基于CIM的配電網(wǎng)拓?fù)浞治龇椒?/h1>

2021-10-23 04:06:40武曉朦田衛(wèi)東

新型工業(yè)化訂閱 2021年7期 收藏

關(guān)鍵詞：快速性端點(diǎn)變電站

武曉朦，田衛(wèi)東

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

為了減少向能量管理系統(tǒng)中增加新應(yīng)用所需要的費(fèi)用和時(shí)間，保護(hù)對(duì)系統(tǒng)中正在有效工作的現(xiàn)有應(yīng)用的投資，從而實(shí)現(xiàn)在控制中心環(huán)境中創(chuàng)建“即插式”應(yīng)用，IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）推行了IEC 61970公用信息模型（CIM：Common Information Model）。CIM已經(jīng)被眾多電力企業(yè)所接受。因此，開(kāi)發(fā)新一代適應(yīng) CIM規(guī)范的拓?fù)浞治鲕浖鞘直匾猍1-3]。

電網(wǎng)的拓?fù)浞治瞿K功能就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和元件連接關(guān)系完成電網(wǎng)物理模型（也稱(chēng)節(jié)點(diǎn)模型）到計(jì)算模型（也稱(chēng)母線(xiàn)模型）的轉(zhuǎn)換。為狀態(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算等其他高級(jí)應(yīng)用程序提供準(zhǔn)確的計(jì)算模型。它是其他高級(jí)用程序的基礎(chǔ)。所以，在工程實(shí)踐中，必須采用合適的方法保證拓?fù)浞治瞿K的方便性、快速性和可靠性。

1 CIM中表達(dá)的拓?fù)淠Ｐ?/h2>

CIM是一個(gè)抽象模型，它包含電力企業(yè)運(yùn)行中的所有主要對(duì)象[4]。通過(guò)提供一種用對(duì)象類(lèi)和屬性及他們之間的關(guān)系來(lái)表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法。拓?fù)浞治錾婕傲薈IM中的Wires包、Mesa包、Core包和Topology包[5]。

為了表達(dá)導(dǎo)電設(shè)備（Conducting Equipment）之間的連接，CIM定義了端點(diǎn)（Terminal）和連接節(jié)點(diǎn)（Connectivity Node）。導(dǎo)電設(shè)備通常含有1-2個(gè)端點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)導(dǎo)電設(shè)備的端點(diǎn)通過(guò)零阻抗連接在一起形成。這種模型描述了電網(wǎng)物理連接信息，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)/節(jié)點(diǎn)模型（Switch/Node Model）[6]。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(如變電站中相互連接的母線(xiàn)、刀閘、開(kāi)關(guān)等），需要將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)連接在一起的一組連接節(jié)點(diǎn)抽象成邏輯上的拓?fù)涔?jié)點(diǎn)（Topological Node，也稱(chēng)母線(xiàn)）。拓?fù)涔?jié)點(diǎn)和拓?fù)涔?jié)點(diǎn)間帶阻抗的電器元件（表示為支路）連接表達(dá)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，即母線(xiàn)/支路模型（Bus/Branch Model）。

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)度軟件中，設(shè)備間的連接點(diǎn)模型由網(wǎng)絡(luò)模型給出了定義，但端點(diǎn)模型沒(méi)有建立[7]。這種情況下SCADA中的量測(cè)點(diǎn)不能明確的定位，CIM中定義了端點(diǎn)有效的解決了這個(gè)問(wèn)題，而且和電路分析理論中對(duì)元件的描述保持一致。一個(gè)CIM模型建立的網(wǎng)絡(luò)一次接線(xiàn)如圖1所示。圖中，1-11為端點(diǎn)Terminal編號(hào)，（1）、（2）、（3）為與其它變電站相連的三條支路；C1-C4為連接點(diǎn)編號(hào)。從圖中可見(jiàn)，基于CIM模型建立的網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)圖，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。但是通過(guò)端點(diǎn)類(lèi)的屬性Connectivity Node 可以方便的找到端點(diǎn)的所屬的連接點(diǎn)，從而可以得出開(kāi)關(guān)-節(jié)點(diǎn)和支路-節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系。基于這些數(shù)據(jù)就可以利用傳統(tǒng)的拓?fù)浞治鏊惴ㄍ瓿删W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鯷8]。

圖1 基于CIM的網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)圖

2 拓?fù)浞治?/h2>

2.1 拓?fù)浞治龅囊?/h3>

拓?fù)浞治龅墓δ芫褪歉鶕?jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電網(wǎng)元件的連接關(guān)系，完成電網(wǎng)物理模型（也稱(chēng)節(jié)點(diǎn)模型）到計(jì)算模型（也稱(chēng)母線(xiàn)模型）的轉(zhuǎn)換。運(yùn)用堆棧原理，搜索圖的樹(shù)枝，來(lái)確定拓?fù)涔?jié)點(diǎn)和拓?fù)鋶u。在EMS系統(tǒng)中，對(duì)拓?fù)浞治瞿K有以下幾點(diǎn)要求：

（1）可靠性：能正確分析出任何形式的實(shí)際電氣結(jié)線(xiàn)的計(jì)算模型。

（2）方便性：母線(xiàn)隨著開(kāi)關(guān)的動(dòng)作也在變化，要求母線(xiàn)編號(hào)能保持不變，對(duì)分裂出的母線(xiàn)分配新的編號(hào)，而再合并時(shí)保留老編號(hào)的同時(shí)消去新編號(hào)。這樣經(jīng)過(guò)一系列開(kāi)關(guān)操作后，待系統(tǒng)回到初始狀況時(shí)，網(wǎng)絡(luò)母線(xiàn)編號(hào)也能恢復(fù)原狀[9]。

（3）快速性：各種運(yùn)行方式下高級(jí)分析的出發(fā)點(diǎn)均是基于拓?fù)浞治?，希望盡可能快速搜索，其中的關(guān)鍵就是縮小搜索范圍。

2.2 保證拓?fù)浞治鲆蟮姆桨?/h3>

在傳統(tǒng)的拓?fù)浞治鏊惴ㄖ校ǔＳ靡粋€(gè)圖來(lái)存儲(chǔ)待分析網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)圖的搜索來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞治觥６鴪D的搜索算法是很成熟的算法，所以穩(wěn)定性和可靠性都比較高。而如何保證方便性和快速性的要求呢？如果能夠保證在開(kāi)關(guān)變位的情況下，拓?fù)浞治龀绦蛑粚?duì)變位開(kāi)關(guān)所影響的區(qū)域進(jìn)行分析，在分析結(jié)束后，除受影響的區(qū)域外其他母線(xiàn)編號(hào)能保持不變，拓?fù)浞治龅姆€(wěn)定性和快速性就能很好的保證。我們按照最小區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，并采用合適的編號(hào)方法就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

那么實(shí)現(xiàn)快速搜索的依據(jù)是什么呢？將一個(gè)變電站內(nèi)同一電壓等級(jí)的范圍定義為一個(gè)最小區(qū)域，那么在這個(gè)最小區(qū)域內(nèi)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作不會(huì)影響其它區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)果，因而實(shí)現(xiàn)快速搜索。

在某種接線(xiàn)方式下，一個(gè)電網(wǎng)最多可分裂的母線(xiàn)個(gè)數(shù)等于該電網(wǎng)內(nèi)全部開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)時(shí)的母線(xiàn)個(gè)數(shù)，這時(shí)母線(xiàn)個(gè)數(shù)等于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。在一種給定的運(yùn)行方式下進(jìn)行拓?fù)浞治鰰r(shí)，各最小分析區(qū)域內(nèi)的母線(xiàn)個(gè)數(shù)一定小于該區(qū)域內(nèi)的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。所以可以采用一個(gè)最小區(qū)域內(nèi)結(jié)點(diǎn)的起始編號(hào)作為該區(qū)域母線(xiàn)的起始編號(hào)，這樣網(wǎng)絡(luò)的母線(xiàn)編號(hào)為非連續(xù)的編號(hào)，采用以上的母線(xiàn)編號(hào)方法能夠保證在合并或分裂母線(xiàn)時(shí)母線(xiàn)號(hào)基本固定。

2.3 全網(wǎng)拓?fù)浞治?/h3>

用下例說(shuō)明該拓?fù)浞治龇椒ā?/p>

圖2 一個(gè)典型的變電站結(jié)線(xiàn)圖

假設(shè)結(jié)點(diǎn)-開(kāi)關(guān)關(guān)聯(lián)信息按照廠站號(hào)優(yōu)先，電壓等級(jí)號(hào)次優(yōu)先的順序排列，1號(hào)變電站只有一個(gè)電壓等級(jí)，為1號(hào)最小分析區(qū)域，2號(hào)變電站也只有一個(gè)電壓等級(jí)，為2號(hào)最小分析區(qū)域，3號(hào)變電站有兩個(gè)電壓等級(jí)，14-18號(hào)開(kāi)關(guān)所屬的區(qū)域?yàn)?號(hào)最小區(qū)域，19號(hào)開(kāi)關(guān)所屬的區(qū)域?yàn)?號(hào)最小區(qū)域。各區(qū)域的母線(xiàn)初始編號(hào)為該區(qū)域結(jié)點(diǎn)的初始編號(hào)，這樣：1號(hào)區(qū)域的母線(xiàn)編號(hào)從1開(kāi)始，2號(hào)區(qū)域母線(xiàn)編號(hào)從9開(kāi)始，3號(hào)區(qū)域母線(xiàn)的編號(hào)從13開(kāi)始，4號(hào)區(qū)域的母線(xiàn)編號(hào)從19開(kāi)始。假設(shè)7，9，10，13號(hào)開(kāi)關(guān)端開(kāi)，母線(xiàn)分析時(shí)將變電站內(nèi)閉合開(kāi)關(guān)抽象成一個(gè)母線(xiàn)，則母線(xiàn)形成后網(wǎng)絡(luò)的接線(xiàn)如圖3：

圖3 母線(xiàn)連接圖1

1號(hào)區(qū)域分裂成兩個(gè)母線(xiàn)1、2；2號(hào)區(qū)域分裂成2個(gè)母線(xiàn)9、10（該區(qū)域母線(xiàn)編號(hào)從9開(kāi)始）；3號(hào)區(qū)域分裂成一個(gè)母線(xiàn)13（該區(qū)域母線(xiàn)編號(hào)從13開(kāi)始），4號(hào)區(qū)域分裂成一個(gè)母線(xiàn)19。

2.4 開(kāi)關(guān)變位時(shí)母線(xiàn)分析

如果16號(hào)母聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，16號(hào)開(kāi)關(guān)屬于3號(hào)區(qū)域，則只對(duì)該區(qū)域重新進(jìn)行拓?fù)浞治?。分析后的網(wǎng)絡(luò)圖如圖4。

圖4 母線(xiàn)連接圖2

可以看出16號(hào)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，3號(hào)區(qū)域的13號(hào)母線(xiàn)分裂成2個(gè)母線(xiàn)13，14，可以看出，其他區(qū)域母線(xiàn)編號(hào)沒(méi)有改變。由以上分析可以看出，采用分區(qū)域分析法和母線(xiàn)不連續(xù)編號(hào)的方案后，在很大程度上保證了方便性和快速性的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的拓?fù)浞治鏊玫臄?shù)據(jù)模型，遵循CIM定義，從而使該拓?fù)浞治瞿K可以應(yīng)用在任何支持CIM的系統(tǒng)平臺(tái)上。在算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中按照最小區(qū)域進(jìn)行分析，并采用了不連續(xù)編號(hào)方法。可以做到在油田電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式改變后只對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的區(qū)域重新分析[9-10]，不影響其他區(qū)域的母線(xiàn)編號(hào)。大大提高了分析速度并且保證了在分裂、合并母線(xiàn)時(shí)母線(xiàn)編號(hào)的穩(wěn)定性。該模塊的工程實(shí)踐中的應(yīng)用很好的證明了它的穩(wěn)定性和高效性。

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