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适应于智能调度的电网模型管理系统设计研究

Study on Power Network Model Management System Fitted for Smart Dispatch

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ABSTRACT: To the current power network model maintain and management mode in the control center, an unitive management mode relying on the model management system is proposed. On the basis of introducing the background of the model management system, the feature of the power model is analysed, and the key technologies about model combination, such as the time dimenstion model, management mechnanism, synchronization technology, model release service, are introduced. All of these are to achieve the goal for maintaining power model at its source and sharing by all application systems.
KEY WORD: Model Management; IEC 61970; Model Combination
摘要：针对当前控制中心模型维护和管理的方式，提出采用模型管理系统对模型进行统一管理的模式。在介绍模型管理系统产生的背景基础上，详细分析了模型管理系统的特点，并对模型拼接、时间维度模型、管理机制、同步技术和发布方式等主要关键技术讨论，以实现电网模型的源端维护，各应用系统共享的目标。
关键词：模型管理；IEC 61970；模型拼接；模型发布
1前言
建设有中国特色的统一坚强智能化电网，智能调度是其中的中心环节。而一体化的电网模型技术是智能调度的关键技术之一。通过建立一体化的模型管理平台系统可以为智能分析、决策应用提供一体化模型基础，解决因模型不完整而导致的稳态、动态、暂态分析预警结果不正确问题[1]。
模型管理平台系统建设以电网模型为核心的全区域统一模型中心，通过分布式电网建模和拼接技术，以“源端维护，全网共享”为目标，实现全区域统一模型，并以此为基础，形成对实时、计划等各类电网应用模型的统一管理，并通过电网模型发布服务，满足调度中心各级应用对电网模型的需求，为实现调度中心基于全电网模型的分析、计算、预警和辅助决策奠定坚实基础。目前，模型管理系统关键技术，如分布式建模技术、模型同步技术等在国内部分网、省调已经逐步应用[2][4]。在国外，模型管理的概念已逐步成熟，AREVA公司的e-terrasource模型管理系统已经能进行模型的统一管理和发布。
通过模型管理平台系统主要达到以下目的：
l 通过纵向模型拼接技术实现模型的整合，建立控制中心的全网大模型。互联电网广域分布的特点决定电力调度管理的分布式体系，而为保证互联电网的安全稳定运行，要求各调度中心对系统的认识是全面和准确的，但长期以来形成的“分级管理、分层控制、分布处理”体系决定对电网的维护是分散的，因此通过模型管理平台实现模型拼接，并对拼接形成的大电网模型进行管理，才能保证调度中心及时、准确地掌握整个电力系统的实时运行状态，并实现对大电网在线分析控制。
l 采用时间轴的模型机制，实现不同时间维度的电网模型管理。通过拓展多种模式的模型，包括电网物理模型、计算模型和计划模型，并在此基础上对模型的过去、现在和未来进行管理。最终通过统一的模型发布服务将符合应用需求的模型提供给各应用系统。
本文将在分析电网模型管理的特点和需求的基础上，提出电网模型管理平台的设计方案和架构，为电网模型管理系统的建立和实际应用奠定基础。

2 电网模型管理系统的主要特点
l 维护一致性。长期以来，电力系统各级调度中心对电网模型的维护是分散的，而在同一调度中心各应用系统之间，对电网模型的需求各不相同，对电网模型的建模侧重点也不相同。比如：EMS系统强调的是电网模型拓扑的正确，设备参数的完备；DMIS系统关注电网模型设备对象的建立以及资产设备的完整；计划模型则要求能够反映未来的时间段内模型变化情况。由于侧重点不同，在过去相当长的时间内，各个应用系统需要的模型是各自独立维护的，彼此无法共享。因此，需要通过模型管理系统提供统一的模型维护和管理机制，为各应用系统提供符合其需求的各类模型。
l 模型完整性。调度中心针对所辖区域内的电网建立了较为详细的电力系统模型，而对于相邻电网的模型会在很大程度上进行简化和等值，并在此基础上进行电力系统仿真计算和分析。简化等值的处理方法克服了电力系统数据资源广域分布所带来的数据难以收集的困难，降低了系统仿真计算的复杂程度，但对于联系紧密的电力系统而言，简化等值带来的误差使得其使用范围有限。对于互联的大电力系统，调度中心对整个系统的认识必须是及时、全面、准确和完整的。因此，需要在分布式建模基础上，通过模型拼接技术实现全网模型统一。
l 模型正确性。模型管理系统作为调度中心模型维护和发布的源头，须保证电网模型建模的正确性，以及模型参数的完整性。可以通过状态估计等方法来验证电网模型的正确性。
l 模型多样性。随着控制中心的技术不断发展，控制中心内部各类自动化系统的相继建设，对模型的需求也各不相同，单一模型已经无法满足，而需要为不同类型应用系统提供各类模型，如物理模型、计算模型、计划模型等。同时，对于模型的描述也体现在多维度的时间需求上，既要能描述当前时刻模型，也需要能描述未来特定时间段内的计划模型。

3 电网模型管理系统的功能
模型管理平台主要负责模型数据的管理，基本功能如图所示。

l 模型维护和建立
a) 模型图形导入功能：针对下级调度中心或者相关区域管辖和维护的模型和图形，提供基于CIM XML模型和CIM SVG的图形导入功能。
b) 提供新建模型的编辑功能，保证模型的建立；
c) 提供带有时间维度的计划模型，保证未来模型的建立；
l 模型拼接
针对来自不同相邻区域的模型提供拼接功能，形成全网范围大模型；
通过全网状态估计，保证并校验拼接结果的完整(模型范围和设备参数)和正确；
l 模型管理
支持不同范围和类型的模型，包括实时模型、计划模型和计算模型等存储和管理。
提供不同生命周期的模型版本，并对模型的变化提供反演；
l 模型发布和同步
为不同类型应用需求提供各类模型；针对EMS实时系统，提供同步功能，用以保证EMS系统模型的更新和完整。针对非实时系统，提供模型服务功能，供第三方应用系统获取模型和图形。

4 关键技术
调度智能化应用需要模型管理系统提供模型、图形和数据等公共服务，这是智能调度应用功能建设的基础。模型管理系统建设的目的是对控制中心所有应用系统进行统一模型管理，并为各应用系统提供符合其需求的各类模型。模型不仅可以描述过去，现在，随着应用领域的拓展，还需要能描述将来。
4.1区域和分厂站模型拼接
模型拼接包括两类：区域模型拼接和分厂站模型拼接。
区域模型拼接技术应用于在某一区域电网范围内，对所辖各子区域的电网模型进行拼接以形成本区域内完整的电网模型。区域模型拼接对于各子区域上传的模型边界建模没有特殊命名要求，允许边界相邻区域在各子区域内重复建模，而完全依靠拼接方利用边界切割技术保障子区域内的模型唯一性和独立性。区域模型拼接技术主要适用于网、省级模型拼接，主要包括：边界定义、模型切割、模型对接和模型版本管理等几个部分。

l 边界定义
边界是界定不同区域之间范围的一组设备，在电力系统多区域模型拼接过程中，通常选择变压器、线路或变压器及线路对应的等值负荷来作为边界设备。

上图为对多个不同区域相互之间边界的结构定义方法。为了避免设备命名的统一，最大限度地保持各区域已有系统的稳定性，边界表对边界设备提供双重描述，分别描述边界对象在不同区域里的相关属性。边界对象在对应区域导出的CIM/XML模型文件中必须存在，并与边界设备定义表中的描述一致。标志性电压等级则用于描述该边界设备相对于两个不同区域之间的相对位置与方向，用于区分某一区域模型或全模型相对于某一区域时的内部与外部标识。
l 模型切割
模型切割是模型拼接的重要前提，切割目的是将不属于本区域的模型设备排除在外，避免拼接后的全模型中包含冗余描述，也体现了谁管理谁负责的分布式建模思路，模型管理平台通过基于拓扑着色的搜索技术对区域模型进行切割，并对切割结果进行校验。
l 模型对接
模型切割以及边界设备的取用方确定之后，需要通过对接将两个区域各自内部唯一的物理节点号改变为全局唯一的物理节点号，或者只将边界厂站内，不同区域的设备物理节点号修改为站内唯一。
与区域模型拼接技术不同，分厂站拼接技术以厂站为单元的模型接入，一般以线路作为模型分界点。待拼接模型中除了包含指定厂站内的模型外，还包含与此厂站相关的所有线路的完整模型，即包含线路对端厂站和电压等级信息，但无需包含对端厂站内其他设备模型
分厂站拼接技术要求模型导出端提供基于厂站的模型导出文件，同时要求导出的模型中对边界线路两侧厂站名称的描述必须与模型导入侧的描述保持一致。可以认为，分厂站拼接技术是模型拼接的一种简化方式，适用于地调一级，应用于区域模型多侧同时维护的情况。适用于基于同一控制中心，不同区域或不同电压等级维护的双向系统模型交互的要求。

4.2时间维度模型建立技术
借助于时间维度，描述模型的生命周期，并依靠模型时间维度表述过去、现在和未来的模型。具体而言，对于每个设备对象增加设备状态、投运时间和退役时间三类描述信息，
设备投运状态与投运、退役时间关系如下：
设备投运状态
投退时间关系说明
待投运
投运时间表示设备准备投运时间，退役时间表示设备准备退役时间。
投运
投运时间为当前时间
退役
退役时间为当前时间

4.3模型管理机制
模型管理系统能够针对各种不同的应用提供不同特点的模型，同时能够根据模型的变化形成不同的模型版本。模型版本包括电网模型、模型对应的图形和断面数据。
模型管理以基础模型为核心，通过保存的不同差异模型，最终形成满足各类需求的不同版本的模型。基础模型与模型版本的关系如下图所示。

4.4与实时系统间模型同步方式
传统上EMS系统一般均独立建模，但随着对智能调度领域的不断扩展，EMS系统对模型的范围已不仅仅包含本控制区域的模型，而是包括相关区域的大模型，考虑到模型的完整性和及时性，故不能完全依靠EMS自行维护方式建立模型。
通过各控制区分布式建模，依靠模型拼接技术，是形成全网大模型的最佳途径。由于EMS系统的重要性，一般全模型需要在模型管理平台上经过校验后，才能在EMS系统中实现全模型。
因此，从模型建立的完备性和准确性的角度出发，需要提供模型同步机制，完成离线模型管理系统与实时EMS系统之间数据同步。同步过程如上图所示分为三个基本步骤：
l 系统商用库之间的同步，保证离线系统与在线系统商用库之间数据的一致性；
l 为了保证在线系统的数据可靠，需要在同步之前提供模型数据备份功能；
l 在线系统的数据动态下装，即实现在线系统数据商用库与实时库的自动同步过程。
数据同步的要求是离线和在线系统之间同一对象关键字一致，同时数据流必须是单向，即由离线系统往在线系统更新。

4.5模型管理系统的发布方式
模型管理系统是控制中心的模型中心，需要为各应用系统提供模型。针对实时性强的特殊系统，如EMS系统，可以采用系统同步方式。而对于大量的应用系统需要通过模型管理系统的发布功能获得模型、图形和断面数据。
模型管理系统提供以下几种方式用于数据发布[3]：
l 标准CIM模型文件交互
采用基于IEC 61970 CIM标准的文件为应用系统提供电网模型，采用基于IEC 61970 453标准的SVG文件提供电网图形。此类方式由于通过文件传输，方便第三方理解和解析，交互双方职责清晰，目前在国内广泛应用。
l 标准CIS服务发布
IEC 61970 CIS标准提供应用系统间数据交互的标准服务发布方式。但是，采用标准CIS方式，对模型获取的应用方要求较高，目前该方式在国内外实际数据交互中应用并不广泛。
l 基于智能服务总线的发布方式
服务总线是控制中心内部的数据传输通道，担负着各系统之间数据传输任务，第三方应用系统通过智能服务总线获取模型，也是今后模型发布的趋势。
l 基于SOA的发布方式
与采用CORBA组件技术的CIS服务不同，面向服务的体系结构（Service-Oriented Architecture，SOA）采用基于文本的消息传递机制，适用于大数据量低频率访问，利用SOA技术实现数据发布将是今后模型发布的趋势。

5 总结
模型管理系统为调度智能分析和决策等智能化应用提供统一的模型、图形和数据，是智能调度应用功能建设的基础。本文针对模型管理系统的特点和应用前景，着重研究了模型管理平台系统的功能和核心技术，并提出了建设思路和应用方式。相信随着智能调度研究的逐步开展，模型管理系统作为新的应用领域将为智能电网的建设提供有力支撑。

参考文献
[1]姚建国,严胜,杨胜春等,智能调度关键技术研究.2009特高压输电技术国际会议论文集.2009.
[2] 刘崇茹,孙宏斌,张伯明等,基于CIM XML电网模型的互操作研究,电力系统自动化2003(14).
[3] IEC 61970.Energy Management System Application Program Interface(EMS-API) Part 301-503.
[4] 孙宏斌李鹏李矛等，中国南方电网在线分布式建模系统研究与设计.电力系统自动化,2007,31(10).

作者简介：
1 黄海峰（1969年生-），男，江苏南京人，博士，高级工程师，研究方向为电网调度自动化领域模型管理的开发和工程;
2 曹阳（1978－），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统调度自动化及标准化。