CIM模型在电力主配网拼接中的应用与研究

　　摘要本文以广东电网营配一体化平台的实践为背景,分析了公共信息模型(CIM)和供电企业电网拓扑结构的特点,从计算分析和管理需求两方面出发,提出了如何通过CIM模型进行电网主配拼接建模的方法;同时根据现代电网企业的要求,如何构建设备与客户之间的映射关系以满足不同层次的业务需求。最后结合营配一体化平台的实际应用做了实例化分析,论证了CIM模型在电网企业信息化中的具体实效和前景。
　　【关键词】CIM模型 电网主配拼接模型 营配一体化
　　1 概述
　　自20世纪80年代以来,我国电力企业在信息化建设方面花费了大量人力物力,建立了类型和数量众多的和电网业务相关的系统,在相应的时期起到了一定的作用。但大多数只是面向某一部门的需要而构建的,从而导致数据共享性差、系统集成度不高,以至于出现多个“信息孤岛”,给信息共享带来很大的困难。同时由于各生产厂商都是在无规范无标准的情况下自主设计并开发自己的产品,自我扩展性也很差。随着需求的变化, 功能的扩展, 以前开发的产品将面临大量的浪费。造成这种情况的主要原因是由于系统建设没有形成统一的规范,缺乏整体规划,特别是缺乏数据一致性、准确性以及时效性要求的数据标准化规范和统一的业务模型。
　　为此，国际电工委员会(IEC) 制定了与专业相关的一系列标准即IEC61970 系列, IEC61970标准最初的草案是接受了美国电科院控制中心API(简称CCAPI)项目的研究成果。CCAPI工程的研究范围已不仅限于控制中心, 扩展了发电、输电、配电部分并于1996 年6月推出公共信息模型(CIM, Common Information Model)的标准草案[3]。在随后的几年里, 各国电力工作者都对此作了大量深入的研究并做了大量的实验验证,验证了 CIM 模型的正确性和可用性。CIM模型对电力系统的抽象描述具有重要的作用，它描述了电力系统的所有主要对象。通过提供一种标准的方法，即用对象类、属性以及它们之间的关系来表示电力系统资源。这样就便于实现不同厂家独立开发的各种系统的集成；这些主要是通过定义CIM/RDF(Resource DescriptionFramework）规范来实现的，使得各个应用系统能够不依赖于信息内部如何表示就可以访问公共数据和交换信息。
　　广东电网于2009年5月在全省19个地市供电局进行了营配一体化大型信息化项目的建设工作,经过几年的努力,项目取得了一定的成效。由于营配一体化平台是基于CIM模型的基础上构建的,在实际应用中发挥了重要的作用并取得了较好的效果,为此也进一步验证了CIM 模型的正确性和可用性。本文以营配一体化平台建设为背景,分析了CIM模型与电网拓扑结构的关系特点,描述了电网拓扑和设备与客户之间的映射关系的建模方法,从而解决了长期困扰企业的深层次的业务需求。并在此基础上以主配拓扑的建立和停电影响范围的追踪作为验证。
　　2 CIM模型与电网建模
　　电网拓扑具有结构复杂、多分支、多联络、网络庞大且复杂等特点,其拓扑关系的表示应有效且直观,好的拓扑表示应能实现网络连通性和快速跟踪,同时也能适应业务事件变化(如开关变位操作、停电影响范围的追踪等等) ,并且还应节省存储空间。目前国内外对拓扑表示方法有以下三种：（1）元件/开关、元件/节点关联表法；（2） 矩阵表示法及等长邻接表法；（3）网络数据库结构和建模方法。这些方法运算复杂不直观,需要较大的存储空间,不适用于电网结构复杂庞大多变化的特点。为了解决这些问题,提出了面向对象即基于CIM模型的建模方法,面向对象表示法从现实物体的物理特性出发,对对象进行建模,直观且易于维护,如能恰当地运用面向对象的方法对电网进行建模, 则能克服以上三种方法的缺点。
　　CIM 模型在常用面向对象特性如封装性、继承性和多态性的基础上,还应用了对象组合、类结构递归等方法,既能直观地表达电网结构,也能方便地用于电网拓扑计算。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。电网中的设备资源有其自身特点，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。整个电网建模主要分为两部分内容：（1）拓扑建模（包含主配拓扑的拼接）；（2）设备资源建模。
　　2.1 拓扑建模(包含主配拓扑的拼接)
　　由于目前电网拓扑主网的拓扑与配网的拓扑没有直接的关联，导致了主网拓扑与配网拓扑相互出现闭塞状态，所以在拓扑建模的时候必须要建立起主网与配网的拓扑的直接关联机制，也就是馈线的拼接。通过主网拓扑和配网拓扑共同关联的交集设备——馈线，建立起主网馈线与配网馈线的关联对应关系，从而实现从主网到配网全网的拓扑的实现，具体思路如下：
　　首先实现馈线的拼接。根据CIM模型的规则解析主网SCADA提供的拓扑模型与配网GIS的拓扑模型。根据解析模型的信息，按照“变电站电压等级+变电站全名+馈线电压等级+馈线中文名称+馈线开关编号”这个规则从而分别获取到馈线的信息，如果比对的信息都是一致的那么就认为两条在主网和配网上面的馈线指向的是同一实体设备（如图1）。从而实现主网与配网拓扑的桥接，打通主配网拓扑在SCADA系统和GIS系统中存在的交互困难的问题，它可以迅速的定位到从SCADA系统然后借助于GIS的拓扑模型一直定位到专公变，甚至可以定位到用户。
　　其次，生成新模型。Terminal是一个非常重要的类。每个导电设备包含若干个连接端。这些连接端表示了这些导电设备空间上的连接关系。在拓扑包中需要通过Terminal把导电设备和其他设备设备联系在一起，形成拓扑关系(见图2)。借助导电设备ConductingEquipment终端Terminal联结点connectivityNode的关联关系，终端是设备的节点,一个设备可以有多个终端,连接点根据网络运行状态,把相关的终端无阻抗地连接在一起（如图2右）。
　　2.2 设备资源建模
　　2.3 模型组装
　　建立主网馈线与配网馈线的拓扑链接模型（如图3），在SCADA提供的主网模型中获取主网馈线部分，GIS提供的模型中抽取出配网馈线部分，通过主配拼接的比对关系，根据CIM拓扑的规范自动生成唯一的拓扑节点对象，并通过terminal类把各自的对象与生成的唯一节点链接起来组成由主网到配网的拓扑模型。
　　图4为图3拓扑模型的链接图形。SCADA主网的馈线ID为“270002281”的馈线通过唯一节点（ID为：1247886001）链接GIS配网的馈线ID为“12478890”的馈线。
　　2.2 设备资源建模
　　设备建模也就是对拓扑模型中的传导设备ConductingEquipment进行详细描述, 含有电网计算和设备管理所需的属性。例如一个主变模型（如图5左）各个属性对象的关联关系图，图5右是主变建模的具体表现。
　　3 设备与客户之间的建模
　　借助于主配拼接生成主网链接配网拓扑的模型，获取GIS提供的低压部分的拓扑，从而建立起完整的从500kV到380V电压等级的电网模型(如图6)。
　　采用遍历法建立设备和客户的查询。根据主配拼接建立好的主网与配网的拓扑关系，借助于GIS中低压拓扑的模型，建立从“发电厂→变电站→馈线→配变→用户”的全网拓扑关系。借助于这个拓扑关系，可以查询某一指定的设备所影响的客户具体信息。具体步骤分以下四步：
　　
　　（1）以查询的设备为起点, 首先通过当前查询的设备查询当前设备所链接的节点有多少个。
　　（2）分别以这几个节点为顶点采用广度优先的方法，形成一幅树形或带环的无向连通图，并记录叶子节点。具体方法如下：在访问了起始点N之后，由N出发，依次访问N的各个未曾被访问过的节点N1，N2，……Nt，然后再顺序访问N1，N2，…… Nt的所有还未被访问过的节点。再从这些访问过的节点出发，再访问它们的所有还未被访问过的节点，如此查询下去， 直到图中所有节点都被访问为止。
　　（3）在遍历循环第二步的过程中，要根据电网拓扑结构的特点去对节点进行排除，如果查询的节点设备电压等级高于当前设备，那么这个顶点遍历的所有查询结果都应清空。直到查询的结束，并记录下所有的客户，这些客户的集合就是设备影响的客户集。
　　（4）固化算法，支撑应用，提供以下服务：1.对外的全网拓扑查询服务，可以通过中间文件或者webservice的形式提供；2.可以根据需求，提供断面的拓扑模型文件；3.服务拓展，根据新的需求进行新服务开发与提供。
　　4 应用实例
　　本文的应用实例以广东电网公司营配一体化项目推广应用单位某供电局作为例子，这个单位营配一体化从2010年7月30日实用化至今,建立了由变电站-馈线-配变-用户的营配一体化供电模型，形成了高效、有序的信息共享模式。并在此基础上构建了很多跨业务的专业应用,应用范围覆盖生产、营销、规划、工程等多个部门，特别是在供电可靠性统计，线损“四分”统计、快速复电等等业务上发挥重要的作用，有效地带动了局里各项管理水平的提升。本文就大面积停电事件作为例子来加以说明,对供电企业而言,当发生大面积停电时,有三个核心问题必须考虑的：1)内部的应急处理机制是如何运作的? 2)信息系统如何支持这种机制的运作?3)CIM 建模在整个过程中起什么作用?
　　从业务运作的角度看，大面积停电应急机制主要是为提升了客户应急服务和快速复电能力，其核心就是一旦发生大面积停电事件，内部应急处理机制如何高效运作，主要内容包括三个部分：1)如何快速启动客户服务的响应机制，包括受影响用户的统计、短信通知到户、复电时间的答复等等，同时把客户的一些应急需求及时转达给相关的业务部门如生产、调度等等；2)如何快速启动内部的抢修机制，包括抢修工单快速下达到各抢修班组、关键人员快速到岗等等；3)整个停复电过程的事时监控，包括停电区域的监控、以馈线为单位的复电过程监控等等；要实现以上三种业务场景，需要信息系统强有力的支持和保证，在系统中把相应的流程固化下来，其基本的业务逻辑是这样的：电网主站或馈线失压→大面积停电事件发生→快速统计受影响客户并通知到户→抢修工单发放→停复电过程实时监控。具体流程及实例见图7。
　　个机制的实现过程中，营配一体化平台给与了强有力支持和保证，而CIM 建模包括主配拓扑模型是整个平台的核心技术基础，根据主配拼接模型找出停电受影响的设备，再由设备与客户之间的映射关系定位受影响的用户相关信息，下面以一个实际的案例加以阐述:2012年7月某日，某局一个220kV变电站220kV母线失灵保护动作，并先后影响220kV变电站2座、110kV变电站3座，12段母线失压，影响91条馈线供电，造成城区的部分区域停电，事件发生后的短短2个小时内，95598客户服务热线的话务量由正常时段的几十个激增至一千多个。这个案例对建好的CIM模型进行了有效的验证, 基本的逻辑是这样的：按图3和图4通过terminal类把变电站→母线→10KV馈线→用户4种类型节点建立拓扑关系,如表1示例。
　　通过这一关系在短短的5分钟内平台就统计出受影响的专用变客户276户（其中重要客户1户）、公用变客户8.3万户，损失负荷17.7万千瓦,损失电量11.2万千瓦时。这些与以前经过生产、营销等各相关部门反复核对，几个小时才最终统计得出的结果相比效率方面得以大幅提升。同时在业务管理协同上体现三个主要效果： 1.客服方面及时、全面了解停电客户信息，第一时间向政府有关部门、客户、舆论和社会发布准确的停电信息； 2.调度、生产等部门在事件发生后，及时了解受影响的客户，第一时间优先安排重要客户、敏感客户恢复供电，复电工作的针对性进一步提升；3.通过第一时间抢修工单的派发，整个抢修及复电过程的监控得到很好的体现。
　　5 结论
　　本文从技术建模和实际的案例分析两方面出发, 提出了面向电网主配拓扑的CIM建模方法及技术要点，同时结合业务的实际案例需求验证了这些方法的可行性和有效性,为构建全电网一张图，实现主网网络和配电网络全面融合，从500kV到低压0.4kV全电压等级的覆盖奠定了坚实的技术基础和保证。本文强调CIM建模对电网信息化中起的作用和意义, 利用全网拓扑分析能力，构建高级应用分析功能和辅助管理应用，全面支撑电力调度管理、可靠性管理、综合停电管理、线损四分统计、停电分析、快速复电、大面积停电等高级应用，这些高级应用大大提升了供电企业的管理和经济效益。
　　
　　参考文献
　　[1]陈燕辉.配电网终端现场智能通信装置的研究与实施[D].中南大学硕士学位论文,2003.
　　[2]张慎明, 刘国定.IEC61970 标准简介[J].电力系统自动化,2002.
　　[3]Draft IEC 61970: Energy Management System Application Program Interface ( EMS-API)-Part 1,Guidelines and General Requirements 1 .
　　[4]于尔铿.电力系统状态估计[M].北京:中国水利电力出版社,1985.
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　　[6]陈竟成,张学松等.配电网络建模与网络结线分析[J].电网技术,1999.
　　
　　作者单位
　　华北电力大学经济与管理学院广东省潮州市521011