电网实时数据集成应用研究

电网实时数据集成应用研究

0集成平台建设随着能源系统的发展，中国的电网建立了多个实时或非实时监测、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从调度级到绩效级的应用整合范围的开发1.1设计并进行平台建设调度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Ⅰ、安全区Ⅱ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。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。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企业运营管理系统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。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生产自动化监控系统与管理信息系统之间的桥梁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Ⅰ、安全区Ⅱ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(Ⅲ)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大数据技术在网络营销管理中的应用案例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采用标准化和标准化3.1数据及设备互联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。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。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。3.2此外，iec61970的应用示例也在公司级中进行了全面应用3.3强调cim/cis标准根据已查阅的文献,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。3.3.1u3000cim/mlsg数据一致性问题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DF8002SCADA系统进行包装,使之成为遵循IEC61970Part4CIS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电网模型在cim中的存储方式对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IEC61970CIM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IEC61970CIM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基于cim的励磁系统详细设计根据文献资料,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集成应用程序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集成的数据模型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。4.2corba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。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海量数据存储与提取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建立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模型拼接基础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IEC61970规范的CIM/XML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。4.4.2scad系统模型由于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CIMXML/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模型的建立、实际的电网模型与cim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,CIM/XML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。4.5svd图形交换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。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采用专用api接口和cim/cis标准数据对外接口经历了从专用的API到CIM/CIS。CIS包含2个层次,Part4XXCIS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”,Part5XX提供如何将Part4XXCIS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。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-CIM/CIS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-CIM/CIS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。5中小型数据中心标准发展建议和建议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CIM/CIS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