基于IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型構(gòu)建

宋戰(zhàn)慧 王 倩

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

基于IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型構(gòu)建

宋戰(zhàn)慧 王 倩

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

針對目前能量管理系統(tǒng)（EMS）與廣域測量系統(tǒng)（WAMS）之間沒有一個統(tǒng)一的信息模型，不能集中動態(tài)監(jiān)視與控制日益復(fù)雜的電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型CIM進行了深入研究，并結(jié)合EMS與WAMS的各自特點及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，構(gòu)建了基于IEC61970標(biāo)準(zhǔn)CIM的EMS/WAMS的統(tǒng)一信息模型，并定義了主要的CIM類以及它們相應(yīng)的屬性信息。

電力系統(tǒng)；能量管理系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)監(jiān)控；IEC61970；CIM；廣域測量系統(tǒng)

1 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)的調(diào)度和控制變得越來越復(fù)雜。為保證電網(wǎng)安全和優(yōu)質(zhì)運行，電網(wǎng)調(diào)度中心可能同時運行多個應(yīng)用系統(tǒng)，能量管理系統(tǒng)（EMS）和廣域測量系統(tǒng)（WAMS）作為其中兩個必不可少的部分，在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，但是由于歷史原因，兩個系統(tǒng)都是獨立開發(fā)研制及應(yīng)用的，所以在實際運行當(dāng)中用戶需要維護和掌握不同的系統(tǒng)，從而造成巨大的人力財力的浪費[3]。為了應(yīng)對目前環(huán)境分布異構(gòu)，信息孤島眾多的電力企業(yè)信息系統(tǒng)，國際電工委員會制定了 IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，基于CIM建立統(tǒng)一的信息模型，使得不同系統(tǒng)之間能夠信息交互、一體化集成，同一系統(tǒng)不同應(yīng)用之間能夠互聯(lián)和互操作[10-12]。當(dāng)前 EMS與WAMS系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一的信息模型，只是對各自的系統(tǒng)建立了信息模型，為應(yīng)對日益復(fù)雜的電網(wǎng)，這兩個系統(tǒng)的集成研究迫在眉睫。

2 構(gòu)建EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型的基礎(chǔ)

2.1 能量管理系統(tǒng)的特點

能量管理系統(tǒng)是以 SCADA為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、以各種應(yīng)用軟件為后臺管理控制的高度信息化系統(tǒng)。簡單可分三部分，即數(shù)據(jù)管理部分、能量管理部分、網(wǎng)絡(luò)管理部分。三個部分相互作用已達(dá)到電力安全穩(wěn)定控制[5]?，F(xiàn)在的能量管理系統(tǒng)越來越復(fù)雜，功能也越來越強大，但其還是在傳統(tǒng)的 SCADA之上的電力信息化系統(tǒng)，側(cè)重于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行情況的監(jiān)測與靜態(tài)安全控制；以SCADA/EMS及有關(guān)的應(yīng)用軟件為代表的調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)實際上是在潮流水平上的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)行為監(jiān)測系統(tǒng)，不能達(dá)到實時動態(tài)監(jiān)視與控制。

2.2 廣域測量系統(tǒng)的特點

廣域測量系統(tǒng)主要源自電力系統(tǒng)時間上同步和空間上廣域的要求，利用全球定位系統(tǒng)同步時鐘進行廣域電力系統(tǒng)狀態(tài)測量，可以實時動態(tài)觀測系統(tǒng)的變化，能及時有效的控制復(fù)雜電力系統(tǒng)運行狀態(tài)。WAMS主要由位于廠站端的PMU、通信系統(tǒng)和位于調(diào)度中心的控制系統(tǒng)組成。文獻[4]中提出了多種WAMS結(jié)構(gòu)，其中主站位于省調(diào)度中心，子站為各功角監(jiān)測點，子站由相角和功角測量裝置、時間同步裝置、通信系統(tǒng)和工控機組成看，圖1為其最基本結(jié)構(gòu)。為了保證實時性，主站與子站之間的通信采用專用的微波通道。特點：可以監(jiān)測到同步發(fā)電機功率角、母線電壓相角等一系列重要狀態(tài)變量。改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，相量測量裝置可以為勵磁、調(diào)速、電容器的接入等提供反饋控制量，以便進行更有效的控制。發(fā)生故障時，調(diào)度中心可根據(jù)各個點實時相角，判斷出那臺機組可能失穩(wěn)并采取相應(yīng)的對策，或者在當(dāng)?shù)馗鶕?jù)實時相角進行控制，如切機、切負(fù)荷、解列等，以防止事故進一步擴大。WAMS的應(yīng)用可以為狀態(tài)估計、動態(tài)監(jiān)視、穩(wěn)定的預(yù)測與控制等提供在線的、實時的、準(zhǔn)確的系統(tǒng)運行參數(shù)，為分析計算提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[8]。

圖1 WAMS的基本結(jié)構(gòu)

2.3 EMS/WAMS的并存性

廣域電力系統(tǒng)的運行分析與控制都是以狀態(tài)測量為基礎(chǔ)的，它能在毫秒級的時間尺度上對電力系統(tǒng)進行同步測量，基于PMU的WAMS技術(shù)使得在更精細(xì)的時間尺度上對電力系統(tǒng)進行同步觀測，以及利用這些數(shù)據(jù)對電力系統(tǒng)進行全新的分析[9]。從理論上講，WAMS系統(tǒng)可以完全取代SCADA，但在現(xiàn)有技術(shù)條件下還不現(xiàn)實。由于目前的SCADA技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)成熟，并積累了相當(dāng)豐富的運行經(jīng)驗，而 WAMS則是一個全新的系統(tǒng)，技術(shù)上存在很多不足；建立完備的WAMS系統(tǒng)可能需要大量的資金投入，完全拋棄SCADA系統(tǒng)意味著浪費其系統(tǒng)先前的投入；所以在以后的相當(dāng)長的時間內(nèi)兩者還得并存。

3 基于IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型

3.1 IEC61970標(biāo)準(zhǔn)概述

IEC61970標(biāo)準(zhǔn)是在保護用戶資源要求、系統(tǒng)集成要求、電力市場要求以及新技術(shù)的推動下產(chǎn)生而發(fā)展起來的。IEC61970標(biāo)準(zhǔn)系列分導(dǎo)則、術(shù)語、CIM和兩種級別的CIS共5個部分[7]。其中CIM是標(biāo)準(zhǔn)的主要部分，定義了覆蓋各個應(yīng)用面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)模型，是IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的靈魂。為方便起見，CIM被劃分為13個類包，290多個類。包括：域包、核心包、電纜包、測量包、拓?fù)浒?、?fù)荷包、儲運損耗包、保護包、發(fā)電包、財政包、預(yù)測包和能量安排包、SCADA包等。它不但提供了EMS信息的一個綜合邏輯視圖，還定義了電力工業(yè)主要對象的類、屬性及對象間的關(guān)系。

3.2 電力系統(tǒng)集成化應(yīng)用

電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)水平的重要標(biāo)志是標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和圖形管理方面采用IEEE（美國電氣電子工程師協(xié)會）的可移植性操作系統(tǒng)接口、TCP/IP協(xié)議和開放基金協(xié)會的 Motif 等標(biāo)準(zhǔn)，然而在支撐平臺和應(yīng)用軟件方面還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)異構(gòu)和互聯(lián)十分困難。目前把遵循IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)作為調(diào)度自動化集成研究的主要任務(wù)，調(diào)度自動化信息集成系統(tǒng)首次在應(yīng)用層實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化[5]。通過CIM標(biāo)準(zhǔn)可以建立不同系統(tǒng)的統(tǒng)一信息模型，為系統(tǒng)集成做好模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

4 EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型的建立

4.1 構(gòu)建CIM模型的方法

面向?qū)ο笮徒Ｓ幸韵聨讉€方面：

（1）搜集相關(guān)的信息需求，選擇對象，建立對象類在這一步要詳細(xì)了解系統(tǒng)所涉及的各種實體，弄清他們之間的關(guān)系、各種約束條件和特別要求。確定對象的基本原則有以下方面：

1）一般的客觀實體可看作一個對象類，例如互感器、發(fā)電機、電廠及電網(wǎng)公司等。

2）如果客觀實體的某一部分屬性經(jīng)常被單獨使用，則也可以看作一個對象類，如發(fā)電廠中的發(fā)電機、變壓器等實體。

3）如果幾個實體經(jīng)常合在一起被操作和使用，則看作一個組合復(fù)雜對象類。例如斷路器、隔離刀閘屬于開關(guān)類的子類。

4）其他需要或補充的對象類。

（2）畫出對象關(guān)系圖

在確定了基本對象，建立了相應(yīng)的類以后，緊接著要畫其對象關(guān)系圖。主要包括以下工作：

1）確定對象類之間的關(guān)系（簡單關(guān)聯(lián)，聚合，泛化）。

2）根據(jù)確定的對象類和關(guān)系，畫出各個獨立的對象關(guān)系圖。對象類之間的關(guān)系也要標(biāo)明。

3）進行正確性檢查與修改，對畫出的對象關(guān)系圖進行正確性與一致性檢查；對同類關(guān)系和冗余關(guān)系進行合并或撤銷；檢查對象關(guān)系圖是否完整。不滿足的應(yīng)進一步修改。

4.2 建立統(tǒng)一信息模型

通過對SCADA系統(tǒng)和WAMS的特點比較，以及對WAMS的結(jié)構(gòu)和工作原理的了解，并結(jié)合CIM建模的方法規(guī)范，采用基于CIM標(biāo)準(zhǔn)對EMS/WAMS系統(tǒng)建立統(tǒng)一信息模型。由于IEC 61970-303描述的是 SCADA系統(tǒng)的 CIM 模型。它包含了用于SCADA系統(tǒng)的建模實體、監(jiān)視控制部分支持操作員對設(shè)備的控制，數(shù)據(jù)采集部分則從不同數(shù)據(jù)源采集遙測數(shù)據(jù)等。WAMS的信息模型需要包含以下內(nèi)容：WAMS本身的結(jié)構(gòu)信息、各類測量裝置（包括時間同步裝置、相角測量裝置等）、WAMS獲得的各類量測數(shù)據(jù)信息、尤其是 PMU獲得的相角信息。SCADA包中的某些CIM類和屬性，對于WAMS系統(tǒng)也是適用的，所以在原來 SCADA的建?；A(chǔ)上添加 WAMS的重要的類就可以完成統(tǒng)一信息模型的構(gòu)建。具體類及其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型對象關(guān)系圖

4.3 EMS/WAMS統(tǒng)一信息模型關(guān)鍵類的信息描述

SCADA系統(tǒng)包的相關(guān)類及其描述信息在 IEC 61970-303部分有詳細(xì)的介紹。下面只對部分 RTU被代替的PMU相關(guān)類進行簡單描述。

Time synchronization device類指的是時間同步裝置相應(yīng)的類，它的設(shè)計是為了表示各個測量值的同步信息，如基準(zhǔn)相位以及基準(zhǔn)參考點的信息等。實現(xiàn)全網(wǎng)同步監(jiān)測系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)是高精度絕對時間的獲得。高精度時間的獲得不僅是采用相量形式描述系統(tǒng)行為的基礎(chǔ)，也是不同地點觀測數(shù)據(jù)之間同步性的基本保證，所以有關(guān)時間同步的信息描述非常重要。它的固有屬性是絕對時間、時間的偏移量、基準(zhǔn)站的地址，同時它也從PowersystemResource繼承屬性。它的關(guān)聯(lián)關(guān)系是每個相角測量必對應(yīng)某一個時間點。

Phase measurement device類是相角測量裝置類，它從發(fā)電機組側(cè)或者各關(guān)鍵母線等處獲得對應(yīng)量的相角信息。它只是繼承 PowersystemResource的屬性。固有關(guān)聯(lián)是一個相角測量裝置可以給一個或多個模擬量輸入提供模擬信號；一個相角測量裝置信號連接一個特定端子，同時它也繼承了PowersystemResource的關(guān)聯(lián)。

PMU類是相量測量單元類，它的固有屬性是PMU的安裝地址，測量類型，傳輸協(xié)議，控制中心地址等。同時繼承PowersystemResource的屬性。固有關(guān)聯(lián)是每個 PMU包含于一個或多個掃描塊，同時繼承PowersystemResource關(guān)聯(lián)。

5 結(jié)論

本文通過對目前EMS與WAMS兩個系統(tǒng)的特點分析，并在深入研究 IEC61970標(biāo)準(zhǔn)下建立兩者的統(tǒng)一公共信息模型，并給出部分關(guān)鍵類的屬性信息。目的是為了使兩個系統(tǒng)信息集成，可以使得不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換，同一系統(tǒng)不同應(yīng)用之間互聯(lián)互操作，這樣不但可以降低系統(tǒng)集成成本和保護用戶資源，同時也可以提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制力，為兩者下一步一體化集成做好準(zhǔn)備。

[1] IEC61970. Energy Management System Application Program Interface (EMS-API) Part 301: Common Information Mod-el (CIM) Base Draft Revision5[S]. 1999.

[2] IEC61970. Energy Management System Application Program Interface (EMS-API) Part 303: Common Information Mod-el (CIM) Base Draft Revision5[S]. 1999.

[3] 汪華.基于公共信息模型的電網(wǎng)建模[J].電網(wǎng)技術(shù),2008, 32(2):186-188.

[4] 鞠 平,鄭世宇,徐 群等.廣域測量系統(tǒng)的研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,24(7):39-40.

[5] 黎作明.基于新一代能量管理系統(tǒng)的IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用[J].廣東電力,2009,22(4):30-34.

[6] 林慶紅,劉學(xué)松,姜正豪.新一代能量管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化,1999,23(17):45-47.

[7] 張慎明,劉國定.IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)系列簡介[J].電力系統(tǒng)自動化,2002,26(14):1-6.

[8] 洪建燕,程寧.廣域相量測量系統(tǒng)的原理及運用[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008,21(2):34-35.

[9] 常乃超,蘭洲,甘德強.等廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)分析及控制中的應(yīng)用綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(10):46-52.

[10] 潘凱巖,寇強,鄭濤, 覃智君.基于公共信息模型的 EMS/DMS/DTS一體化設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(18): 62-65.

[11] 毛安家,郭志忠.與SCADA互補的WAMS中PMU的配置及數(shù)據(jù)處理方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(8)71-74.

[12] 孫宏斌,張伯明. EMS/DTS一體化系統(tǒng)設(shè)計[J].中國電力,1999,32(8).

For EMS/WAMS Unified Information Mode is Constructed Based on IEC61970Standard

Song Zhanhui Wang Qian
(School of Electrical Engineering of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

In view of the present energy management system and the wide-area measurement system between has no unified information model，and can't concentrate dynamic monitoring and control complex electric power system present situation，to the IEC 61970standard common information model CIM is studied，and combining with the respective characteristic of EMS WAMS in power system and its application， built the EMS/IEC61970standard CIM WAMS unified information model, And defines the main CIM classes， and their corresponding attribute information.

power system；energy management system；supervisory control and data acquisition；IEC61970；CIM；wide-area measurement system

宋戰(zhàn)慧（1986-），男，碩士研究生，籍貫陜西研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度及其自動化、繼電保護。

王 倩（1962-），女，教授，籍貫重慶市，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度及自動化。