基于CIM的电力系统拓扑建模的深度优先搜索研究.pdf

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1、http:/-1-基于基于 CIM 的电力系统拓扑建模的深度优先搜索研究的电力系统拓扑建模的深度优先搜索研究 贾永伟，陈剑云 华东交通大学电气与电子工程学院，交通信息工程研究所，江西南昌(330013)Email： 摘 摘 要：要：本文在 IEC61970CIM 的基础上对 CIM 拓扑模型进行研究，提出一种基于邻接矩阵采用深度优先搜索算法的电力系统拓扑分析方法，将影响配电网拓扑结构的开关、T 接点看作节点，将配电变压器和馈线段看作边，利用从属关系反映他们间的连接关系，得到表示电力系统拓扑关系的结点邻接矩阵，用深度优先算法对邻接矩阵进行计算。该方法的 java实现主要用于铁路上的接触配电网拓扑

2、计算，较传统的拓扑方法具有更好的通用性和可扩充性，并且通过跨平台 Java 语言实现并验证了该方法的正确性。关键词：关键词：电力系统；CIM；拓扑模型；深度优先搜索 1.引言引言 IEC61970标准是由国际电工组织制定,描述能量管理系统应用程序的模型和接口的标准,包含导则、术语、公用信息模型（Common InformationModel）CIM和两种级别的组件接口规范（Component Interface Specification）CIS共5个部分。其中,CIM定义了能量管理系统（EMS）的应用程序接口标准，即电力对象模型及其关系,并给出了电力对象的确切定义和域描述1，是IEC6197

3、0的基本包集。采用CIM模型,可以顺利实现系统间的信息交换2,3,4。目前,各调度软件开发厂商均在开发以IEC61970规约为基础的调度软件。调度软件中的网络拓扑,需要将配电网一次接线图处理成高级应用软件所需的计算节点模型,形成新的网络接线形式 5,6 。本文提出的基于深度优先的网络拓扑方法,分析根据CIM模型构建的配电网一次接线图。该算法利用模型间的继承关系和关联关系,采用按树搜索策略,能够对任何接线方式下的网络结构进行分析。由于算法模型符合CIM定义,分析过程使用IEC61970标准定义的程序接口,可以实现与其它调度系统的接口调用,实现即插即用功能。2.CIM拓扑模型拓扑模型 拓扑分析模型

4、是根据CIM定义的电力对象模型,本文主要采用301部分，由10个逻辑包组成。包是电力系统中相关元件的分组,含有一个或多个类图。根据CIM定义建立起的网络模型,可以很好的实现不同系统间的信息交换,具有较强的通用性和适应性。拓扑模型涉及了CIM定义中的Wires包、Core包和Topology包,具体分析如下。(1)设备模型 设备模型指电力网络中的一次元件模型,例如线路、开关、母线等,在Wires包中定义。每种设备模型对应于Wires包中的一个类,设备模型之间的继承关系如下图所示：http:/-2-图1 Wires包继承关系图 在Wires包图中,绿色部分为实际的设备定义模型,对应实际电力系统元件

5、;黄色部分为虚拟类,仅是模型定义需要;箭头表示类的继承。在CIM定义的模型中,变压器(PowerTransformer)可看作是两个或三个变压器卷(TransformerWinding)的集合。Wires包图的继承层次图，实际上覆盖了CIM的大多数包。在CIM模型上建立的电力网络,拓扑分析可以利用面向对象技术,只需要处理各设备模型的父类-导电设备类(ConductEquipment),而不用关心该设备的具体类型及具体属性。新的设备模型只需要根据图1所示的关系继承导电设备类,原有的网络拓扑仍可以正确运行。这样经过拓扑分析的电力网络具有了充分的可扩展性和适应性。(2)连接关系模型 CIM模型中定义

6、了端点(Terminal)和连接节点(ConnectivityNode)。其中,端点是导电设备的电气点。连接点是导电设备端点的无电阻融合点,包含了一组端点。在CIM 模型中,一个导电设备包含几个端点(Terminal)，CIM模型定义了这种导电设备类与端点、端点与连接点之间的关联关系。这样,端点和连接点共同建立起设备之间的电气连接关系。http:/-3-图2 简单网络例子 图2显示的是一条跨接两个变电站的带T接的输电线路和一座变电站。该变电站有两个电压等级，它们之间有一台变压器。该线路段有两段不同电缆组成。变电站中一个电压等级被展示为一个单母线的母线段和连接于该母线的两个非常简易的开关设备间隔

7、1。图 8CIM 拓扑的简单网络连接关系 图 8 展示了在 CIM 中连接关系建模，以及座位一种方法（单不一定是唯一的方法）为图 2 中的单线图所反应的包容关系建模。阴影方框表示各容器设备（EquipmentContainer），白方框表示导电设备（ConductionEquipment）。更黑的阴影表明该设备容器在包容层次中处于更高层次。白圈表示各个连接节点，黑色的小圈表示各个端点。一个端点属于一个导电设备，而一个连接节点属于一个导电容器。在图 8 中，线路 SS1-SS2 有两段交流线路段电缆Cable1 和电缆Cable2.一个收缩为连接节点CN2 的变电站 SS3 模拟了交流路段的 A

8、C之间的连接点以及去电缆 Cable3 的 T 接。电缆 Cable3 提供了去变电站 SS4 的连接。每个交流线路段 AC 有两个端点。电缆 Cable1 通过这些端点连接到连接节点 CN3 和 CN2 上。CN3 是由电压等级 400KV 所包容。断路器 BR1 有两个端点，其中一个端点连接到 CN31。由此分析，拓扑连接关系模型体现其中。拓扑连接关系模型如下图所示：http:/-4-Bus/Branch ModelSwitch/Node ModelNaming(from Core)PowerSystemResource(from Core)TopologicalIslandConduct

9、ingEquipment(from Core)Measurement(from Meas)TopologicalNode11.n+TopologicalIsland1+TopologicalNodes1.nTerminal(from Core)0.n1+Terminals0.n+ConductingEquipment10.n0.1+Measurements0.n+Terminal0.1EquipmentContainer(from Core)ConnectivityNode0.n0.1+ConnectivityNodes0.n+TopologicalNode0.10.n0.1+Terminal

10、s0.n+ConnectivityNode0.110.n+MemberOf_EquipmentContainer1+ConnectivityNodes0.n 图4 拓扑连接关系模型 做拓扑运算需要根据拓扑连接关系模型建立CIM数据库，把拓扑运算相关的表建立起来。输入相应的数据，然后进行运算。3.网络拓扑方法网络拓扑方法 3.1 拓扑算法描述 拓扑算法描述 本文主要是针对铁路接触网进行拓扑分析。铁路接触网一般是25KV的纵身距离很长的高压线路。在两个站区间内的线路往往就有数千千米。考虑到铁路接触网的特殊，所以采用深度优先的搜索策略,该算法从某一点出发,沿支路搜索到路径的末端。再回溯该搜索支路的节

11、点,继续寻找新的搜索路径,直到搜索完所有支路和节点,同时保留当前的搜索路径以进行回溯。下图是铁路某电站的部分电气单线图11。在图中，由一根110KV和一根27.SKV的母线构成主要输电线，同时馈出3根馈线，它的主要节点包含了很多的断路器、隔离开关、熔断器等各种开关元件，还包含了3个变压器。同时，它还定义很多的测量点以及信号的输入输出点，结合各种交流线和电气开关等元件构成了一个典型的变电站结构图。图5 铁路某电站部分电气单线图 http:/-5-对它进行CIM模型的建模分析如下图所示：图6 铁路某电站部分电气接线拓扑分析图 采用深度优先算法对图6的网络进行搜索,搜索路径见图4。123456789

12、1011121314151617181920191817161521222324252627282726252930313231302924232221141312111094142434445464544434241343536353433373839403938377654321 基于CIM模型建立的网络接线图中,与传统的网络模型相比,结构更加复杂。采用基于深度优先的搜索策略,将全网划分为若干个子系统,形成拓扑岛。拓扑岛是电网结构中具有电气联系的子系统,因此可以在主设备接线图的基础上形成拓扑岛。由图6可知,这种等效的电气接线图结构简单,主设备间电气联系明确,极大简化了系统的一次网络结构,使

13、网络拓扑可以快速准确的形成电气岛。搜索算法仍采用深度优先搜索策略,这样可以有效的避免重复搜索主设备和拓扑节点,提高搜索效率。形成拓扑点时,只分析闭合的开关和刀闸,提高了拓扑点的形成速度。形成拓扑岛时,针对简化后的等效电气接线图进行分析,大大加快了划分电气岛的过程。同时,拓扑模型遵循CIM定义,拓扑过程使用IEC61970定义的标准接口获取设备与端点、端点与连接点间的关联关系,使得网络拓扑可以运行于任何支持CIM模型的系统平台上,实现即插即用功能。3.3 算法流程 算法流程 根据上述分析,本文论述的基于CIM模型的拓扑分析算法如图7所示。start判断开始遍历End结束遍历节点是否遍历过？遍历，

14、对节点tag设置为true遍历子节点该节点是否有子节点？是返回上一级节点否是是否是否还有节点没有遍历否 图7 拓扑算法流程 http:/-6-4.Java语言实现语言实现 这里只是给出Java代码的类逻辑结构：public void depthFirstSearch()Terminal start=(Terminal)it.next();System.out.println(开始拓扑遍历);if(start!=null)depthFirstSearch(start,0);public void depthFirstSearch(Terminal x,int i)/注：Terminal为端点类

15、visit(x);x.visited=true;ArrayList s=new ArrayList();s.add(x);i+;if()/该节点没遍历过 do something if()/开关闭合 do something if()/开关断开 do something if()/不属于一个电气岛 do something if()/到了该树末端 for()/回溯 If（）/回溯完毕 break；5.结论结论 本文采用广度优先的拓扑算法,克服了传统拓扑方法搜索效率低的缺点。形成拓扑点时,只分析闭合的开关和刀闸,提高了拓扑速度。针对简化后的等效电气接线图进行拓扑岛分析,大大加快了划分电气岛的过程

16、。采用面向对象的设计方式,拓扑过程不针对具体的设备类型,具有很强的适应性和扩展性。同时,拓扑模型遵循CIM定义,使得网络拓扑可以运行在任何支持CIM模型的系统平台上,实现即插即用功能。实际应用中,采用Java面向对象语言实现网络拓扑,应用在潮流计算、动态着色等方面,取得了良好的效果。http:/-7-参考文献参考文献 1 IEC61970-1,EMSAPI-Part1:Guidelines and General Requirements,Part 2:Glossary S.Part 301:Common information model(CIM)base 2 辛耀中.新世纪电网调度自动化技

17、术发展趋势 J.电网技术,2001,25(12):1-10.3 Xin Yaozhong.Development trend of power system dispatching automation technique in 21 st century J.Power System Technology,2001,25(12):1-10.4 全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会EMS-API工作组,国内第4次EMS-API互操作实验介绍J.电力系统自动化,2004,28(16):1-3,7.5 Pan Yi,Zhou J ingyang,Wu Xingp ing,et al.Inter

18、operability test based on C IM J.Power System Technology,2003,27(10):25-28.6 刘崇茹,孙宏斌,张伯明,等.基于CIM XML电网模型的互操作研究 J.电力系统自动化,2003,27(14):45-49.7 于尔铿.电力系统状态估计M.北京:水利电力出版社,1985.8 王湘中,黎晓兰.基于关联矩阵的电网拓扑辨识 J.电网技术,1996,20(3):30-33.9 Wang Xiangzhong,L i Xiaolan.Topology identification of power network based on i

19、ncidence matrix J.Power System Technology,1996,20(3):30-33.10 杨丰萍,陈剑云.SCADA 系统中数据库子系统的面向对象建模J.华东交通大学学报,2000,17(4):50-54.11 冯竹建.基于 IEC61970CIM 的 SCADA 数据库系统设计及通用数据访问研究D.成都:西南交通大学,2006.Electricity System Topology Modelled By Depth-First Search on the basis of The Common Information Model Jia Yongwei,C

20、hen Jianyun College of Electric&Engineering,The Institute For Traffic Information Engineering ,Information Of JiaoTongEast China JiaoTong University,Nanchang,Jiangxi(330013)Abstract In this paper,I study topology on the basis of the IEC61970 CIM model,and bring forward a system topology analysis met

21、hod based on the adjacent matrix by depth-first search algorithm.I regard the switch and T connection point who affect the distribution network topology as nodes,power distribution transformers and feeder lines as the sides,reflect their connections by subordination.From above,I obtain the node adja

22、cent matrix including the power system topology relation and calculate the adjacent matrix with depth-first method.The method achieved by Java is used for the distribution network topology of railway.It is more general and expandable than the traditional method.Its verified the correctness by cross-platform Java language.Keywords：Power system;CIM;topology model;depth-first search 作者简介作者简介:贾永伟（1981-），男，河北石家庄人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为 SCADA 系统。陈剑云（1962-），男，江西赣州人，汉族，教授，主要研究方向为 SCADA 系统研究与市场应用等。