數(shù)字化變電站到IEC 61970主站信息無(wú)縫交換

王文婕，張海東

（1.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

基于IEC 61850的數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)子站）和基于IEC 61970的數(shù)字化電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主站）已有多項(xiàng)工程投入使用，目前子站和主站之間的信息交換方式是將IEC 61850轉(zhuǎn)換成IEC 60870，采用IEC 60870-5-101/104通信規(guī)約傳輸數(shù)據(jù)值和命令。這種傳統(tǒng)的傳輸方式具有很多弊端∶子站上大量豐富的有用信息不能傳輸?shù)街髡旧?，系統(tǒng)之間處于分割狀態(tài)產(chǎn)生信息孤島，沒(méi)有充分發(fā)揮兩大標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)；變電站和多個(gè)調(diào)度中心重復(fù)維護(hù)，增加了維護(hù)的工作量和電網(wǎng)的安全隱患等。而以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化等為特征的智能電網(wǎng)則是要求子站與主站實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，取代傳統(tǒng)的信息傳輸方式[1]。針對(duì)上述問(wèn)題和背景，提出了在實(shí)踐應(yīng)用中子站到主站無(wú)縫信息交換的策略，分析了子站和主站模型及其之間的映射關(guān)系。

1 子站到主站無(wú)縫信息交換

子站到主站無(wú)縫信息交換方法有：（1）子站中生成SCD文件在子站后臺(tái)監(jiān)控中對(duì)子站SCD模型轉(zhuǎn)換生成符合主站要求的模型，然后上送到主站中；（2）子站生成SCD文件上送到主站，主站對(duì)其轉(zhuǎn)換生成主站關(guān)心的模型。鑒于以后數(shù)字化變電站裝置發(fā)展趨于智能化，弱化后臺(tái)監(jiān)控的作用等因素，在實(shí)踐應(yīng)用中具有推廣應(yīng)用價(jià)值的是方法（2），具體步驟如下：

（1）子站生成SCD文件上送到主站；

（2）主站對(duì)SCD文件加以解析，把主站關(guān)心的子站SCD模型轉(zhuǎn)換成公共信息模型（CIM）；

（3）最終生成符合主站要求的CIM資源描述框架（RDF）格式XML文件并導(dǎo)入到主站中，使主站關(guān)心的子站信息完整上送到主站中。

基本流程如圖1所示。

2 SCD與CIM模型

2.1 SCD模型介紹

IEC 61850 SCL配置文件用于在不同制造商的不同工具間交換配置數(shù)據(jù),存在4種類(lèi)型SCL文件,通過(guò)文件名后綴加以區(qū)分。這4種文件分別是∶ICD文件，SCD文件，SSD文件，CID文件。SCD對(duì)象模型有3個(gè)基本部分：（1）變電站模型：從功能的角度描述開(kāi)關(guān)場(chǎng)的設(shè)備（過(guò)程裝置）、基于電氣接線圖的連接（拓?fù)洌?、說(shuō)明裝置和功能，是基于變電站功能結(jié)構(gòu)的分層對(duì)象。其主要包括的對(duì)象模型：變電站，電壓層，設(shè)備，子設(shè)備，連接節(jié)點(diǎn)，端點(diǎn)等。（2）IED模型：變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的二次智能電子設(shè)備。其主要包括的對(duì)象模型：智能電子設(shè)備，服務(wù)器，邏輯裝置，邏輯節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)等。（3）通信系統(tǒng)模型：與通信相關(guān)的對(duì)象類(lèi)型。通信模型其主要包括的對(duì)象模型：訪問(wèn)點(diǎn)，路由器，時(shí)鐘等。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)象模型采用XML Schema（W3C擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）描述，在其XML文檔中為分層結(jié)構(gòu)可以有多層嵌套。使用XML語(yǔ)言定義變電站自動(dòng)配置語(yǔ)言的實(shí)例如下：

這個(gè)XML文件說(shuō)明變電站節(jié)內(nèi)含1個(gè)電壓等級(jí)D1，在此電壓等級(jí)中含有一個(gè)間隔Q1，此間隔里有1個(gè)電流互感器l1。

2.2 CIM介紹

CIM是一個(gè)抽象模型，它表示通常包含在能量管理系統(tǒng)（EMS）信息模型中的電力企業(yè)的所有主要對(duì)象。CIM規(guī)范使用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)表達(dá)方法，它將CIM定義成一組包，整個(gè)CIM劃分為下面幾個(gè)包：核心，拓?fù)?，電線，停運(yùn)，保護(hù)，SCADA，量測(cè)，負(fù)荷模型，發(fā)電，生產(chǎn)，發(fā)電動(dòng)態(tài)，域，能量計(jì)劃，預(yù)訂，財(cái)務(wù)，資產(chǎn)。包的邊界并不意味著應(yīng)用的邊界。一個(gè)應(yīng)用可能使用幾個(gè)包的CIM實(shí)體。CIM中的每一個(gè)包包含一個(gè)或多個(gè)類(lèi)圖，用圖形方式展示該包中的所有類(lèi)及它們的關(guān)系。然后根據(jù)類(lèi)的屬性及與其他類(lèi)的關(guān)系，用文字形式定義各個(gè)類(lèi)。CIM包含的基本類(lèi)有：變電站類(lèi)，基準(zhǔn)電壓類(lèi)，間隔類(lèi)，導(dǎo)電設(shè)備類(lèi)，端點(diǎn)類(lèi)，設(shè)備容器，電流繼電器類(lèi)，保護(hù)設(shè)備類(lèi)等。在CIM中與子站相關(guān)的模型主要是電網(wǎng)模型，變電站模型和量測(cè)模型。

IEC 61970對(duì)象模型也采用了XML語(yǔ)言描述，使用的是另外一種更復(fù)雜功能也更強(qiáng)大的元數(shù)據(jù)描述工具—RDF。RDF定義了數(shù)據(jù)本身，也就是語(yǔ)義，CIM XML語(yǔ)言是基于CIM模型的RDF應(yīng)用，它是CIM RDF語(yǔ)法的綜合。每個(gè)系統(tǒng)的資源都有惟一的標(biāo)識(shí) (ID)。ID屬性用于使元素能夠引用CIM RDF Schema文檔中的其他元素節(jié)點(diǎn)。ID＝“Terminal”元素可以通過(guò)在該屬性值前加＃號(hào) （如“＃Terminal”）的方式被其他元素引用。

3 SCD與CIM模型比較分析

IEC 61970 CIM模型和IEC 61850 SCD模型建模都采用了XML、UML、面向?qū)ο蟆⒔M件技術(shù)等信息領(lǐng)域最前沿的技術(shù)。在IEC 61970 CIM和IEC 61850 SCD對(duì)象模型存在如下的情況，（1）2種標(biāo)準(zhǔn)中共通的對(duì)象模型，如變電站、電壓等級(jí)、間隔、變壓器、斷路器等。（2）只有一種標(biāo)準(zhǔn)中定義的對(duì)象模型：IEC 61970 CIM模型中獨(dú)有的對(duì)象模型，如主控區(qū)域、子控區(qū)域、負(fù)荷等；IEC 61850 SCD模型中獨(dú)有的對(duì)象模型，如智能電子設(shè)備 （IED）、邏輯節(jié)點(diǎn)（LPHD、PTOC 等）、控制塊（RCB、SGCB）等。它們的關(guān)系如圖2所示。

IEC 61850 SCD對(duì)象采用SCL XML(XML Schema)描述，層層嵌套是一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。IEC 61970 CIM對(duì)象模型中的CIM XML(RDF XML)描述的，是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。雖然兩者的結(jié)構(gòu)和采用的XML語(yǔ)言格式不一樣，但這2種命名方式都符合萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)合會(huì)制定的XML命名空間規(guī)范。

4 模型映射分析

子站上送到主站的SCD文件中部分模型是主站不關(guān)心的，例如保護(hù)模型，35 kV子站中的電抗器等。因此只需把主站關(guān)心的子站模型與主站模型建立映射關(guān)系。

在IEC 61850 SCD模型和IEC 61970 CIM模型中擁有共通的對(duì)象模型，這些模型可以基本建立他們之間的映射關(guān)系如圖3所示，但并不是一對(duì)一的嚴(yán)格映射關(guān)系。一對(duì)多的映射關(guān)系，如圖3中子站間隔模型與主站CIM模型中間隔和母線段2個(gè)對(duì)象模型形成映射關(guān)系；多對(duì)一的映射關(guān)系，如圖3中子站電容器組和電抗器組模型2個(gè)模型與主站CIM模型中補(bǔ)償器形成映射關(guān)系。在子站SCD中具體定義而主站CIM模型中沒(méi)有明確定義的，如智能電子設(shè)備（IED）等。建立映射關(guān)系需要按照主站CIM模型中的要求建立相應(yīng)的包類(lèi)，增加相應(yīng)的類(lèi)型，屬性和關(guān)聯(lián)等。

圖3 共通模型映射關(guān)系

子站模型到主站模型雖然可以建立映射關(guān)系，但是是有條件的在建立映射，需加以處理。主要有如下幾個(gè)方面：

（1）子站與主站模型類(lèi)型不一致：SCD模型中定義的對(duì)象模型與CIM模型中類(lèi)型不完全一致。例如SCD電抗器和SCD電容器兩個(gè)對(duì)象模型與CIM補(bǔ)償器對(duì)象模型建立映射關(guān)系，兩者的模型類(lèi)型確不一致。

（2）子站與主站的對(duì)象模型屬性不完全一致。例如CIM中邏輯節(jié)點(diǎn)屬性是強(qiáng)制的而在對(duì)應(yīng)的SCD中有些屬性是可選的。同期檢測(cè)繼電器類(lèi)在CIM中相關(guān)屬性，相角，頻率和電壓必須的而在SCD中對(duì)應(yīng)的為可選的。

（3）子站與主站的關(guān)聯(lián)關(guān)系不完全一致。SCD中的對(duì)象模型關(guān)聯(lián)關(guān)系通過(guò)層次路徑實(shí)現(xiàn)，是直接簡(jiǎn)單的，是一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。CIM中是雙向的關(guān)聯(lián)關(guān)系，展開(kāi)后是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，CIM模型中對(duì)象模型的關(guān)聯(lián)通過(guò)惟一標(biāo)識(shí)ID加以引用，這種跨越的關(guān)聯(lián)關(guān)系很復(fù)雜，由于類(lèi)型之間的必須關(guān)聯(lián)關(guān)系導(dǎo)致很難表達(dá)2個(gè)實(shí)例對(duì)象的實(shí)時(shí)關(guān)系，在建立映射關(guān)系中需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。

即使子站與主站對(duì)象模型中某些部分很好的映射關(guān)系，基本的關(guān)聯(lián)關(guān)系在子站和主站中也不一樣，例如變壓器模型，在主站CIM模型中變壓器是作為主變間隔，而主變間隔與變電站相連。而在子站模型中變壓器可以連接在變電站，電壓，間隔等結(jié)構(gòu)層中。在子站模型中間隔必須是電壓等級(jí)的一部分，電壓等級(jí)必須是變電站的一部分。而在主站CIM模型中間隔可以是電壓等級(jí)或變電站的一部分或兩者都不是，甚至在主站模型中根本沒(méi)有。在主站CIM模型中詳細(xì)定義了變壓器，分接頭，斷路器，開(kāi)關(guān)等模型，而子站SCD模型中只是定義了一種導(dǎo)電設(shè)備，導(dǎo)電設(shè)備有枚舉屬性，枚舉屬性決定了對(duì)象類(lèi)型是那哪種實(shí)類(lèi)對(duì)象。

子站與主站對(duì)象模型的描述語(yǔ)言都是XML語(yǔ)言，命名方式都符合萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)合會(huì)制定的XML命名空間規(guī)范，同時(shí)XML語(yǔ)言具有異構(gòu)系統(tǒng)間的信息互通等特點(diǎn)，XML語(yǔ)言是對(duì)象模型映射轉(zhuǎn)換的最終交換格式。

5 結(jié)束語(yǔ)

子站到主站信息無(wú)縫交換是智能電網(wǎng)建設(shè)要求之一，也是IEC 61850和IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)在工程實(shí)踐中進(jìn)一步深入應(yīng)用的要求。目前IEC 61850和IEC 61970這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在不斷地發(fā)展，為了符合將來(lái)應(yīng)用需求，現(xiàn)有模型需要不斷更新，例如加入避雷器等模型。隨著電力系統(tǒng)信息一體化的發(fā)展，需要制定一些相關(guān)列標(biāo)準(zhǔn)使兩大標(biāo)準(zhǔn)合并為一，實(shí)現(xiàn)子站與主站共享建模，乃至最終要實(shí)現(xiàn)調(diào)度，變電站和配電信息一體化。

[1]陳樹(shù)勇，宋書(shū)芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：1-7.

[2]譚文恕.電力系統(tǒng)無(wú)縫通信系統(tǒng)體系[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，22（11）：1-4.

[3]周鄴飛，張海濱，徐石明，等.IEC61850工程組態(tài)中的統(tǒng)一建模技術(shù)研究[J].江蘇電機(jī)工程，2007，26（S）：72-74.

[4]胡 靚.XML語(yǔ)言在新一代電力自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力學(xué)報(bào)，2007，22（1）：35-38.

[5]IEC 61850，Communication Networks and System in Substation[S].2004.

[6]IEC61970-301.Energy Management System Application Program Interface （EMS-API）：Part 301 Common Information model（CIM）base[S].2007.