江 航，蘇毅方，周金輝，陸 超

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310013；3.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京 211111）

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)起著直接與用戶連接、向用戶輸送和分配電力的作用[1]。在用戶側(cè)高供電質(zhì)量要求、電力市場化改革、分布式發(fā)電滲透率不斷提高的影響下，隨著新能源技術(shù)及信息通信技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)將向信息流、潮流高度融合的智能配電網(wǎng)發(fā)展。然而，由于配電網(wǎng)節(jié)點眾多、覆蓋面廣、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，以及投資成本、人力資源和技術(shù)水平的限制，針對配電網(wǎng)改造的重點主要集中在10 kV及以上電壓等級的電網(wǎng)上。長期以來，低壓配電網(wǎng)一直處于監(jiān)控盲區(qū)[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與配電網(wǎng)的深度融合形成的配電物聯(lián)網(wǎng)D-IoT（distribution internet of things），為中低壓配電網(wǎng)的運行維護問題提供了新的解決方案[3-4]。D-IoT以“云管邊端”[5]為架構(gòu)體系，如圖1所示。當(dāng)越來越多的電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、邊緣計算設(shè)備和各類管理系統(tǒng)通過電力網(wǎng)和信息網(wǎng)兩個實際物理網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)和映射時，可極大地提高配電網(wǎng)的態(tài)勢感知能力和分析處理能力。2019年，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱[6]，提出以配用電領(lǐng)域應(yīng)用需求為導(dǎo)向，將“大云物移智”等先進信息通信技術(shù)融入到配電側(cè)的各個環(huán)節(jié)的配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，并在上海、南京、蘇州等城市開展配電物聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)專項建設(shè)，為規(guī)劃建設(shè)、企業(yè)管理、生產(chǎn)運行、供電服務(wù)、電力營銷建設(shè)支撐平臺。

圖1 D-IOT架構(gòu)Fig.1 Structure of D-IoT

公共信息模型CIM（common information model）由IEC61970與IEC61968系列標(biāo)準(zhǔn)共同定義[7]，其表示了電力企業(yè)運行所需要模型中包含的所有主要對象。各類廠商開發(fā)的應(yīng)用都應(yīng)以CIM為標(biāo)準(zhǔn)，對電力網(wǎng)絡(luò)進行描述，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息交互。CIM自引入以來，已廣泛用于電力系統(tǒng)的各個應(yīng)用領(lǐng)域[8-12]，并取得了良好成果。

隨著D-IoT建設(shè)的推進，構(gòu)建統(tǒng)一的配電網(wǎng)信息模型已成為最基本的步驟。目前，國內(nèi)外在配用電信息交互與集成方面的研究主要集中于以CIM為標(biāo)準(zhǔn)的信息交互規(guī)范。然而，關(guān)于如何建立低壓配電網(wǎng)拓撲模型，并通過統(tǒng)一信息模型來驅(qū)動DIoT上層應(yīng)用的開發(fā)，還處于起步階段。配電網(wǎng)拓撲是對配電網(wǎng)設(shè)備、線路及連接關(guān)系的完整描述，是實現(xiàn)配電網(wǎng)智能化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，完整、一致、準(zhǔn)確、及時、可靠的配電網(wǎng)拓撲連接與分析模型及拓撲參數(shù)能夠為配電網(wǎng)運行調(diào)度、故障檢修、提升供電質(zhì)量等提供關(guān)鍵支撐，是實現(xiàn)配電網(wǎng)主動搶修、故障自愈等智能化應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，CIM對于D-IoT的覆蓋和描述能力欠缺，尤其是缺乏低壓設(shè)備和拓撲模型及相關(guān)描述。因此，研究面向DIoT的中低壓配電網(wǎng)拓撲建模與分析技術(shù)具有重要的理論和實用價值。本文做出了以下兩個關(guān)鍵貢獻：①本文對現(xiàn)有CIM進行了擴展和完善，著重解決了目前缺少面向D-IoT低壓設(shè)備和拓撲模型的問題；②本文針對D-IoT的拓撲特點，分別在D-IoT云側(cè)和邊側(cè)建立了相應(yīng)的拓撲分析模型，提出了DIoT云邊協(xié)同的拓撲交互方法，并規(guī)定了采用的通信協(xié)議。

1 CIM中拓撲模型

CIM使用統(tǒng)一建模語言UML（unified modeling language）把電力系統(tǒng)對象描述為類和屬性。IEC61970標(biāo)準(zhǔn)定義的CIM分為核心包（Core）、負荷包（LoadModel）、域包（Domain）、發(fā)電包（Generation）、量測包（Measurement）、保護包（Protection）、停運包（Outage）、拓撲包（Topology）及電線包（Wires），如圖2所示。每個包涵蓋了與之相關(guān)的所有類，每個類包括了其屬性特征描述，以及與此類有關(guān)系的所有類。CIM中的類與類主要有簡單關(guān)聯(lián)、繼承、聚合3種關(guān)系，其中簡單關(guān)聯(lián)表示類與類之間要相互作用，繼承表示相對普遍和具體這兩個類別之間的關(guān)系，聚合是一種整體和局部特殊的關(guān)聯(lián)。在類圖中，簡單關(guān)聯(lián)關(guān)系用短直線表示，繼承關(guān)系用三角箭頭表示，聚合關(guān)系用菱形箭頭表示。

圖2 IEC61970 CIM模型架構(gòu)Fig.2 Structure of IEC61970 CIM

電力系統(tǒng)拓撲模型的建立主要依據(jù)核心包和拓撲包。核心包描述了電力系統(tǒng)中大多數(shù)設(shè)備之間的層次關(guān)系；拓撲包作為核心包的擴展，定義了一系列電網(wǎng)拓撲建模相關(guān)的類。對電網(wǎng)拓撲連接關(guān)系的描述主要使用拓撲包中的5個類：導(dǎo)電設(shè)備（ConductingEquipment）、端子（Terminal）、連接節(jié)點（ConnectivityNode）、拓撲節(jié)點（TopologicalNode）和拓撲島（TopologicalIsland）。圖3為CIM中網(wǎng)絡(luò)拓撲模型。表1詳細介紹了每個類對于拓撲模型的描述內(nèi)容。在CIM拓撲模型中，還列出了拓撲分析的2個基本模型，即基于連接節(jié)點的開關(guān)/節(jié)點模型和基于拓撲節(jié)點的母線/支路模型。其中，母線/支路模型主要用于狀態(tài)估計、潮流計算等網(wǎng)絡(luò)分析；開關(guān)/節(jié)點模型更多關(guān)注于開關(guān)狀態(tài)，用于拓撲搜索、故障隔離與恢復(fù)等。

圖3 CIM中網(wǎng)絡(luò)拓撲模型Fig.3 Network topology model in CIM

表1 CIM拓撲包中的類Tab.1 Classes in CIM topology package

在CIM的高級應(yīng)用中，拓撲分析是最基礎(chǔ)的步驟之一，其目的是將以開關(guān)/節(jié)點模型為基礎(chǔ)描述的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)簡化為母線/支路模型。文獻[13]介紹了在CIM中進行拓撲分析的節(jié)點合并法、圖遍歷法和鄰接矩陣法。文獻[14]給出了CIM在配電網(wǎng)絡(luò)建模中的具體實現(xiàn)方法，并開發(fā)了一套配電網(wǎng)拓撲追蹤軟件，可以處理任何配電網(wǎng)站內(nèi)外各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)追蹤問題。高研等[15]建立了圖形數(shù)據(jù)一體化的拓撲分析平臺，便于和能量管理系統(tǒng)的其他應(yīng)用實現(xiàn)信息共享和集成，提高了拓撲分析的速度。文獻[16]研究了基于CIM的拓撲模型，提出了符合IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的全局和局部拓撲分析算法。

2 面向配電物聯(lián)網(wǎng)的CIM擴展

輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)的主要區(qū)別在于配電網(wǎng)固有的三相不平衡特性。這就要求在面向?qū)ο蟮呐潆娋W(wǎng)模型中必須清晰地描述網(wǎng)絡(luò)元件的三相特性，并且能夠理順配電網(wǎng)的拓撲關(guān)系。

在配電網(wǎng)中，設(shè)備按照連接類型可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種設(shè)備。其中，線路、開關(guān)、變壓器等都屬于串聯(lián)設(shè)備元件；并聯(lián)設(shè)備包括發(fā)電機、電容器、負荷等。在變壓器的分類中，按繞組數(shù)可分為雙繞組變壓器和三繞組變壓器，按變壓器運行狀態(tài)可分為三相平衡和三相不平衡；線路可分為架空線路和地下電纜等，并根據(jù)實際鋪設(shè)情況分為三相、兩相和單相線路。在建立配電網(wǎng)中低壓拓撲模型時，需要對這些屬性進行詳細描述。

在面向D-IoT建設(shè)中，目前CIM對D-IoT體系的覆蓋及描述能力有待完善。對于云側(cè)模型，缺少低壓設(shè)備和拓撲模型及相關(guān)描述，缺少包括配變監(jiān)測終端、線路監(jiān)測終端等各類新型智能配用電終端的建模。本文根據(jù)中低壓配電網(wǎng)及D-IoT的拓撲建模需求，對CIM進行擴展。

2.1 端子類擴展

端子類描述所有導(dǎo)電設(shè)備的電氣連接點，因此對配電網(wǎng)的CIM進行擴展時，首先要對其進行擴展，如圖4所示。端子類擴展相位屬性字段，用來唯一標(biāo)識端子所在的相位，不同相位的端子無法進行合并。端子類與導(dǎo)電設(shè)備類相關(guān)聯(lián)，通過相位屬性（phases）表示導(dǎo)電設(shè)備（線路、開關(guān)、變壓器等）的相位編碼；設(shè)計了導(dǎo)電設(shè)備運行狀態(tài)類（Conductor Operation），用以描述設(shè)備單相、兩項、三相平衡、三相不平衡運行。

圖4 CIM端子類擴展Fig.4 Terminal extension of CIM

2.2 線路類擴展

對線路類（Conductor）進行擴展，如圖5所示，增加了描述低壓拓撲連接的屬性，擴展導(dǎo)體屬性連接開關(guān)柜編號，用以描述低壓配網(wǎng)導(dǎo)體兩端連接電氣設(shè)備；設(shè)計了線路類型類（WireType），相位屬性用以表示線路相位編碼，線路連接類型屬性表示三相線路采用的連接方式，進一步分為架空線（OverheadLine）、地下電纜（UndergroundCable），擴展線路參數(shù)字段，表示不同線路型號；擴展了每相阻抗數(shù)據(jù)類（PhaseImpedanceData），屬性字段正序電導(dǎo)、電納、電阻、電抗用以表示每相線路參數(shù)，相位屬性表示該段線路的相位編碼。

圖5 CIM線路類擴展Fig.5 Conductor extension of CIM

2.3 開關(guān)類擴展

針對配網(wǎng)開關(guān)類（Switch）的擴展，如圖6所示，設(shè)計了開關(guān)相位類（SwitchPhase），控制相位屬性用以表示單個開關(guān)控制的相位。對各種開關(guān)柜等設(shè)備建模，開關(guān)柜的主要作用是在電力系統(tǒng)進行發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的過程中，進行開合、控制和保護用電設(shè)備。開關(guān)柜在建模時可以看作是斷路器、負荷開關(guān)、隔離開關(guān)、操作部件、互感器及各種保護裝置的集合，因此與這類元件的關(guān)系為聚合關(guān)系。由此設(shè)計了開關(guān)柜類（Cabinet），表示各類開關(guān)的聚合，其中開關(guān)柜編號屬性唯一標(biāo)識數(shù)據(jù)庫中的開關(guān)柜編號信息，相位屬性表示該開關(guān)柜中可控的相位編碼。

圖6 CIM開關(guān)類擴展Fig.6 Switch extension of CIM

2.4 電力變壓器類模型

在最新的CIM中，電力變壓器類（PowerTransformer）已更新了三相模型，由電力變壓器端點類（PowerTransformerEnd）來描述變壓器端部線路阻抗參數(shù)，電力變壓器端點類通過與變壓器星形阻抗類（TransformerStarImpedance）、變壓器導(dǎo)納類（TransformerCoreAdmittance）等相關(guān)聯(lián)來表示電力變壓器的具體參數(shù)矩陣。CIM電力變壓器類如圖7所示。

圖7 CIM電力變壓器類Fig.7 Power transformer of CIM

2.5 負荷類擴展

CIM負荷類（EnergyConsumer）擴展如圖8所示，表示負荷額定有功無功，相位連接屬性用以表示三相負荷的連接方式；擴展了每相負荷類（EnergyConsumerPhase），其屬性字段用以表示每相有功無功負荷以及所在相位；擴展了負荷響應(yīng)特性類（LoadResponseCharacteristic），負荷類型屬性表示負荷類型（恒功率、恒阻抗、恒電流），不同類型負荷的有功無功參數(shù)由余下屬性進行表示。

圖8 CIM負荷類擴展Fig.8 Energy consumer extension of CIM

2.6 量測類擴展

對量測類（Measurement）進行擴展，如圖9所示，設(shè)計了低壓量測終端類（LowVoltageTerminal Unit），與端子類相關(guān)聯(lián)，用以描述低壓量測終端，包括配電監(jiān)測單元（DistributionMonitoringUnit）、饋線監(jiān)測單元（FeederMonitoringUnit）、智能電表等。其中低壓量測終端編號唯一標(biāo)識數(shù)據(jù)庫中的低壓量測終端編號信息，開關(guān)柜編號屬性表明該量測裝置所在的電氣節(jié)點，相位屬性表明該裝置的量測相位。

圖9 CIM模型量測類擴展Fig.9 Measurement extension of CIM

3 面向配電物聯(lián)網(wǎng)的拓撲分析模型

3.1 云側(cè)拓撲擴展分相模型

“云”是云化的主站平臺。以從同一主站引出的所有饋線作為1個整體對象，對新輸入CIM電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行處理，形成全網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。云側(cè)低壓配電網(wǎng)在實際運行中會出現(xiàn)三相不平衡運行狀態(tài)，在合并連接節(jié)點時，首先要確認連接節(jié)點周圍端子相位屬性值相同，然后再形成拓撲節(jié)點，劃分子系統(tǒng)，形成拓撲島進行分析。圖10給出了中低壓配電網(wǎng)云側(cè)拓撲分析流程。

圖10 云側(cè)拓撲分析流程Fig.10 Process of cloud-side topology analysis

3.2 邊側(cè)局部拓撲分析模型

“邊”為用戶終端側(cè)，在實際的系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)開關(guān)類元件變位的情況。邊側(cè)開關(guān)動作會改變系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，但對網(wǎng)絡(luò)拓撲的影響僅局限于局部區(qū)域。在完成云側(cè)全局拓撲分析的基礎(chǔ)上，此時無需重新分析整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲，只需要修正動作開關(guān)所涉及區(qū)域的拓撲，即可實現(xiàn)快速拓撲分析。圖11給出了邊側(cè)局部拓撲分析流程。

圖11 邊側(cè)局部拓撲分析流程Fig.11 Process of edge-side local topology analysis

4 D-IoT云邊協(xié)同拓撲交互方法

D-IoT云邊協(xié)同遠程通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備管理、配置、命令、數(shù)據(jù)上報接口。信息模型包含云主站信息模型、邊節(jié)點信息模型等。云主站模型包含一次設(shè)備、二次設(shè)備、配置、電網(wǎng)拓撲、量測、服務(wù)等信息；邊節(jié)點信息模型包含設(shè)備拓撲、量測、設(shè)備管理等信息。把拓撲信息按照CIM格式，以消息隊列遙測傳輸協(xié)議MQTT（message queuing telemetry transport）進行傳輸，能夠滿足D-IoT平臺設(shè)計、數(shù)據(jù)交換方面的快速開發(fā)、即插即用、高效傳輸。

5 結(jié)語

作為不斷發(fā)展更新的標(biāo)準(zhǔn)，CIM提供了電力系統(tǒng)各業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的模型和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。由于現(xiàn)有的CIM缺乏面向D-IoT的拓撲模型，本文對拓撲建模涉及的導(dǎo)電設(shè)備模型進行了擴展，分別對端子、線路、開關(guān)、變壓器、負荷和低壓終端進行了建模和擴展，建立了D-IoT云側(cè)低壓配電網(wǎng)擴展分相模型和邊側(cè)局部拓撲分析模型，明確了D-IoT云邊協(xié)同的拓撲交互方法與內(nèi)容，以及所采用的通信協(xié)議。