国内电网实时数据集成应用综述

摘要： 从电网实时数据中心的形成、集成应用的范围、规范化、关键技术以及发展趋势5个方面总结并分析 了近年来国内电网实时数据的应用成果。 调度EMS各子系统的信息共享以及EMS与其他系统的信息交换成 为实时数据集成应用的起点。 南方电网、浙江、江西等已经逐步开展了集数据、模型、图形等为一体的调度综 合数据平台的研究和建设。 山东和上海电力公司逐渐出现企业级数据平台的概念，立足于公司整体，数据不 仅来源于调度系统，还来源于其他部门、专业的相关系统，且数据平台服务于企业整体，各类信息在企业范围 内共享。 在实时数据中心的标准规范化问题上，IEC61970在各地的数据中心中都起到了相当大的作用，实现 了本地调度中心内各应用系统之间的数据共享以及不同级调度自动化系统之间的数据共享。 关键技术主要 包括架构设计、组件技术的选择、数据模型和全电网模型的设计、图形导入导出以及数据对外接口。 从调研分 析得出，电网实时数据集成将遵循IEC61970标准并进一步开放接口，在全电网信息集成以及调度级、企业级 数据中心的协同工作等方面有着广阔的发展前景。 关键词： 实时数据； 数据中心； 数据整合； 调度综合数据平台； 标准规范化；IEC61970 中图分类号：TM 734 文献标识码：B 文章编号：10066047（2010）01013906 国内电网实时数据集成应用综述 陈丽娟 1，2，朱晓燕2，赵俊峰3 （1.东南大学 电气工程学院，江苏 南京210096； 2.江苏省电力试验研究院有限公司,江苏 南京211102； 3.江苏省电力公司 信息中心,江苏 南京210024） 收稿日期：20090624；修回日期：20090720 电 力 自 动 化 设 备 Electric Power Automation Equipment Vol30 No1 Jan.2010 第30卷第1期 2010年1月 0引言 随着电力系统不断发展，国内电网建立了多个实 时或者非实时的监视、控制和管理系统。 这些实时或 者非实时系统对电网安全生产、经营和管理起到了 不可替代的作用。 但已建成的相关应用系统，多为不 同时期分别进行建设或由不同专业负责建设的，由 于缺少总体设计和统一规范，造成系统间数据流向 不合理、通信接口复杂；各应用系统数据、网络模型 参数得不到共享，增加了系统参数和数据维护的难 度，制约了信息化水平的进一步提高。 各系统之间相 对孤立，信息的可见性和数据的可用性较弱，信息 传递的容量、效率无法得到保证，存在“信息断层”。 随着系统间数据共享需求的不断增加，有必要建立一 个统一的实时数据应用集成平台，充分发挥企业实 时数据资源的作用。 江苏、浙江、上海、山东等地都已 经陆续开始了电网实时数据集成应用方面的研究与 实践。 现从集成应用的范围、规范化及关键技术等 方面总结和分析国内各地的电网实时数据应用现 状，总结出该研究领域的新思路和新进展。 1应用集成的范围从调度级向企业级发展 1.1国网公司发布调度系统数据整合指导方案 调度EMS各子系统的信息共享以及EMS与其 他系统的信息交换成为实时数据集成应用的起点。 随着越来越多的实时或准实时应用系统的开发 和投用以及安全分区的实施，传统的点到点的网状 数据交换手段形成了更加复杂的环境，通过私有接 口模式实现点对点方式的数据交换已逐渐被数据中 心的理念取代。 国家电网公司在电力二次系统安全防护框架的 基础上，研究分析调度机构现有各应用系统的特点， 并在考虑数据整合工作实施和今后系统应用发展的 基础上，提出了省级以上调度系统数据整合的总体 方案，逐步建设适用于安全区、安全区各应用系 统的生产控制数据平台以及适用于管理信息大区应 用的调度生产数据平台，2大平台协同工作1。 各级调度机构已经逐步开展了集数据、模型、图 形等为一体的调度综合数据平台的研究和建设2-4。 表1分别描述了南方电网、浙江、江西等地的综合数 据平台的应用情况。 1.2集成实时数据和管理信息的公司级数据中心 逐渐出现 调度数据中心解决了调度自动化系统的数据规 划和整合，实现了调度自动化系统间的协同。 然而它 还不能满足其他专业和企业级的生产和管理需求， 因此逐渐出现了企业级数据平台的概念。 山东电力2007年从弥补生产自动化监控系统 和管理信息系统之间的“信息断层”以及满足“企业 级”数据分析和应用的需要，设计了“企业级”的生产 实时数据平台，以实现生产实时信息安全交换和共 享。 生产实时数据平台在满足安全生产和稳定运行 第30卷电 力 自 动 化 设 备 应用区域特点目的 南方电网 南方电网上下级调度电网 模型和图形拼接、共享。 满足南方电网全局协调 控制和在线安全稳定分 析的需要。 杭州电力 已实现基于CIM规范的 中心数据库，建成了符合 IEC61970标准的CIM CIS规范化信息集成平 台，并制定了近期、中期、 远期的应用规划。 各应用系统可以灵活、 准确地利用SCADA系 统中的电网结构信息和 实时运行信息。 浙江金华 在提供标准的电网模型、 参数、实时数据和状态估 计结果等访问服务的基 础上，还开发了满足CIS 标准的在线潮流组件。 解决了SCADA系统和 PAS作为2个独立系统 的缺陷，实现SCADA PAS一体集成。 江西 遵循国网调度综合数据 平台方案，建立内外平台。 实现调度数据中心各系 统互联互通，可以进行信 息交换和互操作。 表1几种应用案例 Tab.1 Application examples 的同时，更好地服务于电网经济运行和企业经营。 上海电力公司从面向电网整体的生产管理角 度出发，为解决设备与电网网架脱节、设备运维信息 与电网运行信息脱节的状况，在实时监控、输配电 管 理、电力营销等业务系统之上，以IEC61970和 IEC61968的公共信息模型（CIM）为基础，建立了全 电压等级一体化电网模型，实现了电网设备参数、 电网网络拓扑、地理信息、用户信息、实时信息等一 体化支撑平台。 上海企业级数据中心立足于公司整 体，成为整个电网不同系统间的“桥梁”和“纽带”，各 类信息在企业范围内达到共享5。 由上述案例可以看出，公司级数据中心，立足于 公司整体，数据不仅来源于调度系统，还来源于其 他部门、其他专业的相关系统；而且数据中心服务于 企业整体，各类信息在企业范围内共享。 1.3调度级和公司级数据中心的协同工作 虽然调度级数据中心与公司级数据中心分别处 于2个不同安全区域、为不同用户群提供服务，但2 个中心（或平台）密切关联，共同搭建了生产自动化 监控系统和管理信息系统之间的桥梁。 在国网公司的调度系统数据整合总体方案中， 不仅明确了建立适用于安全区、安全区各系统 应用的生产控制数据平台以及适用于管理信息大区 （）应用的调度生产数据平台，同时还提出了公司 综合信息集成平台，并明确了调度生产数据平台向 公司综合信息集成平台传送电网运行和调度生产管 理相关信息的数据流向。 2应用集成和数据集成范围 依据已查阅的文献资料，集成应用的范围或数 据集成范围有如下3种代表案例。 a.上海电力从面向电网整体的生产管理角度， 集成调度运行管理、设备运行管理和营销管理，形成 了包括网络拓扑、设备参数、实时数据、地理信息、资 产信息等内容的数据中心。 b.中国电科院从提高电网计算分析的角度，提 出了在线与离线数据的整合。 c.南方电网为了满足全局协调控制和在线安全 稳定分析的需要，实现了各省调和总调的电网模型 和图形的整合。 总结上述案例，从应用角度集成范围归纳如图 1所示，从信息类型的角度可用图2描述。 各种不同的案例只是对同一范畴的对象集，从 不同出发点、以大小不同的视角、从不同切入点，开 始电力信息集成之路。 3集成应用的规范化、标准化 3.1调度综合数据平台普遍遵循IEC61970的相关 标准7-8 IEC61970在调度数据共享中的应用可分为横 向和纵向2个方面。 横向共享是指本地调度中心内 各应用系统之间的数据共享。 纵向共享是指不同级 调度机构自动化系统之间的数据共享。 浙江金华地调实现了基于IEC61970-CIM CIS 的电网数据异构平台3。 该平台的数据源自EMS系 统，实现了CIM数据库、接口服务程序、GDA服务、 基于XML的CIM导入导出工具和基于CORBA的 企业集成总线，为地理信息系统、管理信息系统、电 量计费系统和配电管理系统等应用功能提供了标准 的电网模型、参数、实时数据和状态估计结果等访问 服务。 华东电网建立了基于IEC61970的电网计算、设 备模型的调度实时信息管理系统，采用CIM XML模 型文件交换和模型合并等技术，实现了上、下级调度自 动化系统间信息资源的共享和分责分级维护6。 南方电网为了满足全局协调控制和在线安全稳 定分析的需要，基于IEC61970标准，各省调与总调 间通过定期传送实时数据断面以及在电网模型或图 形发生变化时传输CIM以及与CIM相配套的SVG 图形文件，形成全网CIM和SVG图形，为南网新 EMS、网省协调AVC、在线预决策、安全预警等其他 应用系统提供完整的在线模型7。 3.2公司级综合应用中也已有IEC61970的应用案例 上海电力一体化电网平台以IEC61970和IEC 调度运行管理 计算分析 设备运行管理 营销管理 图1应用集成范围 Fig.1 Scope of application integration 下级企业 网络 拓扑 设备 参数 上级企业 用户 信息 实时 数据 图2数据集成范围 Fig.2 Scope of data integration 地理 信息 陈丽娟，等：国内电网实时数据集成应用综述 第1期 61968的CIM为基础结合管理实践进行扩充，建立 了全电压等级一体化电网模型，实现了电网设备数 据、电网网络拓扑、地理信息、用户信息、实时信息等 的一体化支撑，为各种电压等级设备管理和业务流 程的沟通打下了模型基础。 3.3CIMCIS的不同应用深度9-12 根据已查阅的文献，在所有调度级综合数据平 台和企业级综合数据平台中，都强调遵从CIM CIS 标准。 但遵从CIM并不意味着支持CIM的所有方 面，也不意味着数据库的结构与CIM的类图完全一 致。 由于应用背景不同等因素，CIM CIS有着不同深 度的应用。 3.3.1仅在数据交换时遵循CIMCIS 有案例只在各应用组件的接口级上遵循CIM， 即公用接口的数据表示符合CIM的语义、词法、关 系3个方面的要求。 杭 州 电 力 局 在 信 息 集 成 的 初 始 阶 段 ，基 于 CORBA与XML技术，应用CIM对DF8002 SCADA 系统进行包装，使之成为遵循IEC61970 Part 4 CIS 的GDA和HSDA服务器，所提供的数据采用CIM 数据模式。 通过此方式为其他系统提供了CIM XML 电网模型、CIM SVG图形、GDA HSDA服务，解决 了数据一致性问题，使企业各部门、各业务使用的数 据保持了统一性、完整性、可靠性。 在集成应用初期或应用系统对外信息共享需求 较少时，采用此种方式。 此种方式简单快捷，但不同 类型数据间关联的实现相对复杂。 3.3.2按CIM存储数据 对CIM CIS的深入应用是不仅在接口层面，而 且在数据存储层面基于CIM标准。 这种应用涉及到 CIM建模和模型扩展。 一般在领域CIM建模和模型 扩展相对成熟的情况下按CIM存储数据。 目前新建 的调度数据平台一般都按CIM存储数据。 河南电力公司借鉴了CIM，对电力综合数据平台 的数据流进行了规划。 首先，把握CIM中各类之间 的关系，了解重要类的各个属性，列出现有系统中 与CIM实体的属性相对应的参数，对CIM中没有而 项目中所需要的实体或者属性，根据实际需要，在CIM 中进行建模或扩展。 西北电网的调度数据平台系统从EMS系统将 电网模型、参数数据按照CIM格式导出，电网模型 和部分运行信息按IEC61970 CIM方式存储。 南京地调基于CIM和IEC61970系列标准设计 出输电网模型，并扩充IEC61970 CIM使之能够表达 配电网模型，定义电网运行数据XML交换格式。 3.4 CIM建模研究情况 根据文献资料，2006年起清华大学、浙江大学以 及浙江电力公司已开展多个领域的建模研究。 文献13在对现有AVC系统进行详细分析的 基础上，抽象出电压控制器的概念，利用递归组合的 方法描述分级电压控制的层次结构，通过继承和关 联的方式将电压控制器模型与CIM中现有的模型 相结合，充分利用其中已有的信息，完成对AVC系 统CIM的详细设计。 在电力系统中，一些重要设备的附属设备较多， 而CIM中模型不可能全面地反映这些附属设备的 模型。 如在发电机设备中有励磁机、电力系统稳定器 （PSS）、原动机调速器等附属设备，这些附属设备无 论在实际运行中还是在系统的仿真计算中，都有重 要的作用。 文献14在对励磁系统进行详细分析的基础 上，抽象出励磁系统的模型，通过继承和关联的方式 将励磁系统模型与CIM中现有的模型相结合，充分 利用CIM中已有的信息，完成了基于CIM的励磁系 统详细建模。 文献15在继承CIM中原有开关类模型的基 础上，对配电系统中的重合器、分段器、开闭所、环网 柜及分布式电源建立了CIM，扩展了CIM在配电系 统中的应用。 4集成应用的关键技术 调度级数据中心、公司级数据中心虽然数据来 源、服务对象不同，但2个数据中心的核心技术基本 相同。 相关技术的实现方案趋于成熟。 4.1架构 尽管当前的数据中心架构形式多样，但其核心 技术是基本相同的；其主要模块也是相似的，如：基 于组件技术（如CORBA）的集成总线、基于CIM的 数据模型、基于CIS的接口、基于SVG的图形导入 导出、基于CIM XML的电网模型拼接等。 4.2组件技术 目前，主流对象中间件技术标准有OMG公司的 CORBA、Microsoft的COM DCOM、Sun公司的EJB 等。 3种技术的核心思想都有一定的共通之处，彼此 具有相当的兼容性。 其中，CORBA适合于分布式对象环境，具有平 台、位置和语言的无关性，而且其功能完整性、发展 成熟性也是最好的16。 目前浙江杭州、江苏南京、江 西、山西都有CORBA技术应用的成功案例。 从上述 成功案例中，可以得出这样一个结论：只要选择合适 的组件粒度和高效的CORBA中间件产品，CORBA 完全能够满足调度自动化集成系统的性能要求；而 调度自动化集成系统可把CORBA作为整个系统的 集成框架，合理发挥CORBA的各种强大功能和服务， 从核心上保证IEC61970标准的实施。 4.3数据模型 电网运行数据中心不仅要考虑电网实时数据、 电网参数数据、网络拓扑数据、发电和负荷数据、机 组自动控制系统数据以及系统统计分析结果，而且 对海量各类数据的存储、提取需要规范统一的、可扩 展的数据模型。CIM定义了电力系统模型的层次结 构，为应用间共享的信息提供一个公共的语言。 4.4全电网模型 我国电网的运行和管理具有典型的分层分区的 特点，因此基于CIM形成全电网模型是实现信息共 享和集成的基础。 全电网模型的建立将使得各应用 系统可以以标准接口的方式获取任意电压等级范围 内的电网模型、拓扑和设备参数。 技术处理上涉及 电网模型的拆分与拼接以及模型的导出。 4.4.1模型的拆分与拼接 电力系统模型的拆分用于只对整个系统的部分 地区或某电压等级以上的系统进行分析研究。 可以 根据电压等级或区域进行拆分。 全电网模型的建立实际上就是完成模型的拼接 过程，基于IEC 61970规范的CIMXML模型导入功 能是模型拼接的基础，而模型拼接的关键前提是保 持边界模型的设备命名一致。 为了最大限度地不影响EMS、DMS以及涉及到 的其他自动化系统，可以采用指定边界设备定义的 方法来实现模型拼接。 各个系统均导出全模型，在综 合数据平台上进行拼接的时候首先根据事先设定好 的边界设备进行拓扑分析，将那些在边界范围之外 的设备全部舍弃，从而得到只包括某区域范围内部 以及相应边界设备的模型，再根据边界设备名称一 致的特点来进行模型拼接，最终得到全网的大模型。 4.4.2电网模型的导出 由于XML是独立于任何体系结构、独立于任何 语言的数据格式，其中立性非常适合应用于系统集 成中的信息交换。 将SCADA电网模型导出为CIM XML RDF格式，方便不同应用、不同系统间的数据 交换。 根据不同需要，电网模型按照全网模型、拆分模 型、增量模型3种方式导出。 4.4.3案例 南方电网基于CIM实现电网全局模型，一旦省 调EMS电网模型发生变化，CIMXML导出模块导 出CIM，包括电网结构、参数和量测映射关系，一旦 省调EMS图形文件发生变化，SVG图形导出模块导 出与CIM相配套的SVG图形文件，全面实现基于CIM 的电网模型的拼接。 4.5图形导入、导出 SCADA系统的应用只有将数据和图形结合起 来才具有一定的意义，需要在已有系统上提供相应 的图形导出模块，同时综合数据平台则利用图形导 入模块实现对图形的接收。 SVG是由W3C开发的一种开放标准的文本式 矢量图形描述语言，SVG图形交换和CIM XML文 件一起使用能正确识别和表达图形上的设备和动态 数据点。 数据中心的图形的导入、导出目前基本上 都是基于SVG技术17。 SVG图形导入、导出过程具体实现如下： a.图形文件的接收方负责将图形文件转换到自 己的图形环境中，接收方根据图形文件提供的关键 信息（如设备类型、地点、旋转等）用自己的绘图包来 画出图形； b.底层的CIM数据库与图形表现一致，连接关 系已保存在底层的CIM数据库中，因此不需要交换； c.菜单往往针对特定应用，因此菜单不作为图 形的一部分交换； d.交换是分层次的，例如大视图、连接关系、动 态对象、注释符号以及减少混乱的方法。 4.6数据对外接口技术 数据对外接口经历了从专用的API到CIMCIS。 CIS包含2个层次，Part 4XX CIS规范是与具 体实现技术无关的规范，这个层次主要提出“如何交 换”和“交换什么”，Part 5XX提供如何将Part 4XX CIS规范映射到特定的底层实现技术。目前，2个层次 都尚未完善，各类具体技术映射（如CORBA映射、 EJB映射等）标准尚未形成18。 为了方便将来开发新应用，并使以前投入运行 但仍有效工作的系统向外提供标准服务，需要对已 有系统进行包装，使之提供符合IEC61970的接口， 包括GDA、HSDA等。 第三方用户可使用这些标准接 口灵活地开发新应用，或者使用这些服务进行消息 传递，实现RPC形式的数据交换。 可采用CORBA实 现GDA、HSDA服务器。CORBA的使用允许应用构 件在可执行级上互操作。 清华大学应用软件的对外接口就实现了从专用 API接口到IEC61970-CIMCIS标准的过程。 基于专用API，清华大学应用软件已在我国60 多家地区级以上电网调度中心运行。 这是一种1对 N的接口模式，如图3所示。 2003年后，清华大学采用了IEC61970-CIMCIS 标准进行接口，图4为新的接口模式示意图。 在这种新模式下，接口采用标准的软总线方式， 无需对每个厂家做私有接口，开放性好。 目前基于 这种标准接口模式，清华大学的应用软件在江苏省 调、广东省调和金华地调等调度中心都得到了成功 应用。 加拿大 CAE系统 ABB SPIDER系统 美国 Valmet系统 电科院 CC2000系统 东方电子 DF8003系统 东方电子 DF8002系统 鲁能积成 IES500系统 南瑞 RD800系统 南瑞 SD6000系统 南瑞 OPEN2000系统 清华大学 应用软件 图3专用API模式 Fig.3 Special mode of API 第30卷电 力 自 动 化 设 备 清华大学应用软件不同厂家SCADA CIM CIS 图4 IEC61970 CIM CIS标准接口模式 Fig.4 Standard interface mode of IEC61970 CIM CIS 陈丽娟，等：国内电网实时数据集成应用综述 第1期 5结论 分析已查阅的文献和应用案例，电力信息集成 应用的发展趋势有3大特点：全电网、两中心协同以 及遵循CIMCIS标准。 a.“全电网”总结于集成应用的横向、纵向的数 据来源和使用范围。 电力信息集成应用由面向调度 员、操作员的调度数据中心，发展为面向整个公司， 服务于调度、营销、生产、发策、基建等不同部门的需 求的公司级数据中心。 全电网数据中心的数据不仅 仅包含生产实时数据，还包含电网模型、图形、地理 信息以及各类管理信息，同时在全电网数据中心建 立起生产自动化监控系统和管理信息系统之间的桥 梁。 我国电网的运行和管理具有典型的分层分区的特 点，上下级调度运行数据的整合已成为必需。 b.调度级数据中心与公司级数据中心分别处在 2个不同的安全区域，面向不同用户，公司级数据中 心中的调度系统的数据应该由调度级数据中心传递 的，保证了相同数据的一致性。2个数据中心之间不 可替代。 c.标准化是衡量一个系统水平的重要标志，而 IEC61970标准对系统支撑平台和应用软件都至关 重要。 遵循IEC61970标准是建立数据中心的总体趋 势和主要任务。 随着IEC61970标准的发展，数据中 心将更加标准化、规范化，今后的扩展也更加方便。 IEC61970的第402-449部分定义了一个构件能用来 与另一个构件交换信息或以标准方式访问公共数据 的服务。 这些通用服务允许使用公共的API访问 CIM信息，其目的为方便使用构件技术和EAI相关 技术，并充分发挥CIM的作用。 用户只需要依据标 准规范来了解接口的功能、服务名、入出口参数、 返回状态等，而无需知道本方案实现这些服务的细 节，实现系统的接口开放。 参考文献： 1 石俊杰，李毅松，彭清卿，等.国家电网公司调度系统数据整合总 体方案的思考J.电力信息化，2006，4（6）：28-31. 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At the low-voltage side，the single-end flyback circuit is used to generate the stable current pulses，which is controlled by fixed-frequency PWM controller UC3842，and the high-frequency current transformer is used to transfer the energy of pulses while isolate the high voltage. The isolation between high-voltage drivers is realized by applying multiple current transformers. Different grades of voltage and current can be generated to meet different requirements of drivers. Experiments show that，it can provide enough driving voltage and current for high power semiconductor devices and improve the reliability and stability of high-voltage control system. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China（60774059）. Key words：high-voltage drive circuit；isolated high-voltage drive power supply；isolated high-voltage power supply；electromagnetic energy transfer；power supply （责任编辑： 柏英武） 作者简介： 赵秋山（1983-），男，河南浚县人，硕士研究生，从事电力 电子技术和控制 方面 的 研究 （E-mail：zhaoqiushan135163. com）； 冯冬青（1958-），男，河南郑州人，教授，博士，从事控制 方面的研究与开发； 卢 宜（ 1951-），男，河南郑州人，高级工程师，高级实验 师，主要从事电力电子技术相关产品的研究。 Survey of power grid real-time data integration in China CHEN Lijuan1，2，ZHU Xiaoyan2，ZHAO Junfeng3 （1. School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China； 2. Jiangsu Electric Power Research Institute Corporation Limited，Nanjing 211102，China； 3. Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China） Abstract：The applications of power grid real-time data integration in recent years are analyzed and summarized in five aspects: the formation of real-time data center，the scope of integration application， thestandardization，thekeytechniquesandthedevelopmenttrend.InformationsharingamongEMS sub-systems and information exchange between EMS and other systems are the beginning of real-time data integration application. The research and construction of dispatch platform which integrates data， modelsandgraphsaregraduallydevelopedinSouthernGrid，ZhejiangandJiangxi.Theconceptof enterprise data platform ap