1 引言

　　近期，在我国建设统一坚强智能电网的背景之下，智能配电网作为智能电网的重要组成部分，也成为了目前我国的各供电企业的建设重点。其中，配电网网络模型和实时结线分析是智能配电网信息管理系统-配电管理系统(DMS-Distribution manage System)中的各类应用程序开发的基础。针对智能配电网建设过程中提出的信息一体化的需求，配电网网络建模与结线分析的方法也需要做出适应性调整。目前，在配电网建模方面，随着国际电工委员会定制的IEC 61968 CIM模型的推广与应用，现已存在较多关于IEC 61968 CIM在对配电网络建模的方法方面探讨[1]，但较多集中在与输电网建模对比的阐述上，很少涉及针对实际配电网络实例的建模，IEC 61968模型应用描述并不够详细;在结线分析方面，目前已有的网络拓扑分析算法包括堆栈技术和深度优先搜索算法在针对实际电网的分析中已具有良好应用的效果，其缺点是由于重复搜索支路，在针对广域的配电网的拓扑分析时，算法随着网络中的线路分支增多、数量增大而大大降低搜索效率;另外，为提高供电可靠性，各地供电企业在对配电网建设改造的过程中增设联络开关以实现用户的双/多电源供电，广域的配电网络将改变以往辐射状网络的供电形式而逐步形成弱环状，结线分析算法需要进一步考虑环状网络的分析效果。针对如何应用IEC 61968 CIM进行实际配电网的建模，以及对结线分析算法进行改进使其适应于弱环状配电网的结线分析，本文以IEEE线路、负荷与网络一次设备连接关系的具体实例为例，研究了IEC 61968 CIM配电网扩展模型的应用;在模型的基础上进一步研究针对广域配电网的快速实时结线分析方法，方法通过建立一种新的面向对象的母线-支路模型，以降低结线分析中拓扑点和支路关联关系的复杂度;同时，针对弱环状接线形式下的配网闭环回路进行分析改进广度优先搜索法，以实现同时适应于辐射状与弱环状接线形式下的广域配电网的结线分析。

　　2 基于CIM的配电网建模

　　CIM(Common Information Model)是IEC 61970/61968[2,3]标准共同定义的通用信息模型，通过使用统一建模语言(UML)表达电力系统资源的对象类、对象属性以及相互之间的关系[4,5]。IEC 61968 CIM除了继承与IEC 61970 CIM中定义的输电网模型相同对象类、对象属性以及类之间的关系之外，主要进行了以下几点扩展：

　　(1)连接性模型

　　连接性模型针对配电网低压侧出现的单相负荷和线路增加了关于相位的描述。

　　(2)三相元件

　　线路：配电线路进一步细分为架空线路与电缆两种类型，同时，由于配电线路所具有的三相参数不对称特性，增加了平衡与不平衡线路模型来求取基本参数矩阵。

　　负荷：实际运行中的配电网三相负荷通常不平衡，负荷对象应分相建模。

　　馈线模型：支持馈线和馈线区段模型作为配电网的各种分析单元。

　　以下针对上述几点IEC 61968 CIM扩展模型的建模应用进行具体阐述。

　　2.1 连接性模型

　　对网络连接关系的描述CIM提供了两种抽象模型：开关-节点(Node-Breaker)和母线-支路(Bus-Branch)模型，前者描述了具体的电网，属于连接性模型，后者用于对电网进行各种分析，属于拓扑模型。配电网结线分析过程即是实现两种模型之间的转换。

　　无论输电或配电网，CIM连接性模型都是通过Conducting Equipment、Terminal和Connectivity Node3个类实现网络设备之间的连接关系的描述，模型可涵盖电网一切一次设备的相互连接关系[2]。需要指出的是，低压侧配电网三相开关可能存在三相运行状态不一致情况，并且测量类提供的现场遥信、遥测等数据描述为不同相位的实时数据信息，因此配电网络建模需要增加相位属性的描述，IEC 61968 CIM中的Conducting Equipment所扩展的phases属性可以用来指定任意一个导电设备的相位信息，其模型描述如图1所示，其中phases数据是一个枚举对象，对象类型如图中左侧所列。

图1 CIM连接模型

　　应用连接性模型对图2中的IEEE13节点测试馈线中的645～646线路段建模，步骤如下：①实例化一个AC Line Segment对象，将phase属性设为BACN;

　　②创建2个Terminal(T1、T2)实例，并建立Conducting Equipment与T1、T2的关联关系;

　　③创建2个Connectivity Node (CN1、CN2)实例，并分别关联上T1、T2。

图2 645～646线路段CIM模型

　　2.2 元件的三相性扩展

　　2.2.1 配电线路模型

　　IEC 61970 CIM中线路类仅提供的AC Line Segment类，IEC 61968中增加了Distribition Line Segment类，该类派生于AC Line Segment，用于专门描述配电线路段，针对配电网出现的不同线路类型-架空线路与地下电缆，增加了Overhead Conductor Info(架空线信息类)、Tape Shield Cable Info(隔离型电缆信息类)和Concentric Neutral Cable Info(同心中性线电缆信息类)三个具体类描述。另外，通过提供对称分量法求各序的等值阻抗、相域模型求基本参数矩阵、物理信息建模3种配电线路的建模方式，分别关联至Per Length Sequence Impedance、Per Length-Phase Impedance、Conductor Info类来定义。配电线路段模型如图3所示。

图3 配电线路模型

　　以IEEE13节点馈线650-632线路说明CIM线路段物理建模，650-632线路段相位为ABCN，其中相导体类型ACSR556 500 26/7，中性线类型ACSR 4/06/1。建模过程为：

　　(1)分别创建一个Distribition Line Segment与一个Overhead Conductor Info对象，并建立两者的关联;

　　(2)创建四个WireArrangement分别用来对四根导体的空间位置的描述，同时关联到Overhead Conductor Info上;

　　(3)每个Wire Arrangement关联一种Wire Type (共2种类型)，Wire Type可描述导体的材料、芯线扎数，电气属性如几何中心距、半径、各种温度下的阻抗值等性质。

　　2.2.2 负荷模型

　　配网的三相负荷通常是按额定功率给出，计算前应首先转换为恒参数模型[10]。IEC 61968提供有负荷的恒参数模型，对于三相不平衡的负荷需要分相建模，通过一个Terminal关联3个Energy Consumer实现，模型如图4所示。在进行负荷分相建模时，建模过程为：

　　(1)实例化3个Energy Consumer对象，将phase属性设为ABC;

　　(2)创建6个Terminal(A、B、C 3组)实例， 并建立每个Energy Consumer与Terminal首末关联关系;

　　(3)创建2个Connectivity Node(CN1、CN2)实例，并分别关联到上T1、T2。如图5所示。

图4 负荷模型

图5 分相负荷连接性模型

　　2.3 馈线模型

　　配电馈线Feeder是对配电网进行各种计算的分析单元，Feeder属于容器类，用于承载配网馈线区域所有对象类实例，包括从变电站出线到用户侧测量表计的所有电力系统资产设备，它派生自Equipment Container，从属于一个Substation，可以是任何一种Equipment子类如Power Transformer、Condutor Equipment的泛化等，馈线模型如图6所示。

图6 馈线模型

　　遵循上述关于IEC 61968 CIM的连接性模型、线路和负荷模型以及馈线模型的建模方法可完成整个配电网络的信息建模，模型可支持不同应用程序数据的交换。文章后半部分将陈述运用所建立的模型进行配电网络的结线分析，算法将随着网络中实时接收的开关所处状态的变化实时修改结线，两者共同为有关的应用程序提供网络分析所需的信息与数据。

　　3 配电网结线分析

　　CIM配网的连接模型-开关-节点模型对于系统分析始终过于详尽，配电系统分析更多只关注电源、线路、分支点以及用户负荷等几种可对电网运行状态造成影响的元件，站内的母线、网络分支点将由结线分析转化为拓扑结点，并实时处理开关信息，最终把开关-节点模型转化为计算用的母线-支路模型。

　　3.1 面向对象母线-支路模型

　　CIM提供了Topological Node与Topological Island两个类分别表示拓扑节点与拓扑岛，用于描述一种母线-支路模型，两个类的实例是通过对网络开关状态分析动态生成的。在对CIM拓扑模型进行应用时，由于Topological Node和Topological Island两个类没有提供获得与它关联的支路以及负荷的直接接口，每次需要使用这些数据的时候都要对一个Topological Node中所有的Connectivity Node进行遍历，不仅不便于使用，而且还会增加分析消耗的时间。相比之下，传统的关联矩阵法[7]则通过四个关联表即支路-结点关联表、结点-支路关联表、结点-子系统关联表、支路-子系统关联表，通过各表的对应关系来获得网络中结点、支路与子系统的相互关系，但矩阵中的数据表示方法不够直观明确，容易导致查询错位使得处理结果出错。考虑到两者各自的优劣，本文结合关联矩阵模型方法，采用面向对象方法构建一个新的母线-节点模型，将矩阵数据使用对象类属性表述，不同矩阵的对应量查询采用对象类之间的关联关系表述。母线-支路模型如图7所示，其中节点(node)、连接元件(Link Equipement)以及连接元件(Link Equipement)为抽象类，支路(Branch)、无功补偿(Shunt)以及负荷(Load)为具体的派生类，通过设计类内部的固有属性存放固有参数与运行参数，通过建立关联关系，可轻易实现相互关联的节点和连接元件的查询。模型通过类相互之间的关系描述网络结构，通过模型内各对象类的数据结构描述设备参数和运行参数，模型可有效地降低获取网络结构以及设备参数和电气运行参数的复杂度，同时具有良好的可扩展性与可维护性。

图7 母线-支路模型

　　3.2 结线分析算法

　　配电网结线分析就是基于CIM的配电网具体的网络模型到母线-支路模型转化，通过处理网络中开关信息简化网络的过程。本文采用广度优先搜索法(Breadth-First-Search)进行图的遍历。算法的步骤为：根据所在线路开关的状态，从根节点开始获取所有临近的子节点，并加入到一个先进先出的队列中， 并形成若干结点(node)和连接元件(Link Equipement)对象，完成第一轮遍历;将第一轮遍历所得子节点视为根节点，重复第一轮中对临近节点的搜索作为该根节点的子节点，并将完成搜索的根节点依次出栈直至清空队列元素。

　　然而，由于配电网增设联络开关形成的弱环状结构，环的同一个节点中可能为两个或多个根节点的子节点，同一线路为两个或多个根节点的支路，依据上述广度优先搜索法进行遍历可能造成子节点和支路的重复定义， 而不同根节点生成子节点对象。如图8所示中的环①和环②，环①中支路4-8同为同层根节点4和节点8的支路，环②中的节点10为同层根节点7和节点9的子节点，为了避免线路和子节点对象的重复定义，需先对网络闭环回路进行分析。

图8 配电网弱环网络图

　　3.2.1 闭环回路分析

　　可以注意到，造成不同根节点与所连支路的重复定义根本原因在于环中支路总个数是奇数(奇数环)还是偶数(偶数环)，奇数环最后一层子节点具有同一支路，偶数环最后一层子节点具有同一子节点，为克服上述情况在进行广度优先搜索时应进行以下处理：

　　(1)根节点生成支路时需检查其对侧所连节点是否在同层根节点队列当中;

　　(2)支路搜索下一层子节点需检查该子节点对应CIM对象是否已存在，若已存在，则不需再次定义。

　　根据网络的弱环性对广度优先搜索法进行的适度改进，程序执行时拓扑节点与拓扑岛的生成同步进行，加快分析速度;同时用已生成的拓扑点把已访问的元件覆盖，保证了对下一次搜索向未被覆盖的元件进行，有效地克服广度搜索法易产生回溯的缺点。

　　3.2.2 配电网接线分析

　　结线分析任务包括：实时接收并处理开关信息变化，生成计算用拓扑结点;自动划分计算用结点数，形成拓扑岛。通过对闭环回路的分析改进广度优先搜索法，算法流程图示于图9，算法入口为给定的任一个变电站馈线设备EQ，转入此程序完成整个配网结线分析。下面按框图说明这一程序。

　　框[1]为程序初始化：首先生成一个Network Container实例，标志一个子系统的开始，并将五个列表清零。

　　框[2]为生成拓扑点：首先实例化一个Node对象，通过广度优先搜索的外层第一层设备列表Near_eqs[]遍历，判断开关是否为闭合将支路存入队列中;否则终止该通路。

　　框[3]为生成支路：若支路队列中设备为配电线路或配电变压器，则生成一个支路Branch实例;否则转入框[4]。

　　框[4]为生成注入量对象：若支路队列中设备为用户负荷或无功补偿设备，则生成一个Load或Shunt实例，否则转入框[2]，直至支路队列中所有元素被遍历完，则第一层节点-支路搜索完毕。

　　框[5]为下一层的节点-支路起始：以子节点任一支路做为起始，重复框[2][3][4]过程。

　　框[6]为下一个子系统的起始：取一个断开的开关对象为起点，判断邻接的设备是否曾遍历，若没有则重复框[2][3][4][5]，直至馈线中所有元件遍历完毕。

　　拓扑分析程序结束后则形成了新母线-节点模型。为使模型最终保持遵循CIM规范，维护数据的可交换性，结线分析完毕后还应将新母线-节点模型下的数据转换为CIM的Topological Node与Topological Island，存于数据库。

　　4 结语

　　本文提供基于IEC 61968 CIM的配电网三相连接性网络的建模方法以及基于连接线模型的一种改进优化的结线分析方法，方法提供了一种清晰的拓扑分析思路，为各种网络分析程序如潮流计算、状态估计、短路分析等提供所需的信息与数据基础，同时由于模型遵循IEC 61968 CIM，对建设数据可交互、易维护性、长期可拓展性配电管理系统将具有重要的意义。