（电力系统及其自动化专业论文）基于cim的电网故障信息主站系统的研究.pdf

华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 课题的背景 随着电力系统数字化进程的发展，我们需要更智能的系统为我们提供更可靠更 具可操作性的方案。我们需要建立广域的信息平台，收集最广泛的、实时的电网运 行和故障数据，为科学的分析提供最全面的数据来源;我们需要将计算机行业新兴 的技术和方法引入，对所取得的数据进行智能分析，并解决电网的安全性问题。如 数据仓库，o l a p ，数据挖掘等技术的应用:我们需要故障诊断的唯一解:需要故 障恢复的可操作;需要电网安全经济运行的直观的评估等等。这一切就是构建电网 运行决策支持系统的初衷，我们希望有了它，电网能处于较安全的运行状态，调度 员的决策更基于科学的数据分析，而不是仅凭经验办事。 华北电力大学杨以涵教授提出，电网运行决策支持系统是应时而生的控制中心 智能系统。 电网运行决策支持系统又称调度机器人， 即是“ 为调度员配备的高智能、 高速度、高质量的、协助调度员对电网进行实时调整和控制的智能时实决策支持系 统，o 调度机器人的主要作用有:1 )调度员的助手和参谋:为调度员出谋划策，提 供决策方案，提供解决方案共调度员参考;2 )紧急情况下代理调度员对电网进行 控制;3 )调度员的顾问:当调度员碰到调度机器人以前解决过的问题时，可向调 度机器人提出咨询请求。4 )调度员的助理:调度机器人可以实时的对调度员的操 作行为进行监视， 若发现错误， 及时向调度员发出警告， 同时提出纠正错误的方案。 如图 1 - 1 说明了目前调度的控制方式和调度机器人控制方式区别。 调度机招人 目前的控制方式调度机器人的控制方式 图 1 - 1目前调度的控制方式和调度机器人控制方式区别 总之，调度机器人是集信息技术、通信技术、人工智能、电力系统计算分析技 术等众多学科的为一体的综合协作应用。它快速、准确的对电网进行分析决策，并 一一一一一一一一一一一 剑选立左文 将 决策 方案提 供给 调 度员， 这 样可以 大 幅 度 提高 调 度员 对电 网 运 行调 整 控制的 速度 以及调度的科学性，从而提高电网的运行水平。 我们要彻底的摆脱仅靠经验的调度方式， 取得充足的 信息是必不可少的. 因此， 首先要建立广域信息平台。建立广域信息平台必须考虑几个要点: 1 )广泛的数据接入 目 前的现实是:不论是s c a d a采来的实时数据、故障信息系统提供的故障数 据、 e m s 的分析数据、 m i s 系统的 管理数据还是电 力市 场系统、 电 量计费系统等等 所需要的及各系统各自 产生的数据都由 各自的数据库系统自 行维护和管理。它们是 分散异构的，数据集成度和共享程度都很底，导致系统数据可用率低。另外，这些 应用系统的数据库主要是为具体的业务服务的，和功能模块的祸合程度紧密，很少 有设计成针对数据分析挖掘的数据结构。面对海量的 “ 生数据” ，决策人员仍然是 束手无策。因此，我们所建立的广域信息平台，就算不能完全解决孤岛问题，也不 能再在已经非常致命的伤口上再洒一把盐。所以 力求将目 前所有的数据全部接入， 同时预留余地，为适应今后的发展。 2 )统一的数据接口 信息孤岛问题之所以 成为数字电力建设的致命伤，最主要的原因就是，分散的 数据库系统并不提供数据共享的工具，各个系统的开放性非常差。目 前设计的软件 系统通常包括许多不同的模块，各个模块仅分析电力系统运行的一个方面，可能需 要不同格式的数据输入。 专门数据库( e ms / d ms 支撑系统) 大都仅仅针对e ms / d ms 系统专有的功能和特性要求设计和开发的，用户只能按照开发者预先定义的数据模 式和结构输入数据，难以满足用户以及应用软件不断发展的要求，且限制了第三方 设计软件和增加应用，给用户造成升级和移植的不便，极大地增加了开发和维护的 费用，甚至会导致系统重新设计开 发的 灾难性后果d l 。 我们的 广域信息平台 要解决 数据共享，建立统一数据接口的问题。最新国际标准i e c 6 1 9 7 0 的c i m模型为我们 提供了电力系统模型框架，而 x ml则为我们真正的实现统一接口 提供了国际化的 手段。 3 )高效的存取效率和使用需求的统一 拥有了广泛的数据，提供了统一的接口，这是广域信息系统生存的条件。而数 据存取效率是决定广域信息系统性能的最主要方面。对于实时和非实时的数据我们 采用不同的策略。实时数据由于要求的实时性较高，应重点考虑时间问题，功能是 次要的。非实时数据则测重于数据格式的合理设计和结构的完整性。 4 )分层、分类的数据分析 有了统一格式和结构的数据来源，对数据的分层、分类分析结果是决策的最重 要最直观的依据了.分析的工具是 o l a p技术和数据挖掘技术。o l a p从数据的表 面出发，为决策人员提供多维的视角。数据挖掘是从存放在数据库、数据仓库或其 2 一 一 一 一一 一 一一 一 一一 一 * 1 0 立 叁 全 t a r 京 ) 硕 士 学 位 i le 文 它信息库中的 大量数据中挖掘有趣的 知识的 过程2 。目 前支持数据挖掘的 三种技术 己经发展成熟:海量数据搜集:放大的多级处理计算机;数据挖掘算法。采用数据 挖掘技术，我们希望解决 “ 数据爆炸，但知识贫乏”的现象。如图1 - 2 . 图1 - 2广域信息平台 上述广域信息平台的4 个要点是相互依存，缺一不可的，在建立广域信息平台 时，如果疏忽了任何一点，都将使得我们的系统面临纸上谈兵的可能。 作为调度机器人的重要组成部分一一广域信息平台要研究的问题很多。由于时 间有限，本文仅对电网故障信息的主站系统进行了深入的研究。电网故障信息主站 系统在调度机器人的地位如图1 一所示。 阶|才 !刁、j丫l 、.jeses了 高 级 应 用 软 件 止羔/xxl x m l 文 件 调度机器人数据平台 c 于 “ 孚 障 信 息 系 统 站 部 分 ) s ca da 数 据 红故主 口网( 一电 垂 7q 电 网 故 障 信 息 系 统(子 站 部 分 ) 电 网 故 障 信 息 系 统 ( 子 站 部 分 ) s c a d a 致 据 库 傀 3 钾 忍 盆 姆 康 洛 调挑拉 盆 据 库 :。:和 ?。， ! 图 1 - 3 系统在调度机器人系统中的地位 可以看出，电网故障信息系统是调度机器人系统的数据平台即广域信息系统的 一个组成部分，其最基本的功能是:接受子站上传的数据或部分来自s c a d a的数 一一一一一一一一一一一 ip l t vd 边)c a_ 据，并为高级应用提供统一接口。 本文研究电 网 故障 信息 主站 系统 数 据 模型的 建 立， 数据导 入导出 ， 数 据共享 等 问 题， 在上述客观背景 下既 具有积极意义， 又有发 展前景。 我 们希望通过本文的工 作， 能够将先 进的 方法引 入电 力系 统， 促进数字电 力 系统建设的开 发方法和开发过 程的标准化，为电力系统的安全稳定运行，尽一些绵薄之力。 . 2 研究现状综述 自 从美国提出“ 数字地球”以来，电力行业引入了大量的先进的技术理念，并 有了长足的发展。 9 0 年代末，美国首先提出了“ 自 动调度”的思想，并逐步纳入了 美国电力灾难恢复的框架体系之中。以d y l i a c c o 为代表的 研究人员在总结当前电 网运行水平与经验的基础上，提出了面对新环境的现代电力系统调度中心构件模 型。在这些模型中， 无一例外的强调信息和智能的重要作用，都倡导把当代计算机 技术、通信技术和决策支持技术应用于电力行业。在这些研究中，都强调了高速、 大容量的广域网电力通信这一基础性工作对于今后电力系统调度的重要意义。 国内方面，我国卢强院士提出了“ 数字电力系统”的概念，数字电力系统是: “ 就某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保 指标、 人员状况、 科教活动等数字地、 形象化地、 实时地描述与再现。 ” 7 数字电力 系统概念侧重于电力系统稳态、正常运行情况下，自 动化系统对电力系统的监视， 预防，优化等等;华北电力大学 ( 北京)的杨以 涵教授领导科研组在电网安全方面 开展了深入的研究工作，逐步构建了基于稳态信息和故障信息的 “ 调度机器人” 的思想和体系，其侧重点在于电网故障情况下的故障诊断和恢复控制。 调度机器人的重要组成部分一一广域信息平台即通常所说的数据平台。目 前国 内外电力系统的综合数据平台的研究与开发都仍然在起步和探索阶段.山东电力诊 断技术研究中心开发的数据平台从某些功能上有类似之处。 p i ( p l a n t i n f o r m a t i o n s y s t e m ，工厂信息系统) 是由 美国 o s i s o ft软件公司开发的工厂实时数据集成、 应 用平台，用于电厂数据的自 动采集、存储和监视。但是由于在数据建模方面没有统 一的标准，数据的集成度和共享程度很有限. 看起来更象一个s c a d a系统， 所不 同的是，由于提供了p i a p i 不同控制系统的接口 使得兼容性前进一步.另外p i 是 基于微软设计的， 其跨平台 性不 强4 j 。 北京中 关村科技发展 ( 控股) 有限公司 开发 的数据平台号称是通用的数据平台，可以为各个行业提供信息化的解决方案。但是 仍然并未提到与现有系统兼容的和提供统一数据接口的数据共享的问题，而且，主 要强调了数据的综合集成、表现形式的多样性，缺乏对数据在业务方面的必要的分 析手段 5 j 。其他公司如南瑞、 东方电子也开始了对这些方面的尝试， 但是能够真正 意义上地实现综合数据平台的成型的软件产品目前还没有报道。随着新技术的出 一一 一 一 一 一 一 一 二 翅迪力 大 刽北 京 ) 硕 士 * a , i 文 现，广域信息平台的研制成功己 经成为可能。 故障信息系统是广域信息平台数据来源的一个重要组成部分.故障信息系统主 要的数据来源是微机继电保护提供的数据，故障录波器提供的数据，以及安全自 动 装置的动作信息 ( 具体数据类型参见2 . 1 节) 。 国内 微机继电保护和故障录波器以及 其他一些智能装置在电力系统己经广泛投入使用。当一次系统发生故障时，这些装 置能记录下系统的故障和保护动作事件信息 。而且， 全国电力调度系统 “ 十五” 发展计划纲要明确要求，利用数据网 络传输电网事故信息和继电 保护信息，实现 2 2 0千伏及以上主干电网的故障录波数据的自 动远传和综合分析，使调度可以迅速 准确地掌握电网 故障时的情况以及继电保护装置的动作行为，及时分析和处理电网 事故阁 。这些为建立故障信息系统提供了 有力的数据保障。 近年来， 电 网故障 信息系统的 开发和 应用取得了 很大的 进展， 如 文献 7 ( 8 所做 的工作。 而且，目 前已经开发出稳定的故障信息系统， 在主站端能够实现数据收集， 定 义， 并完 成了 故障 信息综合分 析 和故 障诊断 等一 些高 级 应用， 如 文献 9 的 北京 四 方继保自 动化有限公司c s f m 2 0 0 2 故障信息系统: 文献 1 0 所指东大金智公司的 p t s 9 5 0 0电网继电保护运行及故障信息处理系统;文献( 1 1 所指南瑞开发的 r c s - 9 0 0 0 保护故障信息系统等等。 但其侧重点是高级应用 ( 如故障诊断、 录波分析 等功能) ，由于没有建立在统一标准的基础上，因此其在数据共享，互操作以及自 身的可拓展性方面还不尽如人意。 电力行业信息化的发展紧跟软件工业发展的步伐。 i e c 6 1 9 7 0标准体系成熟， c i m 模型提供了 完整的电力系统现实世界框架，x m l的应用将数据共享和互操作 的手段也标准化， 使得解袂电力行业数据共享， 接口 统一成为可能。 i e c 6 1 9 7 0 标准 的 c i m 模型的建模思想，对电网故障信息主站系统的开发具有同样重要的指导意 义。随着软件工业发展的成熟，电力行业的软件开发也从盲目 走向成熟，软件工程 的思想将贯穿电网故障信息主站系统的整个研究过程. 1 . 3论文的难点和创新 电网故障信息主站系统作为调度机器人的一部分，从地位上和所应用的技术上 以及所实现的功能上来说，实现起来都有一定的难度，具体表现如下: 难点之一:c i m模型的理解 由 于i f c 6 1 9 7 0自 身还未成熟， c i m模型也只是刚刚到了可以 应用的程度， 大 家对此都还处于认识阶段，所以目 前国内外都还没有太多的研究成果供参考，理解 起来难度也较大。 难点之二:数据库表结构的设计 模型本身并不具有现实意义，它只是一个概念，一种思想，要真正的体现模型 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 的思想，需要具体的实现，表现在数据库接口函数和表结构的设计。数据库接口函 数和表结构的设计要充分考虑查询的效率与设计过程复杂程度的统一。主要有:如 减少数据库表之间的外键关系来提高查询效率:数据库系统要具有可扩展性; ，数据 库故障数据表结构的合理设计等等。 难点之三:统一软件开发过程与电力行业的结合 尽管软件工程的思想己经非常成熟，但是国内的软件开发，特别是电力系统的 软件开发对软件工程思想应用还很不够， 尤其是u m l 语言的正逐渐被广泛接受后， 结合开发方法和开发工具的 u ml统一软件开发过程在目前国内还用得较少，与电 力的结合更是屈指可数。而且方法体系完备科学，学习起来难度也较大也增加了统 一软件开发过程与电力行业软件开发的结合的难度。 难点之四:系统的轻便性和可拓性 由于本系统是调度机器人的一部分，既要考虑功能的实现，又要考虑系统的轻 便性;同时系统应具备强的可拓性，为将来系统作为独立的软件而增加功能打好基 础。 在对电网 故障信息主站系统进行研究的时候， 本文参考了国际标准i e c 6 1 9 7 0 , 根据i e c 6 1 9 7 0 / c i m的 建模思想， 结 合实际建立了c i m ee l a n z h o u 数据模型: 并 提 出采用 c i m的先进方法和思想制定相应的国家标准的愿望。 1 . 4 论文研究的范围及主要工作 本文所研究电网故障信息主站系统做为兰州电网调度机器人系统的子系统 一个基础数据系统。最主要的功能是收集尽可能多的故障数据以及相关数据， 给调度机器人的高级应用，不涉及故障诊断、测距等高级应用。 ，是 提供 本系统的关键技术在于接入 s c a d a系统的数据，提供跨系统之间的互操作的 方法。为此，本文通过以下的研究工作，论证了论文所提出的方法的可行性。 i ) 采用 c i m 先进的建模思想和方法，以兰州电网为对象，建立了适合兰州地 调的c i m se l a n z h o u数据模型， 并 通过所开发电 网故障 信息系统的最小实 现， 完成x m l文件的数据导入实验，验证了对c i m理解的正确性，验证了模型的 可用性; 2 ) 应用j a v a语言，s q l 语言， o r a c a l e 8 i ，以 及统一软件开发过程的方法， 实 现了以数据导入功能、数据查询功能和网上浏览功能为主要功能的电网故障信 息系统的构架基线。 1 . 5本章小结 本章对广域信息平台和故障信息系统进行了综述，提出了在电力系统数字化建 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 设进程中 要解决信息 共享和互操作的问 题。 本文 研究的 故障信息主 站系统作为调度 机器人系统的数据接入系统， 主要利用c i m模型的思想和方法， 研究数据的收集和 系统之间互操作的问题。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章 理论基础 在建立电网故障信息主站系统的过程中，用到了以下的理论知识; i )电网故障信息的分类和具体来源 由于本文所建立的故障信息系统是作为调度机器人系统故障数据的数据来源， 所以尽可能的提供完全的故障数据，总结了故障诊断等高级应用软件所需的故障信 息的类型。 来源包括故障信息系统子站部分上传的数据和s c a d a系统接入的开关、 刀问的数据。 2 ) c i m模型 本文简单介绍了c i m模型的定义及国内外关于c i m 的研究现状。根据对 c i m 模型的研究，总结了c i m模型建模思想和方法。 3 ) x ml的文件格式 x ml的优点很多， 本文用到的其最重要的一个优点就是x ml的标签可以自 定 义，使得x ml 文件格式可以非常灵活。 4 ) u ml 建模语言 国际 标准化的建模语言使得开发过程可视化，为 后续人继续研究 提供方便。 5 )统一软件开发过程 采用统一软件开发过程开发了故障信息系统的构架基线，完成系统最小实现， 同时系统可以在这个基线上逐步完善其他功能。 2 . 1 故障信息分析 作为电网故障信息主站系统， 最重要的数据来源是故障信息。 如果按性质划分， 故障信息可以分为稳态故障信息和暂态故障信息，前者包括工频分量和谐波分量 2 次、3 次及 5 次谐波，后者包括行波、电弧暂态和衰减的直流分盘电流等。如果按 频率划分，故障信息可分为低频故障信息和高频故障信息。低频故障信息包括逐渐 衰减的直流电流分量、工频故障分量和谐波分量;高频故障信息主要包括行波和电 弧暂态中的高频分量1 6 1 。 严格来说故障信息是电 力系统发生故障后产生的故障数 据，从目 前采集数据的装置来看，包括电 量故障信息和非电量故障信息。电 量故障 信息便于检测，如电压，电流。非电盘故障信息如开关刀闸等的信息。 故障信息总体来说，可以粗略的分为以下几类: i )开关信息 包括由继电保护动作和连锁、连切、振荡解列、过负荷等安全控制装置动作引 起的开关跳闸信息，以及自 动重合闸装置动作引起的开关闭合信息。 8 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 )刀闸信息 由于刀闸信息数据量相当大，目 前大部分都不传送至调度，只保存在厂站监控 系统中，供查询调用。但是调度机器人系统电网故障信息系统子站部分将完成刀闸 信息的采集，并上传至调度端的电网故障信息的主站系统。 3 )保护信息 事故后保护动作信息包括保护跳闸报告、保护软压板状态报告、保护录波报告 ( 部分保护有) 、保护自检报告等。 4 ) 安全自 动装置信息 包括自动重合闸、备自 投、过负荷等安全自 动装置的动作信息。 5 )故障录波信息 电力系统中的故障录波装置可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃等大扰 动引起的系统电流、系统电压及其导出量，如系统频率、有功、无功的全过程变化 现象，同时还记录继电保护与安全自 动装置的动作行为，断路器的跳合闸时间和重 合闸是否成功等情况 1 2 1 1 3 1 2 . 2 c i m ( c o m m o n i n f o r m a t i o n m o d e l ， 公共信息模型) 2 . 2 . 1 c i m 简介 c i m 提供了 e ms信息的一个综合逻辑视图;定义了电力工业主要对象的公共 类、属性及对象间的关系，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被划分为1 3 个类包， 2 9 0 多个类。 包括: 域包、 核心包、电线包、 测 量包、拓扑包、负荷包、储运损耗包、保护包、发电包、财政包、预测包和能量安 排包、 s c a d a包等。 各个e ms 应用内部可以有各自 的信息描述， 但只要在应用程 序 ( 或构件) 接口语义级上基于c i m，不同厂商开发的应用程序或不同系统的应用 就可以以同样的方式访问公共数据， 实现应用间的相互操作， 提高应用程序之间的兼 容性及系统本身的开放性。 c i m为描绘电力系统资源提供了一种标准的方法: 规定了主要对象的类和属性， 以及类之间的关系。on ! 模型中的关系包含三种: 1 )泛化 ( g e n e r a l i z a t i o n ) 把一般事物和该事物的 较为 特殊的 种类之间的 关系， 也称为 “ 父类/ 子类关系” 2 )聚合 ( a g g r e g a t i o n ) 一种特殊的关联关系，强调整体与部分的关系。 3 )简单关联 ( a s s o c i a t i o n ) 一种结构关系，它指明一个事物的对象与另一个事物的对象间的联系 通过这种方法，c i m促进了能量管理系统 ( e m s )的不同开发商开发的应用程 9 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 序的数据交互，促进了能量管理系统之间的数据交互，促进了能量管理系统和其他 相关但不同方面的电力系统运行系统之间的数据交互，比如发电和配电管理系统。 由于定义了一种基于c i m的公共语言 ( 语义和语法) ，使得各种应用程序和系统之 间的数据交互和信息传递简单而易行，而不必去管应用程序和系统的内部实现。 2 . 2 . 2 c i m产生的原因 随着电力系统数字化建设的蓬勃发展，各电力软件生产厂商都推出了各自 基于 电力系统的应用，然而由于各生产厂商都是在无规范无标准的情况下自 主设计并开 发自己的产品，导致各个系统之间的数据共享程度和集成度都很，致使电力信息化 建设唁息孤岛” 的问题凸现:甚至自己开发的产品自 我扩展性也很差。随着需求的 变化，功能的扩展，以前开发的产品将面临大量的浪费。 为此，国际电工委员会负责电力系统控制及其通信的相关标准的第 5 7技术委 员会制定了一系列标准，其中第 1 3 工作组负责制定与e ms 专业相关的标准系列即 i e c 6 1 9 7 0 系列， 使e ms 的应用软件组件化和开放化。 i e c 6 1 9 7 0 标准最初的草案是 接受了美国电力科学研究院控制中心a p i ( 简称e p r i c c a p i ) 项目的研究成果， 其 目标是: 1 ) 在为e m s ( e n e r g y m a n a g e m e n t s y s t e m ) 增加新的 应用时 尽可能减少费 用和 时间; 2 )尽可能的保护以前有效的应用系统的投资: 3 )为与现存的应用程序接口提供完整的框架。 幻 。 c c a p i ( c o n t r o l c e n t e r a p p l i c a t i o n p r o g r a m m e i n t e r f a c e ， 控制中心应用程序接 口)工程的主要目的是开发一套导则和标准来促进不同厂商开发的应用程序的融 z 2 . 2 . 3 c i m 在 i e c 6 1 9 7 0 标准中的地位 i e c 6 1 9 7 0 主要包大致分为以下5 个部分: 1 )第 1 部分:导则和一般要求; 2 )第2部分:术语表; 3 ) 3 x x 系列:公共信息模型c i m; 4 ) 4 x x 系列:组件接口规范，级别 1 ; 5 ) 5 x x 系列:组件接口规范，级别2 . 其中导则部分描述了 i e c 6 1 9 7 0标准系列应用的典型环境以及可以融合的应用 程序的种类:说明了 i e c 6 1 9 7 0标准既不规定单个的实现和产品，也不强迫规定信 息在计算机应用系统的表现形式，标准只是从外部规范了可见的接口，包括语义和 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 语 法 114 1 术语部分规定并解释了大量的标准中用到的术语和缩写。 3 x x系列是i e c 6 1 9 7 0 标准的核心部分，定义了c i m模型。 4 x x 系列和5 x x 系列是i e c 6 1 9 7 0 的组件接口 规范即c i s ( c o m p o n e n t i n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n ) 。 组件接口 规范定义了 一种公 共的 接口 ， 通过这种标准信息访问 的公 共接口，组件 ( 或应用程序)能够与其他的组件 ( 或应用程序) 进行信息交互。为 此， 组 件 接口 描 述了 明 确的 事 件、 方 法 和 属 性 1 4 1- 1 9 1 2 . 2 . 4 c i m的发展历程 1 9 9 0 年美国e p r i , c c a p i 专业组成立， 开始c i m的研究。 c c a p i 工程的任务 是制定一套导则和标准，来适应不同的开发商开发的应用程序之间的综合与互操 作. c c a p i 工程的主要目 标是形成一套导则或规范， 以 最小代价和无任何代码改动 就可以将一个新应用软件安装在正在运行之中的 e ms系统中，就象在台式机上安 装软件包，或者在计算机中加块内存，实现e ms 应用软件的 “ 即插即用， 。最低的 目 标是探讨一种方法，以减少目前需要在e ms 系统中安装第三方软件的工作量. 1 9 9 5 年，美国e p r i 的c c a p i 专业组将c i m提交给i e c . i e c 6 1 9 7 0 标准最初 的草案是接受了美国电科院控制中心a p i 项目的研究成果。 c c a p i 工程刚开始研究范围仅限于控制中心，自 从 1 9 %年 6 月 以来，扩展了 发电、输电、配电部分。 1 9 9 9 . 1 2 , i e c 6 1 9 7 0 c i m / c i s ( c o m p o n e n t i n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n ， 组件接口 规范) 正式发布。其中c i m经过近十年的制定，现在相对比较成熟，第 1 0 版已经发布。 c i s 正在制订中，形成了部分草案，除了用x ml 承载c i m数据的标准 ( p a r t 5 0 1 ) 已经到了可以应用的程度外，c i s的其它部分还不成熟，是下一步标准化的重点。 2 . 2 . 5目前国内外关于c i m 的研究现状 1 )目前国内外的研究成果 在标准草案出台后的几年里，各国电力工作者都对此作了大盆深入的研究，成 果包括完成了基于 c i m ( c o m m o n i n f o r m a t i o n mo d e l ， 公共信息模型)am l ( e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e ) 的 数 据导 入导出的 实 验 验证: 美国 分别 于2 0 0 0 年 1 2月、2 0 0 1 年 5月和 2 0 0 1 年 9月进行的三次互操作实验 ( 参加的单位有 a b b . s i mme n s . e s c a . g e . h a r r i s ) ,验证7 c i m模型的正确性和可用性:为了跟上 国际对c i m的研究步伐，从2 0 0 2 年1 月开始，北京国调中心进行了三次互操作实 验 ( 参加单位有电科院、南自院、东方电子、清华大学、山东大学) ，实验的成功 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。 从文献 2 0 - 2 2 所 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 做的工作可以看出，国内电力工作者提出了基于 i e c 6 1 9 7 0的新一代调度自 动化系 统的框架构想，并开始积极的投入实践。 2 )目前工程应用的情况 目 前，c i m 已 被 a b b , a l s t o m , s i e m e n s , s i s c o和 i c l等 2 0多个开发商用于 s c a d a ,n a和 o t s 等 3 0 多种应用; n e r c , ws c c ， 加利福尼亚 i s o等3 0 多个电 力企业接受 c i m。在国内，几乎所有的省调和大型地调的招标文件中都有遵循 i e c 6 1 9 7 0 标准系列的要求，华东电力设计院等单位正在按i e c 6 1 9 7 0 修改调度自动 化设计规程， n a r i , e p r i , 清华大学和鲁能积成电子公司等主要 e ms 开发单位正 在抓紧研制基于 c i m的 新一代调度自 动化系统12 4 1 杭州国电信息技术有限公司， 2 0 0 2 年7 月3日 在杭州与浙江省电力调度通信中 心正式签订 浙江省继电 保护故障信息处理系统开发与建设合作协议。整个系统 将内嵌i e c - 6 1 8 5 0 , i e c - 6 1 9 7 0 ， 采用最新国际规约、实现信息无缝交互等众多技术 1 2 5 7 2 . 2 . 6 c 1 m 建模的思想和方法 本文根据对c i m模型的深入研究， 总结了c i m建模的思想和方法。总的说 来， c i m技术建立在计算机行业的成熟发展， c i m吸取了计算机行业的发展成果， 采用 计算机行业先进的建模工具，完成了对电力系统的现实世界的建模。具体表现在以 下三个方面: 1 )采用面向对象技术将电力系统现实世界的对象用类和包及其关系来组织。 a .电力系统对象用类来描述; b .对象之间的关系有三种: c .专门的域包将所有的数据类型封装成类: d .设计虚类，方便接口和实现的有效分离。 2 ) 采用u m l 语言描述模型。 u m l 语言作为o m g规定的国际标准化的建模语 言，现在己经被软件工业界普遍采用，并发挥了巨大的作用。 3 ) 采用r a t i o n a l r o s e 作为建模工具. 2 . 3 x m l 简介 w 3 c ( w o r l d w i d e w e b c o n s o r ti u m ， 万维网联盟) 对 x m l ( e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e , 可扩展标记语言) 作了 如下描述; x m l 描述了 一 类被称为x m l 文档的 数 据对象，并部分描述了处理它们的计算机程序的行为。x ml 是 s g ml ( s t a n d a r d g e n e r a l i z e m a r k u p l a n g u a g e ， 标准通用标记 语言 ) 的一个 应用实例或一种受 限形式。从结构上说，x ml 文档遵从 s g ml文档标准。 2 6 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 由于x ml具有如上的优点，所以i e c 6 1 9 7 0 推从x m l作为数据交换的格式。 现在许多行业、机构都利用 x ml定义了自己的置标语言。而本系统也理所当然积 极采用x ml解决数据格式的问题。 采用x m l进行数据导入导出的过程如图2 - 1 所示，两个异构的应用系统 1 和 系统 2 。系统 1 将数据库、数据文件或其他数据源中各种结构的数据，通过数据格 式转换模块， 变成系统内部统一的数据格式。再利用c i m x m l 解析/ 组合模块， 将 该数据格式的 数据组合成x m l 格式， 通过c i m x m l 导入 / 导出 模块， 将其导出， 以x m l格式， 保存为c i m x m l文件， 或在系统内以c i m x ml 流的形式存在。 系 统2 的c i m x ml 导入/ 导出 模块， 将x m l格式的流或者文件导入， 经过c i m x m l 解析/ 组合模块的解析， 转换成系统2 内部的数据格式， 直接为系统2 所用; 或者经 过系统2 的数据格式转换模块，以其他结构存入数据存储器中。 图2 - 1 x ml 导入导出的设计方案 2 . 4 u m l 建模语言 2 . 4 . 1 为什么采用 u m l 建模 统一建模语言 ( u n i f i e d m o d e l i n g l a n g u a g e , u m l ) 是一种绘制软 件蓝图的 标 准语言。 可以用u m l对软件密集型系统的制品进行可视化、 详诉、构造和文档化。 从企业信息系统到基于w e b 的分布式应用， 甚至严格的实时嵌入式系统都适合于用 u ml 来建模。 它是一种富有表达力的语言， 可以描述开发所需要的各种视图， 然后 以此为基础装配系统。 2 . 4 . 2 u m l 介绍 u m l最重要的三个要素是:u m l的基本构造块、支配这些构造块如何放置在 一起的规则和运用于整个语言的一些公共机制，这里主要介绍u m l的构造块。 u ml的词汇表包含3 种构造块:事物、关系和图. 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 事物包括结构事物 ( s t r u c t u r a l t h i n g ) 、 行为事物、分组事物和注释事物。 结构事物是u mi . 模型中的名词。 它们通常是模型的静态部分， 描述概念或物理 概念。共有 7 种结构事物: 1 ) 类 ( c l a s s )是对一组具有相同属性、 相同操作、 相同关系和相同语义的对象 的描述。一个类实现了一个或多个接口。在图形上，把一个类画成一个矩形，通常 矩形中写有类的名称、类的属性和类的操作. 2 ) 接口 ( i n t e r f a c e )是描述了一个类或构件的一个服务的操作集。因此接口描 述元素的外部可见行为。一个接口可以描述一个类或构件的全部行为或部分行为。 接口定义了一组操作的描述 ( 即特征标记) ，而不是操作的实现。在图形上，把一 个接口画成一个带有名称的圆。接口很少单独存在，而是通常依附于实现接口的类 或构件。 3 )协作 c o l l a b o r a t i o n )定义了一个交互，它是由一组共同工作以提供某协作 行为的角色和其他元素构成的一个群体，这些协作行为大于所有元素各自的行为的 总和。因此，协作有结构、行为和维度。一个给定的类可以参与几个协作。这些协 作因而表现了系统构成模式的实现。在图形上，把一个协作画成一个冗长仅包含名 称的虚线椭圆。 4 )用例 ( u s e c a s e )是对一组动作序列的描述，系统执行这些动作将产生一个 特定的参与者有价值且可直接观察到的结果。用例用于对模型中的行为事物结构 化。用例是通过协作实现的。在图形上，把一个用例画成一个实现椭圆，通常仅包 含它的名称。 声 口 户 . . 娜 、 电 ，、1识 ow ? o f ，、， o ! 御d!间 接 口 、 、 七 ， . _. ， . 砂 沪 协作用例 主动类 图2 - 2 u ml 5 )主动类 ( a c t i v e c l a s s )是这样的类 1 4 构件节点 的7 种结构事物 ，其对象至少拥有一个进程或线程，因此 _ 一-华 北电 力 大 学( j 七 京 硕 士 学 位 论 文 它能够启动控制活动。主动类的对象所描述的元素的行为与其他元素的行为并发， 除了这一点之外，它和类是一样的。在图形上，主动类很象类，只是它的外框是粗 线，通常它包含名称、属性和操作。 6 )构件 ( c o m p o n e n t )是系统中物理的、可替代的部件，它遵循且提供一组接 口的实现.通常构件是一个描述了一些逻辑元素 ( 如类、接口 和协作)的物理包。 在图形上，把一个构件画成一个带有小方框的矩形，通常在矩形中只写该构件的名 称。 7 )节点 ( n o d e )是在运行是存在的物理元素，它表示了一种可以计算的资源， 它通常至少有一些记忆能力和处理能力。一个构件集可以驻留在一个节点内，也可 以从一个节点迁移到另一个节点。在图形上，把一个节点画成一个立方体，通常在 立方体中只写它的名称。如图2 - 2 e 行为事物是u ml 模型的动态部分。 它们是模型中的动词， 描述了跨越时间和空 间的行为。共有两种行为事物:交互和状态机。 1 )交互 ( i n t e r a c t i o n )是这样一种行为，它由在特定语境中共同完成一定任务 的一组对象之间交换的消息组成。一个对象群体的行为或单个操作的行为可以用一 个交互来描述。 一个交互涉及一些其他元素， 包括消息、 动作序列和链， 在图形上， 把一个消息画成一条有向 直线， 通常在表示消息的线段上总有操作名。 2 )状态机 ( s t a t e m a c h i n e )是这样一种行为，它描述了一个对象或一个交互在 生命周期内响应事件所经历的状态序列。单个类或一组类之间协作的行为可以 用状 态机来描述.一个状态涉及到其他一些元素，包括状态、转换、事件和活动。在图 形上， 把状态画成一个圆角矩形， 通常在圆角矩形中包含有状态的名称及其子状态。 分组事物是u m l 模型的组织部分。 它们是一些由 模型分解成的“ 盒子” . 在所 有的分组事物中，最主要的是包。包是把元素组织成组的机制，这种机制具有多种 途径。结构事物、行为事物甚至其他分组事物都可以放进包内。包不象构件 ( 仅在 运行时存在) ，它纯粹是概念上的。 在图形上，把一个包画成一个左上角带有一个 小矩形的大矩形，在矩形中通常仅含有包的名称，有时还有内容。包有变体，如框 架、模型和子系统等 ( 它们是包的不同种类) ，如图2 - 3 . 注释事物 ( a n n o t a t i o n a l t h in g ) 是u m l 模型的 解 释部分。 这些 注释事物用来描 述、说明和标注模型的任何元素。有一种主要的注释事物叫注解。注解是一个依附 于一个元素或一组元素之上，对它进行约束或解释的简单符号。在图形上，把一个 注解画成一个右上角是折角的矩形，其中带有文字或图形解释，如图2 - 4 0 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 su e 柑名 8 r u l e s 图2 - 3 u ml 分组事物图2 - 4 注释事物 u ml中有四种关系:依赖、关联、泛化和实现。 这些关系是u ml的基本关系 构造块，用它们可以写出结构良 好的模型。 1 ) 依赖 ( d e p e n d e n c y )是两个事物间的 语义关系， 其中一个事物 ( 独立事物) 发生变化会影响另一个事物的语义。依赖有变体如精化、跟踪、包含和延伸。在图 形上，把一个依赖画成一条可能有方向的虚线，偶尔在上面还会有一个标记。 2 ) 关联 ( a s s o c i a t i o n ) 是一种结构关系， 它描述了 一组链， 链是对象之间的 连 接。聚合是一种特殊类型的关联，它描述了整体与部分的结构关系。在图形上，把 一个关联画成一条实线，他可能有方向，偶尔在其上还有一个标记，而且它经常还 含有诸如多重性和角色名这样的修饰。 3 ) 泛化 ( g e n e r a l i z a t i o n ) 是一种特殊/ 一 般关系， 特殊元素( 子元素)的 对象 可替代一般元素 ( 父元素)的对象。 用这种方法，子元素共享了父元素的结构和行 为。 在图形上，把一个泛化关系画成一条带有空心箭头的实线， 它指向父元素。 4 ) 实现 ( r e a l i z a t i o n ) 是类元之间的 语义关系， 其中的 一个类元指定了由 另 一 个类元保证执行的契约。在两种地方要遇到实现关系:一种是在接口和实现它们的 类或构件之间:另一种是在用例和实现它们的协作之间。在图形上，把一个实现关 系画成一条带有空心箭头的虚线，它是泛化和依赖关系两种图形的结合。如图2 - 6 . 几 ， - - - - - - - - - - - 一) 依赖 创 ， 甲卿 关联 一.令- - - - - - - - - - - 一 ) 泛化实现 图2 - 5 u m l 的四种关系 u ml中的图是一组元素的图形表示，大多数情况下把图画成顶点 ( 代表事物) 和弧 ( 代表关系)的连通图。为了对系统进行可视化，可以从不同的角度画图，这 样图是对系统的投影。理论上，土可以包含任何事物及其关系的组合。然而，实际 上仅存在这少童的常见组合，它们要与5 种最有用的组成了软件密集型系统的体系 结构的视图相一致。由于这样，u ml包括9 种这样的图: 1 ) 类图 ( c l a s s d i a g r a m ) 展现了 一组对象、 接口 、协作和它们之间的关系。 类 1 6 _ 一 华 北电 力 大 学( 北 京 ) 硕 士 学 f 论 文 图给出系统的静态设计视图。包含主动类的类图给出系统的静态进程视图。 2 ) 对象图 ( o b j e c t d i a g r a m ) 展现了一组对象以及它们之间的关系。对象图描 述了在类图中所建立的事物的实例的静态快照。是从真实的或原型案例的角度建立 的。 3 )用例图 ( 它们之间的关系 u s e c a s e d i a g r a m ) 展 现了 一组用例、 参与者( 一种特殊的 类) 以 及 4 ) 顺序图 ( s e q u e n c e d i a g r a m ) 是一 种强调消息的时间 顺序的交互图; 5 ) 协作图 ( c o l l a b o r a t i o n d i a g r a m) 也是一种交互图， 它强调收发消息对象的结 构组织。 7 ) 顺序图和协作图是同构的，这意味着它们可以相互转换。 状态图 ( s t a t e d e a g r a m) 展现了一个状态机， 它由 状态、转换、事件和活动 组成。状态图专注于系统的动态视图。 8 ) 活动图 ( a c t i v i t y d i a g r a m ) 是一种特殊的 状态图， 它展现了 在系统内 从一个 活动到另一个活动的流程。 活动图专注于系统的动态视图， 强调对象间的控制流程。 7 ) 构件图( c o m p o n e n t d i a g r a m ) 展现了 一组构件之间的 组织和依 赖。 专注于系 统的静态实现视图。 它与类图相关， 通常把构件映射成一个或多个类、 接口 或协作。 8 ) 实施图 ( d e p l o y m e n t d i a g r a m ) 展现了对 运行时 处理节点以 及其中的构 件的 配置.实施图给出了 体