基于IEC61970的電容器保護CIM模型研究

曹寧，袁嘉博

（河海大學計算機與信息學院，江蘇南京211100）

目前我國的電力系統(tǒng)已基本形成大電網(wǎng)、大機組、高電壓書店和大區(qū)互聯(lián)的格局，這種電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大和分布地域遼闊的特點，使電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式日益復雜，要確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行，必須有自動化技術(shù)的支持。作為電力系統(tǒng)子站系統(tǒng)——變電站自動化，必須能夠正確和及時地掌握電力系統(tǒng)的實時運行情況，控制和協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的運行方式，及時處理影響系統(tǒng)正常運行的事故和異常情況，才能夠保證電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行。

變電站自動化系統(tǒng)按照功能可以分為4類：1）電力系統(tǒng)和設(shè)備的保護系統(tǒng)，如線路、變壓器、母線保護等；主要針對設(shè)備和電力系統(tǒng)響應(yīng)異常缺陷，快速隔離故障，實現(xiàn)可靠功能；2）運行控制系統(tǒng)，如測控、監(jiān)控系統(tǒng)等，主要針對電網(wǎng)控制運行，如“遙控、遙測、遙信、遙調(diào)”，順控、防誤閉鎖等功能要求主要功能實現(xiàn)集中在監(jiān)控系統(tǒng)，測控功能比較單一；3）監(jiān)視分析系統(tǒng)，主要體現(xiàn)為變電站二次系統(tǒng)的監(jiān)視和對于系統(tǒng)1）、2）響應(yīng)的分析；4）計量系統(tǒng)用于電力/電量結(jié)算。

隨著智能變電站內(nèi)部設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是狀態(tài)監(jiān)測、輔助應(yīng)用等設(shè)備的接入，雖然在一定程度上提高了變電站的自動化水平，同時也帶來了信息難以共享、設(shè)備之間不具備互操作性的問題[1]。

文中在IEC 61970的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)公共信息模型CIM的建模原理和特點，嘗試建立電容器模型及其保護模型，解決智能變電站保護模型中電容器保護模型的缺失問題，驗證CIM建模理論和方法的有效性。

1 CIM類和關(guān)系

IEC 61970采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，定義了基于CIM的公共語言，包括語法和語義。CIM是一個抽象信息模型，描述電力企業(yè)所有對象邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系的信息模型，提供了一種表示電力系統(tǒng)對象，包括其屬性和相互關(guān)系的標準[2]。

CIM由包組成，包是人為將相關(guān)模型分組[3]，有15個邏輯包，290多個類。類是面向?qū)ο笾邢到y(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的核心，類是對一組具有相同屬性、操作、關(guān)系和語義的事物抽象。

如圖1變壓器模型所示，電力系統(tǒng)資源類（Power System Resource）、設(shè)備類（Equipment）和導電設(shè)備類（Conducting Equipment）是屬于核心包（Core），其他類比如變壓器類（Power Transformer）、變壓器繞組類（TransformerWinding）、繞組測試類（WindingTest）等等是屬于電線包（Wires），包的劃分并不意味著界限的劃分，一個應(yīng)用可以跨越多個包。同時可以發(fā)現(xiàn)類與類之間的關(guān)系主要有以下3種：1）電力系統(tǒng)資源類是父類，設(shè)備類是子類，設(shè)備類可以繼承電力系統(tǒng)資源類的屬性；2）變壓器類中可以包含多個變壓器繞組類，而一個變壓器繞組類只能屬于一個變壓器類，體現(xiàn)了聚集關(guān)系，菱形箭頭指向的一端是整體類，另一端是局部類；3）繞組測試類和變壓器繞組類是雙向的簡單關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 電容器CIM建模

圖1 變壓器模型Fig.1 Power Transformer Model

電力網(wǎng)中由于占大多數(shù)的感性負荷的存在，需要吸收大量的無功功率，如果這些無功功率都要求由電源供給，將使得功率因素下降、線路壓降提高、損耗增加、降低輸電的效率和電能質(zhì)量。因此，在電網(wǎng)建設(shè)和運行中要求無功功率盡可能實現(xiàn)就地平衡，在變電站內(nèi)裝設(shè)并聯(lián)電容器組。根據(jù)CIM建模思想，用UML語言描述模型，通過Rational Rose建模工具對CIM模型進行更新和維護。如圖2電容器CIM模型。電容補償器類（Compensator）是調(diào)節(jié)導電設(shè)備類（Regulating CondEq）的泛化，繼承其屬性結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)導電設(shè)備類是來自核心包的導電設(shè)備類的泛化，可調(diào)節(jié)測量類，并有一個調(diào)節(jié)計劃類（RegulationSchedule）。電容補償器類和交流線段類（ACLine Segment）是聚集關(guān)系，交流導線是電容器組的必備部分，當并聯(lián)電容器組裝設(shè)時，需要一組電氣特性一致的交流導線，傳輸補償?shù)臒o功功率。電容補償器類和接地類（Ground）呈簡單關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證地段電勢為0 V，保證電器和人身安全。

圖2 電容器模型Fig.2 Compensator Model

3 電容器保護模型的實現(xiàn)

3.1 IEC 61970標準保護模型研究

保護包（Protection）是電力一二次系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的最主要的包，是核心包和電線包的擴展，用來建立保護設(shè)備（如繼電器）的信息模型[4]。

如圖3所示，是標準中保護包的主模型?？梢钥闯霰Ｗo模型圍繞（ProtectionEquipment）展開描述。通過保護設(shè)備類與導電設(shè)備類之間的多元關(guān)聯(lián)，描述電力系統(tǒng)中保護設(shè)備與導電設(shè)備間的關(guān)系，即一個保護設(shè)備可以保護多個導電設(shè)備，同時一個導電設(shè)備可以被多個保護設(shè)備所保護。其中還定義了SynchrocheckRelay（同步保護）和CurrentRelay（過流保護），都是從保護設(shè)備派生而來[5]。

圖3 保護模型Fig.3 Protection Model

3.2 電容器保護模型

IEC 61970標準中定義的保護模型較簡單，無法完整地描述電力系統(tǒng)中電容器的整個保護邏輯，所以，首先在了解研究電容器保護原理的基礎(chǔ)上，對設(shè)備內(nèi)部的保護功能進行區(qū)分[6]，闡述保護定值信息等具體內(nèi)容，以更好地形成保護功能。

35 kV及以下系統(tǒng)中電容器組需考慮以下故障情況：①電容器組與斷路器之間連線的短路；②單臺電容器內(nèi)部極間短路；③電容器組多臺電容器故障；④母線電壓升高；⑤電容器組過負荷；⑥電容器組失壓。針對以上故障情況，裝設(shè)以下保護如圖4所示：電容器本身具有的熔斷保護類（Fuse），當過電流通過時，元件受熱并熔斷，所以應(yīng)該設(shè)置熔斷電流額定值；過電流保護類（OverCurrentProtection），需要相應(yīng)地定值過電流保護1段和動作時限1、過電流保護2段和動作時限等保護屬性；不平衡保護類（UnbalanceProtection），主要包括不平衡電壓及不平衡電流等等；過電壓保護（Over Voltage Protection），反映母線電壓升高，宜設(shè)置反時限特性（Inverse Time Flag）屬性。

圖4 電容器保護模型Fig.4 Compensator Protection Model

4 結(jié)束語

智能變電站技術(shù)的發(fā)展將最終為電網(wǎng)建設(shè)、運行帶來安全、經(jīng)濟價值，諸多技術(shù)問題需要在智能變電站試點工程實施過程中進行積極探索。因此，對于IEC 61970標準中的信息模型要求也越來越高，要求能夠協(xié)調(diào)裝置之間的互操作，實現(xiàn)信息的高效共享，適應(yīng)智能變電站的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

[1] 樊陳，倪益民，竇仁暉，等.智能變電站信息模型的討論[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（13）:15-19.FAN Chen，NI Yi-min，DOU Ren-hui，et al.Discussion on smart substation information mdel[J].Automation of Elect-ric Power Systems，2012，36（13）:15-19.

[2] 彭明偉，劉毅，郭創(chuàng)新.CIM模型在繼電保護設(shè)備建模中的應(yīng)用[J].機電工程，2009，26（5）:98-100.PENG Ming-wei，LIU Yi，GUO Chuang-xin.Application of CIMin modeling relay protection equipment[J].Mechanical&Electrical Engineering Magazine，2009，26（5）:98-100.

[3] 張慎明，劉國定.IEC61970標準系列簡介[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26（14）:1-6.ZHANG Shen-ming，LIU Guo-ding.Introduction of standard IEC 61970[J].Automation of Electric Power Systems，2002，26（14）:1-6.

[4] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 890.301-2004能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（EMS-API）第301部分：公共信息模型（CIM）基礎(chǔ)[S].北京:中國電力出版社，2005.Draft IEC61970:Energy Management System Application Program Interface（EMS-API）-Part 301:Common Information Model（CIM）[S].Beijing:China Electric Power Press，2005.

[5] 周伊琳，孫建偉，黃縉華，等.基于IEC61970標準的電力系統(tǒng)保護模型擴展方案研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（14）:120-124.ZHOU Yi-lin，SUN Jian-wei，HUANG Jin-hua，et al.Research and application of power system protection model extend schema based on IEC61970[J].Power System Protection and Control，2013，41（14）:120-124.

[6] 毛鵬，魏晉雁，茹鋒.基于IEC61970的電力系統(tǒng)二次設(shè)備CIM建模初探[J].繼電器，2007，35（11）:65-68.MAO Peng，WEI Jin-yan，RU Feng.The primary exploration od CIMmodeling for the secondary equipments in power system based on IEC61970[J].Relay，2007，35（11）:65-68.