基于CIM 的配網(wǎng)理論線損在線計(jì)算系統(tǒng)

呂 欣，張鐵峰，呂越穎，王書峰

(1．華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003;2．保定市供電公司，河北 保定071000)

0 引言

隨著通信、計(jì)算機(jī)和智能裝置等技術(shù)的發(fā)展，大部分的理論線損計(jì)算都由計(jì)算機(jī)軟件完成。但“信息孤島”仍然存在，相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取和輸出等數(shù)據(jù)交換還非常繁瑣和易錯(cuò)。同時(shí)，由于傳統(tǒng)計(jì)算軟件不能及時(shí)更新電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使得線損計(jì)算的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性大打折扣［1］。因此，建立基于CIM 的配電網(wǎng)線損計(jì)算系統(tǒng)顯得尤為重要。文獻(xiàn)［2］基于CIM 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)配電網(wǎng)底層模型，實(shí)現(xiàn)配變監(jiān)控、線損分析、電壓統(tǒng)計(jì)等配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用;文獻(xiàn)［3］提出了基于CIM 的電網(wǎng)理論線損準(zhǔn)在線計(jì)算框架，并針對(duì)CIM 應(yīng)用于電網(wǎng)理論線損準(zhǔn)在線計(jì)算存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失的情況，對(duì)CIM 進(jìn)行了模型擴(kuò)展;文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)一種配電網(wǎng)理論線損在線計(jì)算方案，從配電GIS 及DSM 系統(tǒng)中導(dǎo)入計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，計(jì)算方便、準(zhǔn)確、高效。

本文提出一種基于CIM 的配網(wǎng)線損在線計(jì)算系統(tǒng)，充分利用SCADA，GIS 和DMIS 等信息系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)完成線損計(jì)算，并通過(guò)XML 和SVG語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成線損計(jì)算模型，大大降低線損管理的工作量，提高了線損計(jì)算的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

1 CIM 概述

CIM 是IEC61970 系列標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要的組成部分，是一個(gè)抽象模型。該模型將配電網(wǎng)中的實(shí)體定義為類，其中大部分是對(duì)系統(tǒng)元件的描述，如變壓器、線路、開關(guān)。另外一部分為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)安排表、動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)等。這些都是配電管理系統(tǒng)應(yīng)用程序所需要的信息和數(shù)據(jù)［5］。

CIM 運(yùn)用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)通過(guò)類之間的關(guān)聯(lián)、繼承、聚合的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的描述。它為不同數(shù)據(jù)模式下的管理系統(tǒng)提供了一個(gè)通用的轉(zhuǎn)換接口，從而實(shí)現(xiàn)了不同管理系統(tǒng)間的集成。由于配電網(wǎng)中存在很多三相不平衡負(fù)載，導(dǎo)致系統(tǒng)中存在很多多相的屬性，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需要對(duì)CIM 進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展(如配電線路、配電設(shè)備、負(fù)荷等類的多相屬性的擴(kuò)展)，以滿足CIM 對(duì)配電網(wǎng)及配網(wǎng)中設(shè)備三相屬性的描述［6］。

2 線損計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

2.1 數(shù)據(jù)獲取

由于線損計(jì)算采用的是潮流計(jì)算方法，因此，除了主要的電氣連接圖，還需要獲得電氣設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備的邏輯連接方式、開關(guān)狀態(tài)、變壓器分接頭位置以及每個(gè)間隔的運(yùn)行數(shù)據(jù)。本文將以上數(shù)據(jù)分為兩種類型:一種是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如，設(shè)備的電氣參數(shù)、設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)以及連線圖，它相對(duì)穩(wěn)定，變化較少。對(duì)于此類數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變化的前提下，僅進(jìn)行一次讀取。另一種是運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括開關(guān)狀態(tài)、變壓器抽頭的位置、電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率。對(duì)于此類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，需要系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取。

目前，國(guó)內(nèi)大部分電力企業(yè)都已配備SCADA，GIS，DMIS 等管理系統(tǒng)。其中，電壓等級(jí)在35 kV 以上的主網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和大部分配網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于SCADA 系統(tǒng);GIS 系統(tǒng)主要存儲(chǔ)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);DMIS 系統(tǒng)主要存儲(chǔ)部分主網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和所有配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。為了便于各管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，本文提出了如下數(shù)據(jù)共享方案［7］。

根據(jù)觀察，該車在冷車時(shí)不會(huì)出現(xiàn)類似情況，只有熱車后才會(huì)發(fā)生此類故障。常見的發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火多是積碳引起怠速失調(diào)所致，但考慮到故障車的行駛里程很短，且進(jìn)行了相關(guān)檢查，首先排除發(fā)動(dòng)機(jī)積碳因素。怠速時(shí)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)混合汽呈現(xiàn)很濃的趨勢(shì)，直至滅車，但是高速時(shí)正常。

2.1.1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的讀取

配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要從GIS 系統(tǒng)中獲取。GIS 系統(tǒng)可提供配電網(wǎng)的屬性信息、空間信息以及地理圖形信息［8］。本文提出的線損計(jì)算系統(tǒng)中，線損計(jì)算模塊可從GIS 系統(tǒng)中實(shí)時(shí)獲得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括設(shè)備參數(shù)(如配變、開關(guān)以及線路等信息)［9］、XML 形式的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及SVG 形式的單線圖和電氣連接圖(如變電站、桿塔以及電力線等的連接關(guān)系)。

2.1.2 配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的讀取

配電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)主要從SCADA 和DMIS 系統(tǒng)中獲取。SCADA 系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制配電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。SCADA 系統(tǒng)可獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括負(fù)荷電流數(shù)據(jù)、10 kV 出線關(guān)口電量電流等潮流值［10，11］，它可以提供SVG 和XML 類型的數(shù)據(jù)，其中主要的電氣連接圖存儲(chǔ)于SVG 文件中，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)于XML 文件中。

DMIS 系統(tǒng)是SCADA 和GIS 系統(tǒng)的互補(bǔ)系統(tǒng)。DMIS 系統(tǒng)包括所有的配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及部分主網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，比如供電量、線路容量、專用變壓器的損耗、公用變壓器的損耗、用戶信息、專用設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)等。同SCADA，GIS 系統(tǒng)不同，DMIS 系統(tǒng)為線損程序開放了只讀功能，因而，線損計(jì)算程序可直接從DMIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取上述數(shù)據(jù)。

基于以上數(shù)據(jù)的讀取方式，本文建立了一個(gè)基于CIM 的理論線損計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)XML實(shí)現(xiàn)了與SCADA，GIS，DMIS 等管理系統(tǒng)程序間的信息交互，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于線損數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)中的線損計(jì)算模塊可讀取線損數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算配電網(wǎng)的線損，并將計(jì)算結(jié)果返回到線損數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖1 所示。

圖1 線損計(jì)算系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換圖

2.2 拓?fù)浞治?/h3>

CIM 定義了端點(diǎn)(Terminal)和連接節(jié)點(diǎn)(Connectivity Node，簡(jiǎn)稱CNode)，用以表達(dá)導(dǎo)電設(shè)備之間的連接關(guān)系。每個(gè)導(dǎo)電設(shè)備包含若干個(gè)端點(diǎn)，導(dǎo)電設(shè)備間的連接是通過(guò)端點(diǎn)的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該融合點(diǎn)用一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)來(lái)表示。這種表達(dá)模型描述了電網(wǎng)全局的詳細(xì)信息，稱為開關(guān)—節(jié)點(diǎn)模型［12］。而對(duì)于狀態(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算等高級(jí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，考慮到等電位的情況，形成了邏輯上的拓?fù)涔?jié)點(diǎn)(Topological Node，簡(jiǎn)稱TNode)，將電網(wǎng)描述為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)以及拓?fù)涔?jié)點(diǎn)間帶阻抗的電器元件連接，即母線—支路模型。其中一個(gè)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)若干個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，一個(gè)拓?fù)鋶u(Topological Island)由一組具有電氣連接的拓?fù)涔?jié)點(diǎn)構(gòu)成。CIM 的拓?fù)淠Ｐ腿鐖D2 所示。

圖2 CIM 模型拓?fù)鋱D

實(shí)際上，SCADA 和GIS 系統(tǒng)提供的信息為上圖開關(guān)—節(jié)點(diǎn)模型中各導(dǎo)電設(shè)備間的物理連接關(guān)系，而線損計(jì)算所涉及的母線—支路模型中設(shè)備的邏輯連接關(guān)系卻無(wú)法從以上系統(tǒng)中直接獲得。因此需要利用拓?fù)浞治?，將開關(guān)—節(jié)點(diǎn)模型轉(zhuǎn)化為母線—支路模型。

本文采用合并法［13］對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浞治霾⒔⒛妇€—支路的模型，其中開關(guān)(Switch)類元件將被略去，只考慮Line，Power Transformer，Compensator 等非零阻抗電氣元件。首先，依次掃描各Switch 類元件，找出閉合狀態(tài)下的Switch 類元件。然后，將Switch 類元件兩端的CNode 歸入相應(yīng)的TNode。最后，輸出拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。具體步驟如圖3 所示。

2.3 線損計(jì)算

線損計(jì)算模塊采用前推回代潮流方法計(jì)算線損。

首先，計(jì)算各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的等值注入電流。

其次，將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的注入電流代入饋線的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方程:

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浞治隽鞒虉D

采用前推回代的方法求解各節(jié)點(diǎn)電壓以及各支路電流分部。式中，是第i 時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的注入電流;是節(jié)點(diǎn)電壓。迭代結(jié)束的條件是相鄰兩次迭代電壓差值模分量的最大值小于給定的收斂指標(biāo)ε。

最后，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，求取該配電網(wǎng)代表日當(dāng)天的線損電量，并進(jìn)一步計(jì)算全月理論線損電量

式中:∑ΔAm為全月全網(wǎng)的損耗電量;∑ΔAG為代表日固定線損電量;∑ΔAR為代表日全網(wǎng)的可變損耗電量;Am為全月供電量;Ad為代表日供電量;N 為全月日歷天數(shù)。

3 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境及運(yùn)行過(guò)程

3.1 開發(fā)環(huán)境

本文的線損計(jì)算系統(tǒng)是在Power Builder 開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，用Oracle 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。由于Power Builder 采用了面向?qū)ο蠛涂梢暬夹g(shù)，提供可視化的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，因此利用Power Builder 可以方便快捷地開發(fā)出基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序。

3.2 運(yùn)行過(guò)程

計(jì)算系統(tǒng)首先對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和準(zhǔn)備，然后對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，最后進(jìn)行理論線損計(jì)算，線損計(jì)算結(jié)果可以導(dǎo)出。具體運(yùn)行過(guò)程如下:

(1)系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置部分主要是設(shè)置登陸者的名稱和口令，目的是限制訪問者的訪問權(quán)限，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

(2)數(shù)據(jù)讀取。按照本文2．1 部分中的數(shù)據(jù)獲取方法，應(yīng)有選擇性的從SCADA，GIS，DMIS系統(tǒng)中讀取線損計(jì)算所需數(shù)據(jù)。為保險(xiǎn)起見，應(yīng)對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查驗(yàn)證。

(3)拓?fù)浞治?。電網(wǎng)拓?fù)浞治鍪歉鶕?jù)開關(guān)的開閉狀態(tài)和電網(wǎng)的一次接線圖來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)-支路的連通關(guān)系，為潮流分析、線損計(jì)算做好準(zhǔn)備。本文按照2．2 所述方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浞治觥?/p>

(4)參數(shù)轉(zhuǎn)換。從各系統(tǒng)中獲取的電力系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)可能不是線損計(jì)算直接需要的數(shù)據(jù)，如，CIM 中AC line segment 可能記錄的是導(dǎo)線的長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度參數(shù)，然而線損計(jì)算需要的是整個(gè)分支的電阻和電抗。因此，對(duì)于此類數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為線損計(jì)算可用的數(shù)據(jù)。

(5)線損計(jì)算。線損計(jì)算程序讀取已完成參數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用2．3 所述方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行線損計(jì)算，充分利用各量測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)［14］，整個(gè)計(jì)算過(guò)程無(wú)冗余，計(jì)算結(jié)果較精確。在計(jì)算完成后輸出計(jì)算結(jié)果。

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文配電網(wǎng)線損計(jì)算系統(tǒng)的可行性，利用該系統(tǒng)計(jì)算某地區(qū)配電網(wǎng)在2013 年5 月的月線損量。圖4 所示為1 號(hào)變電站所屬的2 號(hào)出線5月份的線損計(jì)算結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

由圖4 的驗(yàn)證結(jié)果可知，本文系統(tǒng)可以按照預(yù)定設(shè)計(jì)讀取各管理系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行線損計(jì)算。此外，利用該系統(tǒng)計(jì)算線損可得出豐富的計(jì)算結(jié)果，能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)運(yùn)行和管理決策提供可靠依據(jù)。

5 結(jié)論

本文提出一種基于CIM 的配電網(wǎng)線損計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠從各信息系統(tǒng)中讀取不同形式下的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為線損計(jì)算可用的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)完成對(duì)配電網(wǎng)的理論線損計(jì)算。本系統(tǒng)大大降低線損管理的工作量，提高線損計(jì)算的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，避免了“信息孤島”問題。

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