第32卷增刊2 电网技术 Vol.32 Supplement 2 2008年12月 Power System Technology Dec.2008 文章编号：1000-3673(2008)S2-0186-03 中图分类号：TM76 文献标志码：A 学科代码：4704054 基于公共信息模型的电网建模 汪华 (中卫供电局，宁夏回族自治区中卫市755000) Power Network Model Based on CIM WANG Hua (Zhongwei Power Supply Bureau,Zhongwei 755000,Ningxia Hui Autonomous Region,China) 摘要：首先详细描述了公共信息模型(common information 制层次关系进行设备检索等各种数据操作。下面就 model,CIM)是如何描述电力系统设备及其拓扑关系，然后 CM中如何表达设备的控制层次和如何表达拓扑 在此基础上详细描述了基于CM的电网模型的建立过程， 进行分析。 进一步诠释了CM应用于电力系统应用的优越性。 首先CM中包含了电力系统设备及其管理的 关键词：公共信息模型(CM):模型：拓扑 全部信息，可以通过CM进行电网建模并建立各种 0引言 电力系统应用。CM包括类，类之间的关系（如继 承、关联和聚集)，以及类中的属性。以此为基础， 能量管理系统(energy manage system,EMS)在 这套模型可以描述电力系统的物理设备类如断路 进行计算建模时一般仅建立本调管范围内的电网 器、变压器、补偿器等，也可以描述公司、子控制 模型而不考虑外网模型，这对一般的潮流计算分析 区等电力系统管理类。通过CM中类与类之间的关 足够了。但针对一些EMS应用或电网应用会带来 联关系，可以形成用于不同电力设备的模型视图。 计算上的问题。原先省调和地调各自建设各自的 1.2设备模型 EMS,彼此间进行模型交互十分困难，特别是不同 设备模型表示电力系统各种电气设备在CIM 厂家之间。EC61970标准为解决模型交互提供了 中是如何表达并管理的。首先CM由一组包组成， 技术标准。其中公用信息模型(common information 包是将相关模型元件人为分组的方法，主要是为了 model,CIM)定义了这些API的语意，组件接口规 模型易于设计，理解与组织组成，包中包含了CM 范(component interface specification,CIS)定义了信 中的类，各种设备由CM中的各个类及其属性进行 息交换的内容-)。在以CM为标准的电力系统网 表达，并在此基础上通过类与类之间的关系建立了 络模型基础上，可以通过CIS接口实现不同EMS 各种设备的管理层次关系。 之间的数据交换，利用这一接口规范可以解决各厂 控制层次如图1所示。该图是电网物理设备的 家系统内部的私有化接口阻碍系统数据访问的问 管理图。在CM中大部分设备都按照该视图进行组 题。本文主要探讨如何基于CM进行电网的模型 织，并由此建立了整个电力系统中所有的电网设备 建模。 的管理方法。但是并不是所有的设备都能够通过该 1基于CM的电网建模思路 控制层次图进行管理，对于电力设备中线路、变压 器是无法按照上述控制层次图进行管理的。实际在 1.1概述 设计控制层次图时，对于线路、变压器和开关刀闸 电网建模是面向各种电力系统应用的。电网建 采用的是通过端点（节点）按层次控制管理的思路。 模针对电力计算应用需要建立各种电力设备的参 子控制区 数属性和电力设备之间拓扑关系。CM中通过各种 一厂站 设备类的属性可以表达电力设备的参数属性，拓扑 一电压等级 属性是通过电力设备的控制层次模型和拓扑模型 一设备 表达的。同时各种电力设备也可通过电力设备的控 图1控制层次 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 32 卷 增刊 2 电 网 技 术 Vol. 32 Supplement 2 2008 年 12 月 Power System Technology Dec. 2008 文章编号：1000-3673（2008）S2-0186-03 中图分类号：TM76 文献标志码：A 学科代码：470·4054 基于公共信息模型的电网建模 汪华 (中卫供电局，宁夏回族自治区 中卫市 755000) Power Network Model Based on CIM WANG Hua （Zhongwei Power Supply Bureau，Zhongwei 755000，Ningxia Hui Autonomous Region，China） 摘要：首先详细描述了公共信息模型(common information model，CIM)是如何描述电力系统设备及其拓扑关系，然后 在此基础上详细描述了基于 CIM 的电网模型的建立过程， 进一步诠释了 CIM 应用于电力系统应用的优越性。 关键词：公共信息模型(CIM)；模型；拓扑 0 引言 能量管理系统(energy manage system，EMS)在 进行计算建模时一般仅建立本调管范围内的电网 模型而不考虑外网模型，这对一般的潮流计算分析 足够了。但针对一些 EMS 应用或电网应用会带来 计算上的问题。原先省调和地调各自建设各自的 EMS，彼此间进行模型交互十分困难，特别是不同 厂家之间。IEC61970 标准为解决模型交互提供了 技术标准。其中公用信息模型(common information model，CIM)定义了这些 API 的语意，组件接口规 范(component interface specification，CIS)定义了信 息交换的内容[1-2]。在以 CIM 为标准的电力系统网 络模型基础上，可以通过 CIS 接口实现不同 EMS 之间的数据交换，利用这一接口规范可以解决各厂 家系统内部的私有化接口阻碍系统数据访问的问 题。本文主要探讨如何基于 CIM 进行电网的模型 建模。 1 基于 CIM 的电网建模思路 1.1 概述 电网建模是面向各种电力系统应用的。电网建 模针对电力计算应用需要建立各种电力设备的参 数属性和电力设备之间拓扑关系。CIM 中通过各种 设备类的属性可以表达电力设备的参数属性，拓扑 属性是通过电力设备的控制层次模型和拓扑模型 表达的。同时各种电力设备也可通过电力设备的控 制层次关系进行设备检索等各种数据操作。下面就 CIM 中如何表达设备的控制层次和如何表达拓扑 进行分析。 首先 CIM 中包含了电力系统设备及其管理的 全部信息，可以通过 CIM 进行电网建模并建立各种 电力系统应用。CIM 包括类，类之间的关系(如继 承、关联和聚集)，以及类中的属性。以此为基础， 这套模型可以描述电力系统的物理设备类如断路 器、变压器、补偿器等，也可以描述公司、子控制 区等电力系统管理类。通过 CIM 中类与类之间的关 联关系，可以形成用于不同电力设备的模型视图。 1.2 设备模型 设备模型表示电力系统各种电气设备在 CIM 中是如何表达并管理的。首先 CIM 由一组包组成， 包是将相关模型元件人为分组的方法，主要是为了 模型易于设计，理解与组织组成，包中包含了 CIM 中的类，各种设备由 CIM 中的各个类及其属性进行 表达，并在此基础上通过类与类之间的关系建立了 各种设备的管理层次关系。 控制层次如图 1 所示。该图是电网物理设备的 管理图。在 CIM 中大部分设备都按照该视图进行组 织，并由此建立了整个电力系统中所有的电网设备 的管理方法。但是并不是所有的设备都能够通过该 控制层次图进行管理，对于电力设备中线路、变压 器是无法按照上述控制层次图进行管理的。实际在 设计控制层次图时，对于线路、变压器和开关刀闸 采用的是通过端点(节点) 按层次控制管理的思路。 子控制区 厂站 电压等级 设备 图 1 控制层次
第32卷增刊2 电网技术 187 线路类如图2所示。该图是一个线路的视图， 零阻抗连接在一起)。通过终端和连接节点可以方 在CIM类定义中线路是由线路段组成并包含终端 便地构建电网图并建立拓扑关系。 属性。线路设备在控制层次图中是无法反映的，实 1.4通过CIM建立的电力系统设备关系 际反映线路是通过端点（节点）来表达线路段的层次 通过各种设备类和设备类之间的关系，最终可 关系。线路和线路段提供了设备的灵活的组织方 建立电网设备的层次关系模型如图5所示。图中包 法。在实际应用中，可直接使用线路段表达线路。 含了设备的管理关系和设备的拓扑关系。 线路 1)电网设备统一按照子控区-厂站-电压等级- 交流线段 设备进行管理。 终端 2)电网拓扑统一按照子控区-厂站-电压等级- -直流线段 端点（节点）一设备进行管理。 图2线路类 3)对于线路和变压器，按照节点（通过设备端 变压器类如图3所示。该图是一个变压器的类 点得到节点)进行管理。 视图，变压器由变压器绕组组成，并包含终端属性。 4)对于开关、刀闸因为包含多个节点，也按 变压器设备在控制层次图中是无法反映的，实际反 照节点进行管理。 映变压器是通过变压器绕组的端点（节点）来表达变 这样通过CM可以建立面向各种应用的电力 压器层次关系。 系统模型，本文重点是面向EMS中的计算应用， 变压器 所以建立了如下的设备关系结构，通过该结构可以 一变压器绕组 方便地进行设备检索、拓扑分析和电网抽象建模。 一终端 子控区 图3变压器类 ,厂站 图4是一个发电机视图，是按照控制层次进行 管理，同样负荷补偿器等也基本按照该层次进行管 电压等级 发电机 理。在基本控制层次图的基础上，所有类似的设备 力负荷 同样提供了通过端点表达设备层次关系的方法，在 →电容、电抗 所有设备类中都同样包含了设备端点属性。 母线 子控制区 》节点 厂站 →线路 一电压等级 →变压器 火电发电单元 L一同步发电机 ,开关、刀闸 图5电网设备关系树 一终端 一水电发电单元 具体的设备属性由设备类属性进行表达。由设 一同步发电机 备类关系树图可见电力系统本身是一个层次型结 一终端 构。一般以厂站为单位，在各个厂站中包含若干电 图4发电机类 压等级，各个电压等级下又包含若干元件（发电机、 1.3拓扑模型 负荷、电容电抗器、开关刀闸、母线)。在电力系统 拓扑包是CIM核心包的扩展，它与终端类关联 中，各个厂站的联络是通过线路连接，各个厂站中 建立接线模型，而接线模型是设备怎样连接在一起 各个电压等级的联络是通过变压器连接。 的物理定义。另外，它还建立了拓扑模型，这是设 通过以上设备数图，在实际电网数据库设计中 备怎样通过闭合开关连接在一起的逻辑定义。拓扑 可以设计按关系层次型的数据库，为方便数据检索 定义与其他电气特征无关。 和保证整个数据库的正确性，数据库中设计的层次 从设备类图中可见，所有的设备类中都包含终 关系是自顶向下严格约束的，即：下层数据表中包 端属性。同时在CM中定义有连接节点，连接节点 含约束关系中的上层数据表的相应字段。如发电机 是这样的一些点，在这些点上导电设备的端点通过 表包含厂站和电压等级字段，开关表中包含厂站和 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 32 卷 增刊 2 电 网 技 术 187 线路类如图 2 所示。该图是一个线路的视图， 在 CIM 类定义中线路是由线路段组成并包含终端 属性。线路设备在控制层次图中是无法反映的，实 际反映线路是通过端点(节点)来表达线路段的层次 关系。线路和线路段提供了设备的灵活的组织方 法。在实际应用中，可直接使用线路段表达线路。 线路 交流线段 终端 直流线段 图 2 线路类 变压器类如图 3 所示。该图是一个变压器的类 视图，变压器由变压器绕组组成，并包含终端属性。 变压器设备在控制层次图中是无法反映的，实际反 映变压器是通过变压器绕组的端点(节点)来表达变 压器层次关系。 变压器 变压器绕组 终端 图 3 变压器类 图 4 是一个发电机视图，是按照控制层次进行 管理，同样负荷补偿器等也基本按照该层次进行管 理。在基本控制层次图的基础上，所有类似的设备 同样提供了通过端点表达设备层次关系的方法，在 所有设备类中都同样包含了设备端点属性。 火电发电单元 同步发电机 子控制区 厂站 电压等级 水电发电单元 同步发电机 终端 终端 图 4 发电机类 1.3 拓扑模型 拓扑包是 CIM 核心包的扩展，它与终端类关联 建立接线模型，而接线模型是设备怎样连接在一起 的物理定义。另外，它还建立了拓扑模型，这是设 备怎样通过闭合开关连接在一起的逻辑定义。拓扑 定义与其他电气特征无关。 从设备类图中可见，所有的设备类中都包含终 端属性。同时在 CIM 中定义有连接节点，连接节点 是这样的一些点，在这些点上导电设备的端点通过 零阻抗连接在一起[3]。通过终端和连接节点可以方 便地构建电网图并建立拓扑关系。 1.4 通过 CIM 建立的电力系统设备关系 通过各种设备类和设备类之间的关系，最终可 建立电网设备的层次关系模型如图 5 所示。图中包 含了设备的管理关系和设备的拓扑关系。 1）电网设备统一按照子控区–厂站–电压等级– 设备进行管理。 2）电网拓扑统一按照子控区–厂站–电压等级– 端点(节点)–设备进行管理。 3）对于线路和变压器，按照节点(通过设备端 点得到节点)进行管理。 4）对于开关、刀闸因为包含多个节点，也按 照节点进行管理。 这样通过 CIM 可以建立面向各种应用的电力 系统模型，本文重点是面向 EMS 中的计算应用， 所以建立了如下的设备关系结构，通过该结构可以 方便地进行设备检索、拓扑分析和电网抽象建模。 厂站 电压等级 负荷 电容、电抗 发电机 开关、刀闸 变压器 母线 线路 子控区 节点 图 5 电网设备关系树 具体的设备属性由设备类属性进行表达。由设 备类关系树图可见电力系统本身是一个层次型结 构。一般以厂站为单位，在各个厂站中包含若干电 压等级，各个电压等级下又包含若干元件(发电机、 负荷、电容电抗器、开关刀闸、母线)。在电力系统 中，各个厂站的联络是通过线路连接，各个厂站中 各个电压等级的联络是通过变压器连接。 通过以上设备数图，在实际电网数据库设计中 可以设计按关系层次型的数据库，为方便数据检索 和保证整个数据库的正确性，数据库中设计的层次 关系是自顶向下严格约束的，即：下层数据表中包 含约束关系中的上层数据表的相应字段。如发电机 表包含厂站和电压等级字段，开关表中包含厂站和
188 汪华：基于公共信息模型的电网建模 Vol.32 Supplement 2 电压等级字段等。通过该字段对表的记录线路进行 各个表的记录是按以下的层次图进行排序，如 严格约束。整个电网结构中大部分电网设备可以通 果不在层次图中，则按名称严格排序，这在数据库 过简单的厂站-电压-设备层次关系进行表达，通过 记录查找时是十分有帮助的。 严格的层次约束关系可以十分简单的设计电网设 在电网数据库中，由以上的层次图可见，一个 备的搜索。 设备在电网库中最多通过三层查询即可获得具体 在表中线路连接两侧厂站，所以在线路表中的 的位置。 厂站字段受厂站表约束。在变压器表中变压器连接 表1是数据库中主要记录的排序规则，排序顺 两侧电压等级，所以在变压器表中的电压等级字段 序从左到右。 受电压等级表约束。但线路、变压器无法通过简单 表1数据库记录排序 的层次关系进行表达，为此在进行电网数据库设计 表名 排序字段排序字段 排序字段 排序字段 时对于线路、变压器的层次关系设计了双端设备。 公司 无 无 无 无 分区 无 无 将线路、变压器的侧引入到电网数据库中。 厂站 厂站名 无 无 在这里需要引入双端元件的概念。在电力系统中 电压等级 厂站名电压等级名 无 无 的双端元件有3种：线路、变压器、开关刀闸。对于 开关 厂站名电压等级名 开关名 无 负荷 厂站名电压等级名 负荷名 线路，它连接两个厂站：对于变压器，它连接两个电 无 发电机 厂站名电压等级名 发电机名 无 压等级：对于开关，它是连接厂站中一个电压等级下 线路 线路名 无 无 无 的两个或多个元件。线路、变压器、开关、刀闸，称 变压器 厂站名 变压器名 无 为双端元件，其结构如图6所示。 电容、电抗器厂站名电压等级名电容、电抗器名 母线 厂站名 电压等级名 母线名 无 厂站1● 线路 ●厂站2 双端开关名厂站名电压等级名 节点名 双端开关名 双端线路名厂站名电压等级名 节点名 双端线路名 变压器 双端变压器名厂站名电压等级名 节点名 双端变压器名 电压等级1 D 电压等级2 节点 厂站名电压等级名 节点名 无 开关、刀闸 2结论 元件10 ●元件2 图6双端元件 本文详细描述了如何基于CM进行电网建模的 按照电力系统的概念， 一些元件含有侧的概 思路，CM为电力系统的各种应用提供了十分方便 念，是元件本身的一个属性。在数据库中相应的表 数据基础。基于CM还有很多更好的思路，可以说 的节点字段中反映出来（线路、变压器、开关、刀闸）。 CM为电力系统自动化应用开创了一个崭新的局面。 但是为使用方便及提高数据库的效率，数据库中对 参考文献 双端元件引入了双端元件表。双端元件有元件侧的 [1]IEC 61970-1,EMSAPI-Part 1:guidelines and general requirements 概念，通过节点反映。在数据库中双端元件表是一 [S]. 个衍生表，由数据库本身进行维护的。 [2]IEC 61970-2,EMSAPI-Part 2:glossary[S]. 1.5电网数据库中的记录组织 [3]IEC 61970-301:Energy management system application program interface (EMS-API)-Part 301:common information model (CIM) 在电网数据库中，所有的记录均按层次关系严 base[S】. 格排序，同时在数据库数据组织时将所有电网设备 收稿日期：2008-12-01。 在数据库中的位置按照约束关系进行排序，这样所 作者简介： 有的电网设备在数据库中位置是固定的，任何记录 汪华(1975一)，男，工程师，从事调度自动化专业生产管理工作， 可以通过记录排序的序号进行直接访问。 E-mail:wanghua3141@sina.com. （编辑王晔) C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
188 汪华：基于公共信息模型的电网建模 Vol. 32 Supplement 2 电压等级字段等。通过该字段对表的记录线路进行 严格约束。整个电网结构中大部分电网设备可以通 过简单的厂站–电压–设备层次关系进行表达，通过 严格的层次约束关系可以十分简单的设计电网设 备的搜索。 在表中线路连接两侧厂站，所以在线路表中的 厂站字段受厂站表约束。在变压器表中变压器连接 两侧电压等级，所以在变压器表中的电压等级字段 受电压等级表约束。但线路、变压器无法通过简单 的层次关系进行表达，为此在进行电网数据库设计 时对于线路、变压器的层次关系设计了双端设备。 将线路、变压器的侧引入到电网数据库中。 在这里需要引入双端元件的概念。在电力系统中 的双端元件有 3 种：线路、变压器、开关刀闸。对于 线路，它连接两个厂站；对于变压器，它连接两个电 压等级；对于开关，它是连接厂站中一个电压等级下 的两个或多个元件。线路、变压器、开关、刀闸，称 为双端元件，其结构如图 6 所示。 线路 变压器 开关、刀闸 厂站 1 厂站 2 电压等级 1 电压等级 2 元件 1 元件 2 图 6 双端元件 按照电力系统的概念，一些元件含有侧的概 念，是元件本身的一个属性。在数据库中相应的表 的节点字段中反映出来(线路、变压器、开关、刀闸)。 但是为使用方便及提高数据库的效率，数据库中对 双端元件引入了双端元件表。双端元件有元件侧的 概念，通过节点反映。在数据库中双端元件表是一 个衍生表，由数据库本身进行维护的。 1.5 电网数据库中的记录组织 在电网数据库中，所有的记录均按层次关系严 格排序，同时在数据库数据组织时将所有电网设备 在数据库中的位置按照约束关系进行排序，这样所 有的电网设备在数据库中位置是固定的，任何记录 可以通过记录排序的序号进行直接访问。 各个表的记录是按以下的层次图进行排序，如 果不在层次图中，则按名称严格排序，这在数据库 记录查找时是十分有帮助的。 在电网数据库中，由以上的层次图可见，一个 设备在电网库中最多通过三层查询即可获得具体 的位置。 表 1 是数据库中主要记录的排序规则，排序顺 序从左到右。 表 1 数据库记录排序 表名 排序字段 排序字段 排序字段 排序字段 公司 无 无 无 无 分区 无 无 无 无 厂站 厂站名 无 无 无 电压等级 厂站名 电压等级名 无 无 开关 厂站名 电压等级名 开关名 无 负荷 厂站名 电压等级名 负荷名 无 发电机 厂站名 电压等级名 发电机名 无 线路 线路名 无 无 无 变压器 厂站名 变压器名 无 无 电容、电抗器 厂站名 电压等级名 电容、电抗器名 母线 厂站名 电压等级名 母线名 无 双端开关名 厂站名 电压等级名 节点名 双端开关名 双端线路名 厂站名 电压等级名 节点名 双端线路名 双端变压器名 厂站名 电压等级名 节点名 双端变压器名 节点 厂站名 电压等级名 节点名 无 2 结论 本文详细描述了如何基于 CIM 进行电网建模的 思路，CIM 为电力系统的各种应用提供了十分方便 数据基础。基于 CIM 还有很多更好的思路，可以说 CIM为电力系统自动化应用开创了一个崭新的局面。 参考文献 [1] IEC 61970-1，EMSAPI–Part 1：guidelines and general requirements [S]． [2] IEC 61970-2，EMSAPI – Part 2：glossary[S]． [3] IEC 61970-301：Energy management system application program interface (EMS-API) – Part 301：common information model (CIM) base[S]． 收稿日期：2008-12-01。 作者简介： 汪华(1975—)，男，工程师，从事调度自动化专业生产管理工作， E-mail：wanghua3141@sina.com。 （编辑 王晔）