（交通信息工程及控制专业论文）基于IEC61970的电力二次系统CIM建模及其接口研究.pdf

摘要 随着电力系统自动化、信息化、数字化的不断发展和完善，站在全局、优化角度进 行“大二次整合”，推进电力二次系统一体化建设的进程逐渐展开，以便有效消除“信息 孤岛”，实现信息共享、参数“一点维护”。在监控中心采用i e c 6 1 9 7 0 国际统一标准和相 关先进技术构建开放平台系统成为必然趋势，其中作为信息交换语意描述的c i m 统一 建模是实现此目标的核心部分。目前电力一次系统的c i m 建模相对比较成熟，但基于 i e c 6 1 9 7 0 标准的二次系统建模还近乎空白。随着与电力系统保护、控制等二次设备相 关的继电保护及故障信息系统主站、广域保护系统、w a m s 系统主站等在监控中心相继 建设，此类系统间信息交互和互连也必然要求遵循i e c 6 1 9 7 0 标准，二次系统的c i m 建 模，以及一、二次系统模型的融合等方面的研究需求尤为迫切，并具有重要的理论和现 实意义。 鉴于上述背景，本文在对电力一次系统c i m 建模研究成果和应用情况分析、归纳、 总结的基础上，充分考虑二次系统特征，采用统一建模语言u m l 和建模工具r a t i o n a l r o s e 对电力二次系统进行c i m 建模尝试，并对其接口信息交换方式作了导入、导出研 究，最后结合一个具体的工程项目对研究成果做了应用化试验，证明了其有效性、正确 性。本文的主要工作内容如下： 1 在对目前电力系统一次部分c i m 建模深入理解、研究、分析的基础上，归纳、总结 出电力系统c i m 建模的原则、基本方法和步骤，得到了c i m 模型的特点。并对统 一建模语言u m l 和建模工具r a t i o n a lr o s e 等辅助工具进行了学习，熟练掌握了建 模的一般过程和技术要求，为以后的建模工作提供了技术保障。 2 结合我国电力系统的特点和需求，充分考虑一、二次系统特征差异，分别从二次保 护、控制设备和二次回路两部分来完成电力二次系统的c i m 建模，填补了国内空白。 在i e c 6 1 9 7 0 标准框架下，本文提出了一种用于电力二次系统建模的标准方法，即 用对象类、属性以及它们之间的关系来表征电力二次系统资源，从而扩展了电力系 统的c i m 模型。 3 在掌握基本x m l 语言的基础上，分析了x m l 语法及其适用于c i m 建模的r d f s c h e m a ，并对c i m x m l 语言做了详细的研究，最终实现了从u m l 模型和c i m x m l r d f 格式文档的转换，实现了接口文本信息的导入导出，使得各个应用系统 能够不依赖于信息内部如何表示就可以访问公共数据和交换信息。 4 本文在目前采用s v g 标准实现电力系统图元描述的基础上，综合考虑与图形互操作 相关的诸多因素( 如图元对象化、数据交换方式和文档对象模型规范等) ，提出了一 种基于电网厂站接线s v g 图形的互操作方法，并成功的应用于工程项目，充分利用 现有资源，大大减少了新系统开发中图模库的开发工作量，以及系统的后续维护量。 5 结合一具体的工程项目，成功的将上述研究成果应用于实际，取得了良好效果。 论文的创新点在于提出了电力二次系统建模的原则和建模步骤，并在此基础上建立 了完整的电力二次系统c i m 模型，实现了模型接口信息的导入和导出，最后将研究成 果成功的应用于工程实际。 关键词：i e c 6 1 9 7 0 ，公共信息模型( c i m ) ，电力二次系统，可扩展标记语言( x m l ) ， 可伸缩矢量图形( s v g ) 。 a b s t r a c t w i t ht h er e q u i r e m e n to ft h ei n t e g r a t i v ec o n s t r u c to ft h ep o w e rs y s t e m , i no r d e rt oa v o i dt h e v a r i o u ss h o r t a g eo ft h e i n f o r m a t i o ns i n g - i s l a n d , t h ec i mo ft h ep r i m a r ys y s t e mi sn o ts a t i s f yt h e d e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m a tt h es a m et i m e ，s e v e r a ls y s t e m ss u c ha sr e l a yp r o t e c t i o na n d f a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m , w i d e 卸r e ap r o t e c t i o ns y s t e ma n dw a m sn e e dt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o n w i t ht h es e c o n d a r ys y s t e m t h e r e f o r e ，t h es e c o n d a r ys y s t e mc i mm o d e l i n gb e c o m e sa c t u a l r e q u i r e m e n to f t h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t a i ma tt h ep r o l e m sh e r e i n b e f o r e , t h i sp a p e rg i v e saf u r t h e rr e s e a r c hf o rc i m m o d e l i n go ft h e s e c o n d a r ys y s t e mo nt h eb a s i so f t h ea n a l y s i so ft h ep r i m a r ys y s t e mc i mm o d e l i n g ，a n de s t a b l i s h e d aw h o l ec i mm o d e lf o rt h es e c o n d a r yn e t w o r kw i t ht h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g ea n dr a t i o n a l r o s e t h e nt h ep a p e rg i v e st h er e s e a r c ho f t h em o d ee x c h a n g eo f t h ec i mi n t e r f a c e d e t a i l e d l y , t h e s et a s k sa r eg i v e n i n t h i sp a p e r 1af u r t h e rr e s e a r c hf o rc i m m o d e l i n go f t h ep r i m a r ys y s t e mh a sb e e n 西v e 如t h e n 姗t h e p r i n c i p l e ，t h eb a s a lm e t h o da n ds t e p ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ec i mm o d e l i n g 2m a s t e r e dt h eg e n e r i cp r o c e s sa n dt h et e c h n i c a ld e m a n do ft h ec i mm o d e l i n go nt h eb a s i so f t h er e s e a r c ho f i 瓜缸，a n dr a t i o n a lr o s e 3c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fc h i n e s ep o w e rs y s t e m , e s t a b l i s h e da w h o l ec i mm o d e lf o rt h es e c o n d a r yn e t w o r kt h r o u g hp r o v i d i n gan o r m a lm e t h o d , t h a ti st os a yt h i s m o d e li n c l u d e sp u b l i cc l a s s e sa n da t t r i b u t e sf o rt h eo b j e c t s , a sw e l la st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h e m 4a n a l y z e dt h es y n t a xo ft h er d fs c h e m a , c o m p l e t e dt r a n s f o r m a t i o nb e t w e a nu m lm o d e l a n dc i m 瑚瓜d fd o c u m e n t 5s t u d i e dt h es v g g r a p h i c sc r i t e r i o n , c o n s i d e r e dt h ec o r r e l a t i v ef a c t o r so fg r a p h i c si n t e r c h a n g e f o r m a t , s u c h 鹤m e t ao b j e c t s ，d a t ai n t e r c h a n g ef o r m a ta n dd o c u m e n to b j e c t sc r i t e r i o n , c o m p l e t e dt h e t r a n s f o r m a t i o nb e t w e e ns v g g r a p h i c sf o r m a ta n dp r i v a t eg r a p h i c sf o r m a t t h ei n n o v a t i v ep o i n to f t h i sp a p e ri st h a tt h ep r i n c i p l ea n db a s a lm e t h o da n ds t e pi sg i v e n , a n da w h o l ec i mm o d e lf o rt h es e c o n d a r yn e t w o r ki se s t a b l i s h e d , a l s oc o m p l e t e dt h et r a n s f o r m a t i o no f t h e c mi n t e r f a c ei n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c i m , t h es e c o n d a r ys y s t e m ，x m l ，s v gt r a n s f o r m a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：魂凿雁2 哆年_ - 月矽e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雹磁履 导师签名： 毒锋 毋脚 砷年月2 , pe l 呷年厂月z 4 , e t 长安大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及问题的提出 1 1 1 课题背景 随着电力系统自动化、信息化、数字化、智能化进程的推进和电力系统向高电压、 大电网、高度自动化的发展，随着计算机技术、通信技术和电力电子技术的不断发展， 电网能量管理系统( e m s ，又叫电网调度自动化系统) 得到了广泛应用【。电网调度自 动化系统( e m s ) 在保障电网安全经济运行中起着至关重要的作用。它是以计算机技术 为基础的现代电力综合自动化系统，主要用于大区级电网和省、市级电网调度中心，为 电网调度管理人员提供各种电网的实时信息，并对电网进行调度决策管理和控制，保证 电网安全运行，提高电网质量和改善电网运行的经济性【2 】。 从系统架构角度来看，调度系统的发展已经经历了三代【3 j ：第一代是基于专用计算 机和专用操作系统的s c a d a 系统，其特点是采用主机终端结构；第二代是基于通用计 算机的s c a d a e m s 系统，采用客户服务器结构；目前的第三代调度系统则是基于 r i s c u n i x 的开放式、分布式e m s d m s ，它实质上是一种复杂的客户朋艮务器结构，服 务器根据功能分为数据服务器和应用服务器，数据通信由专用的通信管理软件支撑。但 这里的开放仍然只是一种计算机硬件平台、操作系统的开放，调度系统应用软件本身仍 然封闭。因为此时的电力系统信息模型都是为系统开发商所特有的、独立定义的。不同 的应用系统间难以实现信息交换和互操作，第三方开发的软件难以接入。 然而，随着电力工业的发展，各个应用系统之间信息共享和应用集成需求凸现出来， 其需求覆盖了不同的层次，从电力公司内部不同应用之间，到不同电力公司之间，都要 求方便、灵活地实现信息共享和应用集成 4 1 。 应用系统之间的信息交换与共享可以在多个层次上进行，从最基本的数据交换，到 模型信息的交换，到应用功能层面上的共享和集成。这些都需要信息的整合和系统的互 连才能实现。 为此，国际电工协会i e c 制定了基于公共信息模型c i m ( c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ) 的i e c 6 1 9 7 0 标准来规范能量管理系统应用接口( e m s a p i ) 。i e c 希望通过统一的电力 信息模型、规范的e m s a p i 接口，并在保护现有电力调度系统资源的基础上，减少向 e m s 中增加新应用，或自e m s 获取数据所需要的费用和时间【5 1 。公共信息模型c i m 作 为一种基于面向对象技术的抽象模型，它统一了电力信息模型，为实现电力系统调度应 用软件的即插即用 以及和其它信息子系统的无缝连接提供了统一的数据模型。在此 第一章绪论 基础上，国内外都开始了用c i m 对自己的e m s 系统进行集成，以实现上面的目标。 c i m 本质上是外模型，目前，应用c i m 的e m s 集成有下列几种做法：把c i m 作为系统内部和外部的模型，e m s 平台用c o r b a 等组件容器作为系统集成框架，e m s 应用完全按组件模型设计，这种做法没有吸收原来的成果，工程浩大，周期太长；对 原来的系统进行整体封装，把某个系统作为一个大的组件，可以基于c i m 导入导出， 这是最松散的外挂式，虽然可以部分解决系统间互操作的问题，但不能解决e m s 应用 的即插即用，可作为初期的c i m 产品，目前国内外的互操作实验基本上是该模式； e m s 平台完全基于c i m ，数据库管理用面向对象模型，数据库定义用c i m 模型，用 c o r b a 等中间件作为系统集成框架，e m s 应用中原来的应用通过封装接入，并逐渐改 造，新的应用按面向对象的组件自然接入，这种模式既兼顾老系统又完全按e m 江a p i 设计。 另外，x m l 作为新一代数据标记语言，它定义了利用简单、易懂的标签对数据进 行标记所采用的一般语法，提供了计算机文档的一种标准格式，它非常适合异构系统之 间的信息交换。基于公共信息模型的x m l 文档使得e m s 与其它电力系统间的“无缝连 接 成为可能。 最后，s v g ( 可缩放矢量图形) 的出现为电力系统之间图形信息的交换提供了很大 的方便。s v g 是由w 3 c 组织推出的最新一代矢量图形标准，是一种开放标准的文本式 矢量图形描述语言。它允许三种形式的图像对象存在，分别是矢量图形、点阵图像和文 本。各种图像对象能够组合、变换，并且能修改其样式，也能够定义成预处理对象。文 本是x m l 名字空间的有效字符，这些字符能被作为s v g 图像的关键字而存留在搜索引 擎中。s v g 的功能包括嵌套变换、路径剪裁、透明度处理、滤镜效果以及其他扩展，同 时，s v g 支持动画和交互，也支持完整的x m l 的d o m 接口【6 1 。 1 1 2 问题的提出 鉴于以上背景，考虑到整个电网不同系统之间的互连互通，目前主要存在以下一些 问题： 1 目前i e c6 1 9 7 0 中对电力一次系统建立的c i m 模型已基本完成，但标准中几乎没 有涉及到电力二次系统的c i m 模型，而无论在国内还是国外，对二次系统的c i m 建模 研究都比较初步，应用更是空白，而随着与电力二次系统相关的继电保护及故障信息系 统、广域保护系统、w a m s 等在监控中心的建设，迫切需要完善标准，对二次系统进行 c i m 建模； 2 长安大学硕士学位论文 2 随着与电力二次系统相关系统的建设，一方面这些系统需要从其他系统，如 s c a d a 系统中获取信息以完善本系统的功能，要求一、二次系统的信息融合和关联； 另一方面其他的系统同样需要这些系统的关于保护等二次设备的信息，要求给出统一的 c i m 建模描述，这些都迫切需要对电力系统二次设备进行c i m 建模，早日形成完整统 一的电网模型，实现真正意义上的统一的电力系统模型。 3 不同电力系统模型之间的信息传输需要建立规范的接口，而目前各厂家还都是自 己定义的信息传输格式，不能够共享模型信息，大大影响了系统之间的交互，同时也浪 费了资金和时间来开发不同的应用软件以满足用户需求。这些都需要规定统一的文本交 换格式，使得异构系统间的信息传输不再困难。 4 对于电力系统间图形的传输，目前推荐采用s v g 技术，但是，基于s v g 技术的 e m s 图形互操作性的研究才刚刚起步，正处于摸索阶段。由于i e c 6 1 9 7 0 并没有提出图 形交互的具体标准，因此，虽然提出了一个公共图形标准，但国内外对此还没有过互操 作试验，各个厂家对此的理解也各不相同，故各个厂家都有自己对电力系统图元的描述 方法，因此，研究一种可以用来共享的图形交换方法也成为迫切的需求。 1 2国内外研究现状 美国电科院( e p 砌) 于1 9 9 4 年启动了控制中心应用程序接口( c c a p i ) 项目，该 项目的主要任务就是形成一套标准或规范，使得能够在控制中心环境中创建“即插即用 的应用。c c a p i 项目的主要目标是：减少向e m s 中增加新应用所需要的费用和时间； 保护对e m s 中正在有效工作的现有应用的投资；促进不同系统控制中心内部以及 控制中心与外部系统之间信息交换的能力 7 1 。 为了验证c i m 模型的完整性、通用性、实用性和正确性，以及通过c i m 进行数据 交换的可行性，目前一般采用互操作试验的方式。国外从2 0 0 0 年1 2 月到现在已进行了 四次基于c i m 的互操作试验。现在互操作试验的工作重点已由c o r b a 等中间件的应 用，转移到以c i m x m l 为载体实现电力系统数据和信息的交换，并在交换的基础上实 现不同厂家的各应用产品的互操作。 美国到目前为止已经针对e m s a p i 标准的c i m 模型进行了4 次互操作试验。互操 作试验的样本数据是由参加者提出的可以公开使用的模型，模型必须通过x m l 的有效 性检验。 进行互操作试验的目的可以综合为以下几个方面【8 】：证明不同厂家基于c i m 的产 第一章绪论 品具有互操作性，这些产品包括e m s 的各个应用以及第三方独立开发的产品；验证 信息交换中包含的类和属性是否完全遵循c i m ；证明用基于c i m 的x m l 描述文件可 以交换电力系统模型数据；校验i e c 6 1 9 7 0 标准( 主要是3 0 1 部分) 的正确性和完整 性，通过剔除差异和明确一些模糊的概念得到一个高质量的标准；校验c i m 各版本 的模型的正确性，到目前已经验证了c i m 0 9 b 和c i m l o ；建立一个大的实际系统模型， 验证用基于c i m 的x m l 文件传输数据的可行性；运行潮流计算软件，验证模型文件 的充分性和正确性。看模型中是否包含潮流计算用的所有设备参数；在第二次互操作 试验中，还验证了n e r c 的公共电力系统模型工作组( c p s m ) 提出的最小数据需求模型 的正确性和完整性。 在第4 次互操作试验中，除了达到以上目的外，还增加了3 项特殊的目标【9 】：验 证增量模型的传送，即传送模型的变化。验证部分模型的传送。对内部控制中心通 信协议( i c c p ) 的结构数据进行交换。 与此同时，我国的e m s a p i 工作组也先后举行了五次扩大会议，分别讨论了 i e c 6 1 9 7 0 的翻译工作、c i s ( c o m p o n e n ti n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，组件接1 ：3 规范) 的实现、 使用c i m x m l 交换电网模型的互操作试验，确定了互操作的电网模型、试验步骤和时 间表、以及各个开发单位在开发中遇到的问题等。国内在电网公司、厂家和科研单位的 推动组织下，于2 0 0 2 年1 月开始组织了第一次e m s - a p i 互操作试验，主要针对一次系 统c i m 建模做测试。2 0 0 2 年1 月由国家电力调度通信中心组织国内知名的s c a d 觚m s 研发单位进行了基于i e c 6 1 9 7 0 标准的又一次互操作实验，参与试验的共有5 个厂家的 7 种产品。实际上这是一次正式的互操作试验，厂家都带来了自己的硬件和软件产品。 以c i m x m l 为载体实现了电力系统数据和信息的交换，在各个单位的不同硬件和软件 系统平台上分别进行了x m l 文件的导入、电力系统潮流计算、x m l 文件的导出等操作 试验，在交换的基础上实现不同厂家的各应用之间的互操作。2 0 0 2 年8 月在国调中心进 行了第三次互操作试验。本次试验各s c a d a e m s 厂家都准备了基于实际系统的 c i m x m l 文件，在此基础上进行导入导出操作和潮流计算，并进行了模型的拆分和合 并试验。 试验的成功再次证明了c i m 的正确性，以及国内对c i m 理解的正确性。很多电力 工作者正在致力于基于i e c 6 1 9 7 0 的新一代调度自动化系统的研究和电力企业信息一体 化的研究。中国电力科学研究院，清华大学，南瑞和积成电子公司等主要e m s 开发单 位正在抓紧研制记忆c i m 的新一代调度自动化系统，很多电力企业已经完成了对电力 4 长安大学硕士学位论文 一次系统的c i m 建模；基于特定系统的c i m 数据库也已经有所建立；并且在遵从c i s 的基础上，实现了不同的计算机程序接口。c i m 模型已被国内、外电力监控系统生产厂 家所应用，同时国内几乎所有的省调和大型地调的招标设计规程中都有遵循i e c 6 1 9 7 0 的要求。 然而，无论国内还是国外，目前为止还没有过关于s v g 图形互操作性的试验验证， 对用s v g 技术描述电网图元信息的方法也正处于摸索阶段，虽然大家都用s v g 来传递 电力系统图形信息，但是由于不同的厂家对s v g 的理解也不尽相同，对电网图元的描 述仍然是自己定义的私有形式，不能实现信息的共享。因此，目前关于s v g 互操作性 设计也只能是针对不同的厂家定制不同的互操作模板，没有实现真正意义上的图形信息 一体化。 1 3 本文所做的工作 通过上述对前人所做工作的分析，根据现实的需求，本论文主要做了以下几方面的 工作： l 熟悉i e c 6 1 9 7 0 国际标准，特别是对其中3 0 1 部分的深入学习，进一步理解电力 一次系统的c i m 模型，对模型的特点和抽象性进行进一步的分析和理解，为下一步的 工作打下了坚实的基础； 2 分析总结了电力系统设备建模的基本方法和步骤，并结合电力二次系统相别于一 次系统的特点以及国内二次系统的独有配置和要求，对电力二次系统做c i m 建模描述， 以期在正确理解国际标准的基础上，给出二次系统全面、合理、实用的逻辑描述，实现 一次、二次系统建模的无缝连接和自动关联： 3 熟悉了统一建模语言u m l 的建模过程，并熟练掌握建模工具r a t i o n a lr o s e ，为 顺利完成电力二次系统的建模工作提供了技术保障； 4 在掌握基本x m l 语言的基础上，深入分析了x m l 语法及其适用于c i m 建模的 r d fs c h e m a ，并对c i m x m l 语言做了详细的分析，从而给出模型的c i mx m l r d f 格式文档之间的导入和导出方法。 5 熟悉使用w 3 c 提出的s v g 图形标准和用s v g 描述电力系统图元的基本构想。 进而从图元对象化、数据交换方式和文档对象模型规范等方面对电网中的厂站接线图进 行了s v g 格式的互操作性研究。 5 第一章绪论 1 4 本文章节安排 文章共分为五个部分：第一章在介绍课题背景的基础上给出了所要解决的问题；第 二章就c i m 建模所要用到的基础知识以及建模工具作了详细的介绍；第三章着重叙述 了对电力二次系统设备的建模方法，并通过实例具体化了整个模型；第四章主要是对符 合i e c 6 1 9 7 0 的接口信息方式作了导入导出研究；第五章结论，总结了文章的研究成果， 并提出了一些不足之处，需要以后继续加以完善。 6 长安大学硕士学位论文 第2 章电力系统c i m 建模基础 公共信息模型c i m 是i e c 6 1 9 7 0 标准的基础和核心，而组件接口规范c i s 则规定了 c i m 模型接口信息交换的语法。标准中的c i m 模型是用统一建模语言u m l 描述，用建 模工具r a t i o n a lr o s e 来实现的。本章就c i m 模型相关的基础知识分别进行介绍分析， 包括i e c 6 1 9 7 0 系列标准和建模语言u m l 以及工具r a t i o n a lr o s e ，为以下建模工作打下 坚实的基础。 2 1i e c 6 1 9 7 0 系列标准 2 1 1 概述 国际电工技术委员会( i e c ) 负责电力系统控制及其通信的相关标准的第5 7 技术委 员会( i e ct c5 7 ) 制定了一系列标准，其中第1 3 工作组( w g l 3 ) 负责制定与e m s 专 业相关的c i m 和c i s 标准，其标准系列为i e c 6 1 9 7 0 系列，使e m s 的应用软件组件化 和开放化，能即插即用和互联互通，降低了系统集成成本和保护用户资源。 保护用户资源的要求、系统集成的要求、电力市场的要求以及新技术的推动共同形 成了i e c 6 1 9 7 0 标准系列的产生背景【3 】： l 、随着电力系统的发展和自动化水平的提高，用户常常需要运行多套系统，每套 系统中要运行多个应用，这些系统和应用往往是分步实施的，必然存在系统的更新升级。 然而，传统的应用系统升级存在以下问题：1 ) 更新换代老系统时，旧的软件不兼容；2 ) 系统接口不规范，选用应用软件受限，浪费资金和时间重复建设软件。因此，应用系统 接口的标准化成为用户的迫切需求。 2 、系统的集成有两种策略：一是分散化，采用分布式结构，通过细分应用进行功 能分布：二是集中化，要配置服务器，让功能集中在服务器上完成。这两种策略都要求 系统的组成部分必须是标准件，标准化是系统集成的内在要求。在应用系统中有3 种典 型的集成需求：1 ) 应用系统平台集成第三方的应用软件，能即插即用；2 ) 不同应用系 统紧耦合的集成，能无缝连接；3 ) 控制系统与其它非控制系统如m i s 的松耦合集成， 能互联互操作。因此，应用系统接口的标准化成为开发商和集成商等厂家的迫切需求。 3 、电力市场环境下的e m s 应用软件非常多，不可能由一家产品包打天下，必须以 标准接口连接多家产品，共享信息和资源。 4 、软件业流行的技术为e m s a p i 的标准化提供了保证。这些技术主要包括：组 件技术、o m g 和o p c 技术、x m l 和d a r p a 代理标记语言( d a r p aa g e n tm a r k u p 7 第_ 二章电力系统c i m 建模基础 l a n g u a g e ，简称d a m l ，d a r p a 是美国的一个研究机构) 技术和面向对象的技术和统 一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) 技术等。 e p r ic c a p i 是美国电科院的一个科研项目，其任务是对控制中心的e m s 软件制定 一套a p i 的规范，能使系统集成和互联简便。从1 9 9 4 年7 月的c c a p i 会议到2 0 0 4 年， 经过多次的修改完善，并吸收美国c c a p i 的通用接口定义后，形成了今天的e m s a p i 标准文档，如表1 所示。 表1e m s _ 一a p i 的最新状态 t l b l e1t h en e ws t a t u so fe m s - a p is t a n d a r d 注：其中未标注的大多是w d 前的准备阶段。i e c 标准的状态流程如下： w d ( 工作组草案) 一d ( 委员会草案) 一d v ( 委员会投票草案) - d i s ( i e c 标准草案) - f d i s ( 最终i e c 标准草案) _ i s ( i e c 标准) 。 百磊1 甄谴c 6 1 9 7 0 标准系列由导则、术语、c i m 和两种级别的c i s 共5 个部 分组成。导则部分主要提出了一个用来描绘控制中心e m sa p i 问题的参考模型，其中 有两种组件化方法，一是彻底用组件构造，二是对原来的应用加以封套。术语部分列出 8 长安大学硕士学位论文 了标准用到的术语和定义。c i m 分为3 个部分，3 0 1 是c i m 的基本部分，3 0 2 是c i m 用于能量计划、检修和财务的部分，3 0 3 是c i m 用于s c a d a 的部分。c i s 部分定义了 a p i 函数的规范，级别l 仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术，级别2 是 级别1 对应到c o r b a 和x m l 等具体的计算机技术的接口描述。 2 1 2 公共信息模型c i m c i m 和c i s 共同组成了i e c6 1 9 7 0 标准的核心部分，其中c i m 提供了e m s 信息系统的一个综合逻辑视图。c i m 是一个抽象模型，描绘了典型的e m s 信息 模型中所包含的电力企业中所有的主要对象，包含这些对象的公共类、属性以及 对象之间的关系等，用于电力工程、规划、管理、运行和财务等应用的开发和集 成。 c i m 是总的e m s a p i 框架的一部分。e m s a p i 标准的意图是促进不同厂商独 立开发的各种e m s 应用的集成，促进独立开发的各个完整的e m s 系统之间的集 成，或促进e m s 系统和涉及电力系统运行不同方面，如发电和配电管理的其它系 统之间的集成等。这是通过定义标准的程序( 或组件) 接口实现的，这些接口使 得应用或系统能够访问公用数据并交换信息，而与信息在内部如何表示无关。c i m 规定了这一接口的语义。组件接口规范( c i s ) 则规定这一接口的语法【。 c i m 由包组成，包是将相关模型原件人为分组的方法，共包括1 3 个类包，2 9 0 多个类。标准中的3 0 1 部分包括域包、核心包、电线包、测量包、拓扑包、负荷 包、停运包、保护包和发电包等9 个包。3 0 2 部分和3 0 3 部分分别包括了剩下的财 政包、预测包、能量包和s c a d a 包。核心包定义了厂站类、电压等级类等许多应 用公用的模型；拓扑包定义连接节点和拓扑岛等拓扑关系模型；电线包定义断路 器、隔离刀闸等网络分析应用需要的模型；停运包建立了当前及计划网络结构的 信息模型：保护包建立了用于培训仿真的保护设备的模型；量测包定义了各应用 之间交换变化测量数据如测点和限值等描述；负荷模型包定义了负荷预测用的负 荷模型；发电包分成生产包和发电动态特性包两个子包，前者定义了用于a g c 等 应用的发电机模型，后者定义了用于d t s 的原动机和锅炉等模型；域包是量与单 位的数据字典，定义了可能被其它任何包中任何类使用的属性的数据类型。 c i m 中的每一个包都是一组类的集合，每个类包括类的属性和与此类有关系 的类，比如电线包中的断路器类，其属性有a m p r a t i n g 和i n t r a n s i t t i m e 两个，与 此类有关系的类有p r o t e c t i o n e q u i p m e n t 和r e c l o s e s e q u e n c e ，事实上，断路器类还 9 第二章电力系统c i m 建模基础 有名称属性n a m e 等从其父类s w i t c h 继承，s w i t c h 再从其父类继承，依此类推直到 核心包中的n a m i n g 类。c i m 包括3 种类之间的关系：聚合、继承和简单关联。聚 合是一种整体和局部特殊的关联；继承是隐式表示的，简单关联和聚合是要显式 表示的，如在资源描述框架中用对象引用来表示，继承不仅包括上面的属性，而 且包括继承类的关联关系；简单关联是c i m 中最多的一种关联，它表示类和类之 间要相互作用，比如上述断路器类和p r o t e c t i o n e q u i p m e n t 类是一种简单关联，保 护动作要跳闸开关。值得注意的是简单关联的多样性，在p r o t e c t i o n e q u i p m e n t 侧 标有0 ，1 ，1 1 表示作用的重数，含义是一个开关可以没有保护使其跳闸，可 以是一个或多个保护使其跳闸，这种多样性使建模时既要检验是否符合c i m 语法， 又要检查模型本身的错误。上述断路器类与r e c l o s e s e q u e n c e 是一种聚合关系，没 有断路器类，重合顺序类不能存在。 由上述可看出，c i m 中描绘的对象本质上是抽象的，因此可以用在广泛种类的应 用。c i m 的使用远远超出了它在e m s 中的应用。应该把这一标准理解为是在任何一 个领域使集成成为可能的一个工具，只要那里需要一个公用电力系统模型来促进各种应 用和系统之间的互操作性和插入兼容性，而且这是和任何一种特定的实现无关的。第3 章中将详细介绍c i m 的规范、类定义及模型概念等。 2 1 3 组件接口规范c i s 组件接口规范( c i s ) 规定的接口是组件( 或应用) 为了能够以一种标准方式 和其它的组件( 或应用) 交换信息和或访问公共数据所应该实现的各种接口。规 范定义了基于组件技术的标准信息访问机制，解决如何具体交换信息的问题。 组件可以分布在网络的任何位置。对外界来说，它所需要关心的只是组件的 接口，即组件所提供的功能，客户可以通过接口的方法调用来访问它。这就必须 遵守一致的规范。随着组件技术和网络技术的成熟，c i s 的结构经过长期的技术辩 论后，2 0 0 2 年才确定下来。它采用软件行业主流的组件执行系统作为集成基础设 施，直接使用组件执行系统提供的公用服务，如命名、事件、事务、持久化和安 全等服务。c i s 部分接受了对象管理组织( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，简称o m g ) 的成果数据访问工具( d a t aa c c e s sf a c i l i t y ，简称d a f ) ，后来又接受了美国 e p r i 的通用接口定义( g e n e r i ci n t e r f a c ed e f i n i t i o n ，简称g i d ) 、过程控制o l e 基金会( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，简称o p c ，o l e 是对象嵌入和连接o b j e c tl i n k i n g a n de m b e d d i n g 的简称，o l e 后来相继发展为控件a c t i v ex 、组件对象模型c o m 1 0 长安大学硕上学位论文 和d c o m ，目前o p c 都支持这些技术) 、工业系统数据采集( d a t aa c q u i s i t i o nf o r i n d u s t r i a ls y s t e m s ，简称d a i s ) 以及互操作实验等成果。 c i s 分两个级别：级别l 仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术， 标准中的4 0 1 部分是c i s 的总体框架说明，4 0 2 部分之后与原来的计划目录变化较 大，其余的内容包括非实时的数据访问c d a 用o m g 的d a f 和c c a p i 的g i d c d a ，实时数据的访问用o p c 的o p cd a 快速数据访问，历史数据用o p c 的o p c h a d 访问历史数据，其它的c i s 还包括互操作实验的成果即模型交换( 模型合并 更新等) ，以及针对各个应用的c i s ；级别2 将c i s 映射到c o r b a 和x m l 等具 体的计算机技术，标准的5 0 1 部分是c i m 模型从u m l 转换成x m lr d f 格式，用 于模型的语法校验，5 0 2 部分是c d a 映射到c o r b a ，5 0 3 部分是互操作实验的 c i mx m l 数据交换格式【1 0 】。 由上述可知，c i s 的意图是规定一些接口，应用或系统要用这些接口来促进 和其它独立开发的应用或系统的集成。 组件接口规范中主要提供了一些通用的接口服务，组件接口通用服务指定了遵循 6 1 9 7 0 标准的组件( 或应用系统) 应实现的一些基本的接口服务，组件( 或应用系统) 通过这 些通用接口，可以以标准的方式访问公共信息或相互之间交换信息。它为应用系统提供 了使用公共a p i 访问c i m 数据和使用公共服务实现数据处理、存储和显示功能的机制。 通用服务建立在现有的国际或工业标准之上，以尽量扩大应用范围。服务类型包括：命 名( n a m i n g ) j 艮务、筛选( f i l t e r i n g ) 服务、事务( t r a n s a c t i o n ) 服务、浏览( b r o w s i n g ) 服务。 这些服务针对e m sa p i 的特定应用环境，用叙述性文本、u m l 和接口定义语言 ( i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ，i d l ) 来定义标准化的接口功能，涵盖了数据交换层次的主 要的应用集成机制。接口功能主要有【l i 】： 1 ) 通用数据访问( g e n e r i cd a t a a c c e s s ，g d a ) ； 2 ) 高速数据访i ；- ( h i g hs p e e dd a t aa c c e s s ，h s d a ) ； 3 ) 通用事项记录和订阅( g e n e r i ce v e n t i n ga n ds u b s c r i p t i o n ，g e s ) ； 4 ) 时间序列数据访问( t i m es e q u e n c ed a t a a c c e s s ，t s d a ) 。 定义这些通用服务的目的是尽量减少电力系统应用集成的代价，将应用系统 与下层的中间件( m i d d l e w a r e ) 实现技术隔离，充分发挥c i m 模型的优点，避免生成 只面向特定应用的a p i ，保证与i e c6 1 9 7 0 中的其他协议兼容。同时也为模型信息 的交换提供了统一的接口。 第二章电力系统c i m 建模基础 c i s 服务系统整体架构见图2 1 。c i m 数据库的结构根据c i mm d l 文件构建；当全 网模型有变化时，从e m s 实时库中导出c i mx m l 格式的全网模型。由于c i s 服务器 一般处于安全i i i 区，调度自动化系统与c i s 服务器被物理隔离装置隔离，所以全网模型 通过f t p 方式传到c i s 服务器上，自动导入c i m 数据库中；此外，定时从e m s 实时库 中导出量测数据，也通过f t p 方式传到c i s 服务器上，由量测更新进程更新c i s 服务 端数据。通过c i s 服务进程提供的标准数据接口，其他信息系统可以通过c i s 接口访问 电网的模型，并可访问实时数据或状态估计数据。 构造库 结构 c i s 服务进程 c i m 数据库导入全 网模型 局 域 网 络 导f 量 量测数 i 测数据 据文件1 c i m m d l 文件llc i m x m l 文件kf t pc i m x m l 文件 e m s 实时库 导出余 网模型 图2 1c i s 服务系统整体架构 从