IEC61970 及对EMS、SAS 系统的新挑战

摘要 : 介绍了能量管理系统应用程序接口标准 - IEC61970 标准及其该标准产生的背景 ， 标准组成的情况以及各部分的主要内容。分析了面对 IEC61970 ， 现有能量管理系统 EMS 的数据库管理系统 (DBMS) 面临的问题 ， 以及 IEC61970 标准与 IEC61850 标准集成的设想。

关键词 : 能量管理 ; 变电站自动化 ; 公用信息模型 ; 数据库

引言

随着电力系统的发展和自动化水平的提高 ， 用户需要运行多套系统 ， 每套系统运行多个应用。如对系统某些功能进行升级扩展时 ， 如果用到第 3 方软件 ， 由于接口专用 ， 就要重复设相应的软件。有时由于第 3 方软件的接口所限 ， 用户往往只能选择原来系统的厂家 ， 而放弃了最好的应用软件。

从系统集成来看 ， 大的系统应尽量分散化 ， 以提高系统性能 ; 小的系统应尽量集中 ， 以降低成本 ， 最终达到资源整合和信息综合集成的目的。在应用系统中有 3 种典型的集成需求 :

(1) 应用系统平台集成第 3 方应用软件 ， 能即插即用。

(2) 不同应用系统紧耦合的集成能无缝连接。

(3) 控制系统与其他非控制系统如 MIS 的松耦合集成 ， 能互联操作。

电力市场的有序进行 ， 需要有 EMS 、电能量计量系统、电力市场技术支持系统等共同为之服务 ， 在保证安全的前提下 ， 做到信息和功能共享 ， 因此需要根据不同的紧密程度、不同种类信息和不同速度要求进行系统集成和互联 ， 以标准的方式交换数据甚至电力系统网络模型。

此外 ， 软件业流行的技术为 EMS - API 的标准化提供了保证。由此可见 ， 应用系统接口的标准化对用户和开发商、集成商意义重大。因此国际电工技术委员会 ( IEC) 的第 57 技术委员会 ( IEC TC 57) 制定了一系列标准 ， 其中第 13 工作组 (WG13) 负责制定与 EMS 专业相关的公用信息模型 (CIM) 和组件接口规范 (CIS) 标准 ， 其标准系列为 IEC61970 系列 ， 使 EMS 的应用软件组件化和开放化 ， 能即插即用和互联互通 ， 降低了系统集成成本 ， 保护了用户资源。应该说 ， 只有基于 IT 技术 ， 充分使用这些标准 ， 才是解决信息孤岛的唯一途径。

1 IEC61970 介绍

1. 1 定义和术语表

能量管理系统被定义为 : “一个由一个提供基本服务支持的软件平台和一组提供发电、输电设备有效操作功能的应用组成 ， 以保证电能以最小损耗供应时足够的安全性的计算机系统。”应用程序接口的定义为:“一组由可执行应用程序组件提供的供另外的可执行应用程序使用的公共函数。”

API 应用程序接口

CIM 公用信息模型

CORBA 公共对象请求代理体系结构

EPRI 美国电力研究协会

IDL 接口定义语言

OMG 对象管理组织

SCADA 监控和数据采集

UIB 企业集成总线(Utility Integration BUS)

UCA 公用事业通信体系结构

XML 扩展标记语言

1. 2 IEC61970 的文档结构

IEC61970 标准由5 个主要的部分组成: 导则、术语、CIM和两个级别的CIS。

(1) 导则介绍了参考体系结构，描述集成框架的服务。主要回答了“为什么要求进行信息交换?”、“信息交换是在哪里进行的?”、“谁是使用系统或者应用程序的系统作用者?”。

(2) IEC61970 标准的术语和定义。

(3) 描述的是公用信息模型(CIM) 部分。描述了关于哪些物理实体的信息被交换了。主要回答了“建模什么物理设备用于交换数据”。

(4) 描述组件接口规范(CIS) ， 定义了每个应用分类之间的逻辑信息交换， 主要回答了“信息交换需要哪些实体应用集合(collectionsof entity references) ?”、“生产者组件(producercomponents) 什么时候开始数据传输?”。

(5) 描述了每一种特定的软件集成技术的信息交换的接口规范。主要回答了“信息是怎么样交换的?”。

1. 3 参考体系结构

参考体系结构模型是对典型的集成框架和接口规范采用的主要服务的描述[ 1 ]。该结构体系模型运用“组件模型” 来建造分布式系统(如: CORBA 组件模型， 企业Java 组件，微软COM+ ) ; 以及由数据驱动的与现存系统集成的框架。

图1 是运用IEC61970 参考体系结构的一个EMS 系统的一部分。这些独立的应用组件通过一个提供用于组件间通信所需的基础结构服务的集成框架连接。这个例子给出了一个网络分析的应用。与其他应用之间的通信是通过标准组件接口实现的。这些组件内部应用程序间的通信是专有的。

实时操作的测量数据由与提供必要的组件接口的适配器封装在一起的Legacy SCADA 系统获取。这种情况下， Legacy 系统没有分割成它自己的组件，适配器在同样代码包内执行两个接口。

1. 4 公用信息模型

公用信息模型CIM是电力企业应用集成的重要工具， 它包括公用类、属性、关系等， 其类(Class) 及对象(Object) 是抽象的， 在电力系统有许多应用， 它是逻辑数据结构的灵魂， 可定义信息交换模型。CIM提供了一个关于电力能量管理系统信息的全面逻辑视图， 是代表电力企业所有主要对象的抽象模型， 包括了这些对象的公有类和属性，以及它们之间的关系。

需要指出的是: CIM不是数据库， 而仅仅是数据模型(元数据) 。遵从CIM意味着公用接口的数据表示符合CIM的3 方面要求: 语义———命名和数据的意义，词法———数据类型，关系———根据与CIM其他部分的关系， 可以找到与此相关的数据。对于应用来说， 只要在接口上遵循CIM原则， 就可以说其遵循了CIM。由于CIM覆盖了电力系统的大部分领域， 对于应用来说， 只需要实现所关注的领域的CIM模型。同时随着电力系统出现新的设备，在新设备的CIM标准出来之前， CIM可以自己扩展。

CIM 被分成一组组的类(称为包) 。CIM的包如下所示:

(1) 核心包(Core) 定义了厂站类Substation、电压等级类VoltageLevel 等许多应用公用的模型。

(2) 拓扑包( Topology) 是核心包的拓展，它用端点类( Terminal class)“连接到”的关系建模连接(Connectivity) ， 连接是对设备如何连接在一起的物理定义。这个包也对拓扑建模， 这是对设备如何通过开关(closed switches) 连接在一起的逻辑的定义。拓扑的定义是独立于其他电气特性的。

(3) 电线包(Wires) 定义了断路器Breaker、隔离刀闸Disconnector 等网络分析应用需要的模型。

(4) 量测包(Meas) 包括描述在不同应用之间交换的动态测量数据(如电压、功率) 的类。

(5) SCADA 包定义了远程终端和通信联接的模型。

(6) 停运包(Outage) 建立了当前及计划网络结构的信息模型。

(7) 保护包( Protection) 建立了用于培训仿真的保护设备(如继电器) 信息的模型。

(8) 负荷模型包(LoadModel) 提供了以负荷曲线及相关曲线数据方式建模的电能用户和表示的系统负荷模型。

(9) 发电生产包( Generation Production) 提供了开停计划和经济调度应用所用到的各种发电机的信息包括燃料消耗信息。

(10) 发电动态特性包( Generation Dynamics)提供了原动机如汽轮机、锅炉的信息， 这些信息用于仿真和教育。

(11) 电能销售、备用及财务包( EnergyTrading ，Reservations and Financial) 包括分级管理的电力市场方面的模型。

1. 5 组件接口规范 ( CIS) [ 2]

CIS 分两个级别: 级别1 仅对接口做一般性的描述， 不涉及具体的计算机技术， 介绍了CIS 的总体框架说明， 非实时的数据访问CDA(Common Data Access ，公共数据访问) 用OMG的DAF(data access facility ， 数据访问工具) 和CCAPI(Control Center API ， 控制中心的API) 的GID(generic interface definition ，通用接口定义)CDA ， 实时数据的访问用OPC(OLE for processcontrol ， 过程控制OLE 基金会) 的OPC DA(dataaccess ， 数据访问) 快速数据访问， 历史数据用OPC 的OPC HDA(historical data access ， 历史数据访问) 访问历史数据， 其他的CIS 还包括互操作试验的成果即模型交换(模型合并、更新等) ， 以及针对各个应用的CIS。_________级别 2 将 CIS 映射到 CORBA 和 XML 等具体的计算机技术 ，CIM 模型从 UML 转换成 XML RDF 格式 ， 用于模型的语法校验 ; CDA 映射到 CORBA; 互操作试验的 CIM XML 数据交换格式。

2 EMS/ DMS 、 SAS 系统的新挑战

2. 1 现有的 EMS 的数据库管理系统面临的挑战

IEC61970 系列标准的 CIM 模型采用面向对象的方法 ， 准确地描述了电力系统的复杂结构 ， 它要求 EMS 的应用能使用面向对象的方法和技术存取和处理数据。当前国内外主要的 EMS 的 DBMS 解决方案中 ， 专用数据库是关系型或层次型的 ， 而商用的 RDBMS 更是典型的关系型 ， 很难用以直观描述电力系统的 CIM 模型。

给 EMS 带来以下问题 [ 3 ]: EMS 数据库结构的设计和定义时 ， 需要定义大量的中间表 ， 来表达基本表之间的复杂关系 ; EMS 应用程序访问数据库接口时 ， 要将库中大量的关系表 ， 组装成应用所需的对象数据和对象间的关系 ; 在数据库结构设计时将类及类间的关系拆分为基本表和大量的中间表 ， 在应用程序访问数据库时又必须将它们重新组装。

这些问题使得数据库以及应用程序的逻辑性更复杂 ， 系统开发的周期也大大延长 ， 而开发出来的应用在稳定性、可扩展性及其他性能上也将存在很多问题。 IEC61970 作为 EMS 的开放和标准 ， 要求 EMS 的 DBMS 能方便、直观地表达类及类之间的关系 ， 直接调用类 ( 对象 ) 的方法 ， 并维护对象的约束条件。

2. 2 IEC61970 标准与 IEC61850 标准集成的设想

网络控制中心的控制系统 ( EMS/ DMS) 和变电站自动化系统 (SAS) 被用于监控电力系统设备。当这些系统关注同样的物理对象时 ， 它们在所提供的信息的详细度、性能要求 ， 在控制中所承担责任的范围等方面存在差异。为了电力系统的应用更好地集成 ， 提出了关于变电站间 ( IEC61850) 和控制中心间 ( IEC61970) 的数据相互交换的标准集成的需求。因此要求我们去构造一个能明确显示来自一个标准的概念 ， 如何联系来自另一个标准的概念的模型。

基于 UML 的表示方式是 IEC61970 的一个完整的部分 ， 以描述它数据模型。而 IEC61850 没有用任何正式的建模语言 ， 而只是依赖文本的描述 ， 这就将模型核对的工作交由人工完因此首先必须开发 IEC61850 的 UML 模型 ， 这样就建立了一个基于两个标准的数据对象的语意的模型映射 ， 该 UML 模型是 IEC61850 到 IEC61970 数据表示方式的双向的映射基础。 IEC61970 中的 CIM/ XML 是一种用 XML 表述 CIM 模型的语言 ， 而 IEC61850 中 SCL 在第六部分被标准化为一个 XML 模式 (XML Schema) 。它只对 IEC61850 的一部分进行了建模 ， 因此要对 SCL 进行扩展得到新的模式 ( schema) ， 称为 SCL + 。最后利用一个转换机将一些 UML 的映射规则编码并能够执行从 CIM/ XML 到 SCL + 的配置文件的转化 ， 反之亦然。

3 结语

EC61970 系列标准作为 EMS 的开放化标准正在受到越来越多的 EMS 厂商的重视 ，IEC61970 标准呼唤新一代的 EMS 数据管理系统。随着电力系统的应用需要更好的集成 ，IEC61970 标准与 IEC61850 标准的集成也给我们提出了新的挑战。

摘自《浙江电力》