基于數(shù)據(jù)分類的JENA法在CIM的應(yīng)用研究

雷明 邵英 鄧?yán)钪仃?/p>

（1. 中國人民解放軍91515部隊(duì), 海南 三亞 572016；2. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 武漢 430033）

0 引言

電力系統(tǒng)自動(dòng)化正不斷向著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和集成化的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的信息和功能共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家獨(dú)立開發(fā)的能量管理系統(tǒng)（EMS）應(yīng)用的集成以及對(duì) EMS和其他系統(tǒng)的集成[1]。由國際電工委員會(huì)57技術(shù)委員會(huì)制定的IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)主要定義了能量管理系統(tǒng)公共信息模型CIM（Common Information Model）和組件接口規(guī)范 CIS（Component Interface Specification）兩方面的內(nèi)容。其中 CIM 是一個(gè)面向?qū)ο蟮某橄髷?shù)據(jù)模型，正是這種CIM模型的提出，有時(shí)候很好地解決系統(tǒng)“信息孤島”問題。它表示包含在 EMS信息模型中的電力企業(yè)的所有主要對(duì)象。通過提供一種用對(duì)象類和屬性及它們之間的關(guān)系來表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法[2]。CIM對(duì)電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和對(duì)象進(jìn)行建模，為異構(gòu)環(huán)境下的各系統(tǒng)提供一種通用的電力系統(tǒng)資源模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間在接口層上的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享。

然而我們知道傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)大多采用關(guān)系或?qū)哟文Ｐ?，而基于CIM的數(shù)據(jù)模型卻是面向?qū)ο蟮摹＿@兩者間不匹配的問題已嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、集成性和互操作性。因此如何在面向關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入導(dǎo)出這種面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型是一個(gè)亟需解決的問題。

本文在介紹一種基于JENA法對(duì)CIM數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)入導(dǎo)出的同時(shí)，根據(jù)其基本原理以及系統(tǒng)功能特點(diǎn)討論了一種基于數(shù)據(jù)分類的改進(jìn)方法。這種方法結(jié)合了傳統(tǒng)映射法和基于 RDF的JENA法兩者的優(yōu)點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種改進(jìn)方法的可行性和有效性。

1 基于JENA法的基本原理

IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能應(yīng)用構(gòu)建相關(guān)類對(duì)象，利用Rational Rose建模工具對(duì)其進(jìn)行 CIM 建模，并采用 CIM RDF Schema元數(shù)據(jù)框架把CIM模型轉(zhuǎn)換為包含電力系統(tǒng)模型信息的CIM/XML文檔。為解決上述不匹配等問題，需要將這種CIM/XML文檔導(dǎo)入導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。其中導(dǎo)入操作是將CIM/XML文檔轉(zhuǎn)化為實(shí)際電路模型，把系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)轉(zhuǎn)化為符合自身數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)并存入自身數(shù)據(jù)庫；導(dǎo)出操作時(shí)是把系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為CIM/XML文檔。

既然 CIM 在形式上是通過資源描述框架語言RDF（Resource Description Framework）來描述各種電力系統(tǒng)中的對(duì)象與對(duì)象間的關(guān)系，即CIM/XML本質(zhì)上是基于RDF技術(shù)的。那么就可以直接使用基于 RDF工具來對(duì)其進(jìn)行解析與處理[3]。JENA就是這樣一個(gè)由HP實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的表示和處理半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的Java開源工具[4]。JENA充分利用RDF的特點(diǎn)直接基于RDF技術(shù)對(duì)CIM數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)、解析、查詢、管理等基本操作（如圖 1）。

文獻(xiàn)[3]中提到的這種直接基于RDF的JENA法，在生成與查詢CIM/XML過程中無需如傳統(tǒng)方法那樣定義映射規(guī)則，避免了在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型映射。且構(gòu)建CIM的RDF模型不再是以手工的方式，而是通過JENA的相關(guān)工具自動(dòng)生成，使得對(duì)CIM數(shù)據(jù)的查詢變得簡捷與高效。

圖1 基于RDF的JENA法處理CIM數(shù)據(jù)

雖然這種基于RDF的JENA法在處理CIM數(shù)據(jù)模型過程中非常有效，但也存在著一些問題。如在整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程中，都是將電力系統(tǒng)大對(duì)象的所有數(shù)據(jù)單純地作為一個(gè)整體來處理。而在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中存放多套結(jié)構(gòu)類似的控制與被控?cái)?shù)據(jù)，在圖形用戶界面（GUI）上顯示或刷新數(shù)據(jù)時(shí)，要編寫多段類似刷新程序，代碼編寫與維護(hù)工作量大，新增功能困難[5]。對(duì)于大型復(fù)雜電力系統(tǒng)而言，其所產(chǎn)數(shù)據(jù)量大，流向錯(cuò)綜復(fù)雜，聯(lián)系緊密，這種整體的處理方式勢必造成各個(gè)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流向不合理甚至不流通而得不到共享，增加了系統(tǒng)參數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)維護(hù)的難度。且這種以串行執(zhí)行為主的單任務(wù)處理方式在時(shí)間上有依賴性，對(duì)數(shù)據(jù)的處理產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展[6]，無法在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中完整而有效地存儲(chǔ)、表達(dá)和查詢 CIM 數(shù)據(jù)。本文在參考以上優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí)，討論的這種基于數(shù)據(jù)分類的改進(jìn)方法，可以很好地解決上述問題。

2 基于數(shù)據(jù)分類的JENA法設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于數(shù)據(jù)分類的JENA法設(shè)計(jì)思路

能量管理系統(tǒng)作為一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理為一體的信息流對(duì)能量流的大型綜合管理系統(tǒng)，其功能的最終操作對(duì)象都是數(shù)據(jù)，而操作數(shù)據(jù)的速度快慢直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞。由于各應(yīng)用子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)不同，所監(jiān)測到電力對(duì)象的數(shù)據(jù)性質(zhì)也有所不同。為便于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分布式流向，確保數(shù)據(jù)信息的完整，優(yōu)化數(shù)據(jù)的運(yùn)行效率，提高電力系統(tǒng)信息處理和控制響應(yīng)速度。應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)和性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)分類處理和存取。因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行CIM建模前，需了解系統(tǒng)的功能特性和結(jié)構(gòu)組成，通過對(duì) EMS在實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分析研究，梳理清晰各應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模、類型、存取要求等內(nèi)容。對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行中基本不變或者緩慢變化的基本數(shù)據(jù)，由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)相對(duì)較少，可結(jié)合傳統(tǒng)映射方法的優(yōu)點(diǎn)，在存儲(chǔ)、檢索與處理CIM數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)類與類之間的三種關(guān)系（泛化關(guān)系、聚合關(guān)系與簡單關(guān)聯(lián)）定義相應(yīng)的映射規(guī)則，在關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫中建立相關(guān)的數(shù)據(jù)字典，讓面向?qū)ο蟮腃IM數(shù)據(jù)模型和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作一一映射，實(shí)現(xiàn)類及類之間的關(guān)系映射成相應(yīng)的表。而對(duì)于一些實(shí)時(shí)經(jīng)常變動(dòng)的數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@部分?jǐn)?shù)據(jù)大，若采用映射方法，這將不可避免地生成很多關(guān)系表來表達(dá)復(fù)雜的CIM關(guān)系，使得數(shù)據(jù)庫表數(shù)量增多，帶來數(shù)據(jù)庫維護(hù)的嚴(yán)重困難，且容易出錯(cuò)，大大影響了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性。因此可利用JENA法實(shí)時(shí)高效的優(yōu)點(diǎn)，一起存取到CIM數(shù)據(jù)庫。

2.2 基于數(shù)據(jù)分類的JENA法實(shí)現(xiàn)

能量管理系統(tǒng)在實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，在各個(gè)回路的開關(guān)以及節(jié)點(diǎn)間要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸。要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。首先需對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如圖 2）組成有一個(gè)清晰認(rèn)識(shí)?？v向表示電力系統(tǒng)不同對(duì)象之間的關(guān)系，橫向可以根據(jù)其數(shù)據(jù)的不同性質(zhì)進(jìn)行分類[7]。

圖2 電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析后，在深入了解電力系統(tǒng)各功能模塊，以及其軟件和硬件構(gòu)成的基礎(chǔ)上，通過對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分析研究，可將數(shù)據(jù)分為如下幾類：

1） 基本數(shù)據(jù)

主要是電力系統(tǒng)運(yùn)行中基本不變或者緩慢變化的數(shù)據(jù)，如供電設(shè)備及其控制系統(tǒng)的參數(shù)、配電設(shè)備的配置及其參數(shù)、量測設(shè)備的配置及其參數(shù)；如額定電壓、線路型號(hào)、電力系統(tǒng)基本的電氣連接關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系等。

2） 實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)

主要是指來自底層的綜合智能監(jiān)控模塊（或者智能終端）采集的實(shí)時(shí)模擬量、數(shù)字量等信息；如一些有功功率、無功功率、電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、變壓器等實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)。

3） 歷史數(shù)據(jù)

主要是在總結(jié)數(shù)據(jù)運(yùn)行規(guī)律時(shí)得到的一些運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析、故障查詢和模擬訓(xùn)練等有很大的作用；如一些靜態(tài)安全分析運(yùn)算結(jié)果、故障分析運(yùn)算結(jié)果等。

4） 臨時(shí)數(shù)據(jù)

主要是電力系統(tǒng)的一些高級(jí)應(yīng)用軟件中自動(dòng)形成和待自動(dòng)清除的數(shù)據(jù)。例如，潮流計(jì)算中產(chǎn)生的導(dǎo)納矩陣等；

對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后，對(duì)不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)不同的處理方法。如基本數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)少且相對(duì)固定，宜采取定義基于類間關(guān)系的數(shù)據(jù)類型映射方法，將共享數(shù)據(jù)以表的形式映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，不僅簡單有效，而且數(shù)據(jù)查詢方便；而實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)這類實(shí)時(shí)變化快且量大，宜采用JENA自動(dòng)生成方法。這種基于數(shù)據(jù)分類的處理方法，為面向?qū)ο蟮腃IM數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入導(dǎo)出到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫提供了一條有效途徑（如圖3）。

3 基于數(shù)據(jù)分類JENA法的優(yōu)點(diǎn)

本文通過在實(shí)驗(yàn)室中的小比例電力系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)的JENA法進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)果表明該法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，數(shù)據(jù)傳輸快速。對(duì)于變化不大的基本數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)而言，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不必進(jìn)行頻繁傳輸且這種分類方法能靈活處理應(yīng)用功能間的協(xié)調(diào)配合，方便新增功能，減少程序代碼的重復(fù)量，并可大量節(jié)約內(nèi)存和磁盤空間的開銷。

2）數(shù)據(jù)處理簡單快捷。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)都要涉及到大量的數(shù)據(jù)需處理。這種基于不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)分類方法，使數(shù)據(jù)分布明確，數(shù)據(jù)處理目的性強(qiáng)。因此，在對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除和備份時(shí)，可以較快地找到相應(yīng)的區(qū)進(jìn)行不同處理，而不是采用傳統(tǒng)循環(huán)查詢的方法，大大縮短了訪問時(shí)間，不易混淆出錯(cuò)，使數(shù)據(jù)庫維護(hù)變得更為簡單快捷，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖3 基于分類的JENA法處理CIM數(shù)據(jù)

3）方便總結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律。為了維護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，在很多時(shí)候需要將運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究，總結(jié)其規(guī)律，從而應(yīng)用于分析系統(tǒng)的狀態(tài)和故障等功能。將這部分結(jié)果數(shù)據(jù)作為一個(gè)區(qū)單獨(dú)進(jìn)行處理，在不同的節(jié)點(diǎn)以及開關(guān)等操作下互不影響，最大限度地發(fā)揮了對(duì)歷史數(shù)據(jù)研究的效應(yīng)。

4）結(jié)合了傳統(tǒng)映射法和基于 RDF的 JENA法兩者優(yōu)點(diǎn)?？梢院芎玫脑陉P(guān)系型數(shù)據(jù)庫中表達(dá)CIM模型，從而解決了面向關(guān)系或?qū)哟蔚臄?shù)據(jù)庫如何存取面向?qū)ο蟮腃IM數(shù)據(jù)模型問題，為下一步系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口以及構(gòu)建綜合電力系一體化平臺(tái)打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

為了在電力系統(tǒng)中更為簡便快捷地導(dǎo)入導(dǎo)出CIM數(shù)據(jù)模型，本文對(duì)基于RDF的JENA法進(jìn)行了數(shù)據(jù)分類，對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)數(shù)據(jù)梳理清晰后，根據(jù)其不同的性質(zhì)進(jìn)行分類管理。這種改進(jìn)方法結(jié)合傳統(tǒng)映射法與基于RDF的JENA法兩者的優(yōu)點(diǎn)，通過在實(shí)驗(yàn)室中小比例供配電管理系統(tǒng)的驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)果表明本方法可行有效，具有數(shù)據(jù)處理簡單快捷、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)、增大數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)。

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