A-基于CIME的的网省级电网间的模型拼接方法

2013电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集基于CIM/E的网省级电网间模型拼接方法杨明1张小易1陈磊1（江苏省电力公司电力科学研究院，江苏省南京市，211100）摘要：随着电力系统的发展，要求各级调度中心能够共享电网模型、实时数据等信息。本文首先简单介绍了电网CIM模型，并对CIM/E技术标准和其优点进行简介，然后利用华东电网与省级电网的CIM模型拼接过程为例，重点介绍了华东电网采用模型拼接的方法。通过该模型拼接华东网调可以及时准确地掌握整个华东电网220kV以上主网架的模型、图形及实时数据。关键词：CIM/E模型拼接数据共享引言随着我国特高压电网的建设，互联电网规模的不断扩大，可再生能源发电的大量接入等造成电网结构更加复杂，电网状态更加多变，提高大系统安全稳定运行水平是目前我国电力系统面临的关键性和迫切性问题。目前我国实行分级分区的电网调度模式，各级调度机构分散。以华东电网为例，整个华东电网由江苏、浙江、安徽、上海、福建五个电网组成，电网结构复杂、运行特性多变，稳定性问题日益突出，要求调度人员需要对整个电网的实时运行情况有全面、实时、准确的了解，并对整个区域电网进行联合在线稳定分析，保证电力系统安全、稳定的运行，因此要满足这些要求就必须将同级或上下级调度间做到实时数据、电网模型等的共享。CIM/E是基于CIM/XML研发的一种简单高效的电网通用模型描述规范[1]，CIM/E吸收了CIM/XML的可扩展性极好及能够很好地表现复杂数据关系的优点，并采用面向对象技术，兼容面向关系技术，解决了CIM/XML的描述效率低下、数据导入/导出速度较慢、CIM对象颗粒度太小等问题，E语言的描述效率比XML大为提高[2]，因此可以实现在线交换电网模型，为实现在线稳定分析奠定了基础。本文的第1节简要介绍了CIM模型及CIM/E规范，第2节重点介绍了华东电网的模型拼接步骤，深入介绍了模型拼接的具体方法。CIM模型及CIM/E简介1.1公共信息模型CIM公共信息模型CIM（CommomInformationModel）是一个抽象模型，是IEC61970系列标准中的一个重要的部分[3]，覆盖了电力企业运行中通常涉及到的所有对象[4]，CIM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，通过定义标准应用程序接口让各个系统或应用能在基于不同设计思路和内部表示的情况下存取公共数据和交换信息，方便了实现不同厂家能量管理系统EMS内部应用的集成，能量管理系统与其他系统的互联，各级调度中心EMS间的模型交换。CIM使用统一建模语言UML表示，将CIM定义成一组包，每个包由多个类组成，用图形方式展示包中所有类及各个类之间的关系，再根据类的属性及类间的关系以文字形式定义各个类。1.1.1CIM包2013电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集CIM由一组包组成，包是一种将相关模型元件分组的通用方法，是为了是模型易于设计、理解和查看，而没有特殊的语义意义，实体可以具有越过许多包边界的关联，每一个应用可以使用一个或多个包所含的信息。IEC61970-301包含了9个包：核心包（Core）、拓扑包（Topology）、发电包（Generation）、电线包（Wires）、保护包（Protection）、量测包（Meas）、负荷模型包（LoadModel）、域包（Domain），主要定义了物理方面的逻辑视图[5]。IEC61970-302包含了3个包：能量计划包（EnergyScheduling）、预定包（Reservation）、财务包（Financial）,主要定义财务、能量计划、预定方面的逻辑视图[6]。IEC61970-303包含了1个包：监视控制及数据采集包，定义EMS系统的SCADA逻辑视图[7]。图1-1展示了IEC61970-301中定义的CIM基本包及它们间的关系，虚线表示依赖关系。GenerationLoadModelOutageProtectionWiresMeasTopologyCoreGlobal图1-1CIM包图CIM类每个CIM包中的类图表示了该包中的所有类及它们的关系，当一个类与其他包中的类存在关系时，这些类也展示出来并表明其所属的包。一个类是对现实世界中一种对象的表示，如在EMS中需要表示为整个电力系统模型的一部分的变电器、发电机或负荷等的描述，其它类型的对象包括例如EMS需要处理、分析和存储的计划和量测。类具有描述对象的属性，CIM中的每一类包含描述和识别该类的具体实例的属性。CIM间有三种基本的静态关系：泛化、关联、聚集，类间的关系揭示了类是如何被组织在一起的。泛化又称为普遍化，是一个较普遍的类与一个较具体的类之间的一种关系是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，见图1-22013电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集PowerSystemResurce(formCore)ConductingEquipment(formCore)PowerTransformerSwitchBreaker图1-2泛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，每个作用表示了关联中的一种方向，表示目标类的作用，见图1-3TapChangerRegulationschedule0…n0…1TapChangersRegulationschedule图1-3简单关联例子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个整体——部分关系，整体类由部分类“构成”或“包含”部分类，部分类不像普遍化中那样从整体继承。见图1-4TopologicallslandTopologicalNode11...nTopologicallslanTopologicalNodes图1-4简单聚集例子1.2CIM/XMLCIM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CIM模型的实现方式作出明确、可行的规定。可扩展标记语言XML的出现解决了这个问题，它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，从而体现出数据间的关系，XML最大的优点[8]：（1）具有极好的可扩展性，允许用户建立适合自己需要的标记集合，并且这些标记可以迅速地投入使用；（2）能够很好地表现许多复杂的数据关系，提供了描述结构化的复杂数据的能力。IEC61970-503规定了基于CIM的模型信息交换的格式和规则，它使用CIMRDF模式作为元模型框架以构建电力系统信息模型的XML文档即CIMXML格式,CIM/XML解决了离线模型交换的问题。1.3CIM/E2013电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集CIM/E基于CIM/XML基础上发展起来的一种新型的适用于电网模型在线交换的技术标准[2]，解决了模型在线交换的问题。E语言的设计主要遵循简单、效率、实用、关系等原则采用面向对象技术[9]，将电力系统传统的面向关系的数据描述与面向对象的CIM相结合，保留了面向设备方法的高效率并结合面向对象方法的特点，便于进行与CIM格式的转换和数据交换。E语言继承了XML语言的基本优点和特点并在此基础上进行了扩展，能够高效的描述复杂的电力系统数据模型，其效率比XML高很多，大量工程试验结果表明，对同一个电网的CIM数据，CIM/E与CIM/XML相比，文件大小只有XML的十分之一左右，并且E语言更符合人类的自然习惯，计算机处理也更为简单，E语言十分简洁，仅定义了，，@,#等几个符号，作为引导符置于行首表示不同的意义，其优点主要体现在两个方面[10]：（1）CIM/E的效率比CIM/XML更高，能够满足在线交换的需要，相邻电网控制中心间能够通过CIM/E直接共享电网实时模型数据，上级控制中心可通过CIM/E将下级控制中心的模型数据直接拼接成完整的实时模型数据，实现全网实时模型数据共享，从而实现全网稳定分析等应用功能。（2）CIM/E更容易开发和实现，不同厂家的系统间可以直接共享实时模型数据，这样减少了原来实时交换时的大量格式转换，更加有利于实现基于CIM的实时数据库。2基于模型拼接形成华东电网大模型目前华东网调主要负责直收电厂、500kV主网的调度，220kV主要由各省调调度管理，其电网模型和实时数据信息也由各省调负责，但这种分级管理、分层控制的体系并不能满足对大电网在线分析控制的需要，要实现对互联大电网全面、准确的分析和控制，从基础数据上来讲，必须满足下面两个要求：1）实时数据要全面。华东网调不仅要掌握各省电网的联络线口子，还需要各省调电网的有功、电压、重要线路、以及大电厂的有关信息，以便进行互联电网的安全分析，及时发现问题和采取相应的措施。2）电网模型要全面。虽然电网按照分级分块调度运行，但因电网是一个整体，任何一处的事故都会影响到电网的其它部分。而且电力系统是个瞬息万变的整体，每级电网实时分析时，都需要涉及互联的相邻电网和上级电网的影响。2.1华东电网模型拼接过程华东电网形成大电网模型总体方案如下图2-1浙江上海江苏福建模型管理系统模型拼接后的华东电网全模型状态估计第三方应用/系统华东网调EMS模型版本E格式数据拼接结果全模型版本E格式断面安徽拼接结果分区域模型数据验证华东直管模型建模2013电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集图2-1华东电网模型拼接总体方案首先各省调上传各自电网模型的CIM/E文件，由华东接收各区域全模型文件，启动模型校验工具对需要拼接的源模型文件进行验证，具体验证的内容包括：CIM/E语法校验、CIM/E有效性校验、模型文件数据完整性、一致性和完备性校验、电力系统拓扑连接规则验证，主要验证模型文件中的拓扑连接是否违反一般电力系统通用的连接规则，包括设备空挂、不同电压类型设备的连接（变压器除外）等等。校验后通过模型切割、拼接方法形成整个华东电网管辖范围内的220KV及以上的网络模型，同时华东建模系统提供专门的图形导入工具，将各个省调上传的图像导入形成图像与模型的关联，模型拼接后通过各省调上传的E格式实时数据断面文件进行状态估计计算对模型进行验证，华东模型管理系统将经过拼接验证的中调模型版本传输到EMS系统中并生成新的点表下发至各个省调。2.2模型拼接/拆分的基本原则所谓模型的拼接就是将两个或多个有关联的CIMXML文件合并成一个CIMXML文件，导入到应用系统中；或直接将两个或多个有关联的CIMXML文件按一定的规则导入到应用系统中。2.2.1模型导入、拼接的方法如果是第一次拼接模型，即进行全模型导入，则此差异模型生成步骤跳过。如果是增量导入，与上一版本的全模型文件比较形成差异模型。依据IEC61970标准，将待拼接的区域模型事先用CIM/E导出，这样就会有多个来自相关不同区域的CIM/E文件，分别代表各自区域的电力系统模型。增量子区域1本地全模型CIM/XML模型拼接子区域2内部子区域1内部数据库中前次模型拼接结果子区域1与子区域2之间边界子区域2内部子区域1内部数据库中本次模型拼接结果子区域1与子区域2之间边界图2-2多区域拼接转化为双区域拼接示意图如图2-2中多区域的模型拼接变换为某一区域模型与拼接服务器所在的数据库中前次模型拼接结果之间的拼接，这样就可以将多区域的模型拼接过程化为两两之间的模型对接。任何一个待拼接的区域模型扮演子区域1的角色，而除了该子区域1以外的其它区域的总和扮演子区域2的角色，在拼接程序的缓冲区中需要将拼接双方的模型导入，以便后续处理。2.2.2模型切割模型拼接前最重要的一个环节就是模型切割，切割的目的是将不属于本区域的模型设备排除在外，这样拼接后的全模型中没有冗余描述，也体现了谁管理谁负责的分布式建模思路。模型切割的方法采用类似于拓扑着色的原理，首先根据区域信息结合边界设备定义表中的内容，提取出所有和本区域有关的边界设备，并将边界设备和区域相对应的标识位置上的物理节点着色；下一步拓扑着色，忽略开关刀闸状态，并禁止颜色通过边界设备流动；拓扑着色结束后即可完成模型切割：内部设备：设备的全部物理节点上都