分段器也自动断开使该故 障的区段线路与配电网其他部分隔离 然后电源侧出口断路器或重合器重合 使 电网未故障部分恢复供电 因此分段器实际上就是负荷开关与继电保护及其他自 动装置的组合装置 分段器的参数除与常规的负荷开关相同外 还应增加其自动 操作方面的技术要求与工作规范 分段器可以进行自动和手动跳闸 但合闸一般 是手动的 跳闸后呈闭锁状态 需用手合 1 2 3 开闭所 开闭所又称开关站 是为了便于分配同一电压等级的电力而在线路中间设置 2 第一章绪论 的配电设施 5 1 开闭所是由断路器 负荷开关 电流互感器 电压互感器 母线 相应的控制保护和自动装置以及辅助设施组成 开闭所必须具备较强的功能 包 括 完善的四遥功能 监测故障电流 备用电源自投 故障线路保护 重合 隔 离及非故障线路的自动恢复供电等功能 对于出线较多的开闭所 所配自动化系 统要具备小电流接地选线功能 以便及时发现单相接地的线路 1 2 4 环网柜 环网柜是能实现环网供电的一种开关柜 它的基本组件有母线 负荷开关 限流熔断器 测量装置等 环网柜主要使用在配电电缆回路环网中 环网柜适用 于工厂 车间 小区住宅 高层建筑等场所的配电系统 环网供电或双电源辐射 供电系统 起接受 分配和保护作用 也适用于箱式变电站中配合配电自动化可 以组成馈线自动化 6 1 2 5 分布式电源 分布式发电是将发电设备直接连接在负荷附近的发电形式 随着分布式电源 的发展 它被越来越广泛的应用到配电网络当中 大型的电力系统能量供应受到 干扰的时候 分布式电源可以提高供电可靠性 从而保证电能质量 分布式发电 装置适用的场合众多 可以为重要商业区和居民区或者边远地区的用户供电 满 足用户要求 节省输电投资 减小输电损失 在节约成本 提高电能质量和可靠 性方面 大有可为 分布式电源具有节能 环保 投资少 占地小的特点 更重要的是分布式电 源应对高峰期电力负荷比集中供电更加经济 有效 是集中供电有益的补充 而 且 分布式电源建设周期短 有利于在较短时间内解决电力短缺问题 并且适合 可再生能源的利用 目前 随着我国燃料结构的变化 高峰期电力负荷越来越大 有必要加快发展分布式电源 优化供电模式 保障供电安全 目前分布式发电的 主要形式有微型燃气轮机发电 风力发电 燃料电池发电以及光伏发电等 下面简要介绍四种常用的分布式电源 1 微型燃气轮机 m i c o r t u r b i n e 微型燃气轮机是以天然气 甲烷 汽油 柴油为燃料的超小型气轮机 其发 电效率可达3 0 如实行热电联产 效率可提高到7 5 微型燃气轮机的特点 是体积小 质量轻 发电效率高 污染小 运行维护简单 它是目前最成熟 最 具有商业竞争力的分布式发电电源 微型燃汽轮发电系统采用的发电机可以使用永磁同步发电机 也可以使用感 应发电机 分轴模型 7 采用永磁同步发电机的优势是 由于转子内的直流绕 3 第一章绪论 组采用永磁场代替 消除了铜耗 增加了功率密度 降低了转子惯性 提高了转 子结构的坚固性 缺点是缺乏磁通控制的灵活性 并会面临退磁的问题 虽然其 效率要高于感应发电机 但是它的成本较高 永磁同步发电机通过整流器 增压 器和逆变器将高频交流电整流再逆变输出5 0 h z 的交流电 微型燃气轮机主要分单轴和双轴两种类型 引 一般来说 燃气轮机是2 5 m w 以上发电容量的首选技术 但是容量在1 m w 1 0 m w 范围中 燃气轮机的绝对 地位出现动摇 同时3 5 m w 以下容量上 目前仍然是柴油和燃气往复式发动机 占主导地位 一般来讲 大型燃气轮机系统与高价的燃煤发电厂进行成本的竞争 而这些新型技术则不同 主要通过像低污染排放 低维护需求 低噪音等特征与 其它投资成本较低的产品进行竞争 燃气轮机因简单 效率高和适合高温热回收 所以一般发电都采用燃气轮机技术 而大部分小型轮机发电设备采用简单循环的 运行模式 很少有2 5 m w 以下的小型联合循环系统 燃气轮机在5 m w 以下因 为规模原因 将会有相对较高的价格和较低的效率 因此小型燃气轮机应用的市 场份额很少 2 风力发电机 讹d t u r b i n e 风力发电技术在新能源领域已经比较成熟 经济指标逐渐接近清洁煤发电 历史上 由于西欧各国燃料缺乏 而且其地理位置在盛行西风带上 故刺激其发 展风力发电 风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机等 9 1 0 1 其中 水平轴式风力发电机是目前技术最成熟 生产量最多的一种形式 它由风轮 增速齿轮箱 发电机 偏航装置 控制系统 塔架等部件所组成 风 轮将风能转换为机械能 低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速 将动 力传递给发电机 整个机舱由高大的塔架举起 由于风向经常变化 为了有效地 利用风能 还安装有迎风装置 它根据风向传感器测得的风向信号 由控制器控 制偏航电机 驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动 使机舱始终对风 在电力 不足的地区 为节省柴油机发电的燃料 可以采用风力发电与柴油机发电互补 组成风柴互补发电系统 风力发电场 简称风电场 是将多台大型并网式的风 力发电机安装在风能资源好的场地 按照地形和主风向排成阵列 组成机群向电 网供电 3 燃料电池 f u e l c e l l 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能 直接转化为电能的装 置 近2 0 多年来 燃料电池经历了碱性 磷酸 熔融碳酸盐和固体氧化物等几 种类型的发展阶段 燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展 由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能 因此 它没有像通常的火 力发电机那样通过锅炉 汽轮机 发电机的能量形态变化 可以避免中间的转换 4 第一章绪论 的损失 达到很高的发电效率 同时燃料电池还有以下一些特点 1 不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率 2 不管装置规模大小均能保持高发电效率 3 具有很强的过负载能力 4 通过与燃料供给装置组合 可以适用的燃料广泛 5 发电出力由电池堆的出力和组数决定 机组容量的自由度大 6 电池本体的负荷响应性好 用于电网调峰优于其他发电方式 7 用天然气和煤气等为燃料时 n o 及s o 等排出量少 环境相容性优 8 如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力 9 燃料电池的原理是一种电化学装置 其组成与一般电池相同 它把化学 能转化为电能 工作时 燃料和氧化剂由外部供给 进行反应 原则上只要反应 物不断输入 反应产物不断排除 燃料电池就能连续地发电 以4 表1 1 燃料电池的分类 磷酸型燃料电池 熔融碳酸盐型 质子交换膜燃 类型燃料电池 固体氧化物型燃料电 料电池 b 蚯 池 s o f c m c f c p e 伍c 煤气 天然气 甲煤气 天然气 煤气 天然气 燃料纯h 2 天然气 醇等甲醇等甲醇等 电解质磷酸水溶液 k l i c 0 3 溶盐z r 0 2 一y 2 0 3 y s z 离子 n a 离子 阳多孔质石墨 多孔质镍 不 n i z r 0 2 金属陶瓷 不 多孔质石墨或 极 p t 催化剂 要p t 催化剂 要p t 催化剂 n i p t 催化剂 电极 含p t 催化剂 阴多孔n i o 掺多孔质石墨或 多孔质石 l a x s r l x m n c o 0 3 极锂 n i p t 催化剂 墨 1 r e f i o n 工作温度 2 0 0 6 5 0 8 0 0 一1 0 0 0 1 0 0 4 光伏电池 p h o t o l v o l t a i c c c u 光伏电池是将可再生的太阳能转化成电能的一种发电装置 虽然光伏电池与 常规发电相比有技术条件的限制 如投资成本高 系统运行的随机性等 但由于 它利用的是可再生的太阳能 因此其前景依然被看好 太阳能光伏电池 简称光 伏电池 用于把太阳的光能直接转化为电能 目前地面光伏系统大量使用的是以 硅为基底的硅太阳能电池 可分为单晶硅 多晶硅 非晶硅太阳能电池 在能量 转换效率和使用寿命等综合性能方面 单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池 多 晶硅比单晶硅转换效率略低 但价格更便宜 按照应用需求 太阳能电池经过一 5 第一章绪论 定的组合 达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池 叫光伏组件 根据光伏电站大小和规模 由光伏组件可组成各种大小不同的阵列 i s 1 6 最早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池 人们在生产单晶硅太阳电池的同 时 又研究了多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池 随着材料工业的发展 太阳电 池的品种将越来越多 几种较常见的太阳能电池为 单晶硅太阳能电池 多晶硅 太阳电池 非晶硅太阳电池 聚光太阳电池 1 3a t p 软件简介 a t p 是一个模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包 它配 备有通用描述语言m o d e l s 及图形输入程序a t p d r a w a t p 可模拟任意结构的 复杂电力网络及其控制系统 利用梯形积分法在时域内求解系统元件的微分方 程 a t p 的m o d e l s 是一种研究时域系统特性的通用描述语言 也被许多其它 仿真工具所支持 t a c s 为进行控制系统时域分析的模块 采用控制系统的结构 图表示法 a t p 可用稳态相量解法自动地确定非零的初状态 对于较简单的状态 用户可以自己输入数据 各部分的结构和关系如图1 1 所示 匝圃e 蕊画圃 时域和频域的 解决方案 电力网络的描述 控制系统的 暂态分析 t a c s 通用的 仿真语言 m o d e l s 传输线常数 电缆常数 参数频率计算子程序 频率计算子程序 i 管理子程序i a r i m a 模型i 图1 1a t p 的结构 本文将利用它的a t p d r a w 功能建立模型并进行仿真 观察分布式电源接入 前后的暂态过程 并对比电源加入前后系统的潮流结果 考察分布式电源对负荷 及网络的影响 6 一一一一一一 一交 一 一 一 第一章绪论 1 4 本文主要工作 利用公共信息模型对配电网进行整体分析 理清整个网络的拓扑关系 搭建 拓扑框架 建立设备模型并组装 形成以变电站为单元的整个配电网模型 在现 有研究成果的基础上 新增了一些设备类的c i m 描述 首先 鉴于配电系统三相不对称并有自己特有的设备等特性 在继承c i m 中 原有开关类模型的基础上 添加相应的属性和作用 建立起了重合器和分段器 c i m 模型后 又建立了开闭所和环网柜的聚合类模型 给出了其模型图及固有 的属性和作用表 其次 分布式电源被越来越广泛地应用到配电网络当中 本文首先整理并介 绍了四类分布式电源的结构 功能 特点和主要参数 针对分布式发电技术发展 的需求 建立了分布式电源的c i m 模型 作为示例给出了燃料电池的c i m 模型 及利用r a t i o nr o s e 生成f u e l c e u 类的c 代码 从而最终实现了c i m 在配电系 统的扩展 这样建立的c i m 模型 可以很直观地显示出各种元件和分布式电源 的类 模型元件的基本参数以及类之间的相互关系 最后 利用a t p 软件对i e e f a 节点系统进行了暂态仿真 研究了在加入分 布式电源前后系统电压和电流的暂态变化过程 并利用基于c 蹦模型的潮流程 序对i e e e l 3 节点系统进行了测试 考察了加入的分布式电源对系统各节点电压 和电流的影响 分析了分布式发电可以给现有电网带来的改善 7 第二章电力系统公共信息模型 第二章电力系统公共信息模型 2 1 公共信息模型c i m 现代电力系统是涵盖发电 输电 配电 售电各个环节 包括发电机 变压 器 断路器 输电线路 用电设备等各类电气设备 涉及到发电公司 电网公司 代理商 市场运营方 监管方 大用户 零售用户各方面 实行实时闭环控制 对这样一个系统进行建模和描述 首先要抽象出问题域中的实体的类型 类型的 性质 根据国际电工技术委员会制定的应用程序接e l a p i c6 1 9 7 0 公共信息 模型 c i m 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 在i e c6 1 9 7 0 协议中 c i m 模型是i e c6 1 9 7 0 协议整体框架的基础 它是一种描 述电力系统所有对象逻辑结构和关系的信息模型 为各个应用提供了与平台无关 的统一的电力系统逻辑描述 尤其是在e m s 系统领域 它定义了电力工业的标 准对象模型 提供了一种表示电力系统对象 包括其属性和相互关系的标准 2 1 1c i m 简介 公共信息模型 c i m 是一个抽象模型 它描述了电力企业的所有主要对象 特别是那些与电力运行有关的对象 通过提供一种用对象和属性及他们之间的关 系来表示电力系统资源的标准方法 c i m 方便了实现不同卖方独立开发的能量 管理系统 e m s 应用的集成 多个独立开发的完整e m s 系统之间集成 以及e m s 系统和其他涉及电力系统运行的不同方面的系统 例如发电或配电管理系统之间 的集成 这是通过定义一种基于c i m 的公共语言 使得这些应用或系统能够不 依赖于信息的内部表示而访问公共数据和交换信息来实现的 1 7 c i m 中描述的对象类本质上是抽象的 可以用于各种应用 应当把本标准 理解为一种能够在任何一个领域实行集成的工具 只要该领域需要一种公共电力 系统模型 使得应用和系统之间能够实现互操作和插入兼容性 而与任何具体实 现无关 由于完整的c i m 规模较大 所以将包含在c i m 中的对象类分成了几个逻辑 包 每个逻辑包代表整个电力系统模型的某个部分 这些包的集合发展成为独立 的标准 8 第二章电力系统公共信息模型 2 1 2c i m 建模表示法 c i m 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 i m 表达方法 它将c i m 定义成一组包 c i m 中的每一个包包含一个或多 个类图 用图形方式展示该包中的所有类及它们的关系 然后根据类的属性及与 其他类的关系 用文字形式定义各个类 2 1 3c i m 包 整个c i m 很大 为了便于管理 c i m 的开发者把c i m 中的类组织为多个包 p a c k a g e n7 1 包是一种将相关模型元件分组的通用方法 表示针对特定内容的相 关的模型元素的组合 没有特殊的语义意义 包的选择是为了使模型更易于设计 理解与查看 在语义上没有特定的含义 主要为了使整个模型更容易设计 理解 和研究 往往针对某些特定的应用范围 公共信息模型由完整的一组包组成 实 体可以具有越过许多包边界的关联 每一个应用将使用多个包中所表示的信息 c i m 为电力系统模型的定义给出了一个比较通用的标准 目前已经广泛地 被各个电力科研单位及生产厂家所接受 在i e c6 1 9 7 0 3 0 1 包括 c o r e 包 1 9 个类 d o m a i n 包 1 18 个类 g e n e r a t i o n 包 p r o d u c t i o n 包 3 4 个类 g e n e r a t i o n d y n a m i c s 包 1 3 个类 l o a d m o d e l 包 1 2 个类 m e a s 包 1 2 个类 o u t a g e 包 3 个类 p r o t e c t i o n 包 4 个类 t o p o l o g y 包 3 个类 w i r e 包 3 4 个类 各包在单独的标 准文档中分组处理 包的边界并不意味着应用的边界 一个应用可能使用几个包 的c i m 实体 图2 1 展示了i e c 6 1 9 7 0 3 0 1 中定义的c i m 基本包及它们之间的依赖关系 虚线表示依赖关系 箭头从依赖性包指向它所依赖的包 日自 图2 1c i m 的部分包图 9 白局 第二章电力系统公共信息模型 2 2c i m 类和关系 每一个c i m 包的类图展示了该包中的所有的类及它们的关系 在与其他包 中的类存在关系时 这些类也展示出来 而且标以表明其所属的包的符号 类与对象所建的模型正是电力系统中需要以一种对各项e m s 应用都通用的 方法来描述的东西 一个类是对现实世界中发现的一种对象的表示 例如在e m s 中需要表示为整个电力系统模型的一部分的变压器 发电机或负荷 其他类型的 对象包括诸如e m s 应用需要处理 分析与存储的计划和量测 这些对象需要一 种通用的表示 以达到e m s a p i 标准的插入兼容和互操作的目的 在电力系统 中具有唯一身份的一个具体对象则被建模 并称它为所属类的一个实例 还应注意到 定义c i m 是为了方便数据交换 c i m 实体除了缺省的生成 删除 更新和读出外 没有其他行为 为了使c i m 尽可能的通用 非常希望具 体的实现过程能够易于配置 一般来说 改变属性的值或者域比改变类定义更为 容易 这些原则暗示c i m 应当避免定义类的太多的具体子类型 相反 c i m 定 义一些通用的类 由属性来给定类型名 因而应用可以根据需要使用这一信息去 实例化具体的对象类型 应用可能需要其他信息去定义有效类型与关系的集合 类具有描述对象特性的属性 c i m 中的每一个类包含描述和识别该类的具 体实例的属性 只有各个e m s 应用共同感兴趣的那些属性才包括在类的描述中 每一个属性都具有一个类型 它识别该属性是哪一种类型的属性 典型的属 性类型有整形 浮点型 布尔型 字符串型及枚举型 它们被称为原始类型 然 而 许多其他类型也被定义为c i m 规范的一部分 类之间的关系揭示了它们之 间是怎样构造的 c i m 的类以种种方式相互关联 2 2 1 普遍化 普遍化是一个较普通的类与一个较具体的类之间的一种属性 较具体的类包 含附加的信息 例如 一台电力变压器 p o w e rt r a n s f o r m e r 是电力系统资源 p o w e rs y s t e mr e s o u r c e 的一种具体类型 普遍化使具体的类可以从它上层的 所有更普遍的类继承属性和关系 图2 2 显示的是普遍化的一个例子 1 0 第二章电力系统公共信息模型 2 2 2 简单关联 图2 2 普遍化的例子 关联是类之间的一种概念上的联系 每一种关联都有两个作用 r o l e 每 一个作用表示了关联的一种方向 表示目标类作用 即作用g o e st o 的类 和源 类 即作用g o e sf r o m 的类 有关系 作用给定为目标类的名字 可以带或不带 动词 每个作用还有重数 基数 m u l t i p l i c i t y c a r d i n a l i t y 用来表示有多少对象 可以参加到给定的关系中 在c i m 中 关联是没有命名的 重数 m u l t i p l i c i t y 在关联的两端都有显示 比如 一个t a p c h a n g e r 对象 可以有0 个或1 个r e g u l a t i o n s c h e d u l e 而一个r e g u l a t i o n s c h e d u l e 可以属于0 1 或多个t a p c h a n g e r 对象 2 2 3 聚集 聚集是关联的一种特殊情况 聚集表明类与类之间的关系是一种整体一部分 关系 这里 整体类由部分类 构成 或 包含 部分类 而部分类是整体类的 一部分 部分类不像普遍化中那样从整体类继承 2 2 4 继承的层次关系 c i m 中的继承层次模型有可能跨越了c i m 的多个包 2 2 5c i m 模型的扩展性 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 8 p c i m 的一个子集 p r o f i l e 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 第二章电力系统公共信息模型 2 3 建模工具 c i m 是使用r a t i o n a l 软件公司的r a t i o n a lr o s e 建立和维护的鲫 整个c i m 作为 一个扩展名为 m d l 的文件存在 可以使用r a t i o n a lr o s e 观看的 其中包括各个类 图及类 属性 类型和关系的描述 按这种方式观看 c i m 提供了一个图形导航 接口 它允许通过点击方式在每个包的类图中浏览所有的c i m 规范数据 每一个 项层包也以扩展名为 c a t 的文件发布 允许从c i m 包构建新的模型 c i m 必须包含将要在主要的应用之间通过公用接口交换的各种类和属性 目 的是尽可能保持通用的特征 而详细的实现可以从它们派生出来 一般来说 改 变属性的值或域比改变类定义简单 这使得该模型更加坚实 因为它能够支持更 广泛种类的需求 并且能够更加稳定 因而可以不改动模型就能处理新的需求 从建模的观点来看 当c i m 要扩展时 应从现有的r a t i o n a lr o s e 格式的c i m u m l 模型开始 扩展可以以u m l 允许的任何方式进行 但是在所有的方法中 都是先检查当前的模型 然后确定一种最好的方法来扩建现有的类图 扩展可遵 循以下任何方式 从最简单到最复杂 1 向一个类已有的属性中增加附加值 2 向已有的类中增加属性 3 增加新的类 此类是已有类的特例 4 通过关联向已有的类中增加新的类 其主要目标就是最大可能地使用现有的c i m 从封装的角度来看 现有的 包都应当可以扩展 如果扩展包括了新的应用领域 那么就应当考虑对增加的内 容建立新的包 但仍然建立与现有的包之间的必要关联 即使建立了一个新的包 c i m 仍然是一个独立的r o s e 模型文件 1 2 第三章配电系统公共信息模型的构建与扩展 第三章配电系统公共信息模型的构建与扩展 电力系统出于经济 安全等考虑 常常需要对多个系统模型进行交互操作 比如大电网联合仿真 配电网潮流计算等 而摔制中心的不同应用功能是由不同 厂家提供的 数据模式不尽一致 这给互操作带来了困难 为此 需要在各个系 统之间定义转换接口 配电网与输电网的一个重要区别就在于配电网固有的三相不平衡特性 这就 要求配电网络的面向对象模型必须能描述各网络元件的三相特性 本章对配电网c i m 综合模型进行整体分析 理清整个网络的拓扑关系 以 变电站 s u b s t a t i o n 为基本单元进行网络划分 建立拓扑框架 然后 对配网设 备进行分类 提取必要参数 进行详细描述 设备有串联 并联之分 串联设备 包括线路 变压器 开关等 线路又可分为架空线和地下电缆 有三相 两相 单相之分 变压器分为双绕组变压器和三绕组变压器 运行状态有三相平衡与不 平衡之分 需要对每一相作描述 开关有两种状态 除了必要参数说明外 还要 描述其运行状态 并联设备包括负荷 发电机 电容器等 然后 用c i m 模型 构建的设备容器 e q u i p m e n t c o n t a i n e r 把配网上的各种设备链接起来 形成以 变电站为单元的整个配电网模型 根据配网拓扑特点和应用系统对配网模型的要 求 从计算分析和管理需要两方面出发 对配电系统中的重合器 分段器 开闭 所 环网柜建立了c i m 模型 扩展了c i m 在配电系统中的应用 添加了部分分 布式电源的c i m 模型 以更好的适应分布式发电在配电网中的应用 3 1 拓扑建模 c i m 拓扑包用于定义如何链接配电网各设备 设备链接关系通过 导电设 备 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 一终端 t e r m i n a l 连接点 c o n n e e t i v i t y n o d e 的关联关系来表现 终端是设备的重点 一个设备可以有多个终端 联结点根据 网络运行状态 把相关的终端无阻抗地连接在一起 图3 1 是一个4 节点测试系统图 图3 2 是这个系统的c i m 拓扑模型 1 234 b u s 图3 1i e e e 4 节点测试系统 1 3 第三章配电系统公共信息模型的构建与扩展 图3 2 c i m 拓扑模型 一个点到设备有多个终端 和其他设备的终端联结在一起 形成一个联结点 多个联结点类聚合成一个设备容器类 这些类都继承了n a m i n g 类属性 由于大部分配电网络都呈辐射状或弱环网 而弱环网可以看成是若干个辐射 状网络的组合 所以配电网的基本单元是辐射状的树型网络 属性网络中潮流从 根结点流向叶子节点 与此相对应 配电网中每个c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 拥有两 个t e r m i n a l t 1 和t 2 t 1 是c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 靠近电源点的端子 t 2 是远 离电源点的端子 c o n d u c t i n g e q u i p m e n t 的三相电流 电压等电气参数通过 t e r m i n a l 的相关属性表示 而每个t e r m i n a l 又与一个c o n n e c t i v i t y n o d e 通过零阻 抗连接在一起 多个c o n n e c t i v i t y n o d e 通过闭合的开关组成一个 t o p o l o g i c a l n o d e 电源点的t 1 端子 补偿电容器和负荷的t 2 段子悬空 1 8 1 图3 3 和表3 1 给出了i e e e 4 节点的配网测试系统的网络连接关系 渺坚 蔼邑延炒坠 渺唑 图3 3i e e e 4 节点测试系统的连接关系模型 表3 1i e e e 4 节点测试系统的连接关系与类型说明 与设备t e r m i n a l 相连的节点 类型名称 t l说 e q u i p m e n t s o u r c e sn l l l lc n l a c l i n e s e g m e n t l n l 2c n lc n 2 t r a n s f o r m e r w i n d i n g t 2 3 p r i m a r y w i n d i n g c n 2n u l l t r a n s f o r m e r w i n d i n gt 2 3 s e c o n d a r y w i n d i n g n u l lc n 3 a c l i n e s e g m e n t u i 3 4 c n 3c n 4 e q u i v a l e n t l o a d l o a d lc n 4n u l l 注 1 2 3 为p o w e r t r a n s f o r m o r 配电网中导电设备间的连接关系由c o n d u c t i n g e q u i p m e n t t e r m i n a l c o n n e c t i v i t y n o d e 和t o p o l o g i c a l n o d e 共四个类描述 如图3 4 所示 1 4 第三章配电系统公共信息模型的构建与扩展 3 2 设备建模 图3 4 连接关系模型 设备建模也就是对拓扑模型中的传导设备 c o n d u e t i n g e q u i p m e n t 进行详细 描述 含有配电网计算和设备管理所需的参数 3 2 1 馈线模型 电力系统配电网一般由变电站开始并延伸到客户端的测量装置 其中包括了 一次侧馈线或者一次侧配电馈线 一条一次侧配电馈线由一组电力设备组成 包 括一条主馈线 支路 干路 馈线经常由重合装置分成几段 并加装熔断器进行 保护 一次侧馈线也加装一些支持的设备 比如 电容器组和电压调节器 配电 变电站 馈线和馈线设备之间组成了整体一部分的关系 配电网的c i m 模型必 须能够描述配电元件之间的这种整体一部分关系 为配电网馈线建模就是为复合设备和单个设备之间的整体一部分关系建模 根据c i m 标准 该关系通过设备容器类建模 图3 5 所示的馈线模型正是基于 这一模式 馈线模型被当成e q u i p m e m c o m a m e r 类的一个子类 这使得f e e d e r 类继承了e q u i p m e n t c o n t a i n e r 类和e q u i p m e n t 类之间的聚集关系 从而f e e d e r 类能够包含任何类型的e q u i p m e n t 类作为自己的成员 设备容器模式与复合模式 的主要区别在于前者无法使复合设备包括其他的复合设备 1 9 2 1 图3 5 清晰地显 示了f e e d e r 类和s u b s t a t i o n 类之间的关系 第三章配电系统公共信息模型的构建与扩展 图3 5 馈线复合模型 图3 6 显示了一个馈线模型的具体例子 图3 6 单根馈线模型 f e e d e r 类的函数定义如下 c l a s sf e e d e r p u b l i ce q u i p m e n t p u b l i c f e e d e r o f e e d e r c o n s tc h a r 母 v i r t u a l f e e d e r o 3 2 2 线路数据模型 最初 c i m 模型中的线路模型定义了c o n d u c t o r 类 c o n d u c t o r t y p e 类 w i r e a r r a n g e m e n t 类和w i r e t y p e 类以供任何相数的线路结构使用 但是最初的模 型采用正序和零序分量来描述线路阻抗 因而只适用于三相平衡系统 无法处理 配电系统中的三相不平衡线路 两相线路和单相线路 另一个问题是原始模型未 1 6 第三章配电系统公共信息模型的构建与扩展 能提供电缆的足够信息 下面经过改进的模型适用于输电系统和配电系统 主要 的改进在于 1 几何参数和电气参数 几何参数是电线的最基本物理参数 它们反映了 一条线路结构上的特点 如图3 7 电气参数可以通过几何参数及其他数据获得 输电网和配电网对导线的要求不同 比如 多数输电网线路仅需要一条线路的电 气参数 而配电网则需要更多的几何信息 因此分别为几何参数和电气参数建模 2 电缆信息 在配电系统中 许多线路使用的是电缆 在i e e e 辐射型测试 算例中 用到了两种电缆 同心中性线和屏蔽双绞线 3 6 1 i 2 j 峥一4 5 弓 l k 一7 爿 1 雨 雨 l d 专 叫专 山 崭 k 个亭 l 2 dj d l上上 i d 5 0 0 i d 5 0 5 k 6 米6 i 爿 i d 5 1 5 i d 5 1 0 婚 爿 i d 5 2 0 图3 7 架空线和电缆的几何信息 改进后的线路模型在一个单独的类里面描述了线路的阻抗 从而使得导线可 以灵活地描述合适的阻抗 空间结构和电缆也被建模 以提供线路的几何信息和 导线信息 c i m 线路模型中原有的一些类在配电网中依然适用 详情见图3 8 空间结构 架空线和三相平衡参数依旧沿用 而类似的 每相导体数目和导体空 间结构更适用于输电网 但仍然作为整个c i m 模型的参数 1 7 第三章配电系统公共信