（电力系统及其自动化专业论文）调度自动化系统集成及相关问题的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p o w e ri n d u s t r y , w h i c hr e m a i n e dr e l a t i v e l ys t a b l e f o rd e c a d e s ，i sn o wu n d e r g o i n g r e v o l u t i o n a r yc h a n g e s ，e s p e c i a l l yw i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fp o w e rm a r k e t t h ec h a n g i n g s c e n a r i o so fp o w e rs y s t e ma n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yh a v eb e e n m a k i n gp r o f o u n dc h a n g e st ot h ep o w e rd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ( p d a s ) i n a l m o s t e v e r ya s p e c t t h ep d a sw i l ls u r e l yd e v e l o pi n t o a n i n t e g r a t e dn e t w o r k ，a n d i ti st h e i m p e r a t i v e n e e d o fc u r r e n tp d a st o i m p l e m e n t t h ei n f o r m a t i o n e x c h a n g e a n dt h e i n t e r o p e r a b i l i t y b e t w e e n u t i l i t ya p p l i c a t i o n s t h a ta r e s u b s t a n t i a l l yi n _ h o m o g e n e o u sa n d d i s t r i b u t e d ，w h i c hi sc a l l e di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n t h i st h e s i s i sd e v o t e dt ot h er e l a t i v e p r o b l e m si nt h i sf i e l d t om a k ea l lo p e ns y s t e mi st h eu l t i m a t ed e s t i n a t i o no fi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n t h i s t h e s i s 缸e st oc l a r i f yt h ec o n n o t a t i o no fs o c a l l e do p e ns y s t e ma n dp r o p o s e sac o n c i s e w o r k i n g d e f i n i t i o n t h ed e f i n i t i o nd e s c r i b e st h eo p e n n e s so fi n t e g r a t e dp d a s ，a c c o r d i n gt o t h es t a n d a r d si tf o l l o w s 、i t sp o r t a b i l i t ya n di t si n t e r o p e r a b i l i t y ，w h i c hm a k e s t h er e a l i z a t i o n o f o p e ns y s t e mo p e r a b l e t h es t a n d a r d i z a t i o no fp o w e rs y s t e mi n f o r m a t i o nm o d e li s t h e p r e c o n d i t i o n o f i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n t h es t a n d a r dc o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) a n dt h ei s s u eo f i t se x t e n s i o na r es t u d i e di nd e m i l t h i st h e s i sa l s os t u d i e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so f i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n dt h e o p e na r c h i t e c t u r e o fp d a s a f t e rt h a t ，f o l l o w i n gt h e s t a n d a r do f i e c 6 1 9 7 0 。u s i n gc i mx m l a sd a t ae x c h a n g e l a n g u a g ew h o s e s e m a n t i ci sb a s e d d nc i m ，c o m b i n i n gt h ep r e d o m i n a n c eo fc o r b a a n dc i mx m l ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa m o r eo p e na p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r eo fp d a s t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h e r e l a t i v ei n t e g r a t i o ni s s u e so f l e g a e ys y s t e m sa n d i n t r o d u c e st h em e t h o dt op r o m o t es o f t w a r e r e u s eo ft r a d i t i o n a le m s t h ea g e n tb a s e d s y s t e m sc a n r e a l i z es e m a n t i c i n t e r o p e r a b i l i t y a n da d a p tt ot h e d y n a m i cc h a n g eo fp d a se x e c u t i n ge n v i r o n m e n t ，w h i c hi s ah i g h e rl e v e lo fi n f o r m a t i o n l l 华中科技大学硕士学位论文 i n t e g r a t i o n t h i st h e s i sf i n a l l yd i s c u s s e st h em u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) a r c h i t e c t u r ef o r p d a st h a tb a s e do nc o r b a i n t e g r a t i o ns y s t e m s ，w h i c h i sm o r e o p e n a n df l e x i b l e k e y w o r d s ：p o w e rd i s p a t c h i n g a u t o m a t i o n s y s t e m i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n i n t e r o p e r a b i l i t y i e c 6 1 9 7 0c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l s o f t w a r e a g e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知。除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名。孥奄k a 乒年j - 月7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密臼。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：j 黪蔌 呻陴t j - 月 7 目 指导教师签名：7 j ：酗堪， t c 。v 年，月甚日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 通过对调度自动化系统发展历史的回顾，以及对现状和发展趋势的分析，概述了电力企业应 用集成的基本状况及其相关标准的研究进展与应用情况，最后介绍了本文的主要研究内容 1 1 问题的提出和研究背景 1 1 1 调度自动化系统的发展 电力系统正发生深刻的变化，变得日盏庞大和复杂，调度自动化的内涵也远远超 出了传统调度自动化系统范围，并逐步走向一体化。 最初的调度自动化系统是4 0 年代的数据收集与监控系统s c a d a ，5 0 年代增加了 自动发电控制a g c ，6 0 年代中期几次大的系统事故导致了负荷预测、发电计划和预 想故障分析等网络安全分析的产生，7 0 年代中期出现了e m s ，8 0 年代配电管理系统 d m s 产生，到如今各种新的应用功能不断开发和集成，调度自动化系统由原来单一的 e m s 扩展为e m s 、d m s 、交易管理系统t m s 以及厂站自动化、水调自动化、雷电监 视、故障录波远传、功角遥测、电力市场技术支持和调度生产管理等系统【”，尤其电 力市场改革更是在前所未有的广度和深度上丰富了调度自动化系统的内涵。 从技术角度来看，调度系统的发展已经经历了三代1 2 1 ：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，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，采用客户棚匣务器结构；目前的第三代则是基于r i s c u n i x 的开 放式分布式e m s d m s ，采用功能分布结构，它实质上是一种复杂的客户朋务器结构， 将服务器分为数据服务器和应用服务器，数据通信由专用的网络管理软件支撑，这里 的开放是一种计算机产品的开放，调度系统本身仍然封闭，因为其电力系统公用信息 模型都是私有的，难以交换共享信息和实现互操作，第三方开发的软件难以接入。当 然在这个发展过程中调度系统也随着计算机技术的发展，逐步从封闭走向开放，从集 中走向分布。随着计算机和网络技术的飞速发展，如n t e r n e t 技术、面向对象技术、 中间件技术、多代理技术、厂站自动化技术、电力市场运营技术等新技术的面世新 一代调度自动化系统即将诞生。 1 华中科技大学硕士学位论文 纵观调度自动化系统的发展历史，是主站新应用功能向一体化发展和主站系统构 成的不断开放化发展的历史例。电网是个整体，一些应用如计划管理需要e m s 等系 统提供的系统实际负荷及机组实际出力的测量值、旋转备用容量的监视等实时信息以 及调用e m s 中的超短期负荷预报、水电计划、静态安全分析校核、暂态功角安全分析 校核、电压安全分析校核等功能e m s 可能也需要这些应用提供的信息，如e m s 根 据计划管理应用提供的发电计划曲线执行自动发电控制。因此，将电网调度各种相关 的孤立应用集成到统一的平台，是发展的必然趋势。另一方面。随着电力工业的发展， 各种异构系统不断涌现，为实现这些系统之间的信息交换和互操作，方便第三方软件 的接入，要求调度系统具有开放性的呼声越来越高。 1 1 2 问题的提出和研究背景 当前，电力系统自动化的发展趋势是从单项林立的多岛自动化走向综合自动化， 即各级主站以e m s d m s 调度自动化为基础向全局自动化发展，以保证整个电网的安 全经济运行。希望系统开放，是电力工业发展的内在需求，然而实际情况是： ( 1 ) 已经安装的s c a d a e m s 、电能量计量系统t m r 、m i s 等各种应用系统之间 难以交换共享各种实时和非实时信息，互联互操作。问题在于当初这些应用系统的开 发目的是为了满足企业各业务部门的不同需要，开发时不同的问题域和责任域造成它 们关心电力对象的不同方面，对电力对象建模不同。而且，由于深受计算机工业发展 的影响，不同时期开发的应用系统存在很大的异构性，更使得它们在信息上成为相对 孤立的“自动化孤岛”，相互之间很难交换共享数据。这种异构性体现在：硬件平台异 构，有各种i b m 主机、u n i x 工作站、p c 机等；操作系统异构，包括各种版本的u n i x 、 m i c r o s o f t w i n d o w s 等：开发语言异构，如f o r t r a n 、c 、c + + 等；网络平台异构，采 用各种不同协议等。 ( 2 ) 这些应用系统开放性差。体现在系统随应用发展的可扩展性较差、应用系统 与支撑平台的相容性较差 4 1 等，系统升级困难，主要表现在： i ) 运行平台不兼容导致系统升级时一些原来有效可靠软件不能运行，用户积累的 数据资料和二次开发工作不能保留，浪费了先期投资。 2 ) 系统修改困难。应用系统的开发设计根据其特定要求对电力对象建模，当用户 的要求发展时可能需要频繁的修改其数据结构，有些基础修改很可能会“牵一发而 动全身”地扩散到所有模块甚至导致系统重新开发的后果。 2 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 当用户采用第三方软件对系统某部分功能进行扩展时，山于系统的异构性，用 户必须重新开发一些软件，浪费大量的资! ；= 和时间。 4 ) 增加了用户对供应商的依赖。为避免数据理解歧义，后期只好不断地向一个软 件供应商购买所有的软件，在其不擅长领域，容易购买到性价比低的软件。 ( 3 ) 电力市场的发展迫切要求自动化系统和信息系统在更深层次上进行信息集 成。电力市场条件下的电网将经常运行在安全极限状态以追求最大经济效益，控制中 心和各电力公司之间需交换大量信息如电网模型等，以监视系统状态和进行安全经济 分析，为此需要不断扩展、丌发新的应用或系统。电力市场的发展使得电力系统不再 封闭运营，它要求将e m s 采集到的电力系统实时状态信息、网络分析信息如安全状况 及安全裕度信息、电能报价和电量交易情况等各方面信息集成到一个平台提供给所有 参与者。电力市场运营系统口】是一套复杂的信息密集型自动化系统，包括已经开发的 e m s ，电能量计量系统t m r 等和待开发的交易管理c m s 等共9 个子系统。其内部各 子系统之间以及与外部系统之间要求实现高度的信息共享和互操作，作为电力部门计 划、生产等的决策依据，这就对各种系统提出了更高的集成要求。 为了适应激烈的市场竞争，电力企业更加需要一个既集成优化原有各应用系统， 又能满足当前和未来需求的开放的应用集成系统，以获取实时的市场信息。网络环境 下如何将分布异构的遗留应用与现有应用进行优化集成，以交换共享数据和资源提 高企业整体效益，如何保证丌发的应用系统的体系结构具有丌放性，以便与外系统实 现互连互操作，是企业当前急待解决的问题。应用集成的提出就是为了实现异构环境 下分布式应用之间的信息交换共享和互操作，建立开放的调度自动化系统。对电力企 业中的各种应用进行集成是电力工业发展的必然要求。 1 2 电力应用集成概述 电力调度自动化系统是一个高度分布和异构的环境，如何实现各个分布式应用的 信息交换共享和互操作将是一项极具挑战性的难题。应用集成的基础是数据模型。各 个应用要正确无误地互操作，必须对所交换信息有一致理解。正是由于各个应用系统 采用满足自身特定需求的私有数据模型，平台专用，极大地限制了系统之间的信息共 享和互操作。以前由于缺少标准，用户只好投入大量的资金和时间来实现基于专用平 台的应用集成，常用的集成方案大致有【6 】： 3 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 1 从一家供应商那里购买所有的软件 所有应用软件由一家供应商提供，集成工作也由它负责完成，减少了数据理解歧 义错误，但由于其集成方式私有，限制了第三方软件和用户自己开发的应用，系统无 法升级，只能更换，增加了用户对供应商的依赖。在该供应商不擅长领域用户可能 购买到性价比低的产品。这种集成只会造就一个更大的“自动化孤岛”。 ( 2 ) 中心数据库解决方案 所有的应用软件从一个中心数据库存取数据( 接口转换程序数目为0 ) ，当应用的 数目增加时，中心数据库会成为数据分布的瓶颈，这种基于中心数据库的集成只会过 分增加各独立应用之间的耦合性依赖性。 图1 - 1 点到点集成 f i g u r e1 - 1p o i n t t op o i n ti n t e g r a t i o n ( 3 ) 点对点集成 如图1 1 所示，每两个应用之间通过开发一对一的专用集成接口实现相互之间的 数据交换。点对点集成效率高，但每个应用必须理解其他应用中的数据表示方法，如 果需要集成应用的数量为n ，则数据传输格式数目为c n 2 = o ( n 2 ) ；需要进行繁琐的数据 格式转换，其接口程序数目为4 x c 2 = o ( n 2 ) ，开发的复杂性和维护的难度大，任何一个 应用系统的修改都会导致一大批相关应用系统的修改，而且随着需集成应用的数量n 的增加，数据传输格式数目和接口程序数目急剧增加，可能导致集成死锁。 比较现实的集成方法，应采用基于消息总线的集成策略【6 ，7 】，为企业内交换的公用 信息建立统一数据模型。在消息总线上交换的消息采用公用信息模型( 即各应用构件 的接口级信息基予公用信息模型) ，各个应用内部的信息模型仍然可以采用私有数据模 型，只衙在其接口中实现其私有模型与公用信息模型的双向映射( 数据传输格式数目 为1 ，接口程序数目为2 x n ) ，就可以实现信息的交换和共享，同时有效保护企业的先 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= j 2 = = = = = = = = = = = 。= = = = = = 2 = = = = = 一一： 期投资，避免了点对点集成带来的数据格式转换接口程序数目繁多和“死锁”问题。 实际上基于消息总线的信息集成就是基于分前j 式构件技术的系统集成，是当今最先进 的应用系统集成方式之一，第4 章将详细加以阐述。 应用集成的目的是为了实现异构环境下分布式应用之间的互连互操作，建立开放 的调度自动化系统。系统的开放性问题已经引起了电力行业的高度重视，2 0 世纪9 0 年代以来，一些组织和研究机构开始致力于相关方面的研究1 6 l ，研究集中于数据和建 模的标准化以及开放系统结构两大方面。其中美国电科院e p r i 主持开展了控制中心 应用程序接口c c a p i 工程喁。”，其目标是通过使用规范化的接口来开发开放的、可互 操作的e m s 应用，以建立一个应用可“即插即用”的电力企业运行环境，方便第三方 应用的接入，减少增加e m s 应用的时间和费用，保护已有投资。其研究成果包括控制 中心应用数据表示的公用信息模型c i m 、控制中心a p i 以及应用之间的消息总线接1 ：3 m b i 。其中c i m 是c c a p i 的核心，它定义了电力系统的信息模型，为应用之恻的信 息交换和麸享提供一个公共的接口语言和一致语义。 电力应用集成应该遵循标准，否则只会变成更大的“自动化孤岛”。下面将简要介 绍电力应用集成相关的各个标准研究进展以及应用。 1 3 集成相关标准的研究进展与应用 1 3 1 电力集成相关标准 数据通信和开放系统的发展对标准提出了更高的要求。国际电工技术委员会i e c 的t c 5 7 技术委员会主要负责制定与电网运行控制直接相关的标准，现有i e c 标准繁 多，各个标准系列之间还存在重复和交叉，为建立电力系统统一的国际标准，已经对 现有标准进行了清理筛选，形成了一个清楚的轮廓，如图i - 2 所示，电力系统数据通 信体系【1 2 】分为5 个层次，包括4 套标准，相互无缝衔接。主站侧各应用系统遵循 i e c 6 1 9 7 0 系列标准( c i m c i s ) 各系统之间的通信应遵循电力企业综合总线f o m ) 标准 i e c 6 1 9 6 8 系列；厂站内的站级通信总线和间隔级通信采用i e c 6 1 8 5 0 系列标准；主站 与厂站之间的数据通信采用1 e c 6 0 8 7 0 6t a s e 2 或扩展的i e c 6 1 8 5 0 标准系列，两种 方式各有优劣，结果待定。与电力应用集成相关的几个标准包括： 5 华中科技大学硕士学位论文 一i _ ：应用系够缸e c 6 1 9 7 0c l m 圮l s ；企业总女赶e c 6 t 9 6 9u i b l l 。e c 6 0 8 7 0 6t a s e2 或i e c 6 1 8 5 0 + 远j i 呈i 区偷e c 6 0 9 7 0 6t a s e2 j 或i e c 6 1 8 5 0 + ；站缀总缩e c 6 1 9 j oi 以太网) l l l l ! 过程总l 翅e c 6 1 8 5 0 ( 以太网) l i i i i 图卜21 9 9 9 年提山的电力系统数据通信协议体系 f i g u r e1 - 2 d a t ac o m m u n i c a t i o nv r o t o e o ls y s t e mo fp o w e r s y s t e mo u tf o r w a r di n1 9 9 9 ( 1 ) 电力系统控制中心应用数据表示标准i e c 6 1 9 7 0 1 9 1 3 1 i e ct c 5 7 的w g1 3 工作组以e p r ic c a p i 的成果作为标准草案，在o m g i 1 4 , 15 、 o a g 、o p c 等现有标准的基础上制定了与e m s 相关的公用信息模型c i m 和构件接口 规范c i s ，形成了i e c 6 1 9 7 0 系列标准。制定标准的目的就是为了促进对不同卖方独立 开发的不同e m s 之间、e m s 与其他电力应用系统之间以及e m s 内部各应用之间进行 集成，该标准用于控制中心各应用之间的信息交换以及控制中心与外系统间的信息交 换。主要应用领域包括：s c a d a 、告警处理、拓扑处理、网络分析、负荷管理、发电 控制、负荷预测、电能交换计划、计费结算、维修计划、历史数据管理、设备管理、 通用用户界面、动态模拟、调度员培训模拟、配电网管理、电力市场运营等。 该标准定义了c c a p i 提交的公用信息模型c i m ( 3 0 0 系列) ，c i m 定义了面向对象 的电力系统模型提供了e m s 信息模型的逻辑视图，是标准的基础；定义了e m s 应 用的各个构件必须实现的接口规范c i s 。其中c i m 定义了电力工业标准对象模型，对 于共同遵循c i m 的系统而言就有了交换信息的基础，为实现应用之间的“即插即用” 和互操作提供了可能。 ( 2 ) 配电系统集成标准i e c 6 1 9 6 8 t 1 6 , 1 7 6 华中科技大学硕士学位论文 i e ct c 5 7 的w g1 4 工作组，根据配电系统集成的需求制定了标准i e c 6 1 9 6 8 。该 标准定义了配电网络模型和配电管理相关的系统接i 。其配电网络模型就是以c i m 模 型为基础，并根据配电系统集成的需求进行了相应扩展。 ( 3 1 变电站标准i e c 6 1 8 5 0 1 1 8 , 1 9 1 i e c t c 5 7 的w g l 0 、w g l l 、w g1 2 工作组定义了变电站通信标准i e c 6 18 5 0 ，该 标准对变电站中的各种对象建立了面向对象模型。 当然这些标准仍然存在相互兼容的问题，不同的标准对电力系统中的资源可能有 不同的建模方法，如i e c 6 1 9 7 0 和1 e c 6 1 8 5 0 对变电站模型建模不尽相同，实际集成工 程中需要进行相互转换映射 2 0 , 2 1 。目前，最新的研究表明，可以实现两个标准i e c 6 1 9 7 0 和i e c 6 1 8 5 0 的集成【2 2 】。 1 3 2c i m 的应用 目前，c i m 开始进入实际工程应用阶段，下面将简单地介绍一些典型应用： f 1 ) 互操作试验 1 2 , 2 3 , 2 4 】： 北美可靠性委员会n e r c 已经要求所有承担安全协调任务的结构，提供本区域带 开关和测量值的网络模型，以便其它单位进行实时或预测的网络系统分析，解决以安 全为由谋私的问题。为校验基于c i m 可实现不同厂家产品之间的互操作性，2 0 0 0 年 1 2 月1 8 日、2 0 0 1 年4 月2 9 同、2 0 0 1 年9 月2 6 日，美国的e p r i 、a b b 、s i e m e n s 、 s i s c o 等公司分别进行了第一次、第二次、第三次c i mx m l 互操作实验。试验目的 是：1 ) 验证用于交换的c i m 版本，第三次试验中c i m 版本已经从u 0 9 b 升级到l o ； 2 ) 验证互操作性 3 ) 验证大规模的适应性；4 ) 运行潮流计算程序，验证c i m 导则及 其合适交换方式。实验中使用c i m 和c i mx m l 文件来进行电力系统模型的交换。图 1 3 为美国第二次互操作试验原理图。实验结果表明一家应用生成的包含电力系统模型 数据的c i mx m l 文件可被另一家的应用正确理解和使用。 目前。我国也加紧了新一代调度自动化集成系统的研究和开发。我国的e m s a p i 电力行业标准工作组的第1 次扩大会议2 0 0 0 年9 月召开，讨论i e c 6 1 9 7 0 的翻译工作。 第2 次扩大会议2 0 0 1 年1 月举行，讨论互操作实验，重点是c o r b a 的应用。第3 次 扩大会议2 0 0 1 年7 月召_ 丌，讨论的焦点从c o r b a 转向x m l ，用c i m x m l 交换电网 模型进行互操作实验。第4 次、第5 次扩大会议分别于2 0 0 1 年和2 0 0 2 年1 月召开， 7 华中科技大学硕士学位论文 国家电力调度通信中心组织南自院、电科院、清华大学、山大积成、东方电子等多家 单位成功地进行了基于c i m 实现各家产品之间的第一次互操作实验。 图卜3 美国第二二次c i mx m l 互操作试验 f i r r e1 - 3d i a l ：r a mo ft h es e c o n di n t e r o p e r a t t o nt e s to fc i mx m l i nu s a ( 2 ) 用c i m 开发开放的e m s 系统”。最典型的是i l l i n o i s 电力公司开发的号称是 世界上第一个具有完全开放体系结构的新e m s 系统e m s n o v a ，于1 9 9 9 年1 0 月正式 运行。由于该系统数据库设计基于c i m 模式，系统具有良好的可扩展性，可以不受限 制地升级，每一个应用都可以从不同厂家的产品中选择。 ( 3 ) 基于c i m 的信息集成总线工程【”1 。f l o r i d a 电力与照明公司( f p l ) 的新系统 控制中心( s c c ) 工程于2 0 0 1 年1 1 月完成整个集成总线的部署，能更快地反应商业 变化，具有可重用的体系结构，降低集成工程费用。该工程采用中间件作为不同领域 应用互联的核心，在不同应用领域间实现了互联和数据交换。类似的还有南j n , ) ，h 爱迪 生电力公司( s c e ) 于1 9 9 7 年开始的基于c i m 的集成总线工程、k a n s a s 城市电力与照明 公司( k c p l ) 的c i m u i b ( 电力企业集成总线) 工程。 在国外，截止至2 0 0 0 年】0 月，就已经有2 8 家公司或机构在不同应用中使用c i m ； 有包括i e ct c 5 7 在内的5 家标准化组织支持c i m ；已经或即将采用c i m 实现的应用 有3 3 个如a g c 和经济调度、调度员潮流、状态估计、拓扑分析、电压安全分析、 动态安全分析等；有2 6 家供应商提供基于c i m 的应用。 8 华中科技大学硕士学位论文 目前在国内，几乎所有大型调度自动化系统项目的招标文件中都要求遵循i e c 6 1 9 7 0 标准系列，n a r i 、清华大学和鲁能积成电子公司等e m s 丌发单位正在抓紧研 制基于c i m 的开放的新一代调度自动化系统。 1 4 论文的主要工作及章节安排 本文的主要工作可以分为三部分：第一部分简要概述了电力应用集成的基本状况 及其相关标准的研究进展，阐述了调度系统开放性的概念。第二部分研究分析了标准 i e c 6 1 9 7 0 中的公用信息模型c i m ，并对c i m 的实际建模应用进行了具体分析。在阐 述了电力应用集成应遵循的根本原则和分析总结调度自动化系统开放体系结构的基础 上，提出了一种基于c o r b a x m l 的更开放的电力应用集成框架，并具体分析了遗留 应用的集成实现方法和电力市场条件下原有e m s 的包装集成问题。第三部分对实现语 义互操作的更高层次的基于a g e n t 技术的调度自动化系统集成进行了探讨。 第l 章分析了调度自动化系统发展历史、现状和发展趋势，并对电力企业应用集 成的基本状况及其相关标准的研究进展与应用情况进行了简要概述。 建立开放系统是调度自动化系统集成的最终目的，开放系统的概念是不断发展的， 第2 章主要从集成的角度阐述了调度自动化系统开放性的涵义。 建立电力系统公用信息数据模型是应用集成的基础。第3 章介绍和研究了标准公 用信息模型c i m ，并对c i m 的实际建模应用进行了具体分析。 第4 章首先阐述了调度自动化系统集成应遵循的原则并研究了其开放性体系结构 问题。在深入研究了公共请求代理体系c o r b a 和基于c i m 的c i mx m l 语言的基础 上，本章提出了一个更开放的基于c o r b a x m l 调度自动化系统集成体系结构，不仅 实现了电力应用之间的代码级互操作，还在不影响原系统实时性的前提下，构建了基 于多种数据源之上的全局数据平台，方便了各种全局的安全经济分析应用的集成和与 外系统互连。最后，本章具体分析了遗留应用的集成实现方法。 第5 章介绍了对e m s 进行包装的方法，提高其重用性。 基于a g e n t 技术的集成能够实现更高层次上的语义互操作。本章介绍了a g e n t 的 相关理论，并探讨了基于m a s 的调度自动化系统集成体系结构，以完成从代码级互 操作到语义级互操作的顺利过渡，实现更大的灵活性和开放性。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 调度自动化系统体系结构的开放性问题 建立开放系统是调度自动化系统集成的最终目的，开放系统的概念是不断发展的，本章从集 成的角度阐述了调度自动化系统的开放性问题 2 1 引言 随着软件规模和复杂度的日渐升级，软件危机日益加剧，对于大规模复杂软件系 统来说，面临的问题不再是考虑其功能问题，而是面临要解决其非功能性问题如系统 的性能问题、开放性、可靠性、可复用性问题等。对软件体系结构的设计比起对算法 和数据结构的选择变得更重要。软件体系结构是一个程序或系统的构件的组织结构、 它们之间的关联关系以及支配系统设计和演变的原则和方针。软件体系结构技术中研 究的首要问题是：构件的规格定义和体系结构的建模。软件体系结构模型从早期提出 的以数据为中心、以功能执行为中心的体系结构，逐步发展到今天以系统内核为中心 的面向对象的体系结构和基于总线结构的体系结构，其演变进化是为了满足应用系统 的开放性、集成性、适应需求变化的扩展性以及丌发与执行的高效性等需求。 构件规格定义方面。进入2 0 世纪9 0 年代以来，计算机应用进入网络应用阶段， 面向对象的构件结合分布性，产生了分布对象( 构件) 技术，最有代表性的构件规范 标准主要有m i c r o s o f t 公司c o m d c o m 、o m g 组织的c o r b a 、s u n s o f t 公司的 j a v a b e a n s 。在分布式网络环境下发展的分布对象技术是计算机发展的主流方向。分布 式对象软件的组成基础是构件【2 ，其模型如图2 一l 所示，其中包括： 框架：紧紧抓住给定的问题域中的功能和设计，框架是对问题的部分解决，是一 个应用域中的共同框架，让用户集成构件的架构，不同的应用只需更换极少的软件部 件。框架是为特定问题域定义的一个共同的可扩展的类库1 2 7 1 ，其中的类被组织起来， 通过协作来提供满意的领域问题解决方案，是更高层次上的代码重用。 构件对象：软件的基本单元，具有定义完好的接口的复用软件单元，可以独立地构 造、分发、销售和装配。构件可以在软件生产中作为零件“装配”入新的体系中被重用。 对象总线：使得构件对象和框架能够安全、快速地和分布式环境中的其它构件对 象或框架通信，如m i c r o s o f t 的d c o m 、o m g 的c o r b a 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 类对象：其它较独立的或在类库中实现的一般未组装成构件的复用对象。 集合体：与框架j 下好相反，这是应用程序的可变部分，是解决方案中随领域问题 不同而变化的部分，它综合了领域的知识、专长、规则和特殊解法，同时也是一个应 用程序区别于本领域内其它应用程序的那部分。集合体的代码符合框架建立的协议， 并将它扩展为特定的解决方案。 应用程序 框架 闹嗍厂荛r 韧牢1 集合体国 lz 撼l i 对象i i 对霉i ie t 蠡i 一 嗍m 阳 闯囡丽谪i iz 擞l le 4 象i iz 撵i 、r i 对象总线 “哦。膀 f i g u r e2 1t h ea p p l i c a t i o nb a s e do nc o m p o n e n tt e c h n o l o g y 分布式应用程序根据构件、框架和智能对象总线来配置，即基于构件的软件工程 c b s e 。通过构件对象来修改软件；用框架总装软件结构，协调对象的设计与调用；用 智能对象总线连接构件对象，提供互操作性。构件对象之间并不直接联系，而是通过 框架调用实现的，构件对象通过事件服务与框架相互作用。基于分布式对象构件的系 统软件开发步骤为：对象系统的分析、构件对象设计、构件的部署、具体化构件及连 接、产生代码、程序最终生成。 基于构件的软件工程c b s e 是当今软件工程进步的一个标志。它从根本上改变了 软件生产方式，是开发大型应用程序的主流方法，方便了大型软件的开发；提高了软 件模块的可重用性，系统具有良好的开放性。 2 2 调度自动化系统开放性问题的探讨 推动调度自动化系统发展的两个关键动力是电力系统调度运行方式的变革和计算 机技术的发展。电力工业的发展，尤其是电力市场机制的建立，提出了电力系统中各 华中科技大学硕士学位论文 种分布异构“自动化孤岛”互连互操作的迫切要求。计算机技术的发展，尤其是分斫r 式对象技术的发展提供了网络环境下解决互操作问题的可能。 关于开放系统的概念，目前还没有公认的标准定义。在电力系统领域，开放系统 的内涵是一个不断变化的概念，最初当各种私有的调度自动化系统能够满足各自的实 时性操作要求时，开放系统是指具有完备的设计开发说明规范和源代码的系统。后来 开放系统则指采用了各种硬件和操作系统工业标准如u n i x 、t c p i p 的系统，这种开 放指的是计算机产品概念上的开放，并非调度自动化系统本身的丌放。 现在的开放系统概念说法不一。文献 2 8 1 认为丌放系统指实现了硬件系统标准化、 操作系统标准化、软件平台标准化和应用软件接口标准化的系统。i e e ep1 0 0 3 工作组 制定的p o s i x1 0 03 0 标准认为：一个开放系统具有这样的能力，使其能运行在多厂 家的计算机系统上：实现与其它开放系统的互操作( 包括远程应用) ；为用户接口提供 一致的工作方式。该定义强调多厂家系统的集成和用户接口标准化。i e e e 能量控制中 心工作小组对开放的e m s 的定义为：对现存e m s 系统提供更换或部分扩充的能力 丽不必依赖某一厂家。e p r i 的开放系统定义：开放系统在接口、服务程序和信息格式 等方面为用户提供满意的功能规范，以利于应用软件工程化。强调软件接1 3 的标准化。 事实上，开放系统的概念是一个不断发展的过程。在当前迫切需要实现分布异构 系统互操作的条件下，从电力应用集成的角度，调度自动化系统的开放性可以主要从 标准性( 电力工业标准如i e c 6 1 9 7 0 、i e c 6 1 9 6 8 等和计算机软硬件标准包括分布式构 件标准) 、可移植性、互操作性三个方面加以描述，三者相辅相成，三个指标的实现程 度不同则形成不同开放程度的开放系统，其中互操作性从低到高可以分为代码级和 语义级互操作两个阶段，如图2 2 所示。需要说明的是可移植性指系统的应用可以 运行在不同的平台上。互操作指调度自动化系统中各应用之间相互交互，获得对方资 源和服务的能力。代码级的互操作是指在知道对方提供什么服务、该服务具体功能内 容是什么和该服务有什么具体语法( 或参数) 要求情况下，按照对方服务所要求的语 法来发起调用请求，这种互操作具有确定性。语义级的互操作则指在对对方提供什么 服务、该服务具体功能内容是什么和该服务有什么具体语法( 或参数) 要求都不知道 的情况下，获得对方服务的能力，这种互操作具有不确定性和智能( 知识) 性。 这样一个系统的开放性就可以用一个矢量来加以评价，有利于对调度自动化系统 的开放程度作出可操作的评价。按照此定义，最初的调度自动化系统的开放程度就位 1 2 华中科技大学硕士学位论文 于接近原点的位置，是封闭的系统。后来的调度系统采用了各种计算机硬件和操作系 统工业标准仅仅在遵循标准方面比最初的调度系统的开放程序要高一些。丌放程度 最高的系统就是实现了完全遵循相关标准，具有可移植性，实现了语义互操作的系统， 如图中的黑点所示。 圈2 - 2 调度自动化系统的开放程度 f i g u r e 2 - 2 t h e d e g r e eo f o p e n n e s so f p o w e rd i s p a t c h i n gs y s t e m 从现有理论、技术和调度自动化系统的基本条件等方面来说，要实现语义互操作， 建立完全开放的系统，尚不具备条件。在目前的实际调度自动化系统集成工程中，能 够完全遵循各种标准，实现可移植性，达到完全的代码级互操作，就是丌放程度比较 高的开放系统，能达到该要求的系统就目前所谓的开放系统。根据该开放程度的要求， 新一代调度自动化系统应采用面向对象的技术，遵循相关标准，将各种应用按构件接 口规范封装为即插即用的构件，整体形成一种分布式对象结构，实现完全的可移植性 和代码级的互操作，如图2 1 所示，第4 章将就此详细加以阐述。 2 3 小结 建立开放系统是调度自动化系统集成的最终目的，本章从电力应用集成的角度， 将调度自动化系统的开放性，定义为主要从标准性( 包括电力工业标准如i e c 6 1 9 7 0 、 i e c 6 1 9 6 8 等和计算机软硬件标准) 、可移植性、互操作性三个方面加以描述，三个指 标的实现程度不同，则形成不同开放程度的开放系统，有利于对调度自动化系统的开 放程度作出可操作的评价。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = j = = = = = = = ；= = = ；= = = f _ = _ = = = ；一 3 电力系统公用信息模型 数据模型是应1 集成的基础。本章夼绍和研究了标准公用信息模型c i m 及其扩展问题，并对 c i m 的实际建模应用进行了具体分析c i m 远远不是一个普遍适用的详细模型，为了时整个电力 系统进行集成，需要不断扩展和完善c i m ，当然这里还有大量的工作要做 3 1 引言 数据模型是所有应用软件系统的基础，岂能够比较真实地刻画和模拟现实世界， 而且便于在计算机上实现【2 9 1 。如前所述，应用集成的基础是数据模型。各个应用要正 确无误地互操作，必须对所交换信息有一致的理解。已经安装的s c a d a ，e m s ，t m r 等应用系统之间难以互联互操作，开放性差，最根本的问题在于这些异构应用系统采 用满足自身特定需求的私有数据模型，缺乏公用交换信息模型。 国际标准i e c 6 1 9 7 0 中制定电力系统公用信息模型c l m 的目的就是为了解决各种 应用之间的数据定义的兼容问题和数据交换问题，以促进电力应用集成。c i m 采用面 向对象的方法系统地对电力系统各种资源及其关系建模，这些实体对象分别被抽象成 类，定义了相应的类名及属性、以及各个类之间的关系。c i m 是一种抽象的模型，其 应用远远超出了最初的e m s 范围。c i m 提供用于电、水、气工业的生产、传输、分 配、市场和零售的系统相互操作和应用的标准对象【6 1