基于CIM的电网建模若干问题研究
摘要：针对省、地级电网调度系统的要求，基于IEC61970系列标准中的公共信息模型(CIM)，提出了2级电网建模系统的设计方案。通过该建模系统以及省调与各地调能量管理系统之间的互操作，可以自动生成各级调度系统所需的详细电网模型。重点介绍了在建模过程中遇到的若干实际问题，包括：电网模型范围的划分原则、CIM文件解析、电网模型层次的确定和CIM模型拼接等，并针对这些问题提出了相应的解决方案。以福建省实际电网数据进行测试，结果表明，该建模系统创建的电网模型可以满足多种电网高层应用软件的需求。
关键词：IEC61970;公共信息模型;能量管理系统;电网模型;模型拼接
随着电力行业的发展和电网规模的不断扩大，信息量越来越大，电力系统的分析和计算也越来越复杂，迫切需要建立完整准确的电力系统网络模型来模拟实际电网。各电力系统厂家都有各自的电网建模方式，但是由于开发商或系统版本的不同，创建出的模型、图形或数据库在结构上存在很大的差异，形成一定程度的“信息孤岛”，导致不同系统间的信息共享和实现某种程度上的互操作变得非常困难[1]。为此，国际电工委员会第57届技术委员会(IEC TC57)在美国电力科学院(EPRI)CCAPI项目的基础上制定了IEC 61970系列标准[2-3]，使能量管理系统(EMS)的应用软件组件化和开放化，能即插即用和互联互通，降低系统集成成本和保护用户资源。
公共信息模型(CIM)是IEC 61970系列标准的核心部分[4]，它是一个抽象模型，覆盖了电力企业运行中通常涉及的所有主要对象。通过提供一种用对象类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，CIM方便了实现不同卖方独立开发的能量管理系统(EMS)应用的集成，多个独立开发的完整的EMS系统之间的集成，以及EMS系统和其他涉及电力系统运行的不同方面的系统。通过定义一种基于CIM的公共语言(即语法和语义)，使得这些应用或系统能够不依赖于信息的内容表示而访问公用数据和交换信息。本文基IEC61970标准中的CIM规范，设计了适合省地级调度的电网建模系统，通过省调与各地调EMS之间的互操作与模型拼接操作，自动生成所需的详细电网模型。重点介绍了在建模过程中遇到的若干实际问题，并针对这些问题提出了相应的解决办法。
1 CIM建模系统设计
1.1 系统总体方案
以福建省电网为例，建模系统的方案示意图如图1。该建模系统可以根据不同需求运行于省调和地调EMS上，各地调EMS通过调度数据网向省调EMS传输本地区的电网模型数据，在省调侧进行模型拼接，建立全省的电网模型[5]。地调EMS间也可以通过调度数据网进行模型数据的交互。
1.2 建模系统体系结构
以厦门地调EMS和其他地调EMS之间的互操作为例，给出了建模系统的详细体系结构，其中iES600平台为积成电子公司的综合调度自动化系统平台(如图2)。
图1 建模系统示意图
1.2.1 地调侧
地调EMS通过电网模型创建系统创建出本地区详细的电网模型。还可以通过调度数据网向省调EMS传输实时断面数据，包含遥测和遥信数据，当电网模型发生改变时，通过CIM/XML导出模块导出本地区的CIM模型数据，然后发送到外网。导出的CIM/XML文件为电网的静态数据，包括电网结构、设备的静态属性和静态特性参数等。通过CIM导入及校验模块导入省调或其他地调传来的CIM/XML文件，获取相邻外网模型数据，建立本电网更详细的电网模型，为基于CIM的电网高层应用软件服务。
图2 建模系统的体系结构
1.2.2 省调侧
省调EMS通过调度数据网接收各地调传来的实时断面数据和CIM/XML文件，在本地运行建模系统模块，建立起完整的省网模型。具体过程：运行CIM导入和校验模块，导入各地调传来的CIM模型，先进行模型有效性校验，若校验不通过，最返回错误信息给相应地调，检验全部通过后，运行模型拼接模块，根据调度边界信息进行模型合并，形成全省电网模型。基于实时数据和前面创建好的的省网模型，导出特定格式的实时数据断面，为运行全模型高层应用服务。
2 系统建模中的若干问题
2.1 电网建模范围划分原则
在电网建模时会涉及众多电网调度区域块，为了确保建模的正确性与准确性，并尽可能减少额外的维护负担，确定省地调的建模范围变得十分重要。确定省地调电网建模范围首先就要确定各自的模型边界，模型边界的确定原则上应根据省调和地调所管辖的设备来设定，一般来讲，省调EMS主要关注500 kV、220 kV电网和部分主要的110 kV变电站，通常将变电站中220 kV变压器的中低压侧作等值负荷处理，地调EMS主要负责110 kV、35 kV、10 kV和部分220 kV电网，将220 kV变压器高压侧或220 kV线路作为其电源点。
本方案采用的电网建模范围划分原则为：省调EMS和地调EMS电网模型的边界设定为变电站220 kV/110 kV 主变，将其作为省调和地调分界关口设备，地调EMS电网模型边界设定为厂站与厂站之间的110 kV联络线，将其作为地调和地调分界关口设备。省调EMS负责维护220 kV侧的电网模型，地调EMS则维护110 kV侧电网模型，分界联络设备允许信息重叠，但必须保证重叠部分应遵循信息一致性原则[6]。建模原则上不仅应保证省调、地调各自独立建模，独立维护，独立使用，还应考虑省地调电网模型数据互操作时的方便性。
2.2 CIM模型文件解析
IEC61970为电力调度信息的标准化提供了技术规范，国内大多数调度数据平台都遵循该标准，基于CIM规范描述电网模型，并支持CIM文件的导入和导出。CIM文件是系统之间进行电网模型交互的重要方式，也是电网模型创建的基础。一个EMS电力系统模型能够被转换导出为一个CIM/XML文档，外部系统通过导入解析CIM/XML文档进行电网模型的交互[7-13]。电网模型的创建是一个复杂的过程，对CIM文件的解析是其中很重要的环节，是保证后续工作有效正确进行的基础，对CIM文件的解析主要包括下面2个方面。
1)将CIM文件转换为具有一定数据结构的内存映像。内存映像包括rdf:ID索引映像和对象描述映像。其中对象描述映像记录具体的模型信息，包括rdf:ID值、对象基本属性、关联属性、属性值等，rdf:ID索引映像记录每一个rdf:ID对应的模型对象指针，本系统采用基于树型的DOM解析技术，DOM解析方式的优点是将整个CIM/XML文件在内存中保存成树型结构，应用程序可以随机地访问CIM文件，操作非常方便。具体转换过程为：打开本机或服务器上的CIM/XML文件，然后采用DOM遍历CIM文件，先映射共享内存中的对象描述区，然后创建索引映像。
2)建立基于共享内存的索引机制，提供常用的查询接口，包括普通查询接口和拓扑查询接口。其中普通查询接口包括根据类名查询类的所有记录、查询某一电网设备的父节点对象或所有子节点对象、根据rdf:ID查询所对应记录的详细信息等。拓扑查询接口主要是指通过拓扑运算查找某个节点连接的所有设备或通过设备查找其所有的节点等。查询的结果以类实例方式返回，包括资源ID、名字、基本属性、关联信息等。
2.3 电网模型层次的确定
电网模型有多种展示方式，包括一次接线图展示、树型展示等，其中树型结构是最常用的展示方式。进行树型展示时首先要确定模型中电网资源的层次关系，要求必须有一个根节点，且每一个子节点的父节点是唯一的。电网中的电力系统资源有其自身特点，例如在物理特性上存在一定的包容性，如某一子控制区包含了多个变电站，一个变电站下包含多个电压等级，一个电压等级又包含了母线、开关、刀闸、负荷等电力设备。为满足包容性的要求，在设计程序时采用的方法是，为每一个具有父节点和子节点的类添加2个属性，一个属性设置为数据类型为其所从属的电网资源类的对象指针，另一个属性设置为数据类型为其所包含的电网设备类型的vector容器。以变电站为例：class Substation : public Equipment Container{ private:Sub Control Area* sub ControlArea;//所属子控制区std:vector voltage Levels;//所包含的电压等级}按照上述处理方式，可以确定大多数电网资源的层次关系，但是在设置变压器类(Power Transformer)的层次出现了困难：从包容层次上分析，Power Transformer的父节点为变电站(Substation)，变压器绕组(Transformer Winding)的父节点为电压等级(Voltage Level)，Voltage Level的父节点为Substation;从所属层次上分析，Transformer Winding类的父节点为Power Transformer。这样在设置变压器绕组的父节点属性时会有2个父节点对象，即变压器和电压等级，且这2个父节点对象在电力资源树中位于不同的层次，维护电网资源的树状结构产生了矛盾。
对此问题的解决方法如图3所示，Power Transformer与Substation的层次关系保持不变，TransformerWinding类的父节点设为Power Transformer类，与VoltageLevel类的关系通过添加一个数据类型为基准电压(BaseVoltage)的属性来设定，因为每一个BaseVoltage都和特定的BaseVoltage相对应，即他们之间是一一对应的，这样变压器绕组就和某一厂站下的某一电压等级也建立起了关联。
图3 变压器层次关系示意图
2.4 CIM模型合并
2.4.1 设备命名规范
设备命名规范是模型创建与模型拼接的关键，目前各EMS系统都有自己完善的命名规范，导入/导出的CIM文件的设备命名必须遵循该命名规范，命名规范确定一般是通过cim:Naming.description、cim:Naming.name、cim:Naming.aliasName 3个属性来确定。对于新建调度系统，应直接按照命名规范建模，对于已有的调度系统，在CIM文件导出时要按照命名规范进行名字转换。一个良好的命名规范应该具有全局唯一性、简单、易维护性等特点。
2.4.2 模型拼接
经过CIM文件解析、模型拆分、内网模型的创建等一系列处理后，形成了一个或多个包含调度边界设备信息的调度管辖范围块，其边界设备一端悬空，另一端连接内部设备，将这样分散的各个模型块，通过边界设备连接起来，就形成了完备的全网模型。根据应用的不同，模型拼接主要包括2类：
1)省调与地调模型间的拼接，它以220 kV/110 kV主变联络线为边界设备，根据命名规范，去掉外网等值部分，实现模型的合并;
2)地调模型间的拼接，它以110 kV联络线(一般110 kV交流线路段)为边界设备，根据命名规范，去掉外网等值模型，实现模型合并。
2.4.3 创建三段式线路模型
对导入的CIM文件进行分析时发现，在省调或地调的边界联络设备中交流线路段(ACLine Segment)是最主要的联络设备，为了实现各调度区域独立创建、独立维护其所包含的电网资源，在联络设备为交流线路时采用三段式线路建模方式创建，如图4，具体实现方法为：运行拓扑分析，找出线路2端所连接的其他导电设备(分别设为A和B)，并分析出各导电设备属性及其所属设备容器信息，包括厂站、电压等级、设备间隔等属性;根据A所处电网层次，创建与A相连的交流线路段，设为outACLine_i，根据B所处电网层次，创建与B相连的交流线路段，设为outACline_j;在线路站中创建中间线路段，设为midACLine;最后建立三段线路的连接关系。其中midACLine的父节点为线路站，线路站是电网模型中一个虚拟的厂站模型，它不和任一个实际厂站对应，某一个子控制区只包含一个线路站，在线路站中只包含中间线路和连接节点2类模型信息。在三段式线路模型创建时必须保证信息一致性原则，即三段线路的资源ID和命名属性都是一致的。
图4 三段式线路连接示意图
按照上述方式依次处理所有线路联络设备，最终形成基于线路的电网模型拼接部分。采用这种方式创建的优点是：减少了厂站之间的交互，各调度区域独立创建、独立维护，且易于实现电网模型的拆分与合并等操作。
3 结语
本文以IEC61970系列标准中的公共信息模型为基础，阐述了省地级建模系统的设计方法，并重点叙述了在建模过程中遇到的几个实际应用问题及其解决办法。该方法从一定程度上减少了建模的复杂度，提高了建模的效率。以福建省实际电网数据进行测试，测试表明，该建模系统可以创建出符合省地调EMS要求的完整详细电网模型。但该建模系统还有很多地方有待完善，例如：在建模结果中不仅要包括电网模型和量测断面数据，还应包括与其配套的电网图形数据，实现图形、模型的一体化创建;该建模系统目前还无法实现在线建模的需求;模型更新与维护比较复杂等。随着研究的深入，将逐步完善系统的各种功能和性能，最终使之形成符合电力系统实际需求的建模系统。
参考文献
[1] 董朝霞,戴琦,杨峰.基于CIM和SVG的电网建模技术[J].电力系统及其自动化学报, 2006, 18(5):58-61.
[2] 张慎明,刘国定. IEC 61970标准系列简介[J].电力系统自动化,2002, 26(14):1-6.
[3] Draft IEC 61970: Energy Management System ApplicationProgram Interface(EMS-API)-Part 1: CCAPI GuidelinesPreliminary Draft[S]. 2004
[4] Draft IEC 61970: Energy Management System ApplicationProgram Interface (EMS -API)-Part 301: CommonInformation Model(CIM)Base [S]. 2004.
[5] 孙宏斌,李鹏,李矛,等.中国南方电网在线分布式建模系统研究和设计[J].电力系统自动化, 2007,32(10):82-86.
[6] 刘崇茹,孙宏斌,张伯明,等.公共信息模型拆分与合并研究[J].电力系统自动化, 2004,28(12):51-55.
[7] Draft IEC 61970: Energy Management System ApplicationProgramInterface(EMS-API)-Part501:CIMRDFSchema[S].1999.
[8] Draft IEC 61970: Energy Management System ApplicationProgram Interface (EMS-API)-Part 503: CIM/XML ModelExchange Format[S].2004.
[9] 赵冉,杨海晶,杨以涵. 采用CIM XML 技术实现电网调度自动化系统的数据共享[R].南京：中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十二届学术年会,2006.
[10] 潘毅,周京阳,吴杏平,等.基于电力系统公共信息模型的互操作试验[J].电网技术, 2003,27(10): 25-28.
[11] 米为民,韦凌霄,钱静,等. 基于CIM XML的电网模型合并方法在北京电力公司调度系统中的应用[J]. 电网技术,2008, 32(10): 33-37.
[12] 陈晓鸥,董欣,王仲,等.XML实用进阶教程/XML中国论坛[M].北京:清华大学出版社,2000.
[13] 刘筱萍. 符合IEC61850标准的IED配置工具的研究与实现[D]. 山东:山东大学,2007.
———————————————————
收稿日期：2010-01-21。
作者简介：
谢淑菁(1986—)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统智能控制与测量;
王浩(1949—)，男，副教授，硕士生导师，主要从事电力自动化系统通信网络应用研究与教学工作，以及电力通信网络的实用开发。