IEC61970协议族及公共信息模型

近年来，各个应用系统之间信息共享和应用集成的需求越发迫切，其需求覆盖了不同的层次，从电力公司内部不同应用之间，到不同电力公司之间，都要求方便、灵活地实现信息共享和应用集成[1 ] 。应用系统之间的信息的交换与共享需要在多个层次上进行，从最基本的数据交换，到模型信息的交换，到应用功能层面上的共享和集成。针对蓬勃发展的信息共享和应用集成的需求，目前的应用系统接口已不能适应。通常情况下，各个应用系统由不同的开发商提供，所使用的数据模型、应用接口、开发平台千差万别， 大多数应用系统仍然基于专有的数据库。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[2 ] 。

通常每个应用系统的数据格式/ 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。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间的互操作，不能充分有效地保护在各个应用中已有的投资。

针对以上的问题，解决方案是建立一个标准的、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。

1993 年，美国电力科学研究院( EPRI) 启动了“控制中心应用接口”(Control Center Application ProgramInterface ，CCAPI) 研究项目(RP - 3654 - 1) [3 ] ，其主要目标是：

1) 减少向EMS 中增加新应用所需要的费用和时间。

2) 保护对EMS 中正在有效工作的现有应用的投资。

3) 促进不同系统控制中心内部以及控制中心与外部系统之间信息交换的能力。

随着研究的逐步深入，在电力工业市场化改革的背景下，对网络安全计算的需求、对SCADA/ EMS 与DMS 集成的需求，使CCAPI 项目的用户需求和实施范围逐渐超出控制中心内部，扩展到发电、输电、配电等领域。

同时，软件技术的发展进步使传统的自顶向下的软件工程设计方法向面向对象的方法变化，组件技术或分布对象技术是其中一个很重要的发展方向。

CCAPI 项目的重点从为应用系统集成框架服务制定标准逐步转移到为访问、共享公共信息的组件软件接口制定标准上来，从1999 年开始确立了基于组件软件的相对稳定的CCAPI 解决方案。

1996 年国际电工委员会第57 技术委员会第13工作组( EMS API 工作组， IEC TC57 WG13) 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，与其他国际标准化组织相互协调，并推动标准的广泛实施。
 
CCAPI 的研究成果经IEC TC57 WG13 提交为IEC61970 系列标准。

1 　IEC 61970 协议族
IEC 61970 协议起源于ERPI 的CCAPI 项目，其主要目标是为EMS 系统中不同厂商的应用功能之间，或不同的EMS 系统之间，或EMS 系统与电力行业其他应用系统之间的数据交换和应用集成提供便利，允许多个厂家的应用能够在一个EMS 环境中运行，支持大范围的电力系统应用，允许长期的扩展和更新。

针对现有应用环境中，实现信息共享和应用集成的两个最大障碍：
1) 各个系统的信息模型是专有的，缺乏公共、统一的数据模型；
2) 各个系统访问信息的机制也是专有的，缺乏标准的数据接口规范。

IEC 61970 协议提出，为现有的应用系统提供一个基于公共信息模型，公共体系结构的，基于组件技术[4 ]的系统集成框架。通过定义标准的应用编程接口(Application Program Interface) ，应用系统可以以标准的方式访问公共数据，交换信息，不用关心信息在各系统内部是如何组织/ 表达的。各个EMS 应用内部可以有各自的信息描述，但只要在应用程序(或构件) 接口语义级上基于公共的信息模型，不同厂商开发的应用程序或不同系统的应用间就可以以同样的方式访问公共数据，实现应用间的相互操作和插件兼容。

IEC 61970 协议的两大支柱是公共信息模型(CIM) 和组件接口规范(CIS) 。CIM 信息模型定义了信息交换内容的语义，组件接口规范(CIS) 规定了信息交换的语法。CIM 是整个619701 协议框架的基础和核心。

IEC 61970 系列标准包括第一部分：导则和总体要求； 第二部分： 术语表； 第三部分： 公共信息模型(CIM) ；第四部分：组件接口规范(CIS) ；第五部分：组件接口规范映射。在IEC 中， TC57 WG13 ( EMS API工作组) 具体协调IEC 61970 标准的提出、讨论、审阅、投票、颁布等事宜。目前IEC 61970 协议族尚在进一步完善与发展中。

1. 1 　组件接口规范CIS

组件接口规范(CIS) 定义了基于组件技术的标准信息访问机制，解决如何具体交换信息的问题。组件可以分布在网络的任何位置。对外界来说，它所需关心的只是组件的接口，即组件所提供的功能，客户可以通过接口的方法调用来访问它。随着组件技术和网络技术的成熟，CIS 的结构在长期的技术辩论后，2002 年才确定下来。它采用软件行业主流的组件执行系统作为集成基础设施，直接使用组件执行系统提供的公用服务，如命名、事件、事务、持久化和安全等服务[5 ] 。

CIS 包括三个主要部分： 组件接口通用服务-40x ；应用种类特定的信息交换模型( IEM) - 450 -499 ；组件接口规范到具体实现技术的映射规范-5xx。

1. 1. 1 　组件接口通用服务

组件接口通用服务指定了遵循61970 标准的组件(或应用系统) 应实现的一些基本的接口服务，组件(或应用系统) 通过这些通用接口，可以以标准的方式访问公共信息或相互之间交换信息。它为应用系统提供了使用公共API 访问CIM 数据和使用公共服务实现数据处理、存储和显示功能的机制。通用服务建立在现有的国际或工业标准之上，以尽量扩大应用范围。服务类型包括：命名(Naming) 服务、筛选( Filter2ing) 服务、事务( Transaction) 服务、浏览(Browsing) 服务。

这些服务针对EMS API 的特定应用环境，用叙述性文本、UML 和接口定义语言( Interface Definition Lan2guage ，IDL) 来定义标准化的接口功能，涵盖了数据交换层次的主要的应用集成机制。接口功能主要有：

1) 通用数据访问(Generic Data Access ，GDA) ；

2) 高速数据访问(High Speed Data Access ，HSDA) ；

3) 通用事项记录和订阅( Generic Eventing andSubscription ，GES) ；

4) 时间序列数据访问(Time Sequence Data Access ，TSDA) 。

定义这些通用服务的目的是尽量减少电力系统应用集成的代价，将应用系统与下层的中间件(Mid2dleware) 实现技术隔离，充分发挥CIM模型的优点，避免生成只面向特定应用的API ，保证与IEC 61970 中的其他协议兼容。

1. 1. 2 　应用种类特定的信息交换模型( IEM)

信息交换模型( IEM) 定义了组件或应用系统相互之间交换的信息内容和机制。概括地说，就是针对每一个特定的应用种类，使用特定的服务，交换特定的报文的定义。组件接口通用服务对应了与信息交换机制无关的应用类型，而信息交换模型则对应了与CIM信息交换方式有关的应用类型。

1. 1. 3 　组件接口规范到实现技术映射

组件接口只是抽象、标准的约定，需要用具体的技术来实现。在具体实现组件接口的时候，为了保证互操作性，对于每一种接口和每一种实现技术，必须有一个标准的映射把CIS 映射到具体的实现技术，如：CORBA[6 ] ， COM[7 ] ， C/ C + + ， Java 等。例如，如果选择Java 作为实现技术，就必须有将CIS 规范中的发布/ 订阅服务映射到Java 服务的规范。就目前主流的组件模型和语言，预计要针对下列技术进行映
射：

1) C + + 语言、C 语言、Java ；

2) CORBA 、DCOM；

3) XML 。

目前定义了两个主要的映射规范： IEC 61970 -501 CIM RDF 模式： IEC 61970 - 3xx 描绘的是CIM UML Schema ，CIM RDF Schema 就是用RDF - XML 来描绘CIM，和CIM UML Schema 是等价的； IEC 61970 -503 CIM XML 模型交换格式：描述如何产生和使用符合CIM RDF 模式的电力系统建模信息的XML 文档[8 ] 。

1. 2 　作为系统集成框架的IEC 61970 协议

图1 演示了控制中心内部基于IEC 61970 协议的应用系统集成解决方案。将以SCADA 数据的共享为例，探讨61970 协议在应用系统集成中的作用。

SCADA 数据通过61970 CIS 规范所定义的组件接口传送到EMS 应用。具体的中间件技术(图1 中的组件执行系统) 可以在系统实现时根据系统情况作出选择。只要SCADA 数据在SCADA 组件接口的公共表现遵循61970 协议关于SCADA 数据的定义，其他任何遵循61970 协议的系统就都能访问SCADA 数据。

61970 协议要求组件接口处的数据表现遵循CIM模型的语义和语法，任何希望访问SCADA 数据的应用系统必须遵循CIM 模型。这意味着在实现数据采集的标准所定义的数据表现和CIM 模型所定义的数据表现之间必须存在一个转换过程。

图2 演示了相关的接口和转换过程。

从其他控制中心或变电站IEC 60870 - 6 TASE. 2链路上所接收的SCADA 数据在TASE. 2 适配器中转换成61970 CIM格式的数据。更确切地说，是转换成遵循SCADA CIS 规范的数据。类似的，从变电站或现场设备上IEC 61850 ACSI 链路上所接收的SCADA 数据在ACSI 适配器中转换成61970 CIM 格式的数据。

从已有的SCADA 系统中，使用IEC 60870 - 5 规约、DNP 规约或其它专有RTU 规约所接收的SCADA 数据在用户SCADA 系统适配器中转换成61970 CIM 格式的数据。使用适配器的效果是使所有SCADA 数据，不管用于获取数据的规约、服务、数据表现是什么样的，在集成总线具有相同的表现形式。这意味着任何需要操作SCADA 数据的应用系统，只需要支持一种接口：61970 CIS SCADA 接口，就能够集成进系统框架中。

图2 还演示了数据库适配器的应用，它将数据从专有的EMS 数据库格式或工业标准的历史数据库格式转换成系统集成总线所要求的CIM表现形式。

2 　公共信息模型(CIM)
现代电力系统是一个涵盖发电、输电、配电、售电各个环节，包括发电机、变压器、断路器、输电线路、用电设备等各类电气设备，涉及到发电公司、电网公司、代理商、市场运营方、监管方、大用户、零售用户各方面，实行实时闭环控制的复杂系统。

对这样一个系统进行建模、描述，首先要抽象出问题域中的实体的类型、类型的性质。这些抽象的描述就是所谓的“元数据(metadata) ”。元数据是指“关于数据的数据”或者“关于数据的结构数据”，即关于数据的内容、质量、状况和其他特性的信息。例如：书的文本就是书的数据，而书名、作者、版权数据都是书的元数据。元数据最基本的用途就是管理数据，从而实现查询、交换和共享。

对于电力系统域而言，公共信息模型(CIM) 就是电力系统元数据的模式，可以用来描绘具体的电力系统数据模型。

在IEC 61970 协议中，CIM模型是IEC 61970 协议整体框架的基础。它是一种描述电力系统所有对象逻辑结构和关系的信息模型，为各个应用提供了与平台无关的统一的电力系统逻辑描述，尤其是在EMS系统领域。它定义了电力工业的标准对象模型，提供了一种表示电力系统对象，包括其属性和相互关系的标准。

CIM模型中的对象本质上是抽象的，可以应用在各个系统中。CIM 模型有助于不同供应商开发的EMS 系统的集成，有助于EMS 系统和其他涉及到电力系统运行操作不同领域的应用系统的集成，例如发电管理和配电管理。

从1998 年4 月开始，CCAPI 发布cim u07a. mdl ，开始采用面向对象统一建模语言UML 来描绘CIM。

在UML 中，现实世界实体的类型被定义为“类”，实体类型的性质被定义为“类的属性”，实体类型之间的关系用“类之间的关系”来描述，包括：继承、关联、聚集。

2. 1 　CIM：包

整个CIM 很大，为了便于管理，CIM 的开发者把CIM 中的类组织为多个包(Package) 。一个包表示针对特定内容的相关的模型元素的组合，往往针对某些特定的应用范围。包的建立在语义上没有特定的含义，主要为了使整个模型更容易设计、理解和研究。
下面介绍几个主要包的内容：

2. 1. 1 　核心包(Core)

核心包包含命名(Naming) 、电力系统资源(Power2SystemResource) 、设备容器( EquipmentContainer) 、导电设备(ConductingEquipment) 等对象类。核心包被所有应用系统共享，它不依赖于其他任何包，但是绝大多数其他包都有依赖于核心包的关联关系(Association)和泛化关系(Generalization) 。

2. 1. 2 　拓扑包(Topology)

拓扑包是核心包的扩展，通过与描述连接关系的终端类(Terminal) 建立关联关系，定义了设备的物理连接关系。同时，拓扑包还描述了拓扑结构，即设备通过闭合开关/ 刀闸连接在一起的逻辑连接关系。拓扑定义是与其他电气参数无关。

2. 1. 3 　电网包(Wires)

电网包是核心包和拓扑包的扩展，它描述输电网、配电网设备的电气参数信息，这些信息将被用于状态估计、潮流计算、安全分析、最优潮流等应用。

2. 1. 4 　量测包(Meas)

量测包包含描述各个应用间交换的动态测量数据的实体。

2. 1. 5 　SCADA 包(SCADA)

SCADA 包描述了用于数据采集(SCADA) 和控制应用的模型信息，涉及到量测、TV、TA、RTU、扫描装置、通讯电路等设备。控制应用支持对设备的控制操作，例如断开/ 合上断路器；数据采集应用从多个来源采集遥测数据， 遥测实体的子类型有意遵照IEC61850 标准的定义。

2. 2 　关于CIM模型的讨论

2. 2. 1 　CIM模型的扩展性

CIM是一个综合的电力系统信息模型，可以满足电力系统控制中心大部分应用的需要。对于某些应用，只需要使用CIM 的一部分，即CIM 的一个子集(profile) 。例如，为了能够在安全协调机构(SecurityCoordinators) 之间交换能够进行状态估计、潮流分析和故障分析的电力系统模型数据，NERC DEWG定义了一个CIM子集：CPSM(Common Power SystemModel) 。

CPSM只包含8 个包，75 个类，其中Domain 包有35个类，其余7 个包共有40 个类。这是对CIM 模型进行裁剪的一个典型例子。

另一方面，根据开发商或电力企业的特殊需要，也可以对CIM 模型进行扩展。通过增加新的类、属性或关联，以携带新的信息。

2. 2. 2 　CIM与数据库的关系

CIM不是数据库，而仅是数据模型(或元数据) 。

遵从CIM标准意味着公用接口的数据表示符合CIM三方面要求：语义- 命名和数据的意义，词法-数据类型，关系- 与CIM 其它部分的关系，据此相关数据可以被找到。

但是，遵从CIM并不意味着数据库的结构与CIM的类图完全一样，也不意味着支持CIM的所有方面。

3 　结论

IEC 61970 协议族作为电力系统信息共享和应用集成的基础框架，目前仍在发展完善中。在电力系统市场化的背景下，在信息技术飞速发展的支撑下， IEC61970 协议已成为电力应用系统的必然发展方向。

公共信息模型(CIM) 作为61970 协议的核心内容，也将对下一代电力应用系统的设计、实现产生深刻影响。国际国内对它的研究方兴未艾，具有广阔的研究空间和应用前景。

来源：《四川电力技术》