武晓朦，田卫东

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

0 引言

为了减少向能量管理系统中增加新应用所需要的费用和时间，保护对系统中正在有效工作的现有应用的投资，从而实现在控制中心环境中创建“即插式”应用，IEC（国际电工委员会）推行了IEC 61970公用信息模型（CIM：Common Information Model）。CIM已经被众多电力企业所接受。因此，开发新一代适应 CIM规范的拓扑分析软件是十分必要[1-3]。

电网的拓扑分析模块功能就是根据网络的开关状态和元件连接关系完成电网物理模型（也称节点模型）到计算模型（也称母线模型）的转换。为状态估计、潮流计算等其他高级应用程序提供准确的计算模型。它是其他高级用程序的基础。所以，在工程实践中，必须采用合适的方法保证拓扑分析模块的方便性、快速性和可靠性。

1 CIM中表达的拓扑模型

CIM是一个抽象模型，它包含电力企业运行中的所有主要对象[4]。通过提供一种用对象类和属性及他们之间的关系来表示电力系统资源的标准方法。拓扑分析涉及了CIM中的Wires包、Mesa包、Core包和Topology包[5]。

为了表达导电设备（Conducting Equipment）之间的连接，CIM定义了端点（Terminal）和连接节点（Connectivity Node）。导电设备通常含有1-2个端点，连接节点由两个导电设备的端点通过零阻抗连接在一起形成。这种模型描述了电网物理连接信息，称为开关/节点模型（Switch/Node Model）[6]。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(如变电站中相互连接的母线、刀闸、开关等），需要将当前网络状态下通过闭合的开关连接在一起的一组连接节点抽象成逻辑上的拓扑节点（Topological Node，也称母线）。拓扑节点和拓扑节点间带阻抗的电器元件（表示为支路）连接表达电力系统网络，即母线/支路模型（Bus/Branch Model）。

在传统的电力系统调度软件中，设备间的连接点模型由网络模型给出了定义，但端点模型没有建立[7]。这种情况下SCADA中的量测点不能明确的定位，CIM中定义了端点有效的解决了这个问题，而且和电路分析理论中对元件的描述保持一致。一个CIM模型建立的网络一次接线如图1所示。图中，1-11为端点Terminal编号，（1）、（2）、（3）为与其它变电站相连的三条支路；C1-C4为连接点编号。从图中可见，基于CIM模型建立的网络接线图，使得网络结构更复杂。但是通过端点类的属性Connectivity Node 可以方便的找到端点的所属的连接点，从而可以得出开关-节点和支路-节点连接关系。基于这些数据就可以利用传统的拓扑分析算法完成网络拓扑分析[8]。

图1 基于CIM的网络接线图

2 拓扑分析

2.1 拓扑分析的要求

拓扑分析的功能就是根据开关状态和电网元件的连接关系，完成电网物理模型（也称节点模型）到计算模型（也称母线模型）的转换。运用堆栈原理，搜索图的树枝，来确定拓扑节点和拓扑岛。在EMS系统中，对拓扑分析模块有以下几点要求：

（1）可靠性：能正确分析出任何形式的实际电气结线的计算模型。

（2）方便性：母线随着开关的动作也在变化，要求母线编号能保持不变，对分裂出的母线分配新的编号，而再合并时保留老编号的同时消去新编号。这样经过一系列开关操作后，待系统回到初始状况时，网络母线编号也能恢复原状[9]。

（3）快速性：各种运行方式下高级分析的出发点均是基于拓扑分析，希望尽可能快速搜索，其中的关键就是缩小搜索范围。

2.2 保证拓扑分析要求的方案

在传统的拓扑分析算法中，通常用一个图来存储待分析网络。通过图的搜索来实现拓扑分析。而图的搜索算法是很成熟的算法，所以稳定性和可靠性都比较高。而如何保证方便性和快速性的要求呢？如果能够保证在开关变位的情况下，拓扑分析程序只对变位开关所影响的区域进行分析，在分析结束后，除受影响的区域外其他母线编号能保持不变，拓扑分析的稳定性和快速性就能很好的保证。我们按照最小区域进行网络分析，并采用合适的编号方法就能很好的解决这个问题。

那么实现快速搜索的依据是什么呢？将一个变电站内同一电压等级的范围定义为一个最小区域，那么在这个最小区域内开关的动作不会影响其它区域的拓扑结果，因而实现快速搜索。

在某种接线方式下，一个电网最多可分裂的母线个数等于该电网内全部开关都断开时的母线个数，这时母线个数等于该网络结点个数。在一种给定的运行方式下进行拓扑分析时，各最小分析区域内的母线个数一定小于该区域内的结点个数。所以可以采用一个最小区域内结点的起始编号作为该区域母线的起始编号，这样网络的母线编号为非连续的编号，采用以上的母线编号方法能够保证在合并或分裂母线时母线号基本固定。

2.3 全网拓扑分析

用下例说明该拓扑分析方法。

图2 一个典型的变电站结线图

假设结点-开关关联信息按照厂站号优先，电压等级号次优先的顺序排列，1号变电站只有一个电压等级，为1号最小分析区域，2号变电站也只有一个电压等级，为2号最小分析区域，3号变电站有两个电压等级，14-18号开关所属的区域为3号最小区域，19号开关所属的区域为4号最小区域。各区域的母线初始编号为该区域结点的初始编号，这样：1号区域的母线编号从1开始，2号区域母线编号从9开始，3号区域母线的编号从13开始，4号区域的母线编号从19开始。假设7，9，10，13号开关端开，母线分析时将变电站内闭合开关抽象成一个母线，则母线形成后网络的接线如图3：

图3 母线连接图1

1号区域分裂成两个母线1、2；2号区域分裂成2个母线9、10（该区域母线编号从9开始）；3号区域分裂成一个母线13（该区域母线编号从13开始），4号区域分裂成一个母线19。

2.4 开关变位时母线分析

如果16号母联开关断开，16号开关属于3号区域，则只对该区域重新进行拓扑分析。分析后的网络图如图4。

图4 母线连接图2

可以看出16号开关断开后，3号区域的13号母线分裂成2个母线13，14，可以看出，其他区域母线编号没有改变。由以上分析可以看出，采用分区域分析法和母线不连续编号的方案后，在很大程度上保证了方便性和快速性的要求。

3 结语

本文所介绍的拓扑分析所用的数据模型，遵循CIM定义，从而使该拓扑分析模块可以应用在任何支持CIM的系统平台上。在算法实现过程中按照最小区域进行分析，并采用了不连续编号方法。可以做到在油田电网网络运行方式改变后只对开关状态变化的区域重新分析[9-10]，不影响其他区域的母线编号。大大提高了分析速度并且保证了在分裂、合并母线时母线编号的稳定性。该模块的工程实践中的应用很好的证明了它的稳定性和高效性。