基于CIM和SOA的主動配電網(wǎng)信息集成

吳 善，王澤仁

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州檢修分公司，江蘇 徐州 221000；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211167)

0 引言

隨著大量分布式電源(distributed generation，DG)、儲能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)及電動汽車(electric vehicle，EV)等新型電力設備的接入，主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)作為智能配電網(wǎng)未來的一種發(fā)展模式已經(jīng)受到越來越多的關注和重視[1-2]。ADN的概念于2008年國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)由配電系統(tǒng)和分布式發(fā)電技術專委會(system and distributed generation technology committee， SC6)提出。主動配電網(wǎng)中大量DG，ESS及EV等柔性負荷，為用戶提供與電力企業(yè)間的雙向互動服務，使得配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單向單電源供電、被動控制變成了雙向多電源供電、主動控制。

配電網(wǎng)集成了多套自動化系統(tǒng)，例如配電管理系統(tǒng)(DMS)、停電管理系統(tǒng)(OMS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)、營銷系統(tǒng)(CS)、95598系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)控、綜合可視化平臺等。各個應用系統(tǒng)之間存在著不同的操作系統(tǒng)、應用軟件、系統(tǒng)軟件相互交織，給構建企業(yè)信息集成環(huán)境造成了極大的不便。配電網(wǎng)本身的數(shù)據(jù)規(guī)模和類型已經(jīng)相當巨大和復雜，而主動配電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的最大特點之一表現(xiàn)在接入的微電網(wǎng)、儲能單元、分布式發(fā)電單元、電動汽車以及用戶和電網(wǎng)之間的雙向互動，這些需求又將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，使得不同系統(tǒng)間的信息交互愈發(fā)困難。因此亟須采用一種標準的電網(wǎng)公共信息模型(common information model， CIM)和基于面向服務的架構(service-oriented architecture， SOA)來解決各應用之間的數(shù)據(jù)交互和信息集成問題，為主動配電網(wǎng)的高級應用開發(fā)提供標準、開放的平臺，實現(xiàn)各類系統(tǒng)和應用之間的“即插即用”[3-6]。

下面根據(jù)我國主動配電網(wǎng)的結(jié)構特點和應用要求，基于公共信息模型（CIM）、組件接口規(guī)范(CIS)、面向服務的架構(SOA)及電力GIS系統(tǒng)設計了主動配電網(wǎng)信息集成平臺。在江蘇方天電力技術有限公司電力GIS平臺上進行應用，并對電動汽車充電預約流程進行升級改造，實現(xiàn)電網(wǎng)可視化。

1 主動配電網(wǎng)信息集成需求

根據(jù)我國配電網(wǎng)各業(yè)務功能的特點，電力企業(yè)開發(fā)了多套不同的應用系統(tǒng)。隨著電網(wǎng)規(guī)模和信息量的不斷擴大，原有的信息表現(xiàn)方式將難以完整、直觀、便捷地向有關部門傳遞配電網(wǎng)各類豐富的生產(chǎn)業(yè)務信息。為消除信息孤島，擴大配電網(wǎng)信息的覆蓋面，2011年國家電網(wǎng)公司建立了國網(wǎng)公司企業(yè)公共信息模型(SG-CIM)；2012年國家科技部啟動了包含主動配電網(wǎng)間歇式能源等課題的研究發(fā)展計劃；2019年提出利用泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建立智慧信息服務系統(tǒng)；2020年國家提出大力發(fā)展以大數(shù)據(jù)和云計算等為核心的新基建。

隨著主動配電網(wǎng)的興起，分布式電源、儲能及電動汽車等新型電力設備大量接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)中數(shù)據(jù)產(chǎn)生和需求巨大，如配電網(wǎng)相關區(qū)域的天氣信息、電動汽車充電站選址信息以及雙向智能電表中用戶采集信息等都將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)電網(wǎng)信息集成和數(shù)據(jù)共享，構建數(shù)字化電網(wǎng)、信息化企業(yè)，必須遵循IEC 61970/968標準，運用SOA架構將與配電網(wǎng)相關的系統(tǒng)進行整合，把配電網(wǎng)設備數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)、電網(wǎng)圖形和地理圖形集成在一起，全面實行信息共享與業(yè)務集成，這對提升主動配電網(wǎng)管理水平、提高電能質(zhì)量、保障配電網(wǎng)安全運行等方面都具有重要意義。

2 主動配電網(wǎng)信息集成平臺

2.1 信息集成平臺構成

2.1.1 基于CIM的數(shù)據(jù)集成

IEC 61968，IEC 61970和IEC 61850公共信息模型是智能電網(wǎng)的核心標準之一[7-8]，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型解決了各個應用系統(tǒng)之間所交換的信息都必須具有共同的含義的問題，使各個應用系統(tǒng)可以在任何領域進行集成。CIM在這三個不同的IEC標準系列中進行標準化，IEC 61970標準主要提供了能量管理系統(tǒng)應用程序接口(EMS-API)，IEC 61968 通過配電信息交換建模所需的對象，對IEC 61970上的基礎數(shù)據(jù)模型和更多的對象進行了擴展。IEC 61850則提供了變電站智能電氣裝置(IED)之間的標準接口和交互規(guī)范。國家電網(wǎng)公司也根據(jù)IEC標準建立了SG-CIM標準。

現(xiàn)如今CIM應用已遠遠超過原來設計的接口標準的概念，其核心應用得到了擴展和延伸，不僅作為一種接口標準對公共事業(yè)公司內(nèi)部或各系統(tǒng)之間語義交換進行定義，更在統(tǒng)一接口、結(jié)構模型、市場通信和數(shù)據(jù)交換等方面發(fā)揮著重要的作用。文獻[9]對儲能、電動汽車及智能配電臺區(qū)公共信息模型進行了描述，為主動配電網(wǎng)信息集成奠定了基礎。

2.1.2 基于SOA的業(yè)務服務集成

基于面向服務的架構(SOA)可以促進在不同的軟件間進行服務合成，是企業(yè)應用集成方面比較先進和成熟的技術。目前已經(jīng)將IEC 61968改為完全符合面向服務的架構，使得電力企業(yè)可以按照模塊化的方式來添加新服務或更新現(xiàn)有服務，形成統(tǒng)一業(yè)務集成平臺。從而實現(xiàn)配電網(wǎng)生產(chǎn)服務管理數(shù)據(jù)共享、流程互通，支撐業(yè)務融合，實現(xiàn)各個功能模塊平臺的統(tǒng)一化、數(shù)據(jù)庫的一致性和數(shù)據(jù)共享，使得各部門的服務業(yè)務可以在公司層面統(tǒng)一設計、統(tǒng)一維護，提高業(yè)務的集成度。

企業(yè)服務總線(enterprise service bus， ESB)架構是IEC 61968標準提出的，同時，ESB是完全依據(jù)SOA架構的服務總線要求設計的，是一種松耦合的服務和應用之間的集成方式，是SOA的具體實現(xiàn)方式之一，它是目前信息集成的理想解決方案。SOA/ESB的出現(xiàn)為電力企業(yè)體系架構提供了更加靈活的構建方式。它獨立于實現(xiàn)服務的不同計算機平臺、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理平臺，使得在構建各種業(yè)務服務時可以使用統(tǒng)一的交互方式，這為電力企業(yè)業(yè)務的擴展打下了基礎，解決了企業(yè)部門間的信息交互，消除了信息孤島，實現(xiàn)了信息共享。

2.1.3 數(shù)據(jù)交互

組件接口規(guī)范(CIS)是一種信息交互數(shù)據(jù)的標準接口規(guī)范，CIM解決了數(shù)據(jù)模型之間的描述問題，而CIS提供了一個標準規(guī)范的接口來傳輸信息。通過標準化的方式使那些組件或應用程序使用這些接口，實現(xiàn)他們所希望的與其他組件和應用程序之間進行的數(shù)據(jù)交換，或者獲得公共可用數(shù)據(jù)。主動配電網(wǎng)中存在著大量的信息交互，有些數(shù)據(jù)耦合緊密，如配電網(wǎng)調(diào)度和保護等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對實時性要求高，需采用高速數(shù)據(jù)訪問(HSDA)；有些數(shù)據(jù)較分散，如分布式電源等設備的狀態(tài)監(jiān)測信息、氣象信息及設備運行、用戶營銷信息等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對實時性要求較低，可以采用通用數(shù)據(jù)訪問(GDA)。與主動配電網(wǎng)結(jié)合緊密的各個應用系統(tǒng)對應不同類型的數(shù)據(jù)，選用不同的數(shù)據(jù)交互規(guī)范來進行共享。要根據(jù)設計的不同的應用開發(fā)所需的不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)來使用相應接口，方便和其他系統(tǒng)進行應用集成。

主動配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式應通過基于消息機制的總線，具有正、反向物理隔離裝置，實現(xiàn)信息交互的雙向流動，中間件服務應遵循IEC 61968標準，采用SOA技術，各個應用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互架構如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)交互架構

2.1.4 基于GIS的電網(wǎng)可視化

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)在配電網(wǎng)中具有重要的應用價值，如資產(chǎn)管理、設備檢修、電網(wǎng)規(guī)劃等。地理信息具有真實、直觀的特點，是主動配電網(wǎng)信息集成及可視化的重要組成部分。通過增設ESB設計出如圖2所示的基于SOA的電力GIS集成架構。電力GIS平臺不僅為主動配電網(wǎng)提供了一個基于地理信息的運行管理平臺，更使各個應用系統(tǒng)在此基礎上形成集成統(tǒng)一。地理標記語言(GML)可以作為一個公共的地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式標準，亦可作為地理數(shù)據(jù)實時傳輸協(xié)議，進行互操作。電網(wǎng)GIS中的電網(wǎng)模型融合了IEC 61970/968中的CIM建模技術，數(shù)據(jù)接口也要基于CIM數(shù)據(jù)模型。以電網(wǎng)資源的空間結(jié)構及位置信息和圖形可視化為核心，利用CIM XML來描述電網(wǎng)拓撲結(jié)構與數(shù)據(jù)模型，是實現(xiàn)主動配電網(wǎng)高級應用開發(fā)的重要工具之一。

圖2 電力GIS集成架構

2.2 信息集成平臺架構

基于公共信息模型(CIM)、面向服務的架構(SOA)、組件接口規(guī)范(CIS)及電力GIS系統(tǒng)設計了主動配電網(wǎng)信息集成平臺。一體化信息集成平臺是一個分層多框架平臺體系，其構成如圖3所示，在層次上從下到上依次分為集成總線層、應用服務層及語義模型層。

圖3 信息集成平臺架構

(1) 集成總線層分為數(shù)據(jù)集成層和應用集成層。數(shù)據(jù)集成層以擴展的CIM模型和數(shù)據(jù)倉庫為核心，結(jié)合主動配電網(wǎng)應用系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)形成了基于IEC 61970/968的數(shù)據(jù)集成框架。應用集成層以主動配電網(wǎng)各種管理服務的連接、轉(zhuǎn)換及流程管理為核心，結(jié)合業(yè)務應用實現(xiàn)了主動配電網(wǎng)的各種應用業(yè)務邏輯。

(2) 應用服務層以ESB技術為核心，結(jié)合配電網(wǎng)中的各種流程管理服務及應用形成了基于SOA的基礎框架。應用服務層分別面向跨越安全I/II區(qū)和安全III/IV區(qū)的主動配電網(wǎng)實時和生產(chǎn)相關的應用系統(tǒng)之間的信息交換。

(3) 語義模型層基于IEC 61970/968 CIM模型及SG-CIM模型為主動配電網(wǎng)提供標準交互模型，是信息平臺的基礎。

三層之間以通信鏈路作為紐帶，提供可用的有線和無線的通道，實現(xiàn)信息雙向互動。主要采用的通信信道有光纖專網(wǎng)、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)及230 MHz無線專網(wǎng)等。

3 主動配電網(wǎng)信息集成平臺高級應用開發(fā)

3.1 配電搶修

傳統(tǒng)的配電搶修采用的是被動的搶修方式，主要通過電力用戶95598系統(tǒng)進行報修，不能準確地對相關故障進行描述并且容易重復報修，嚴重影響了搶修效率。主動配電網(wǎng)搶修工作對于信息的準確性和集成度具有很高要求。在傳統(tǒng)的配電搶修中運檢搶修人員只能由搶修指揮中心單向指揮，無法承接配網(wǎng)調(diào)度中心指令；而基于一體化信息集成平臺，將配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、95598系統(tǒng)、配電搶修系統(tǒng)等多個自動化系統(tǒng)集成起來(見圖4)，實現(xiàn)運檢搶修人員與指揮中心、配網(wǎng)調(diào)度之間的雙向溝通，避免了信息重疊，提高搶修準確度。搶修指揮中心承接、合并95598系統(tǒng)的報修工單，同時監(jiān)視配電統(tǒng)一搶修隊伍、搶修車等搶修力量，實時跟蹤現(xiàn)場搶修情況。搶修隊伍按照搶修指揮中心指令，限時到達現(xiàn)場，查找、隔離故障點，將故障情況匯報搶修指揮中心及配網(wǎng)調(diào)度，經(jīng)過調(diào)度中心許可后指揮中心恢復送電，同時95598系統(tǒng)對報修客戶進行回訪，地市公司開展搶修事后評估工作。

圖4 配電搶修集成架構

3.2 故障定位與可視化展示

根據(jù)設計的主動搶修流程，在江蘇方天電力技術有限公司電力GIS平臺現(xiàn)場試運行，通過故障定位功能和航拍圖對故障點、計劃停電點、搶修班組、物資點、保供電設備、指揮中心進行全局展示，能對當日的搶修任務、搶修資源、計劃停電、影響損失等4個維度的信息進行實時統(tǒng)計，便于指揮人員全面掌控搶修態(tài)勢，支撐指揮決策。實現(xiàn)在GIS上可視化展示停電信息、搶修資源、搶修任務信息，提供搶修狀態(tài)、電源名稱、報修時間、故障地址、故障描述、所屬站線、故障來源等信息的查看，可大幅提高搶修運行人員工作效率，實現(xiàn)電網(wǎng)可視化。

4 結(jié)論

主動配電網(wǎng)被視為解決日益突出的環(huán)境、經(jīng)濟、可靠性等問題的有效途徑，是智能配電網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢?；诠残畔⒛Ｐ?CIM)、組件接口規(guī)范(CIS)、面向服務的架構(SOA)及電力GIS系統(tǒng)設計了主動配電網(wǎng)信息集成平臺，并對配電主動搶修規(guī)范進行了升級改造，有效消除信息系統(tǒng)孤島，動態(tài)分享配電、用電、搶修各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，為主動配電網(wǎng)的一體化規(guī)劃和運行打下了基礎，也為電網(wǎng)的可靠運行提供保障。