基于CIM 和SVG的电网建模技术
董朝霞，戴琦，杨峰
(华中科技大学水电与数字化工程学院，武汉430074)
摘要：为了解决电力软件数据的规范化问题，在IEC 61970标准的基础上结合通用信息模型CIM 和矢量图形扩展格式SVG建立电网模型，并采用图模一体化技术构建图形建模系统。系统实现了基于设备模型完成拓扑结构自动生成和完整性检查的功能，并对图形数据和模型数据分别采用SVG格式和通用信息模型的可扩展标记语言模型交换格式(CIM XMI )进行标准化存取。试验表明系统生成的电网模型能方便地用于多种电力应用软件，从而满足了不同系统数据和图形交换的需要。
关键词：通用信息模型；可扩展的矢量图形；电网建模
Power Network M odeling M ethod Based on CIM and SVG
DONG Zhao—xia，DAI Qi，YANG Feng
(College of Hydropower and Information Engineering，Huazhong University of
Science and Technology，W uhan 430074，China)
Abstractsvg和h5的关系：In order tO solve the standardization problem of data among different power softwares，a graphics
modeling method based on CIM and SVG is proposed following IEC 61970．Then according to the thinking of
G．M ．D．(viz．integration of graph，model and database) ，a new kind of graphics modeling system for
power network is built． The system realizes the function of generating and checking network topology
automatically and adopts SVG format and CIM —XM I exchange format respectively for graphics data and
model data． The model of power network can be used in many applications and satisfy the demand of
exchanging the data and graphics am ong different systems．
Key words：common information model(CIM )；scalable vector graphics(SVG)；power network modeling
l 前言
电力网络模型是进行电力系统分析和计算的基础，因此，建模的方式和模型的结构对整个仿真系统的良好运行具有至关重要的作用。尽管目前大多数系统采用图模一体化的思想建模，但是由于开发商的不同，模型和图形数据结构往往存在很大差异，使得不同系统问的信息共享和实现某种程度的互操作变得非常困难。
鉴于此，国际电工技术委员会(IEC)在美国电力科学研究院(EPRI)的CCAPI项目的基础上制定了IEC一61970标准口：目的就是使EMS的应用软件组件化和开放化，能即插即用和互连互通，从而降低系统集成成本和保护用户资源。
公共信息模型(CIM)是IEC一61970标准的灵魂。它是一个抽象模型，表示包含在EMS信息模型中的电力企业的所有主要对象。通过提供一种用对象类和属性以及它们之间的关系表示电力系统资源的标准方法，CIM 方便地实现了不同卖方独立开发的EMS应用、多个独立开发的完整EMS系统或EMS系统与其它涉及电力系统运行的不同方面的系统的集成，即能够不依赖于信息的内部表示而存取公共数据和交换信息。
SVG是由W3C组织发布的一种基于XML的开放的二维矢量图形和矢量点阵混合图形的置标语言，其全称为可扩展的矢量图形(SVG)l5 J。由于SVG 具有加快下载浏览速度、容易获得更广泛的技术支持、方便图形定位与检索、良好的可重用性及准确的颜描述等优点，因此，可扩展电力系统软件的图形互操作能力，使不同系统间图形数据的方便交换成为可能。
鉴于SVG的种种优点，国际电工委员会已将SVG确定为图形交换的标准格式。本文利用图模一体化的思想，研究如何实现基于电网模型的通用逻辑视图CIM 的图形建模方法以及如何以国际通用的矢量图形扩展格式SVG进行存储和读取图形数据，使之满足IEC的相关标准，并以此方法构建电力系统的图形建模系统。
2 CIM 的图形建模系统设计
CIM 由包组成，包是相关模型元件人为分组，它主要包括核心包(Core)、拓扑包(Topology)、电线包(Wires)、停运包(Outage)、保护包（Protection)、量测包(Meas)、负荷模型包(LoadMode1)、发电包(Generation)和域包(Domain)。CIM 中每一个包都是一组类的集合。各个类通过聚合、继承和简单关联而联系在一起。
聚合是一种整体和局部特殊的关联；继承关系不仅包括继承类的属性，而且包括继承类的关联关系；简单关联表示类和类之间的相互作用。
在CIM 的9个包中，目前研究阶段与拓扑模型的建立相关的主要是核心包、拓扑包和量测包中的部分内容。
核心包主要描述设备的层次关系。它与拓扑包的关系在于一组拓扑包中的导电设备(ConductingEquipment)构成一个核心包中的间隔类(Bay)，同时不同的导电设备属于不同的电压等级类。
拓扑包定义了电网拓扑关系的类。对电网原始拓扑连接关系的描述主要涉及以下5个类，分别是导电设备、端子(Termina1)、连接节点(ConnectivityNode)、拓手节点(TopologicalNode)
和拓扑岛(TOpologicalIsland)。端子是指连于一段导电设备的电气连接点。连接节点是指在这些点上导电设备的端子通过零阻抗连接在一起，一个节点上的量测适用于它包含的所有端子。拓扑节点是指在当前网络状态下通过闭合开关(刀闸)连接在一起的一组连接节点。拓扑岛指一个电气上连接的网络子集。导电设备终端的测点值是量测包中的测点类的派生类。通过判断测点值是否相同可以知道这些导电设备的终端是否连接在同一个连接节点上。
2．1 原始拓扑模型的生成
为了方便与其他系统的图形交换，采用基于矢量图形(SVG)几何匹配的拓扑生成方式_7 。通过将导电设备的派生类如发电机、变压器、母线、开关、刀闸等赋上各自相应的物理属性，使之代表不同电力系统中的实际设备，从而建立了设备模型。设备的命名有一定的规则进行约束。比如以开关为例，其命名规则为以厂站名称．BR一开头，后面才是该开关具体的名称或数字号。
在建立设备模型的同时，按照建立的先后顺序，给每个设备附加设备端子，同时创建连接节点，用以描述设备间的拓扑关系。对于母线，可归结为单端设备，即两端的端子号相同。对于开关、刀闸、双端变压器或三端变压器等，因各端子作用不同，则各端的设备端子号各异。
由于连接节点是专门用来记录端子连接状况的类，因此当端子与连接节点的几何位置满足一定关系时，即认为端子连接到了连接= 点上，连接到同一个连接节点上的端子被认为是相连的端予。由此生成了原始的拓扑关系。
2．2 模型完整性检查
网络拓扑是进行电力系统分析和计算的基础，拓扑结构的准确性非常重要。一方面，在建立拓扑时，不允许有悬空端子，即孤立的导电设备存在(备用除外)；另一方面，当电网状态发生变化时，可能使母线段所对应的计算节点数发生变化，也可能引起开环、闭环等接线方式变化。拓扑结构需要能够正确反映这些变化。因此，经过拓扑分析，对模型的
完整性进行检查是非常重要的。拓扑分析包括厂站内分析和站间分析。主要有两个步骤：(1)母线分析；(2)电气岛分析。母线分析是指将网络中所有的通过闭合开关连接在一起的节点划分为一条母线。电气岛分析指从某条母线开始，逐层推进，将通过支路连接在一起的所有的
母线划分为一个电气岛。
下面举例说明拓扑生成和分析检查的过程。图2是一个简单电力系统示意图，该图由开发的
图形建模系统生成。(1)按照上面所述的拓扑生成方法，首先给设备的两端赋上相应的端子号，如图2所示。
(2)可认为连接节点类代表了一定范围的矩形区域，当设备端子在该区域中时，则认为端子与连接节点相连。连接在同一个连接节点上的端子即被认为是相连的端子。连接节点是在绘图过程中建立的，因此可以按照绘图顺序依次命名。按照这个
方法生成的连接节点如图3所示。
(3)假设此时图中的开关和刀闸均处于闭合状态，则连接节点1、2、3、4应为连接在一起的，可化为一个拓扑节点。同理，连接节点5、6、7、8也为一个拓扑节点。拓扑节点能够随当前网络状态的变化而改变(即随开关，刀闸的状态改变而改变)。这一步为母线分析。一个拓扑节点相当于一条归结的母线。
(4)通过变压器、支路等连接在一起的拓扑节点可以划分为一个拓扑岛。由于整个电网都是连通的，因此最后分析的结果就应该是全网属于一个拓扑岛。该步为电气岛分析。
由此，按照上面的分析步骤，就可以对电网模型进行全面的检查。若模型建立正确，则一个厂站就应该归结为一个拓扑节点，全网归结为一个拓扑岛。反之，则说明在模型建立的过程
中存在错误。
通过上面的分析可知，利用CIM 可以建立设备的拓扑关系以应用于潮流计算和分析，从而为与其他系统信息共享打下基础。本文建立的图形建模系统正是基于该模型，利用可视化的手段实现了电力系统的建模和分析检查。
3 电网模型数据的存储和读取
电网模型的数据包括拓扑数据和图形数据两部分。由于两部分具有不同的特点，因此采用不同的方法和格式进行保存。
3．1 图形数据的SVG方法存取
在SVG中提供了6种基本图形元素：矩形(包括圆角矩形)、圆、椭圆、线段、折线和多边形，而且它还提供了< path>元素描述复杂的线条形状。
这些图形元素都可以定义风格样式(如填充、描边等)和动画效果(如颜渐变、旋转等)。图元几何形状的定义部分由一个<g> (group，组合)元素组成，在< g>元素中设置的样式风格等特性将会应用到它所包含的所有子元素中。
对于图形元素的应用属性，可以通过自定义的元素标签来描述，元素的属性名和属性值也可以任意制定。例如，用< property>元素来描述图形元素的应用属性。则< property>元素中的每一对属性名和属性值就描述了该图形元素的一个应用属性名和应用属性值。