基于CIM模型的智能變電站和調度中心互操作研究

朱伯通，程志海，唐志強，蔣 維

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展[1-3]，國際電工委員會制定了IEC61970 和IEC61850 等標準，IEC61970 標準主要針對調度中心系統(tǒng)，CIM 模型定義了電力系統(tǒng)中設備和功能的模型，給出了典型數(shù)據(jù)的描述[4]。IEC61850 標準針對的是變電站系統(tǒng)，對象模型對變電站的一次結構、智能電子設備和通信系統(tǒng)進行建模[5]。由于技術和標準在制定和開發(fā)過程中存在一定的差異，造成調度中心系統(tǒng)和智能變電站系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的困難[6-7]。

文獻[8]通過分析模型結構和數(shù)據(jù)結構的差異，創(chuàng)建了CIM 模型和對象模型的整合模型，并采用數(shù)據(jù)映射的方法實現(xiàn)了模型的互操作，但在對模型結構和內容的分析上，沒有深入研究類、關系及其屬性的協(xié)調方法。文獻[9-11]研究了在不同平臺不同系統(tǒng)下，利用XML 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的可行性，然而文獻中沒有分析XML 文檔與CIM XML 文檔轉換實現(xiàn)的方法。

本文分析了CIM 模型和對象模型的體系結構，通過對模型的類、關系以及屬性的協(xié)調，實現(xiàn)模型互操作，通過設計數(shù)據(jù)交換實驗平臺，實現(xiàn)調度中心系統(tǒng)和智能變電站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

1 模型體系分析

國際電工委員會創(chuàng)建了IEC61970 的CIM 模型和IEC61850 的對象模型，用來描述現(xiàn)實世界中電力系統(tǒng)的設備和功能。模型在創(chuàng)建上依據(jù)抽象程度的不同可以劃分為三個層次[12]，分別為系統(tǒng)實例層、系統(tǒng)模型層以及元模型層。系統(tǒng)實例是實際應用中的系統(tǒng)和功能，能夠完成工作所要求的任務。系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)實例的抽象化，是對實際系統(tǒng)和功能的抽象描述。而元模型是對系統(tǒng)模型的抽象化，描述了建立模型的方式、模型的語義等，是對建模的規(guī)范性定義。模型的三層體系如圖1所示。

圖1 模型體系分析Fig.1 Model system analysis

基于UML 的元模型定義了各種模型元素，IEC61850 定義了類、屬性以及操作等基本元素，而IEC61970 定義了類、屬性以及關系等基本元素。系統(tǒng)模型是對元模型的實例化，將實際對象抽象為類，如斷路器被抽象為斷路器類Breaker。系統(tǒng)實例為實際的對象，其中包含了物理設備和功能。

在設備的實例化過程中，系統(tǒng)模型利用元模型定義的基本元素解析抽象類中所包含的內容，而系統(tǒng)實例將系統(tǒng)模型層面的抽象類進行具體化，如定義編號、名稱等具體信息。以IEC61850 中斷路器模型的實例化過程為例，首先在元模型層定義三種元素，分別為類元素Class、屬性元素Attribute 和操作元素Operation，在系統(tǒng)模型層，利用基本元素定義斷路器類Breaker，屬性名稱name 和屬性編號id，以及投運、停運、檢修等操作。而在系統(tǒng)實例層，通過賦予各元素具體信息來實現(xiàn)實例化，如編號定義為126，名稱定義為Breaker_126 等，具體的實例化過程如圖2所示。

圖2 模型實例化過程Fig.2 Model instantiating process

2 模型差異分析

由于兩種標準的建模粒度不同，造成CIM 模型和對象模型之間存在一定的差異，例如IEC61850中的保護模型比CIM 模型中的保護模型要更加具體，而在拓撲模型上，CIM 模型定義的更加完整。以變電站模型為例，IEC61850 定義的變電站模型描述了變電站的一次設備以及這些設備之間的電氣連接關系，并且通過一次系統(tǒng)元素的邏輯節(jié)點定義了其系統(tǒng)功能，如圖3所示。

圖3 IEC61850 的變電站模型Fig.3 Substation model of IEC61850

CIM 模型對變電站模型的描述是通過設備容器進行的，容器類是變電站設備類的基類，而設備容器類繼承于設備類，這就為CIM 模型提供了很大的靈活性，可以使模型適應于不同的國際慣例以及各種不同的差異，變電站模型如圖4所示。

圖4 IEC61970 的變電站模型Fig.4 Substation model of IEC61970

比較圖3 和圖4，IEC61850 和IEC61970 在對變電站模型的定義上存在不同。在類的定義上，IEC61850 定義了非導電設備類tGeneralEquipment、功能類tFunction、子功能類tSubFunction，以及與變電站設備功能有關的邏輯節(jié)點容器類tLNode Container 等。而在IEC61970 中沒有這些類。在關系的定義上，IEC61970 的間隔類Bay 與電壓等級類VoltageLevel 和變電站類Substation 之間都存在簡單關聯(lián)的關系，而在IEC61850 中，間隔類tBay 與變電站類tSubstation 沒有這種關系。

通過以上分析可以看出，IEC61850 的模型和IEC61970 的模型無論在建模方式還是建模力度上都存在不同，這就造成了模型在結構和內容上差異，主要表現(xiàn)在以下幾點：

1）模型類存在差異，由于建模內容不同，標準各自定義了一些獨有的類，如CIM 模型中定義了保險絲類Fuse，在IEC61850 中沒有這個類的定義。

2）模型關系存在差異，CIM 模型中定義的類之間的關系都是雙向的，這為建模帶來了靈活性，而在對象模型中，大部分類之間的關系是單向的。

3）模型屬性存在差異。

3 模型的協(xié)調

由于調度系統(tǒng)和智能變電站系統(tǒng)依據(jù)不同的標準建立，而標準之間又存在差異，造成系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的困難。由圖1 可以看出，系統(tǒng)實例層面的數(shù)據(jù)交換是基于模型層面的互操作實現(xiàn)的，而模型的互操作要求不同模型之間在內容和結構上達到一致，因此需要將模型定義的類、關系以及屬性進行協(xié)調。

3.1 類的協(xié)調

CIM 模型根據(jù)調度系統(tǒng)的需求對電網(wǎng)中設備和功能等進行建模，定義的類只需要對實際工程中需要的信息進行描述，不需要深入細節(jié)，而對象模型基于完整的變電站系統(tǒng)，在對模型的定義上更加詳細。因此要實現(xiàn)模型的協(xié)調，首先要對模型的類進行協(xié)調處理，如圖5所示。

圖5 類的協(xié)調Fig.5 Class interoperation

圖5 中陰影部分表示CIM模型和對象模型中具有相同定義的類，這部分類代表的事物相同，不需要進行協(xié)調，如變電站類Substation、電壓等級類Voltage 等。A 表示CIM 模型中定義，而對象模型中沒有定義的類，如保險絲類Fuse。B 表示對象模型中定義，而CIM 模型中沒有定義的類，如電池類t_Battery。C 表示兩種模型中彼此無關聯(lián)的類。

在類的協(xié)調中，可以采用映射的方式實現(xiàn)，將CIM 模型或對象模型中定義的類補充到對方模型中，如圖中箭頭所示，將A970 中定義的CIM 模型類映射成A850 中的對象模型類，將B850 中定義的對象模型類映射成B970 中的CIM 模型類。

通過類與類之間的映射，可以完善CIM 模型和對象模型的定義，使之更加符合實際應用中兩種系統(tǒng)的需求。

3.2 關系的協(xié)調

在對CIM 模型和對象模型的類進行協(xié)調后，由于增加或者修改了新的類，必然引起新類與標準中固有類之間關系的變化。對新增加的類，在模型中增加此類與其他類的關系，而對刪除的類，則在相關聯(lián)的類中將原來的關系刪除，如圖6所示。

圖6 關系的協(xié)調Fig.6 Relationship interoperation

在圖6 中，類1 是CIM 模型和對象模型共有的類，類5 屬于A970，類3 屬于B850，類4 屬于C850,類1 與類5 之間具有關系1，類1 與類3 之間具有關系2，類3 與類4 之間具有關系3。通過類的協(xié)調，將A970 中的類5 映射成A850 中的類2，B850 中的類3 映射成B970 中的類6。由于映射得到的類2、類6 與類1 之間的關系同原來的類3、類5 一致，因此需要將關系1 映射到類1 與類2 之間，關系2 映射到類1 與類6 之間。由圖中還可以看出，IEC61850定義的類3 與類4 之間還具有關系3，但由于類4僅屬于IEC61850，沒有映射到IEC61970 的類中，因此在類6 中不再保持這種關系。

3.3 屬性的協(xié)調

IEC61850 類的屬性具有“強制”和“可選”兩種特性，而在CIM 模型中，除了各類具有的固定屬性和從基類繼承的屬性外，還具有作用屬性，包括固定作用屬性和從上層基類中繼承的作用屬性，作用屬性表示了兩個相關聯(lián)的類之間的關系。在屬性的協(xié)調過程中，根據(jù)對象模型和CIM 模型的類及關系的協(xié)調，找出發(fā)生變化的類及其關系。以此對模型中的屬性進行補充，如在CIM 模型中，新增加的IEC61850 類，其固有屬性繼承于原對象模型，但還需要根據(jù)CIM 模型定義的方式對屬性進行擴展，增加繼承屬性和作用屬性等，如圖7所示。

圖7 屬性的協(xié)調Fig.7 Attribute interoperation

圖7 中類3 為IEC61850 和IEC61970 共有的類，在將類1 映射到類2 后，類1 與類3 的關系也同樣映射到類2 與類3 之間。類1 的屬性可根據(jù)實際需要分別形成類2 的固有屬性和繼承屬性。由于CIM模型中所有的類都繼承于基類，如命名類Name、電力系統(tǒng)資源類PowerSystemResource 等，因此類2也需要增加從基類繼承的屬性和作用。以電壓等級類VolatageLevel 為例，對象模型只定義了name 和desc，而在CIM 模型中需要增加四個繼承屬性，即Nameing.pathName、Nameing.description、Nameing.name 和Nameing.aliasName，另外還有兩個固定屬性，即highVoltageLimit 和LowVoltage Limit，由于CIM 模型定義的元素關系能夠描述VolatageLevel與其他類之間的關聯(lián)，因此還需要增加作用屬性，其中有固定作用屬性Contains_Bays、BaseVoltage和繼承作用屬性 Contains_Equipments 、OperateBy_Com、PSRType。

4 數(shù)據(jù)交換實驗

4.1 文檔轉換

完成CIM 模型和對象模型的協(xié)調后，可以實現(xiàn)模型層面的互操作，而要實現(xiàn)調度系統(tǒng)和智能變電站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，還需要一定的數(shù)據(jù)載體，IEC 57 工作組提出了通過XML 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在智能變電站系統(tǒng)中，模型利用XML Schema 模式語言解析元模型，定義類、屬性、操作等基本元素，SCL 語言利用這些基本元素對系統(tǒng)模型進行描述，在實際應用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以XML 文檔的形式輸出。同樣地，在調度系統(tǒng)中，CIM 元模型通過RDF Schema 模式語言解析，定義了類、屬性及其關系等元素，RDF 語言對系統(tǒng)模型進行描述，在應用系統(tǒng)中則輸出RDF 文檔（CIM XML 文檔），如圖8所示。

圖8 文檔轉換過程Fig.8 Data exchange process

圖8 中智能變電站系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以XML 文檔A輸出，由于XML 文檔在數(shù)據(jù)結構上與RDF 文檔有差異，因此文檔A 利用RDF Schema 對文檔結構進行處理，形成新的RDF 文檔A，使之符合調度系統(tǒng)的要求，從而實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

4.2 數(shù)據(jù)流程

隨著適配器技術的發(fā)展，不同的適配器可以提供不同的通信機制，可以通過多種方式從目標源中獲得數(shù)據(jù)。本文依據(jù)適配器以及中間件接口技術設計了數(shù)據(jù)交換流程，如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)流程Fig.9 Data flow

接收適配器從變電站系統(tǒng)中獲取相應數(shù)據(jù)，并發(fā)送到接收管道，接收管道將原有數(shù)據(jù)格式轉換成XML 文檔，以XML 消息的方式發(fā)送到基于CIM模型的中間件接口，通過在中間件中將XML 消息的數(shù)據(jù)格式進行轉換，形成符合調度系統(tǒng)要求的RDF 文檔格式，再發(fā)送到發(fā)送管道，發(fā)送管道將文檔轉換為目標應用程序所用的數(shù)據(jù)格式，最后通過發(fā)送適配器與調度系統(tǒng)進行通信。

4.3 結果分析

本文采用微軟開發(fā)的BizTalk 軟件搭建智能變電站系統(tǒng)和調度系統(tǒng)的實驗平臺。BizTalk 是微軟專門為實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和應用程序集成而開發(fā)的產品，它將XML 語言作為描述計算機之間傳送數(shù)據(jù)的平臺。本文利用三臺計算機作為實驗平臺，其中一臺計算機安裝有BizTalk 服務器，作為數(shù)據(jù)交換的中間件，另外兩臺計算機分別模擬智能變電站應用系統(tǒng)和調度應用系統(tǒng)。通過實驗結果表明，將CIM 模型和對象模型進行協(xié)調后，依據(jù)模型創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，能夠很好地實現(xiàn)調度系統(tǒng)和智能變電站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

5 結語

本文將CIM模型和對象模型劃分為三個層次，分別為元模型層次、系統(tǒng)模型層次和系統(tǒng)實例層次，通過分析各個層次之間的關系，找出模型互操作是實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的關鍵，進而提出了對模型類、關系及其屬性的協(xié)調方法。通過對模型的協(xié)調，設計模擬實驗平臺，實現(xiàn)了調度系統(tǒng)和智能變電站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

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