一种SCADA系统模型的标准化方法.doc

一种SCADA系统模型的标准化方法摘 要：对比分析了一套自主设计开发的SCADA系统模型和CIM模型的建模方法， 比较了两种模型之间的差异， 主要涉及设备模型、 连接关系模型、 设备容器模型、 量测模型。针对这种差异，提出了按IEC61970标准中的CIM模型对该SCADA系统进 行标准化改造的方法。关键词：SCADA系统 标准化 CIM模型 IEC61970 The Method for the Standardization of anSCADA SystemModel Abstract :The modeling methods of CIM and an SCADA system model designed independently were analyzed，and the differences between them were compared, which mainly related to equipment model, connection model, equipment container model, measurement model. In view of such differences, the method to standardize the SCADA system model according to CIM of IEC61970 was presented.Keywords: SCADA Standardizations Common Information Model (CIM) IEC61970 1引言：IEC61970标准颁布之前，由于缺乏统一规定，不同厂商开发的EMS系 统、EMS的各种应用在建模、数据结构定义方面普遍存在差别，各系统只建立了 服务于该系统当时应用所需要的数据模型，没有考虑到功能的扩充和系统的整 合， 提供的对外接口也千差万别， 因此系统升级受到限制、 第三方软件难以接入、 扩展应用时需要针对具体项目进行开发， 工程的可实施性差， 限制了EMS系统的 发展。国际电工委员会（IEC）制订的IEC61970标准规定了公共信息模型（CIM） 和组件接口规范（CIS） ，使得EMS能够组件化和开放化、降低系统集成成本 。 CIM是用面向对象方法定义的一套与电力系统EMS相关的统一数据模型，而CIS 则在此模型的基础上提供了一套标准的数据访问接口。 遵循IEC61970标准不是放弃原有系统，而是在原系统基础上进行标准化改 造，实现对外提供符合CIM、CIS的标准接口。本文根据工程应用需要，基于 IEC61970标准，对一套SCADA系统提出了标准化方法。该SCADA系统是自主设 计开发的商业化产品，采用关系模型进行设计，本文首先分析了SCADA模型和 CIM模型的建模思路、以及两种模型之间的对应关系，发现两种模型主要在设备 建模、连接关系建模、量测关系建模、设备容器建模方法上存在差异，本文将对 这四个方面进行详细分析，并提出对该SCADA系统模型进行标准化改造的方法。2SCADA系统模型与CIM模型的对比分析 CIM是根据电力系统物理特性构建的一种抽象模型，用来表示EMS等电力控 制中心计算机应用系统中包含的所有主要实体对象，是IEC61970标准的核心。 CIM采用面向对象的方法建模，利用类、对象、属性、类之间的关系来描述实体， 类之间包含 泛化（Generalization）、简单 关联（Simple association）和聚合 1 2 （Aggregation）三种关系。SCADA系统则利用关系数据模型表示实体与实体之 间的关系。2.1 设备模型 CIM中在Wire包中定义电力设备， Equipment（设备）包含了所有设备的公共特征和属性，是设备信息的基类，被分为五种类型，即Conducting Equipment 导电设备） Power Transformer（电力变压器） Protection Equipment 、 （保护设备）、Heat Exchanger（热交换器）和Generating Unit（发电机组）。其 中导电设备又分为Rectifier Inverter（整流器逆变器）、Switch（开关）、Ground （接地）等子类，某些子类如Switch又分为Breaker、Junction、Disconnect or等下 一级子类，所有实体被分解在各个层次的类型中。在SCADA系统中，将所有实 体按用途进行分类，所有设备处于同一层次，设备之间没有继承关系，包括开关 刀闸、母线、线路、变压器、负荷、电容器、电抗器、发电机、负荷、终端设备 等各类设备。大多数设备的模型都很相似，而变压器模型和线路模型在这两种建 模方法中有很大的区别。在CIM模型中，电力变压器是设备的泛化，其自身不具有导电设备的属性， 并 且 电 力 变 压 器 由 变 压 器 绕 组 （ Transformer Winding ） 和 热 交 换 器 （ Heat Exchanger）组成，根据其为双绕组或三绕组变压器，相应关联两个或三个变压 器 绕 组 。 电 力 变 压 器 中 含 有 变 压 器 类 型 （ transformer Type ） 、 冷 却 方 式 （transfCoolingType）等非电气属性，其电气属性通过关联变压器绕组来表示。 变压器绕组是导电设备类的泛化，具有从导电设备继承来的属性，以及正序/零 序电阻/电抗等电气属性。在SCADA模型中，将变压器绕组看作变压器设备的一 部分，变压器设备不仅具有变压器类型、冷却方式等属性，还具有高（压）端、 中（压）端、低（压）端绕组的正序、零序电阻、电抗、电纳等属性。其中三绕 组变压器将参数分为高端值、中端值和低端值，双绕组变压器则只具有高端值和 低端值。在CIM模型中，线路（Line）是电力系统资源（PowerSystemResource）的泛 化，不具有导电设备的电气属性，其电气属性通过关联的直流线段 （DCLineSegment）或交流线段（ACLineSegment）来表示。线路与交流线段、 直流线段之间是简单关联关系，一条线路可关联多条直流线段或交流线段。而直 流线段和交流线段是导体（Conductor）的泛化，导体作为一个抽象类主要描述 导线的物理特性（如长度、零序电抗等各相、序的电气参数），交流线段除了继 承导体的属性外没有增加任何属性；直流线段则在继承导体属性基础上，定义了 dcSegmentInductance和dcSegmentResistance属性，用来表示直流线段的电感和电 阻。CIM的这种建模方法不需要对T接线进行特殊处理，且非常直观。在SCADA 模型中，线路包括线路参数和线路类型。线路类型主要描述某一类型线路的公共 信息， 例如LGJ-16型线路的正序电抗率等属性； 线路参数描述每条线路的具体信 息，包括线路名称、线路始端厂站名、末端厂站名等。该SCADA模型中线路对 应于CIM中的交流线段（或直流线段），没有类似CIM中线路的概念，因此对于 T接线，该模型将组成T接线的每条线段作为一个与其它线段没有区别的独立实 体来处理。2.2 连接关系模型 连接关系模型用来表示所有电力设备之间的关系，形成整个电网的模型，这 种连接关系模型是一种静态模型，是网络拓扑的基础。这里只分析一次设备之间 的关系，将所有一次设备作为一个整体进行描述。在CIM模型中，通过端点（Terminal）和连接节点（ConnectivityNode）来实 现连接关系的表示。导电设备与端点之间存在关联关系，用端点来表示导电设备 的电气点，一个端点只能属于一个导电设备，而一个导电设备可以拥有一个或两 个端点，如负荷有一个端点、开关有两个端点。端点之间不能直接相连，因此导 电设备的连接关系不能通过其拥有的端点来表示， 而必须通过各端点与连接节点 之间的关联关系来表示，连接节点即为导电设备端点的无阻抗融合点。一个端点 只能连接于某一个连接节点上，而一个连接节点可以连接任意数目的端点，如果 某几个端点所指向的连接节点相同，则表示这几个端点融合在一起，也即这些端 点所关联的导电设备在物理上相连接。 由于CIM中规定一个导电设备只能关联一 个或二个端点，且电力变压器不属于导电设备，因而不存在变压器与端点之间的 关联关系，变压器的连接关系通过变压器绕组来实现。双绕组变压器关联2个变 压器绕组，三绕组变压器关联3个变压器绕组，每个变压器绕组关联一个端点， 从而变压器通过其绕组的端点与其他导电设备之间发生连接关系。 在SCADA模型中，连接关系则通过设备自身的编号以及与之相连设备的编 号来表示，不存在端点、连接节点的概念。例如线路具有线路始端元件编号、线 路末端元件编号；变压器具有高端/中端/低端（连接）元件编号，这些编号记录 了与其相连的另一类实体的编号。该模型中将连接关系分为两种类型：两个设备 之间的连接关系和两个以上设备间的连接关系。对于某处只有两个设备相连，则 在某一设备相应端的连接元件编号属性中记录另一设备的编号。对于两个以上设备在同一点相连（母线与多个其他设备相连 的情况除外），则需添加一联接点，同时在该端连接元件编号属性中记录该联接 点的编号。联接点是模型中为了表示两个以上设备相连而引入了的概念，它可以 和任意数目的设备相连，系统中将其作为一种实体，该实体除了编号外，没有任 何其他属性。两种模型对母线有不同的处理。在CIM模型中，母线（BusbarSection）是导电 两种模型对母线有不同的处理。在CIM模型中，母线（BusbarSection）是导电设 备的子类，只能关联一个端点，通过该端点关联连接节点来实现与其它设备的连 接关系，这与其它设备的表示没有差别。在SCADA模型中，母线被看作是一个 具有连接属性的设备，具有联接点的性质，可以与任意数目的设备相连，并且模 型通过母线以外的设备的属性来表示该设备与母线之间的连接关系。在SCADA模型中，线路通过线路始端厂站名、始端元件编号、末端厂站名、 末端元件编号来表示连接关系。对于T接线的处理方法是：以T接点为界，将该T 接线分成三条线路，分别记录各自的信息，同时在T接点处添加一个联接点，T 接线的每一条成员线路在靠近T接点一端的元件编号为添加的联接点编号，相应 的厂站名为虚拟厂站编号，通过这些成员线路与联接点的连接关系来实现整个T 接线的连接关系。2.3 设备容器模型 设备容器代表了设备的组织和命名方法，如某变电站中的设备或某电压等级 下的设备等。CIM模型将变电站（Substation）、电压等级（VoltageLevel）、间 隔（Bay）和复合开关（CompositeSwitch）作为一个设备容器，通过双向关联建 立设备和设备容器之间的关系。CIM模型中的设备容器具有一定的灵活性，一组 间隔可以属于一个电压等级或变电站，一组电压等级构成一个变电站，而变电站 属于某个子控制区域（SubControlArea）。CIM没有统一规定具体的组织方式， 以适用国际上不同的习惯、以及输电和配电变电站之间存在的差异。在SCADA 模型中只建立了间隔、电压等级和厂站模型，不存在复合开关模型，设备容器与 设备之间的关联关系通过在各类设备模型中添加所属设备容器的编号来实现， 例 如变压器具有“电压等级”属性。这种建模方法与CIM不同的是，该模型中的关联 关系为单向联系，只能通过设备找到其所属的设备容器，不能从设备容器找到其 拥有的设备。 2.4 量测模型量测模型描述了任何测量的、计算的或非测量非计算的物理量及其在电网中 的关系。在CIM模型中，与量测相关的有量测类（Measurement）、量测值类 （MeasurementValue）、量测值质量类（MeasurementValueQuality）等。任何一 个电力系统资源都可以有0到多个与之相关的量测，每个量测可以有一个或多个 量测值，各个量测通过量测类型（MeasurementType）来分类，量测类型包括电 流、频率、有功功率、温度、压力等。某一个量测的各个量测值通过量测值源 （MeasurementValueSource）来分类，量测值源包括SCADA系统测量、状态估计 结果、通过其他量测值计算得到的结果、人工置数等。量测可以通过两种方式配 置到设备上：1、由一个电力系统资源所包含，用于和连接无关的各种量测，如温度、重 量、大小等。 2、通过导电设备的端点来配置，用于和连接有关的量测，如有功功率、电 压、电流等。 在该SCADA系统中，各种电气量、非电气量都通过自身属性来表示，将量 测表示为相关设备的属性，即在各类设备中添加与某种特征量量测相关的属性。 例如开关刀闸具有“有功编号、无功编号、电流编号”等属性，表示这些量测与该 类设备相关联。3SCADA模型的标准化方法 由上一节内容可知，虽然SCADA模型和CIM模型的建模方法有许多不同之处， 但都是对同样的电力系统设备及其属性进行描述，并且都有一定的映射关系，因 此，能够将该SCADA模型标准化，使其符合CIM模型标准。国内举行的几次针 对CIM模型的互操作试验也表明了建立传统SCADA模型和CIM模型之间的转换 关系是可行的 。在对SCADA模型进行标准化改造时要注意以下几点：1、标准化时不需要建立SCADA系统模型与CIM模型中所有类及其属性之间 的转换关系，SCADA模型只涉及CIM模型的一部分，首先需要根据应用范围确 定建模的内容，这里需要标准化的内容是电力一次系统相关的部分。2、SCADA模型中的某些对象或属性，在CIM模型中找不到与之相对应的内 容，则需对CIM模型进行扩展。3、要注意选择CIM模型中合适的关联方向与SCADA模型对应。例如该系统 通过在设备中记录电压等级编号来表示设备所属的电压等级， 则在CIM中应选择 从该设备的父类Equipment到电压等级的父类EquipmentContainer的关联。从前面对这两种模型的分析可知，要对SCADA模型进行标准化改造，存在 两部分内容：一部分内容是该SCADA模型中大部分的实体、属性以及实体间的 联系都能在CIM模型中找到相关的类、属性及类之间的关联关系，只是各自的组 织形式不同。另一部分内容是两种模型在某些方面存在根本区别，如连接关系模 型，这些内容是标准化改造工作的关键。针对第一部分内容，可将SCADA模型和CIM模型分为一对一、一对多、多 对一三种对应关系。例如SCADA模型中的电压等级模型和电压限值模型与CIM 4 中的VoltageLevel相对应，属于多对一关系；SCADA模型中的开关刀闸模型与 CIM中的Switch及其子类Breaker、Junction等模型相对应，属于一对多关系。对 于这种能够直接建立对应关系的内容， 主要的改造工作是获取SCADA模型信息， 转换为CIM模型中相对应的属性或关联信息，例如变压器高端零序电阻转换为 TransformerWinding 类 的 r0 属 性 ， 变 压 器 类 型 转 换 为 PowerTransformer 类 的 transformerType属性，同时建立该PowerTransformer 与TransformerWinding之间 的关联关系。对于第二部分内容， 需要在SCADA模型中添加相关内容， 然后利用SCADA 模型与CIM模型的映射原理建立标准化的模型信息。 下面以连接关系模型和线路 模型为例阐述这部分内容的建模方法。建立连接关系模型时，首先根据设备类型为每一类型的设备建立相应的 Terminal模型，例如母线设备添加一个Terminal，开关刀闸设备添加两个Terminal 等。然后通过相连设备编号找到与其相连的设备，并由该设备的类型是否为联接 点来判断连接关系类型是否为两个设备之间的连接。 如果是两个设备之间的连接 关系（即不存在联接点），则添加相应的ConnectivityNode模型；如果是两个以 上设备之间的连接关系（即存在联接点），则只需将联接点直接转换成CIM模型 中的ConnectivityNode。最后在此基础上将Terminal与相应的ConnectivityNode关 联起来。建立线路模型时，首先根据SCADA模型中的线路是否直接与联接点相连以 及该端所属厂站是否为虚拟厂站来判断该线路是否有T接。若不存在接线，则 将该线路的相关属性转换为CIM中ACLineSegment或DCLineSegment的相关属 性，然后按照上面连接关系模型建立的方法添加端子模型及连接节点模型。在此 基础上添加所属线路属性，用来表示该线路对应于CIM中ACLineSegment或 DCLineSegment所关联的Line信息。若该线路直接与某一联接点相连且该端的所 属厂站为虚拟厂站，则该处为T接点，通过搜索与该联接点直接相连且该端的所 属厂站为同一虚拟厂站的其他线路，即找出该T接线的所有成员线路。对该接 线的所有成员线路按以上非接线路同样的方法处理， Line关联的线段为由这些 成 员线路转换而来的多个ACLineSegment或DCLineSegment。SCADA模型标准化，使其符合CIM模型标准。国内举行的几次针对CIM模型 的互操作试验也表明了建立传统SCADA模型和CIM模型之间的转换关系是可行 的 。在对SCADA模型进行标准化改造时要注意以下几点：1、标准化时不需要建立SCADA系统模型与CIM模型中所有类及其属性之间 的转换关系，SCADA模型只涉及CIM模型的一部分，首先需要根据应用范围确 定建模的内容，这里需要标准化的内容是电力一次系统相关的部分。2、SCADA模型中的某些对象或属性，在CIM模型中找不到与之相对应的内 容，则需对CIM模型进行扩展。3、要注意选择CIM模型中合适的关联方向与SCADA模型对应。例如该系统 通过在设备中记录电压等级编号来表示设备所属的电压等级， 则在CIM中应选择 从该设备的父类Equipment到电压等级的父类EquipmentContainer的关联。从前面对这两种模型的分析可知，要对SCADA模型进行标准化改造，存在 两部分内容：一部分内容是该SCADA模型中大部分的实体、属性以及实体间的 4 联系都能在CIM模型中找到相关的类、属性及类之间的关联关系，只是各自的组 织形式不同。另一部分内容是两种模型在某些方面存在根本区别，如连接关系模 型，这些内容是标准化改造工作的关键。针对第一部分内容，可将SCADA模型和CIM模型分为一对一、一对多、多对 一三种对应关系。例如SCADA模型中的电压等级模型和电压限值模型与CIM中 的VoltageLevel相对应，属于多对一关系；SCADA模型中的开关刀闸模型与CIM 中的Switch及其子类Breaker、Junction等模型相对应，属于一对多关系。对于这 种能够直接建立对应关系的内容，主要的改造工作是获取SCADA模型信息，转 换为CIM模型中相对应的属性或关联信息，例如变压器高端零序电阻转换为 TransformerWinding 类 的 r0 属 性 ， 变 压 器 类 型 转 换 为 PowerTransformer 类 的 transformerType属性，同时建立该PowerTransformer 与TransformerWinding之间 的关联关系。对于第二部分内容，需要在SCADA模型中添加相关内容，然后利用SCADA 模型与CIM模型的映射原理建立标准化的模型信息。 下面以连接关系模型和线路 模型为例阐述这部分内容的建模方法。建立连接关系模型时，首先根据设备类型为每一类型的设备建立相应的 Terminal模型，例如母线设备添加一个Terminal，开关刀闸设备添加两个Terminal 等。然后通过相连设备编号找到与其相连的设备，并由该设备的类型是否为联接 点来判断连接关系类型是否为两个设备之间的连接。 如果是两个设备之间的连接 关系（即不存在联接点），则添加相应的ConnectivityNode模型；如果是两个以 上设备之间的连接关系（即存在联接点），则只需将联接点直接转换成CIM模型 中的ConnectivityNode。最后在此基础上将Terminal与相应的ConnectivityNode关 联起来。建立线路模型时，首先根据SCADA模型中的线路是否直接与联接点相连以 及该端所属厂站是否为虚拟厂站来判断该线路是否有T接。若不存在接线，则 将该线路的相关属性转换为CIM中ACLineSegment或DCLineSegme