公共信息模型CIMPPT课件.ppt

公共信息模型CIM 华南理工大学电力学院荆朝霞2010 04 09 内容概要 1 CIM的研究背景 信息共享和集成的需求 发展历程 应用系统千差万别 必要性 公共信息模型 数据模型不同 开发平台不同 应用接口不同 供应商不同 应用功能即插即用 实现 EMS系统 EMS系统是为电力系统控制中心提供数据采集 监视 控制和优化 以及为电力市场提供交易计划安全分析服务的计算机软硬件系统的总称 它包括为上层电力应用提供服务的支撑软件平台和为发电和输电设备安全监视和控制 经济运行提供支持的电力应用软件 其目的是用最小成本保证电网的供电安全性 信息集成的必要性 尽管目前绝大多数能量管理系统 EMS 配网网管理系统 DMS 等运行在通用的计算机硬件平台上 基于标准的通用操作系统 但是这些系统仍然基于专有的数据库 各厂商的数据库定义格式和数据字典被视为商业机密 每一家都采用了不同的数据库格式 但实际上它们表达的是基本相同的信息 应用系统的专有数据库大都仅仅针对各自系统的功能和特性要求进行设计和开发 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 系统厂商有时可以提供从其他系统输入数据的功能 但是很少为其他系统提供深入的 完整的信息 专有数据库造成的问题 专有数据库限制了第三方的访问 使其很难在现有系统上开发新的应用 或是将第三方软件集成进已有的系统 如果要在已有的系统上作较大的升级或改动 只能由原来的开发商进行 或是用户自己完成 这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 通常情况下 只能由用户来承担所有的成本 数据建模 在软件系统开发设计时 需要对电力系统在应用中建模 如何描述电力系统取决于各个不同的应用 目前EMS DMS TMS TMR等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 当应用要求发展时 所设计的数据结构可能要做频繁的更改 一些基础的修改可能会扩散到所有开发的模块 对于大型软件系统这种建模方法会导致灾难性的后果 系统变得难以管理和维护 必须重新设计 数据接口 为了满足特殊的需要 不同的功能由许多不同类型的计算机系统和应用软件来执行 而这些系统和应用软件很少有被设计成能够彼此交换信息的 通常每个系统的数据格式 应用接口都是不同的 每个应用需要针对其他应用开发专门的数据接口转换程序以实现信息共享 在没有通用的数据接口的情况下 N个应用所需要的数据接口转换程序数量为N N 1 2 随着应用系统数量的增加 这样做的成本很高 管理维护困难 不能灵活地实现各个应用问的互操作 不能充分有效地保护在各个应用中已有的投资 解决方案 建立一个标准的 开放的电力系统信息模型 并提供通用的数据接口 支持应用功能的 即插即用 即插即用 应用定义为以最小代价和无任何代码改动就可以安装在系统中的一套软件 标准化 在90年代中期 标准化的概念已经被业界广泛认可 在操作系统层面有POSIX标准 在通讯层面有Ethemet TCP IP ICCP标准 在用户接口方面有Motif XWindows等标准 在数据库访问方面有SQL2 对于电力系统而言 急需制定应用系统接口层面的标准 CIM发展历程 1993年 美国电力科学研究院 EPRI 启动了 控制中心应用接口 ControlCenterApplicationProgramInterface CCAPI 研究项目 1995年3月第一份CIM规范被提出 CIM模型技术规范的制定由来自EMS厂商和EMS软件开发商的专家完成 采用了EPRI的操作员培训模拟系统 OTS 为基础 发展历程 1996年国际电工委员会第57技术委员会EMS API工作组 开始与EPRI紧密合作 在CCAPI项目基础上启动IEC EMS API项目 使CCAPI项目的研究成果符合国际标准的规范 1995年6月 经过IncrementalSystems公司 PowerData公司 Macro公司和SouthernCompanyServices公司的共同努力 一个新版本的CIM模型正式发布 发展历程 1999年IECTC57大会上 中国代表和德国代表提议TC57应该开发一套电力系统统一的国际标准 筛选现有标准系列 在同一领域只保留一套标准 IEC61970系列标准IEC61970 301 定义了CIM的基本包集 提供了能量管理系统信息的物理方面的逻辑视图 IEC 国际电工委员会 IEC 是一个全球性的标准化组织 由各国电工委员会 IEC国家委员会 组成 IEC的目标是就电工与电子领域内有关的各种标准化问题促成国际间的合作 为了这个目的及其它目的 IEC发布国际标准 技术规范 技术报告和导则 统称为IEC出版物 其准备工作被委托给各技术委员会 任何对相关问题感兴趣的IEC国家委员会都可以参与此项准备工作 与IEC有联系的国际的 政府的和非政府的组织也可参与此项准备工作 IEC依照与国际标准化组织 ISO 之间达成协议的条款 与ISO紧密合作 IEC IEC就技术方面的正式决定或协议尽可能地表达了相关主题的国际一致观点 因为每个技术委员会都有来自所有感兴趣的IEC国家委员会的代表 IEC61970标准 国际电工委员会 IEC 第57分会 电力系统控制与相关通信 第13工作组制定了IEC61970系列标准 这是一套能量管理系统应用程序接口 EMSAPI 的国际标准 内容概要 CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系模型转化简例CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架 RDFSchema CIM XML文档 1 CIM概念定义 公共信息模型是一个抽象模型 它表示包含在企业运行中的电力企业的所有主要对象 提供一种用对象类和属性及他们之间的关系来表示电力系统资源的标准方法 CIM方便了实现不同卖方独立开发的管理系统应用的集成 例如配电管理系统DMS 能量管理系统EMS CIM CIM的最初版本提供了基本完整的电力系统对象 实体 属性和关系的模型表达 用于支持调度员模拟培训 OTS 调度员潮流 DPF 状念估计 sE 最优潮流 OPF 安全分析 CA 等EMS应用功能 最初的模型包括了描述电力系统各种导电设备的对象 例如电抗器 电容 开关 负荷 线路 母线 变压器和发电机等 1995年6月一个新版本的CIM模型正式发布 这个版本增加了描述公司 区域 交易 断面和联络线等内容的对象 用于支持交换计划 机组组合 交易评估 经济调度 交易代理等应用 CIM建模方法 最初的CIM模型的描述是基于关系数据库的 采用传统的实体 关系图 ER图 来表达内部结构 从第7版开始 CIM模型改用通用建模语言 UML 来描述 将传统的实体 关系图 ER图 映射为完全的面向对象 Object Oritent 的表达方式 采用RationalROSECASE工具来维护 采用RmionalSODA作为文档生成维护工具 CIM建模方法 CIM模型只是一个抽象的模型 它既未定义模型数据库的规范 也未定义数据交换的格式 在工程应用中 需要对CIM模型的实现方式作出明确 可行的规定 XML XML eXtensibleMarkupLanguage 可扩展标记语a 规范是由世界因特网联盟于1998年2月发布的一种互联网上交换和表达数据的标准它是一套定义语义标记的规则 它以 种开放的自我描述方式定义了数据结构 在描述数据内容的同时能突出对结构的描述 从而体现出数据之间的关系 XML XML的优点可扩展性极好 允许用户建立适合自己需要的标记集合 并且这些标记可以迅速地投入使用 自我描述性质能够很好地表现许多复杂的数据关系 提供了描述结构化的复杂数据的能力 CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系模型转化简例CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架 RDFSchema CIM XML文档 2 CIM规范简介 CIM包 完整的CIM模型包括以下包 分别在几个不同的标准中定义 1 IEC61970Part30I 核心包 Core 域包 Domain 发电包 Generation 负荷模型包 LoadModel 量测包 Meas 停运包 Outage 保护包 Protection 拓扑包 Topology 电线包 Wires CIM包 2 IEC61970Part302 能量计划包 EnergyScheduling 财务包 Financial 备用包 Reservation 3 IEC61970Part303 SCADA包 SupervisoryControlAndDataAcquisition 4 IEC61968 资产 Assets 用户 Consumer 核心2 Core2 配电 Distribution 文件 Documentation CIM包中的常用包 CIM包中的常用包 连接节点类ConnectivityNode 连接节点是这样一些点 在这些点上导电设备的端点通过零阻抗连接在一起 CIM包中的常用包 CIM包中的常用包 电线包 Wires 下面以交流线段ACLineSegment类 断路器Breaker 补偿器Compensator为例介绍其中的常见属性 交流线段类ACLineSegment 一段导线或一组电气特性相同的导线 组成一个简单的电气系统 用来在电力系统的各点之间传输交流电流 交流线段类ACLineSegment 断路器类Breaker 一种机械切换设备 能在正常电路条件下接通 承载和切断电流 也可以在指定的异常电路条件下 例如在短路情况下 在规定的时间内接通和承载电流以及切断电流 属性typeName是断路器的类型 如油开关 空气开关 真空开关 六氟化硫开关 补偿器类Compensator 一个并联或串联电容器 或可切换的并联或串联电容器组 电容器组的并联或串联应用取决于它在网络中的连接 一个并联补偿器只有一个端点 隐含接地 串联补偿器有两个端点 补偿器类Compensator CIM包中的常用包 CIM包中的常用包 IEC61970 301CIM基本包及它们之间的依赖关系 CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系模型转化简例CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架 RDFSchema CIM XML文档 CIM类和关系 每一个CIM包的类图展示了该包中的所有的类及它们的关系 CIM定义一些通用的类 由属性来给定类型名 因而可以根据需要使用这一信息去实例化具体的对象类型 类具有描述对象特性的属性 CIM中的每一个类包含描述和识别该类的具体实例的属性 CIM类 CIM类之间的关系 CIM的类之间的关系揭示了类是如何被组织在一起的 有三种基本的静态关系 泛化关联聚集 泛化 Generalization 泛化又称为普遍化 是一个较普遍的类与一个较具体的类之间的一种关系使具体的类可以从它上层的所有更普遍的类继承属性和关系 普遍化例子 关联 Association 关联是类之间的一种概念上的联系 每一种关联都有两个作用 每一个作用表示了关联中的一种方向 表示目标类作用 作用goto的类 和源类 作用gofrom的类 有关系 重数在关联的两端都有显示 下图中 一个TapChanger对象可以有0个或1个RegulationSchedule 一个RegulationSchedule可以属于0 1 或多个TapChanger对象 简单关联例子 聚集 Aggregation 聚集是关联的一种特殊情况 聚集表明类与类之间的关系是一种整体 部分关系 整体类由部分类 构成 或 包含 部分类 部分类不像普遍化中那样从整体类继承 如图所示 一个TopologicalNode只能是一个TopologicalIsland的1个成员 但是1个TopologicalIsland却能包括任意数目个 1个 TopologicalNode 聚集例子 CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系CIM模型举例CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架 RDFSchema CIM XML文档 变压器模型 变压器模型 PowerTransformer是Equipment的特殊类 Equipment和ConductingEquipment与TapChanger一样 都是PowerSystemResource的特殊类 变压器模型 PowerTransformer具有一个TransformerWinding 为聚集类型的关系 一个PowerTransformer可以有 或包含 一个或多个TransformerWinding 但是一个TransformerWinding仅属于一个PowerTransformer 2020 2 7 54 变压器模型 TransformerWinding的其它关系 与ConductingEquipment普遍化关系 与WindingTest关联关系 一个TransformerWinding对象可以从0 1 或多个WindingTest对象测试 与TapChanger类的聚集关系 一个TransformerWinding对象可以具有0 1或多个Tapchanger对象与其关联 连接关系模型 定义了Terminal和Connectivity类一个Terminal属于一个ConductingEquipment ConductingEquipment可能有任意数目的Terminals 每个Terminal可以连接于一个ConnectivityNode ConnectivityNode是导电设备的端点通过零阻抗连接在一起的点 一个ConnectivityNode可以有任何数目的连接端点 而且可以是一个TopologicalNode 即母线 的一个成员一个TopologicalNode又是一个TopologicalIsland的成员 TopologicalNode和TopologicalIsland是由拓扑处理结果建立的 拓扑处理是根据 已建立 的拓扑关系和实际的开关位置进行的 连接关系模型 EquipmentContainers 是PowerSystemResource的特殊化 它可以包含0个或多个ConnectivityNodes 关联ConductingEquipment Terminal和Terminal ConnectivityNode表达了实际电力系统网络已建立的拓扑关系 对于连接ConnectivityNode的每一个Terminal 它与其它连接同一个ConnectivityNode的Terminals之间的关联确定了ConductingEquipment对象的电气连接关系 连接关系模型 为了建立诸如电压和功率等模拟量的模型 每一Terminal都和Meas包的Measurement类有一个关联 一个Measurement对象至少和一个MeasurementValue对关联 每一个MeasurementValue对象是来自某一特定源 例如一个遥测量 的量测实例 在研究应用环境中 量测值也可以用一个计算源替代 简单网络 这个例子表示了一条跨越两个变电站的T型连接的输电线路 其中一个变电站含有通过变压器连接的两个电压等级 输电线路包括两条不同的电缆 其中一个电压等级有一个母线段 该母线段包含一条单一母线和连接到该母线的两个非常简单的开关间隔设备 转为CIM模型假设 任何电气元件都可以表示为其端点 terminal TL 和连接点 ConnectivityNode CN 的形式 BR1 BR3 DC2 连接和包容例子 连接和包容例子 基于CIM拓扑的简单网络的连接模型 白圈表示连接点CN 黑色小圈表示端点TL 一个TL属于一个ConductingEquipment 一个CN属于一个EquipmentContainer 这就意味着ConductingEquipment之间的边界 或者说接触点 是它们通过连接点CN相互连接的端点TL LineSS1 SS2有两个ACLineSegments Cable1和Cable2 分离出的SubstationSS3有ConnectivityNodeCN2 它建立了ACLineSegments之间的连接点模型以及到Cable3的T节点模型 Cables3提供了SS3与SubstationSS4的连接 每个ACLineSegment有两个Terminals Cable1通过它的Terminals连接到CN3和CN2上 CN3包含于VoltageLevel400kV BreakerBR1有两个Terminals 其中一个连接到CN3 连接和包容例子 CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系模型转化简例CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架 RDFSchema CIM XML文档 CIM模型的特点 1 CIM模型是层次化的 多个子类所关心的通用属性将从一个公共类继承下来 2 CIM模型是规格化的 尽管某一类的属性可以通过泛化 关联 聚集等类间关系合并进其他类 但是所有的属性是唯一的 并且只属于一个类 3 CIM模型是静态的 CIM是一个信息模型 通过一系列相关的类来表达物理对象 CIM模型的特点 4 CIM模型可以以XML文档作为载体 使用RDFschema规范 5 CIM模型已成为对象管理组织标准 6 CIM模型意味着通过公共的接口在应用系统间交换类和属性数据 其目标是尽可能的保持只有通用的特性被提取出来 CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系CIM模型和例子CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架 RDFSchema CIM XML文档 3 CIM XML语言 CIM模型只是一个抽象的模型 它既未定义模型数据库的规范 也未定义数据交换的格式 在工程应用中 需要对CIM模型的实现方式作出明确 可行的规定 XML语言的出现解决了这个问题 XML语言以一种开放的自我描述方式定义了数据结构 在描述数据内容的同时能突出对结构的描述 从而体现出数据之问的关系 XML文件举例 XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML语言优点 XML的最大的优点有两个 一是它的可扩展性极好 允许用户建立适合自己需要的标记集合 并且这些标记可以迅速地投入使用 二是XML的自我描述性质能够很好地表现许多复杂的数据关系 提供了描述结构化的复杂数据的能力 XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML的应用和发展 XML的优点使其应用领域得到了广泛发展 商务的自动化处理 XML的丰富标记完全可以描述不同类型的单据 结构化的XML文档发送至Web的数据可以被加密 并且很容易附加上数字签名 因此 XML有希望推动电子数据交换 ElectronicDataInterchange EDI 技术在电子商务领域的大规模应用 信息发布信息发布在企业的竞争发展中起着重要作用 服务器只需发出一份XML文件 客户可根据自己的需求选择和制作不同的应用程序以处理数据 加上扩展样式表 ExtensibleStylesheetLanguage XSL 的帮助 使广泛的 通用的分布式计算成为可能 智能化的Web应用程序和数据集成XML能够更准确地表达信息的真实内容 其严格的语法降低了应用程序的负担 也使智能工具的开发更为便捷 柬自不同应用程序的数据也能够转化到XML这个统一的框架中 进行交互 转化和进一步的加工 XML的应用和发展 XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML文档概况 起始标签 元素内容 结束标签 元素 处理指令 注释 根元素和子元素 属性 有效对象 XML文档 语法格式 句法结构 序言 一个根元素 名称空间 文档对象模型 DOM XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML语法格式 XML文档内容的基本单元是元素 它的语法格式如下 文本内容元素是由起始标签 元素内容和结束标签组成 用户把要描述的数据对象放在起始标签和结束标签之间 例如 李平无论文本内容有多长或者多么复杂 XML元素中还可以再嵌套别的元素 这样使相关信息构成等级结构 下面是一个XML的简单文档示例 该例子中 在的元素中包括了所有职员的信息 每位职员都元素来描述 而元素中又嵌套了和元素 LarsPeterson25000CharlotteM Cooper34500 XML语法格式 XML文件举例 除了元素 XML文档中能出现的有效对象是 处理指令 注释 根元素和子元素 属性 处理指令 处理指令给XML解析器提供信息 使其能够正确解释文档内容 它的起始标识是 常见的XML声明就是一个处理指令 处理指令还可以有其他的用途 比如定义文档的编码方式是GB码还是Unicode编码方式 或是把一个样式单文件应用到XML文档上用以显示 注释 注释是XML文件中用作解释的字符数据 XML处理器不对它们进行任何处理 注释是用 引起来的 可以出现在XML元素间的任何地方 但是不可以嵌套 XML语法格式 XML文件举例 根元素和子元素 如果一个元素从文件头的序言部分之后开始一直到文件尾 包含了文件中所有的数据信息 我们称之为根元素 XML元素是可以嵌套的 那么被嵌套在内的元素称为子元素 在例l中 就是的子元素 属性 属性给元素提供进一步的说明信息 它必须出现在起始标签中 属性以名称 取值对出现 属性名不能重复 名称与取值之间用等号 分隔 并用引号把取值引起来 例如 25000上例中的属性说明了薪水的货币单位是美元 XML语法格式 XML文件举例 XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML句法结构 XML文档的基本结构由序言部分和一个根元素组成 序言包括了XML声明和DTD 或者是XMLSchema 例如 在例1的文档前面加上如下的序言部分 就构成了一个完整的XML文档 XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML的名称空间 XML文档中很可能会定义许多名字相同而意义不同的元素或属性 尤其在把不同的XML文档合两为一时 更容易产生冲突 名称空间就是为了解决这个问题而提出的 它用统一资源指示器 UniformResourceIndicator URI 加以区别 是在XML文件的元素和属性中出现的所有名称的集合 如下例 LarsPetersonReimburseexpenses199 76 book1 book2 有了名称空间 用户就可以保证在文件中使用的名称是唯一的 对元素的属性xmlns进行定义就表示对该元素指定了一个名称空间 Namespace name必须是一个有效的URI 如果省略local prefix 本地前缀 这时就构成了缺省名称空间 1234500 0012 03 2000 XML的名称空间 XML语言概述 可扩展标记语言 XML XML文档 XML语言优点XML应用和发展 XML语法格式XML句法结构XML的名称空间XML的对象模型 XML的对象模型 DOM 文档对象模型 DocumentObjectModel 简称为DOM 是对Web文档进行应用开发 编程的应用程序接口 API 是W3C公布的一种跨平台的 与语言无关的接口规范 DOM采用对象模型和一系列的接口来描述XML文档的内容和结构 即利用对象把文档模型化 这种对象模型实现的基本功能包括 1 描述文档表示和操作的接口 2 接口的行为和属性 3 接口之间的关系以及互操作 DOM对结构化的XML文档进行解析 文档中的指令 元素 实体 属性等所有个体都可以用对象模型表示 整个文档的逻辑结构类似一橡树 生成的对象模型就是树的节点 每个对象同时包含了方法和属性 利用DOM 开发人员可以进行动态地创建XML文档 遍历结构 添船修改 删除内容等操作 DOM面向对象的特性 使人们在处理和XML解析相关的事务时节省大量精力 是一种符合代码重用思想的强有力编程工具 XML的对象模型 DOM CIM基础介绍 1 CIM概念定义2 CIM规范简介 CIM包CIM类和关系模型转化简例CIM模型特点 3 CIM XML语言 可扩展标记语言 XML 资源描述框架模式 RDFSchema CIM XML文档 综上介绍的XML提供了一个为数据编码的方式 但它并没有对数据本身指明数据的用途和语义 为了建立机器可理解的交换文件 资源描述框架 ResourceDescriptionFramework 实现了这个功能 资源描述框架模式 RDFSchema 资源描述框架模式 RDFSchema RDFSchema的定义过程就是用RDFSchema词汇表达CIM抽象模型的过程 RDF语言中的资源对应了CIM模型