电信科学
主办单位:中国科学技术协会
国际刊号:1000-0801
国内刊号:11-2103/TN
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IEC61970标准在用电信息采集系统中的应用_接口

  论文导读::提出了将IEC61970标准应用于用电信息采集系统的技术方案。本文阐述了用电信息采集系统中基于IEC61970 CIM的建模方法,包括建立建立基于CIM模型的面向对象数据库以及系统模型和CIM的对应关系和模型中的继承和关联关系。本文提出了用电信息采集系统通过CIM/XML方式和其他系统互联的方式以及通过CIM/XML方式交换电网模型和图形的应用。 本文也提出了通过实例介绍了以CIS方式和其他系统互联的方案。

  论文关键词:用电信息采集系统,IEC61970,通用信息模型,通用接口规范,接口

  0引言

  用电信息采集系统是对电力客户的用电信息进行实时采集、处理和监控的系统,实现电力客户的全覆盖和用电信息的全采集,全面支持费控管理,为营销信息系统提供及时、完整、准确的基础数据,为智能用电服务体系提供基础用电信息数据接口,是智能电网用电环节的重要基础。用电信息采集系统可实现电力用户的和购、供电关口的全覆盖和全采集,统一实现购电侧、供电侧、售电侧电能信息的采集与处理,构建完善的电能信息采集与应用平台。用电信息采集系统要求具有很强的开放性和灵活性,可方便地和其他系统包括电力市场技术支持系统、调度自动化系统、调度管理信息系统、综合数据平台系统和营销管理系统等实现信息共享和互操作。

  用电信息采集系统包含大量电力系统运行数据,其中包括电力系统设备元件模型、设备元件的连接拓扑关系、电能量数据、瞬时量数据等。随着电力市场的不断发展,用电信息采集系统的应用范围越来越广,用电信息采集系统迫切需要和其他异构系统实现数据共享,进而为电力市场系统的运营和电力企业的辅助管理决策提供支持。传统的用电信息采集系统通常采用私有的信息模型,和其他系统的数据共享采用专用接口的方式。随着和需要用电信息采集系统交互的系统越来越多,这种方式已经不能满足用电信息采集系统应用的需求。

  IEC61970标准是国际电工组织第57分会第13工作组制定的标准接口,它定义了能量管理系统应用程序接口(EMS-API)中国知网论文数据库。CIM(Common Information Model)定义了这些API的语义,CIS(Common Interface Specification)定义了信息交换的内容。CIM中描述的对象类本质上是抽象的,可以用于各种应用。CIM的使用远远超出了它在EMS中应用的范围。可以把CIM标准理解为一种能够在任何一个领域实行集成的工具,只要该领域需要一种公共电力系统模型,使得应用和系统之间能够实现互操作和插入兼容性,而与任何具体实现无关。

  因此在用电信息采集系统中,采用基于IEC61970标准的信息模型,利用CIM XML或CIS方式和其他系统实现数据共享,可以使用电信息采集系统具有非常好的开放性。用电信息采集系统一方面可以使用CIM XML或CIS方式从调度自动化系统获得完整的电力系统设备元件模型和设备元件的连接拓扑关系模型,并可以实时获得最新的模型变化接口,实现模型信息的免维护,另一方面可以通过CIS方式向其他系统提供系统中的电能量数据、瞬时量数据等或通过CIS方式从其他系统中获得数据。用电信息采集系统只需要支持CIS标准,就可以实现和其他各种异构系统的互联和互操作。

  1基于CIM的数据库建模

  1.1CIM简介

  公共信息模型(CIM)是一个抽象模型,它描述电力企业的所有主要对象,特别是那些与电力运行有关的对象。CIM 用面向对象的建模技术定义。具体地说,CIM规范使用统一建模语言(UML)表达方法,它将CIM定义成一组包。IEC 61970-301包括以下包:核心包(Core)、

  域包(Domain)、发电包(Generation)、发电动态包(Generation Dynamics)、负荷模型包(LoadModel)、量测包(Meas)、停运包(Outage)、生产包(Production)、保护包(Protection)、拓扑包(Topology)和电线包(Wires)。

  1.2 基于CIM模型的面向对象数据库

  目前主流的商用数据库如ORACLE、DB2、SYBASE都是关系型数据库。关系模型允许定义一组二维表,二维表之间通过索引关联。关系模型具有以下特点:(1)概念单一,实体与实体之间的联系用关系来表示;(2)以关系数学为基础;(3)数据的物理存储和存取路径对用户不透明;(4)关系数据库语言是非过程化的。关系模型简单、易维护,但对电力系统拓扑结构描述比较困难接口,也不便于基于CIM模型的应用软件的运行。

  面向对象数据模型允许定义对象类以及类之间的继承和关联等关系中国知网论文数据库。面向对象模型的特点是按照客观事物的本来面目描述实体,具有封装、重用和多态等特点。其优点是:(1)数据结构清晰,便于表达CIM模型中电力系统中的各种对象。(2)对象具有独立性,便于维护。(3)需求变化时,应用软件和数据库结构重用率高,修改少。

  为了更好的遵循IEC61970CIM标准以及充分利用面向对象的数据模型的优点,系统可以采用DAO、HIBERNATE、实体EJB等O/R转换技术,将关系型数据库封装成完全面向对象的数据模型。采用这些技术可以使模型数据完全基于面向对象的数据模型,支持对象建的继承、聚集、联系,完全可以表达CIM模型的所有语义接口,使得所有应用软件所关联的都是基于CIM的面向对象的数据模型。

  通过建立基于CIM的面向对象的数据平台,可以使用电信息采集系统具备很好的开放性。用电信息采集系统可以和各个独立厂家支持CIM标准的不同EMS系统共享电力系统数据模型,通过共享EMS系统的数据模型,一方面可以很大程度上简化系统的维护,更好的支持计量系统的各种应用,另一方面为用电信息采集系统和其他系统实现插入式的接口提供了基本条件。

  1.3 系统数据模型和CIM的对应关系

  CIM标准含盖了电力系统中和运行相关的主要对象,应用的主要范围包括EMS系统、配电管理系统等。但任何系统只要域需要一种公共电力系统模型,使得应用和系统之间能够实现互操作和插入兼容性,就可以使用CIM模型。用电信息采集系统应用的数据范围决定了它的数据模型可以是CIM标准的一个子集,下面列举了数据模型和CIM的对应关系:

  表1 CIM中的类和用电信息采集系统中的类的对应关系

  所属包

  CIM类名

  计量系统的类名/接口名

  中文含义

  Core

  Company

  Company

  电力公司

  SubControlArea

  SubControlArea

  子控制区

  SubStation

  SubStation

  厂站

  VoltageLevel

  VoltageLevel

  电压等级

  Terminal

  Terminal

  端点

  Topologic

  ConnectivityNode

  ConnectivityNode

  连接点

  TopologicalNode

  TopologicalNode

  拓扑点

  TopologicalIsland

  TopologicalIsland

  拓扑岛

  Meas

  Measurement

  Measurement

  量测

  MeasurementValue

  MeasurementValue

  量测值

  MeasurementType

  MeasurementType

  量测种类

  Wires

  Line

  Line

  线路

  AcLineSegment

  AcLineSegment

  线路段

  PowerTransformer

  PowerTransformer

  变压器

  TransformerWinding

  TransformerWinding

  变压器绕组

  Compensator

  Compensator

  电容器

  EnergyComsumer

  EnergyComsumer

  负荷

  Disconnector

  breaker

  刀闸

  Groud Disconnector

  接地刀闸

  Fuse

  熔丝

  Breaker

  开关

  LoadBreakerSwitch

  负荷刀闸

  Generation

  GenerationUnit

  GenerationUnit

  机组

  1.4 系统模型中类之间的继承关系

  在CIM模型中接口,基类和派生类之间存在着继承关系。在用电信息采集系统中,可以遵循CIM类之间的继承关系,利用面向对象的技术,实现模型中的类和类之间的继承关系,派生类继承基类的属性和关联,并使用DAO、HIBERNATE、实体EJB等技术中的对象继承支持加以实现。以下是系统中各个设备类之间的继承关系图。

  用电信息采集系统

  图 1

  1.5 系统模型中类之间的关联关系

  在CIM模型中,类之间的关联关系非常多,用电信息采集系统可以遵循CIM的原则,建立系统模型中各个类之间的关联关系,为用电信息采集系统的各个应用以及和其他系统的交互提供数据模型支持。由于篇幅所限接口,仅列出了厂站、电压等级、变压器、变压器绕组之间的关系图。

  用电信息采集系统

  图 2

  2基于CIM/XML的互联

  2.1CIM/XML简介

  XML(extensibleMarkup Language)可扩展标记语言是一种中介标示语言,可提供秒数结构化的格式,提供了有一种独立的运行程序的方法来共享数据,是用来自动描述信息的一种新的标准语言中国知网论文数据库。由于XML独立于任何体系结构、任何语言的数据格式,数据展现于表示是分开的,因此非常适用于系统集成中的信息交换。

  CIM/XML语言是众多基于XML的语言之一。CIM/XML及RDF针对电力系统领域CIM的应用,是CIM、RDF Schema和RDF语法规范有机结合的产物。

  2.2 通过CIM/XML交换电网模型

  通过一个统一的CIM RDF Schema,调度自动化系统可以将电网模型转换为XML文档导出,这个XML文档又称为CIM/XML文档。CIM/XML文档中的所有资源描述标签都有CIM RDF Schema提供。将电网模型导出为CIM/XML文档,使用XML/RDF规范表示电力系统数据有以下优点:(1)既可以为机器读,也可以人工读;(2)可以被支持DOM或SAX应用程序接口的任何系统访问;(3)是自描述的。

  用电信息采集系统可以导入并解析这个CIM/XML文档接口,就可以获得调度自动化系统中完整的电网模型,而无需建立和维护独立的电网模型,这在很大程度上较少减少了用电信息采集系统的建立和维护的工作量,避免了构建系统模型中可能出现的各种错误。用电信息采集系统和调度自动化系统共享同样的数据模型,无需逐一建立模型设备间的对应关系,可以在很大程度上简化了二者互联和数据共享的工作量。调度自动化系统可以获得用电信息采集系统中的各种电能量数据和考核指标,而用电信息采集系统可以从调度自动化系统中获得各种遥测和遥信数据,供用电信息采集的各个应用使用。

  同样,用电信息采集系统中也可以将系统中的电网模型转换为CIM/XML文档导出,提供给综合数据平台系统、调度信息管理系统、营销系统等接口,实现和各个异构系统间的模型一体化和数据集成。

  用电信息采集系统中基于CIM/XML的电网模型导入导出分为以下几种类型:

  (1)全网模型。将系统的整个电网模型通过CIM/XML文档导出,导入到其他异构系统。全网模型导出导入通常应用于系统生成时构建数据模型阶段。

  (2)部分模型。异构系统往往不需要完整的电网模型,而是通过一定条件过滤的部分电网信息,如某些变电站、某个电压等级以上的元器件等。例如用电信息采集系统中的电网模型往往只是调度自动化系统中的电网模型的一个子集中国知网论文数据库。拆分功能一般提供两种模式,一是根据指定的逻辑条件,过滤出满足条件的电网模型的子集,条件包括按厂站、按区域、按电压等级等;二是手工筛选出需要导出的电网模型。

  (3)增量模型。增量模型往往应用于全网模型或部分模型导入之后。由于全网模型和部分模型包含了非常详尽的信息,对其的解析会花费比较多的时间和系统资源。而全网模型或部分模型导入之后,系统往往只关心模型的变化信息,因此系统需要定时或触发导出和导入增量模型。增量模型描述了当前模型和前一个时间断面模型的差异接口,使用差异模型的语法和格式。增量模型和前一个时间断面模型合并之后就获得了当前时刻完整的网络模型。 2。3 通过CIM/XML交换图形

  SVG是一种基于XML的标书两维的图形的语言。SVG是由W3C组织开发的一种开放标准的图形描述语言,主要面向网络应用。采用SVG技术既有以下优点:(1)基于XML(2)矢量图形;(3)由文本构成;(4)支持交互性;(5)图形文件可以体现和CIM/XML电网模型的关系。(6)和其他开发标准具有很好的兼容性。

  图形应用在用电信息采集系统中发挥着越来越重要的作用。调度自动化系统可以将图形导出为CIM SVG格式,用电信息采集系统则可以通过从调度自动化系统中获得SVG格式的的接线图等图形,构建自己的图形应用,而无需从头开始作图。

  3基于CIS的互联

  3.1CIS通用服务

  目前用电信息采集系统和其他系统的互联主要应用了CIS通用服务中的402公共服务和403通用数据访问服务的读访问部分。

  公共服务是CIS通用服务的基础,规定了用标准方式访问公共数据所必须实现的一套接口,需要使用CIS替他服务的应用都必须通过公共服务来于其他CIS服务相连中国知网论文数据库。公共服务分为以下四个部分:

  1标识服务。

  标识服务是在数据访问工具(DAF)标准的资源表示服务模块基础之上形成的,通过标识服务可以标识处各种CIM资源,包括类、属性和实例等。DAF提供了对统一资源描述符(URI)和资源ID的结构描述以及两者之间相互转换的接口声明。

  2描述服务

  描述服务基于DAF标准中的资源描述服务模块,定义了CIM资源信息的标准模式接口,包括单个查询结果的描述方式和多个查询结果的遍历接口声明。通用服务中所有的查询结果都采用描述服务的描述形式。

  3名字空间

  名字空间描述了如何通过接口表现基于CIM的信息模型,提供了通过标准接口与基于CIM架构交互的协议以及浏览、配置交换数据的方式。

  IECTC57名字空间标准定义了三种类型的名字空间,分别是IECTC57PhysicalModel、IECTC57ClassModel和IECTC57ISModel。

  4可选的组件服务

  可选的组件服务定义了获取通用服务中所定义的接口描述信息的标准方式,是否实现是可选的。

  基于公共服务,通用数据访问(GDA)提供了访问基于CIM模型结构的公共数据的通用的API服务。通用数据访问使用了请求/应答的同步访问方式,可以实现非实时或准实时的访问。由于用电信息采集系统的准实时性,通用数据访问非常适用于用电信息采集系统实现和其他系统的数据共享。用电信息采集系统可以通过通用数据访问从调度自动化系统或综合数据平台系统获得基于CIM层次结构的电网模型,也可以获得各种遥测遥信信息。同样用电信息采集系统也可以通过通用数据访问向其他系统发布电能量数据以及计费考核数据。由于有CIM的支持,各系统无需知道数据提供方内部的数据存储格式。目前应用的比较普遍的是通用数据访问的读访问服务。

  3.2 基于读访问服务的应用实例

  读访问服务提供了以只读方式查询或带过滤条件查询公共数据的API接口,包含以DAF查询为基础的资源查询和以扩展DAF查询为基础的过滤查询中国知网论文数据库。

  通过读访问服务可以对元数据和实例对象进行查询接口,在查询结果中,包含的属性值序列和传入的属性序列顺序相同。扩展读访问服务提供了带过滤条件的查询,提供了一种属性过滤器来构成过滤条件,数据请求方通过过滤条件可以更精确的从数据提供方得到所需要的数据。

  以下是用电信息采集系统通过读访问服务从调度自动化系统获得所有交流线端的CIM模型的实例。

  调度自动化系统提供了标识服务,标识服务提供了根据URI(统一资源标志符)查询内部的资源ID的接口:

  ResourceIDSequenceget_resource_ids( in URISequence uris )

  功能是通过传入的URI(Uniform ResourcesIdentifier)序列返回内部对应的ID序列。

  用电信息采集系统通过标识服务获得交流线端对应的资源ID。

  调度自动化系统提供了资源查询服务,通过资源查询服务,用户可以根据不同的方式获取所关心的资源的描述信息,接口API为:

  ResourceDescriptionIteratorget_extent_values(in PropertySequence properties,in ClassID class_id )

  功能是通过客户方传入的类ID,欲查询的属性列,返回该类的所有记录的描述服务访问指针。

  用电信息采集系统通过资源查询服务获得所有交流线端的相关属性。

  图3为调用的时序图。

  用电信息采集系统

  4 结论

  构建IEC61970 CIM模型的用电信息采集系统,并应用CIM/XML和CIS/GDA技术实现和异构系统的互联,使得用电信息采集系统的开放性有了本质的提高,为用电信息采集系统更好的服务于电力市场的正常运营和电网的商业化、市场化提供了基础。

  本文的论述已成功应用于国电南瑞新一代用电信息采集系统SEA-3000的开发中,该系统已通过CIM和CIS成功实现了调度自动化系统和综合数据平台系统的互联,收到了非常好的效果。

  参考文献:

  1IEC 61970-EMS-PART 1:Guidelinesand General Requirements

  2IEC 61970- EMS-PART :Glossary

  3IEC 61970-401 EMS-PART 401:Common InterfaceSpacification(CIS) Framework

  4IEC 61970-03 EMS-PART 03:Generic DataAccess

  5张慎明,曹阳,陈梅等EMS中传统数据模型于CIS的映射 2003电力系统自动化学术交流研讨大会

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