基于CIM_XML的电力系统模型的研究

1 基于 CIM/XML 的电力系统模型的研究 米增强，王雷 （华北电力大学 电力工程系，河北 保定 071003） 摘 要：针对不同 EMS 系统中模型在信息交换方面的限制， 按照 IEC61970 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 将模型通用化。模型的建立方法是将节 点/开关模型扩展为母线/支路模型，再描述为通用信息模型 /可扩展标记语言（CIM/XML）的文档形式。方法的可用性已 得到互操作试验的证实。最后，以 IEEE5 节点系统为例进行 说明，方法简单易行，可扩展性强。 关键词：通用信息模型；可扩展标记语言；资源描述框架； 模型 0 序言 为建立经济和安全 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 的仿真环境，子系统之 间需要交换模型信息，用于支持电网规划，主要包 括传输 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、维护规程和操作规划。相邻系统之间 的重要部分需要重新建模，添加到子系统的服务范 围，模型日趋扩大，设备表示开始简单化，省略了 一些电网信息。相反地，为了进行实时操作，对区 域内设备及其连接关系的细节信息的要求加大，例 如，这些模型必须要包括子站母线，开关和量测信 息。这样形成节点/开关模型，而用于操作的模型由 面向计划的母线 /支路模型产生。通用信息模型 （CIM）应运而生并在能量控制中心得到应用，它 可以满足节点/开关模型的信息需要。随后，可扩展 标记语言（XML）应用于编码，逐渐占据主导地位。 至此，一种基于 CIM 数据定义和 XML 的通用 模型交换方式出现，并被 Data Exchange Working Group 采纳。CIM/XML 正处于 IEC 标准化进程中， 得到所有主要的 EMS 厂商支持，希望开放的模型 交换得以实现。 1 电力系统模型现状 电力系统模型是电力系统设计和分析的基础。 现行的电力系统模型表示方式主要有两种：节点/ 开关（Node/Breaker）模型和母线/支路（Bus/Branch） 模型。 节点/开关模型是母线/支路模型的基础，它包 含电力系统实时运行操作所需要的有关现场设备 及其连接关系的详细信息，例如开关、刀闸、母线 分段、线路的连接关系、各个设备的状态信息、量 测信息等。SCADA 系统是基于节点/开关模型的典 型应用。节点/开关模型的实现依赖于不同的 EMS 厂商，通常是以专用的内存数据库的方式来存储、 表达。通过对节点/开关模型进行网络拓扑处理，可 以得到母线/支路模型。在母线/支路模型中，复杂 的开关配置和设备连接通常被省略，数据采集和控 制设备也没有体现。在 EMS 系统中，状态估计、 调度员潮流、安全分析、电压无功优化、最优潮流 等功能实现都是基于母线/支路模型。同时，离线的 电力系统规划与计算也是基于母线/支路模型，例如 电网规划、检修计划和运行方式规划、潮流计算等。 这些模型采用基于规划模式的数据格式来交换信 息，例如 IEEE 公共格式，WSCC 格式，或是厂商 的专用格式。在不同的系统中，电网模型的结构和 实现方式通常不同。虽然实际要表达的信息基本相 同，但是模型数据库的数据结构、应用接口、开发 平台千差万别。 所以现有应用环境中，实现信息共享和应用集 成有两大障碍： 1）各个系统的信息模型是专有的，缺乏公共、 统一的数据模型； 2）各个系统访问信息的机制是专有的，缺乏标 准的数据接口规范。 2 CIM/XML 的提出 为了解决上述问题，美国电力研究协会（EPRI） 开发了通用信息模型（CIM）。CIM 规定通用语法， 详细说明电力系统资源、属性及其关系。为了进一 步支持电力信息交换，电力工业开发了 CIM/XML， 一种以 XML 表示 CIM 的方法。CIM/XML 是资源 描述框架（RDF）的应用，使用 RDF 和 RDF Schema 组织 XML 结构。北美电力可靠性协会（NERC）已 经采纳 CIM/XML 为电力系统之间模型交换的标 准，而且正在不断地完善和发展。 CIM 可以将电力系统中的实体对象表示成类 和属性及其它们之间的关系，用这些类和属性支持 独立开发的应用的集成。这些应用可以是在相对独 立的两个 EMS 系统之间，也可以是 EMS 系统和其 他的系统之间，这些系统对电力系统信息关注的侧 重点有所不同。CIM 由一系列的 UML（统一建模 语 言 ） 类 图 来 详 细 说 明 。 CIM 的 基 类 是 2 “PowerSystemResource”类，还包括其他的类，例 如 Substation，Switch, Breaker 等。下例显示对 CIM/XML 类和特性的定义： PowerSystemResource "A power system component that can be either an individual element such as a switch or a set of elements such as a substation. PowerSystemResources that are sets could be members of other sets. For example a Switch is a member of a Substation and a Substation could be a member of a division of a Company" ampRating "Fault interrupting rating in amperes" EPRI 成功地实现对 CIM/XML 的互操作试验。 参与互操作试验的厂家有 ABB、ALSTOM、 CIM-Logic、Langdale、PsyCor、Siemens、SISCO， 试验证明这些模型可以被应用程序正确读取。虽然 CIM 最初是为 EMS 系统设计，但可以通过扩展为 电力配电和其他应用服务。 3 模型扩展规则 由于 EMS 采用的模型是节点/开关模型，在实 际应用时需要首先扩展为母线/支路模型，给发电 机、负荷线路、变压器命名，并划分为厂站，给出 母线电压的基准电压值，使之成为比较符合实际的 系统。已知的系统网络 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 为：支路首末端母线号， 支路电阻，支路电抗，支路充电电容的一半，变压 器变比，并联电容首末端节点号，并联电容电纳。 已知的其他参数为：发电机有功出力，用功负荷， 无功负荷，母线电压，无功可调母线的无功上下限。 这些参数均为标幺值。 模型的扩展规则如下： 1）元件命名：以电力系统设备的习惯名称简 写命名。例如：电力线路（line）首端母线号 1 及 末端母线号 2 ，则命名为 LN1_2 ；变压器 （transformer）首末母线号分别为 2 和 3，则命名为 T2_3，等。 2）厂站划分：一个厂站中至少包含一个母线； 含有发电机的厂站为发电厂，其他的厂站为变电 站；变压器两端母线属于同一个变电站。 3）变压器参数换算：数据采用的变压器模型 与国际标准中的变压器模型不同时，需要进行换算 得到。但要说明换算时使用的模型的具体表达形 式。 4）电压基值：设定系统电压值为 220KV， 110KV 和 35KV。 5）功率基值：采用 100MVA 为基值。 6）上下限限制：母线电压的上下限标幺值分 别为 1.10 和 0.97；负荷的最大有功设置为正常值的 2 倍左右，最小有功设置为 0；负荷的最大无功设 置为正常无功绝对值的 2 倍，最小无功取最大无功 的相反数；线路功率上限的设定标准按照同电压等 级线路的输送容量设定，线路回数不同，容量有所 差别。 7）线路参数换算：标准参数中，线路对地参 数是以线路对地电纳的一半的标幺值给出，而 CIM 模型中要求有名值。 扩展规则只是推荐标准，需不断完善。 4 方法试验 以 IEEE5 节点系统为例进行说明： IEEE5 节点模型如图 1 所示，含有两台发电机、 两台变压器、三个负荷和五条母线及数条线路。 G G 2 54 1 3 Load2 2#1# Load1 Load3 Tran1 Tran2 图 1 IEEE5 节点模型 变换完成，如图 2 所示，其中 CN 表示 ConnectivityNode，而○表示 Interminal。CN 不是一 个物理存在的设备，而是不同设备的公共连接点的 逻辑表示；而○代表的 Terminal，提供导电设备和 ConnetivityNode 之间的连接点。图中蓝色框标出的 三个区域是按照厂站划分规则划分的三个区域，分 别命名为：“一号发电厂”、“二号发电厂”、“三号 变电站”。其中，名称的前一部分表示区域的标号， 3 后一部分表示区域的性质，用来区分“厂”和“站”。 区域 1 和区域 2 分别包含一台发电机、一台变压器、 一个负荷和两条母线；区域三包含一条母线和一个 负荷。 下面简要说明“三号变电站”中含有的 ConnectivityNode 和 Terminal 的 CIM/XML 表示方 法： （1） ConnectivityNode 表示法 以 CN1 为例。在 RDF 中的 ID 为 CN_1，属于 “设备容器”（EquipmentContainer），电压等级设定 为“VoltageLevel_1”，则可表示为： CN1 Bus1 C N Transf ormer1 C N Bus2 CN Load2 CN1 Gene rator1 CN Bus4 C N Transf ormer2 C NBus3 CN Load3 Gene rator2 CN Bus5 C N 一号发电厂 二号发电厂 三号变电站 Load1 CN3 CN2 图 2 IEEE5 节点模型的总线/支路表示 （2） Terminal 表示法 Teminal 的表示方法与 ConnectivityNode 类似， 但在 Teminal 中需要说明两端分别连接的设备。图 中 CN3 与 Load1 之间的 Terminal 表示如下： Terminal 前缀 cim: 表示对象标记的命名空间来自于预 定义的 CIM 命名空间，其中的“#”表示引用，指 向另外一个节点。 经过上述步骤，实现对 EMS 电力系统模型的 改善，为信息的交换奠定基础。 5 后续工作 CIM 使用 Rational 软件公司的 Rational ROSE 建立和维护。整个 CIM 作为一个扩展名为.mdl 的 文件保存，可以在 Rational ROSE 中查看，其中包 括各个类图及类、属性、类型和关系的描述。这种 方式提供了一个图形导航接口，允许通过点击方式 在每个包的类图中浏览所有的 CIM 规范数据。每一 个顶层包以扩展名为.cat 的文件发布，允许从 CIM 包构造新的模型。CIM 的版本在不断变化，为了保 证 CIM 模型数据来源的单一性，CIM 规范的修改 需要首先并入到Rational Rose模型的描述中。另外， 系统模型建立的规则应该进一步完善、统一，否则 通讯仍然会受到制约。试验中仅限于模型的扩展， 实际应用中应含有电力系统参数。 随着 CIM 的不断完善，XML 作为载体的作用 不断发展，电力系统通讯将得到很好的改善，不同 4 系统之间的信息互访会日趋便利。 参考文献 [1] 能量管理系统应用程序接口(EMS-API) 第 301 篇:公共信息模型 (CIM)基础 .中华人民共和国电力行业标准 , Idt, IEC 61970－ 301:1999. [2] 王民昆.电力系统 CIM 模型描述与数据交换实现的研究.四川大学 工程硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,2004.5. [3] 叶策.基于 CIM/XML 的电力系统数据仓库的研究与设计.浙江大学 硕士学位论文,2002.2. [4] 刘崇茹,孙宏斌,张伯明,等.基于 CIM XML 的电网的互操作研究.电 力系统自动化,2003.7，45-48. [5] 吴玉生,吴杏平.基于 IEC6I970 系列标准的数据库接口的研究.中国 电力科学院,2003.5. [6] A.deVos, S.E.Widergren, J.Zhu. XML FOR CIM MODEL EXCHANGE. IEEE, 2001. 作者简介： 米增强（1960－），男，河北保定人，汉族，教授，主要研 究方向为电力系统运行与控制． 王雷（1980－），男，河北保定人，汉族，在读硕士研究、 生，主要研究方向为基于 CIM/XML 能量管理系统实时数据 接口．