1、基于 CIM 的图模库一体化拓扑分析平台设计 高 研，李宾宾，丁 银，杨 为 (合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽省 合肥市 230009) 摘 要：针对现有拓扑分析软件的通用性和可移植性仍需提高的现状，提出了一种基于 CIM 的拓扑分析平台。本文基于CIM 模型，建立了一个图模库一体化的图形平台，该平台能够根据设备图元的端点坐标位置自动建立设备的连接关系，生成连接节点并编号。采用节点融合法实现拓扑分析，并按照分层次搜索策略进行拓扑的局部修正，该方法能减小搜索的范围，提高拓扑分析的速度。本文方法简单实用，易于编程实现。 关键词：CIM ；图模库一体化；拓扑分析 引言 电力网络的拓扑建模和
2、分析是电力系统分析和计算软件的基础1。尽管，目前拓扑分析软件有多种多样，然而由于开发商的不同，其拓扑模型和数据结构往往存在较大差异，这就使得拓扑分析软件很难和能量管理系统的其它应用软件实现信息共享和数据交换，势必造成软件开发过程中的重复劳动和资源浪费。 为了实现能量控制中心内不同应用、不同软件之间的信息共享和数据交换，国际电工委员会在IEC61970 标准中提出了公共信息模型2（ CIM）。其目的就是使EMS 的各应用软件组件化和开放化，实现即插即用和相互连通，降低系统集成的成本，更好地保护用户资源。CIM 是一个抽象模型，它表示包含在EMS 信息模型中的电力企业的所有主要对象，已被各国接受为
3、电力系统模型的工业标准3。 本文根据 CIM 中的电网拓扑模型，建立了一个图模库一体化的图形平台，用户在绘制电网图的同时由平台自动记录各个图元的端点坐标，进而生成连接节点并编号。采用了一种简单实用的拓扑分析及局部修正算法。 1 基于 CIM 的电网拓扑模型 CIM 由一组包组成，包是相关模型元件的人为分组，主要包括核心包、拓扑包、电线包等 9 个包。CIM 中的每个包都是一组类的集合，类由描述电力系统特征的一些属性构成。各个类之间通过简单关联、泛化和聚合关系相互联系在一起。 在CIM 的包中，与网络分析应用相关的主要是拓扑包和核心包4。其中，核心包主要用于描述设备的层次关系，用于电力设备的统计
4、和管理。而拓扑包定义了电网拓扑关系的类。基于CIM 的设备连接模型主要涉及 5 个类：导电设备类、端点类、连接节点类、拓扑节点类、拓扑岛类。CIM 的设备连接模型如图 1 所示。 图 1 CIM 中的设备连接模型 2 图模库一体化拓扑平台的关键设计 2.1 拓扑分析平台的总体结构 本文采用图模库一体化技术实现电网拓扑的建模和分析。图模库一体化是指在绘制电力图形的同时实现图形电力设备对象的绘制和数据库的一致性操作，并完成电力连接拓扑模型的建立5。基于图模库一体化技术，可以方便地绘制带有连接属性的电力系统的各种接线图。该平台主要由图形界面、数据库和拓扑分析等模块组成，平台的总体结构如图 2 所示。
5、 图 2 拓扑平台的总体设计结构 拓扑分析平台采用模块化的设计，用户可以利用提前设计好的图元库，通过便捷的鼠标操作实现接线图的快速绘制，软件自动记录设备间的连接关系，同时软件能自动记录各个图元的图形属性并录入到数据库。另外，用户可以通过对话框完成设备电气属性的管理，避免了直接面对枯燥的数据。拓扑分析模块可以读取数据库中的相关信息进行拓扑分析，最后将拓扑分析的结果直观形象地显示在图形界面上。 2.2 图元的设计以及原始拓扑的建立 基于 CIM 中的拓扑模型，每个设备图元都具有若干个连接端点，连接端点是图元对外的连接接口。本软件在设计图元的时候，在图元的端点处设置一个小圆圈“”作为其敏感区域，以方
6、便其和其它端点的连接；而对于母线图元，考虑到母线的特殊性，其敏感区域是一个以母线所在直线段为中心线的矩形区域。这样的设计不仅方便了绘图的准确性，更重要的是软件通过计算可以自动生成连接节点并为其编号。图 3 所示为：部分图元的设计方案以及如何确定图元之间的连接关系。 图 3 图元的设计及连接关系的确定 基于上述的图元设计，图元间的连接关系可以通过如下两条判据来确定： （1 ）对于普通图元间的连接：可以通过判断两个圆形敏感区域是否有重合区域来判断。假设两个端点敏感区域的圆心坐标分别为 11(, )x y 和22(, )x y ，则图元相连接的判据为2212 12()()2x xyy+r（其中 为敏
7、感区域的半径）； r（2 ）对于普通图元和母线间的连接：可以通过判断圆形与矩形敏感区域是否有重合区域来判断。假设竖直母线的横坐标为 x ，而另一个图元端子的圆心为 11(, )x y ，则图元和母线相连的判据为12wx xr+（其中 为矩形敏感区域的宽度）。采用同样的方法，可以判断水平母线和图元间的连接关系。 w本平台的另一个特色就是：用户在绘图的同时，软件能自动对图元进行编号，并且根据上述的两条判据生成连接节点并编号，这样就可以建立电网的原始连接关系。连接节点的生成及编号流程如图 4 所示。 2.3 数据库的设计 数据库由图元库、图元的图形属性表和图元的电气属性表三部分组成。图元库是为了方便
8、绘图而设计的一些设备图形模板，用户可以根据自己的绘图习惯和喜好，通过图形界面对图元库进行修改和编辑，以方便图形的绘制。图元的电气属性表用于记录元件的一些电气参数，如电压等级、额定功率和运行状态等信息，可以为潮流计算和状态估计等应用做好数据准备。图元的图形属性表中的数据是用户作图时，软件自动保存的各个图元的信息，主要包括元件的 ID 号、元件标识号、所属厂站、图元两端端子的圆心坐标、元件两端的连接节点号等信息，其中元件 ID 和标识号为用户在绘图过程中由软件自动生成的，方便数据的查找和更新。另外，在用户绘图的同时，软件将自动生成元件- 连接节点邻接表并存入数据库，这就为拓扑分析的实现做好了充分的
9、准备。 取新增图元的端子判断该端子是否已归并到连接节点中？遍历该端子以外的其它所有端子寻找是否有端子和该端子满足两条判据之一的？满足条件的端子已归并到连接节点中？将该端子也归并到该连接节点中该图元是否还有其它端子？结束开始生成一个连接节点编号，并归并满足判据的端子NYYYNNNY图 4 连接节点的生成与编号流程图 3 拓扑分析的实现 用 CIM 术语表述，拓扑分析一般通过以下两个步骤来完成：首先将连接节点归并形成拓扑节点，其次是将拓扑节点归并形成拓扑岛。本文采用了一种简单实用、易于理解、便于编写程序实现的算法。 3.1 拓扑节点的分析算法 为了便于问题的说明，本文采用图 5（a ）所示的电力系
10、统模型。 图 5（a ）中的编号为用户绘图过程中由软件自动记录生成的连接节点编号。为了归并连接节点，先假设所有连接节点所属的拓扑节点与原始的连接节点编号相同。通过构造一个一维数组 TNn保存连接节点所对应的拓扑节点编号（n 表示系统中连接节点的个数）。 连接节点归并为拓扑节点的具体算法为： （1 ）对数组 TNn进行初始化，令 TNi=i（ i为连接节点的编号，不使用编号 0），即令所有连接节点所属拓扑节点编号等于连接节点自身的编号； （2 ）遍历标识号为开关的所有元件，如果开关闭合则执行以下的步骤，否则不执行。值得注意的是，由于本平台为各个元件设置了标识号，所以闭合开关的查找速度很快。 步骤
11、：如果开关两端的连接节点 j、 k 所属的拓扑节点编号 TNj、 TNk不相等，则消去较大的编号，保留较小的编号。具体的做法为：假设 TNj TNk,则 TNj= TNk，并将大于 TNj的编号全部减去 1； 步骤：如果开关两端的连接节点 j、 k 所属的拓扑节点编号 TNj= TNk，则不做处理。 经过上述的处理后，连接节点就归并为了拓扑节点，形成的拓扑节点及其编号如图 5（b ）所示。 3.2 拓扑岛的分析算法 通过非零阻抗元件（如变压器、线路等）连接在一起的一组拓扑节点，形成一个拓扑岛。本文采用以非零阻抗元件为核心，扫描一遍支路数据进行拓扑岛的分析。其分析算法与拓扑节点的分析算法相似。只
12、要把上述拓扑节点对象当作连接节点对象，把变压器和线路等非零阻抗元件当作闭合的开关对象来处理，就可以采用上述的算法对拓扑岛进行分析。拓扑岛分析的结果如图 5（ c）所示，图中(1)、(2) 代表拓扑岛的编号。 表示闭合的开关 表示断开的开关 （a ） 电力系统模型 （b ） 拓扑节点分析结果 （c） 拓扑岛分析结果 图 5 拓扑分析结果 3.3 局部拓扑变化的分层次处理 在电力系统的运行中，发生开关变位的情况通常是少数的，如果对整个网络进行重新分析，显然是没有必要的，这会花费很多时间、降低软件的效率。开关变位对拓扑节点和拓扑岛造成的影响有三种情况6：开关变位后，未造成拓扑节点数量的变化，开关两端
13、的连接节点仍然属于同一拓扑节点，此时拓扑岛不会受影响；开关闭合后，归并一个或多个拓扑节点，拓扑节点数量减少，也可能会引起拓扑岛的归并；开关断开后，分裂出一个或多个拓扑节点，拓扑节点数量增加，可能会引起拓扑岛的增加。 这里采用分层次的搜索方法来应对开关变位的情况，其目的是为了减小搜索范围，对网络进行局部的搜索，节省搜索时间、提高搜索速度7。本文的分层次搜索的层次顺序关系为：拓扑节点- 拓扑岛。其具体的过程为： a.获取与变位开关两端通过其他闭合开关相连在一起的所有连接节点及相关的设备信息； b.根据上一步的信息判断是否会引起拓扑节点数量的变动，如果拓扑节点不受影响则修正结束； c.如果拓扑节点的
14、数量发生变化，则需要进一步对拓扑岛进行分析修正。 图 6 为开关变位时，网络拓扑的修正流程图。 图 6 开关变位时拓扑的修正流程图 以图 5（a ）的典型开关变位为例来说明拓扑的修正过程。 开关由断开到闭合时： 1）如图 5（ a）所示的开关，其两端的连接节点所属的拓扑节点相同。此时不会引起拓扑节点数量的改变，更不会引起拓扑岛的变化。 2）如图 5（ a）中的开关，其两端的连接节点属于不同的拓扑节点，这种情况会引起拓扑节点的归并，需要进一步对拓扑岛进行修正。 开关由闭合到断开时： 1）如图 5（ a）中的开关，其两端的连接节点所属的拓扑节点相同。对于这种情况，从该开关的一个连接节点出发对该拓扑
15、节点进行深度搜索，若能搜索到其另一个连接节点，则拓扑节点的数量不变，拓扑岛不受影响； 2）但是对于图 5（a ）中的开关，经过深度搜索不能搜索到其另一端的连接节点，此时会引起拓扑节点数量的增加，需要进一步对拓扑岛进行修正。 4 结束语 本文提出了一种基于 CIM 模型的电网拓扑分析平台的设计方案。该设计方案具有界面友好，接线图绘制快捷，自动生成连接关系，算法简单易于理解等优点。依据本方案开发的拓扑分析平台可灵活地应用于能量管理系统的其它高级应用中，具有很广泛的应用前景。实际应用中，以 Visual C+6.0和 SQL Server2000 为开发工具进行了编程实现。 参考文献 1 陈竟成，张
16、学松，汪峰，等.配电网路建模、接线分析及动态网络着色J.电力系统自动化，1999，23(24):2 8-31. 2 Draft IEC 61970Energy Management System Application Program Interface（EMS-API ） , Part301： Common Information Model（CIM ）SUSA:IEC ，2003 3 赵菁，孙晖.基于 CIM 的集控站仿真培训建模支持系统J.电力系统及其自动化学报，2005，17(3 ):69-72. 4 邵立东，吴文传，张伯明.基于 CI M 的 EMS/DMS 图形支撑平台的设计和实现J.电力系统自动化，2003， 27(20):11-15. 5 李惠玲，盛万兴，孟晓丽.基于图模库一体化的配电网线损管理系统的研制J.电力自动化设备，2008, 28(6）:89-92. 6 刘文东，刘广一，于尔铿，等.电力网络局部拓扑的快速算法J.电网技术，1996，20(3):30-33. 7 龙启峰，陈岗，丁晓群，等.基于面向对象技术的电力网络拓扑分析新方法J.电力系统及其自动化学报，2005， 17（1）:73-77. 作者简介： 高 研（1983-） ：男，河南三门峡人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统调度自动化。Email ：。
