基于CIM 的配网理论线损在线计算系统

吕 欣，张铁峰，吕越颖，王书峰

(1．华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003;2．保定市供电公司，河北 保定071000)

0 引言

随着通信、计算机和智能装置等技术的发展，大部分的理论线损计算都由计算机软件完成。但“信息孤岛”仍然存在，相关数据的获取和输出等数据交换还非常繁琐和易错。同时，由于传统计算软件不能及时更新电网结构数据，使得线损计算的实时性和准确性大打折扣［1］。因此，建立基于CIM 的配电网线损计算系统显得尤为重要。文献［2］基于CIM 建设标准配电网底层模型，实现配变监控、线损分析、电压统计等配电网数据的综合应用;文献［3］提出了基于CIM 的电网理论线损准在线计算框架，并针对CIM 应用于电网理论线损准在线计算存在部分数据缺失的情况，对CIM 进行了模型扩展;文献［4］设计一种配电网理论线损在线计算方案，从配电GIS 及DSM 系统中导入计算所需的数据，计算方便、准确、高效。

本文提出一种基于CIM 的配网线损在线计算系统，充分利用SCADA，GIS 和DMIS 等信息系统采集的数据完成线损计算，并通过XML 和SVG语言实现与其他系统间的数据交互。该系统能够自动生成线损计算模型，大大降低线损管理的工作量，提高了线损计算的实时性和准确性。

1 CIM 概述

CIM 是IEC61970 系列标准的一个重要的组成部分，是一个抽象模型。该模型将配电网中的实体定义为类，其中大部分是对系统元件的描述，如变压器、线路、开关。另外一部分为数据结构安排表、动态测量数据等。这些都是配电管理系统应用程序所需要的信息和数据［5］。

CIM 运用统一建模语言(UML)通过类之间的关联、继承、聚合的逻辑关系实现对整个配电网的描述。它为不同数据模式下的管理系统提供了一个通用的转换接口，从而实现了不同管理系统间的集成。由于配电网中存在很多三相不平衡负载，导致系统中存在很多多相的属性，因此在系统设计前需要对CIM 进行相应的扩展(如配电线路、配电设备、负荷等类的多相属性的扩展)，以满足CIM 对配电网及配网中设备三相属性的描述［6］。

2 线损计算系统的设计思想

2.1 数据获取

由于线损计算采用的是潮流计算方法，因此，除了主要的电气连接图，还需要获得电气设备参数数据、设备的逻辑连接方式、开关状态、变压器分接头位置以及每个间隔的运行数据。本文将以上数据分为两种类型:一种是结构数据，如，设备的电气参数、设备的逻辑节点以及连线图，它相对稳定，变化较少。对于此类数据，在电网结构不产生变化的前提下，仅进行一次读取。另一种是运行数据，包括开关状态、变压器抽头的位置、电流、电压、有功功率和无功功率。对于此类动态数据，需要系统实时读取。

目前，国内大部分电力企业都已配备SCADA，GIS，DMIS 等管理系统。其中，电压等级在35 kV 以上的主网结构数据和大部分配网的运行数据均存储于SCADA 系统;GIS 系统主要存储配电网的结构数据;DMIS 系统主要存储部分主网运行数据和所有配电网运行数据。为了便于各管理系统间的数据交互，本文提出了如下数据共享方案［7］。

根据观察，该车在冷车时不会出现类似情况，只有热车后才会发生此类故障。常见的发动机自动熄火多是积碳引起怠速失调所致，但考虑到故障车的行驶里程很短，且进行了相关检查，首先排除发动机积碳因素。怠速时读取发动机的数据，发现混合汽呈现很浓的趋势，直至灭车，但是高速时正常。

2.1.1 配电网结构数据的读取

配电网的结构数据主要从GIS 系统中获取。GIS 系统可提供配电网的属性信息、空间信息以及地理图形信息［8］。本文提出的线损计算系统中，线损计算模块可从GIS 系统中实时获得配电网的结构数据。这些数据包括设备参数(如配变、开关以及线路等信息)［9］、XML 形式的逻辑拓扑结构以及SVG 形式的单线图和电气连接图(如变电站、杆塔以及电力线等的连接关系)。

2.1.2 配电网运行数据的读取

配电网的运行数据主要从SCADA 和DMIS 系统中获取。SCADA 系统通过监测装置实时监测和控制配电网，从而实现实时数据、历史数据的处理和存储。SCADA 系统可获得的运行数据包括负荷电流数据、10 kV 出线关口电量电流等潮流值［10，11］，它可以提供SVG 和XML 类型的数据，其中主要的电气连接图存储于SVG 文件中，结构数据和运行数据则存储于XML 文件中。

DMIS 系统是SCADA 和GIS 系统的互补系统。DMIS 系统包括所有的配电网运行数据以及部分主网运行数据，比如供电量、线路容量、专用变压器的损耗、公用变压器的损耗、用户信息、专用设备的运行数据等。同SCADA，GIS 系统不同，DMIS 系统为线损程序开放了只读功能，因而，线损计算程序可直接从DMIS 系统数据库中获取上述数据。

基于以上数据的读取方式，本文建立了一个基于CIM 的理论线损计算系统。该系统通过XML实现了与SCADA，GIS，DMIS 等管理系统程序间的信息交互，并将实时数据存储于线损数据库中。系统中的线损计算模块可读取线损数据库中的实时数据，利用这些数据计算配电网的线损，并将计算结果返回到线损数据库中。系统的数据读取与转换过程如图1 所示。

图1 线损计算系统数据读取与转换图

2.2 拓扑分析

CIM 定义了端点(Terminal)和连接节点(Connectivity Node，简称CNode)，用以表达导电设备之间的连接关系。每个导电设备包含若干个端点，导电设备间的连接是通过端点的融合来实现的，该融合点用一个连接节点来表示。这种表达模型描述了电网全局的详细信息，称为开关—节点模型［12］。而对于状态估计、潮流计算等高级应用来说，考虑到等电位的情况，形成了逻辑上的拓扑节点(Topological Node，简称TNode)，将电网描述为拓扑节点以及拓扑节点间带阻抗的电器元件连接，即母线—支路模型。其中一个拓扑节点对应若干个连接节点，一个拓扑岛(Topological Island)由一组具有电气连接的拓扑节点构成。CIM 的拓扑模型如图2 所示。

图2 CIM 模型拓扑图

实际上，SCADA 和GIS 系统提供的信息为上图开关—节点模型中各导电设备间的物理连接关系，而线损计算所涉及的母线—支路模型中设备的逻辑连接关系却无法从以上系统中直接获得。因此需要利用拓扑分析，将开关—节点模型转化为母线—支路模型。

本文采用合并法［13］对配电网进行拓扑分析并建立母线—支路的模型，其中开关(Switch)类元件将被略去，只考虑Line，Power Transformer，Compensator 等非零阻抗电气元件。首先，依次扫描各Switch 类元件，找出闭合状态下的Switch 类元件。然后，将Switch 类元件两端的CNode 归入相应的TNode。最后，输出拓扑分析结果。具体步骤如图3 所示。

2.3 线损计算

线损计算模块采用前推回代潮流方法计算线损。

首先，计算各负荷节点的等值注入电流。

其次，将负荷节点的注入电流代入馈线的节点网络方程:

图3 系统拓扑分析流程图

采用前推回代的方法求解各节点电压以及各支路电流分部。式中，是第i 时刻各节点的注入电流;是节点电压。迭代结束的条件是相邻两次迭代电压差值模分量的最大值小于给定的收敛指标ε。

最后，根据上述计算结果，求取该配电网代表日当天的线损电量，并进一步计算全月理论线损电量

式中:∑ΔAm为全月全网的损耗电量;∑ΔAG为代表日固定线损电量;∑ΔAR为代表日全网的可变损耗电量;Am为全月供电量;Ad为代表日供电量;N 为全月日历天数。

3 系统的开发环境及运行过程

3.1 开发环境

本文的线损计算系统是在Power Builder 开发环境下开发，用Oracle 实现数据的存储。由于Power Builder 采用了面向对象和可视化技术，提供可视化的应用开发环境，因此利用Power Builder 可以方便快捷地开发出基于数据库管理系统的数据库应用程序。

3.2 运行过程

计算系统首先对各类数据进行收集和准备，然后对电网进行拓扑结构分析，最后进行理论线损计算，线损计算结果可以导出。具体运行过程如下:

(1)系统设置。系统设置部分主要是设置登陆者的名称和口令，目的是限制访问者的访问权限，提高系统的可靠性和安全性。

(2)数据读取。按照本文2．1 部分中的数据获取方法，应有选择性的从SCADA，GIS，DMIS系统中读取线损计算所需数据。为保险起见，应对所获得的数据进行检查验证。

(3)拓扑分析。电网拓扑分析是根据开关的开闭状态和电网的一次接线图来确定网络节点-支路的连通关系，为潮流分析、线损计算做好准备。本文按照2．2 所述方法对配电网进行拓扑分析。

(4)参数转换。从各系统中获取的电力系统设备参数和运行数据可能不是线损计算直接需要的数据，如，CIM 中AC line segment 可能记录的是导线的长度和单位长度参数，然而线损计算需要的是整个分支的电阻和电抗。因此，对于此类数据，需要进行参数转换，将其转换为线损计算可用的数据。

(5)线损计算。线损计算程序读取已完成参数转换的设备参数和运行数据，采用2．3 所述方法对配电网进行线损计算，充分利用各量测节点的实时数据［14］，整个计算过程无冗余，计算结果较精确。在计算完成后输出计算结果。

4 实例分析

为了验证本文配电网线损计算系统的可行性，利用该系统计算某地区配电网在2013 年5 月的月线损量。图4 所示为1 号变电站所属的2 号出线5月份的线损计算结果。

图4 系统仿真结果图

由图4 的验证结果可知，本文系统可以按照预定设计读取各管理系统中的实时数据，并利用这些数据进行线损计算。此外，利用该系统计算线损可得出丰富的计算结果，能够为配电网运行和管理决策提供可靠依据。

5 结论

本文提出一种基于CIM 的配电网线损计算系统。该系统能够从各信息系统中读取不同形式下的配电网数据，并通过参数转换将这些数据转换为线损计算可用的数据，利用这些数据完成对配电网的理论线损计算。本系统大大降低线损管理的工作量，提高线损计算的实时性和准确性，避免了“信息孤岛”问题。

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