IEC 61970 标准系列简介

随着计算机技术和现代通信技术的飞速发展，电力系统自动化软件业正在掀起网络化、组件化的浪潮，从厂站侧间隔级的过程总线到主站侧的电力企业集成总线将全面组网和互联，IT 流行的公共对象请求代理体系结构( common ob ject requestb roker arch itectu re，简称CORBA )、企业J ava 组件(en terp rise J ava bean s，简称EJB)、分布式组件对象模型( dist ribu ted componen t ob ject model，简称DCOM ) 和基于简单对象访问协议( simp le ob jectaccess p ro toco l，简称SOAP) 的XML W eb Services等组件模型开始用于电力系统自动化的解决方案[ 1 ]。 网络化使电力系统自动化软件在分布式环境下分工合作， 不再靠“单干”， 不再是“孤岛”， 这种分布式系统往往是一个由不同硬件、不同操作系统、不同支撑环境或不同厂家的产品组成的异构系统， 要使其协调工作，各个部分的接口必须标准化， 能像硬件那样“即插即用”。组件化就是用CORBA 等组件模型封装上述各个部分的内部实现细节， 对外提供标准的“插头插座”，如接口描述语言( in terfacedescrip t ion language，简称IDL ) 接口。 对电力系统自动化而言，组件化不仅需要提供组件间交互的互操作机制( 组件执行容器， 如CORBA 环 境) ，而且需要定义组件间交互的公用信息模型(common info rm at ion model， 简称C IM ) 和组件接口规范(componen t in terface specif icat ion，简称C IS)。因此，国际电工技术委员会( IEC) 负责电力系统控制及其通信的相关标准的第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CIM 和CIS 标准，其标准系列为IEC 61970 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和保护用户资源[ 2 ]。 IEC 61970 标准系列分导则、术语、CIM 和两种级别的CIS 共5 个部分， 其最初的草案是接受了美国电科院控制中心A P I(简称EPR I CCA P I) 项目的研究成果，导则中的参考模型来源于美国EPR ICCA P I 的白皮书， C IM 定义了覆盖各个应用的面向对象的电力系统模型，是IEC 61970 标准的灵魂[ 3～ 5 ]。我国与国际接轨，对应TC 57 第13 工作组的我国EM S—A P I 工作组已将前面3 个部分翻译。C IS 部分定义了A P I 函数的规范， 级别1 仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术， 级别2 是级别1 对应到CORBA 和XML 等具体的计算机技术的接口描述[ 6～ 8 ]。C IS 部分接受了对象管理组织(ob ject m anagem en t group ，简称OM G) 的成果—— 数据访问工具( data access facility， 简称DA F) [ 7 ]，最近又接受了美国EPR I 的通用接口定义(generic in terface def in it ion，简称G ID )、过程控制OL E 基金会(OL E fo r p rocess con t ro l，简称O PC，OL E 是对象嵌入和连接ob ject link ing andem bedding 的简称， OL E 后来相继发展为控件A ct ive X、组件对象模型COM 和DCOM，目前O PC都支持这些技术)、工业系统数据采集( dataacqu isit ion fo r indu st rial system s，简称DA IS) 以及互操作实验等成果。C IS 部分变化较大，W G13 工作组还没有出全，我国EM S—A P I 工作组正在翻译。 IEC 61970 标准对EMS 十分重要，目前，国外是边做系统边做实验边写标准。在国内， 遵循IEC61970 标准的第4 代EM S 呼之欲出[ 2， 9 ] ， 本文旨在介绍IEC 61970 标准系列的产生背景、形成过程、文档内容和应用情况。

1　产生背景

1．1　保护用户资源的要求 随着电力系统的发展和自动化水平的提高， 用户往往要运行多套系统，每套系统中要运行多个应用， 这些应用和系统常常是分步实施的， 必然存在系统的更新升级。传统的应用系统升级存在以下问题：①当用户对老的系统更新换代时， 由于运行平台不兼容，用户原来的一些运行稳定可靠的软件不能再运行， 用户长期积累的数据资料和二次开发的工作不能再保留： ②当用户对系统中某一部分的功能进行扩展时， 如果用第三方软件，由于接口专用， 要重复建设一些软件，如一些用户运行有多家应用软件，浪费了用户的资金和时间： ③当用户进行后期功能的招标时， 由于第三方软件的接口问题，往往使用户选择原来系统的厂家，不能选择最好的应用软件。因此，应用系统接口的标准化对用户的意义是深远的。

1．2　系统集成的要求 系统集成有两种策略: 一是分散化， 采用分布式结构， 通过细分应用进行功能分布， 如EM S 分为SCADA ，A GC， NA S 和DTS 等应用， NA S 又分为状态估计、调度员潮流、安全分析等， 把不同的功能尽量分布在不同的机器上：二是集中化， 要配置服务器，让功能集中在服务器上完成， EM S 和电量计量系统的二合一以及EMS 和DMS 的二合一等。这两种矛盾的策略是社会化大生产分工与合作矛盾的具体体现，要求系统的组成部分必须是标准件， 标准化是系统集成的内在要求。一般而言，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，但最终都要达到资源整合和信息综合的集成目的。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三方的应用软件，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M IS 的松耦合集成，能互联互操作。因此， 应用系统接口的标准化对开发商和集成商等厂家意义重大。

1．3　电力市场的要求 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电力市场服务， 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交换电力系统网络模型。北美电气可靠性委员会(N ERC) 为了防止电力市场环境中承担安全协调任务的电力公司以安全为由为自己公司谋利,已正式要求这些电力公司提供以公用电力系统模型(common pow er system model，简称CPSM ) (C IM的一个子集) 描述的带量测的电网模型。电力市场环境下的EM S 应用软件非常多，不可能由一家产品包打天下，必须以标准的接口联接多家产品，共享信息和资源。

1．4　新技术的推动 软件业流行的技术为EM S—A P I 的标准化提供了保证。A. 组件技术。目前有CORBA ，EJB,DCOM 和W eb Services 这4 种组件模型。CORBA 是OM G 组织制定的一套面向对象的分布式计算体系结构规范，称为CORBA 规范，比较成熟、完整。CORBA 规范主要包括ORB 和对象服务等,ORB 是基于IIO P协议的软总线，提供透明访问的互操作机制，IIO P是在TCPöIP 之上封装的ORB 通信协议。服务包括名字服务、事件服务和并行控制服务等分布式对象环境下的各个方面，是组件执行的保障，没有服务的CORBA 实质上是ORB 完成简单的通信功能[ 10 ]。基于CORBA 规范的产品国内外有很多，如INOA 公司的O rb ix，目前可用于各种平台，其实时CORBA甚至可以用于嵌入式操作系统，国内如北京中和威公司的In terBu s，其效率达到平均每条报文小于1 m s，用于EM S 是可行的。Web Services 的协议是SOA P，SOA P 可对以扩展超文本标记语言(ex ten sib le m arkup language，简称XML ) 为载体的数据进行封装，微软的. N ET 是XML W eb Services的开发平台[ 11 ]。 B. OM G 和O PC 的技术。对象管理组织(OM G) 推荐的DA F 可用于非实时的公共数据访问,O PC 是工业控制领域流行的接口标准，提供快速数据访问、事件ö报警和历史数据访问，可用于实时数据和历史数据的访问。 C. XML 和DARPA 代理标记语言(DARPAagen t m arkup language，简称DAML ,DARPA 是美国的一个研究机构) 技术[ 12，13 ]。XML 是一种标准化的标记语言，是一种跨平台的语言，如果与资源描述框架( resou rce descrip t ion f ram ewo rk，简称RDF )相结合[ 14 ] ，能很好地描述符合C IM 的电网模型,XML 有成熟的解析方法(DOM 或SAX) 和解析工具。DAML 是另一种用于查询的XML 语言，可用于对C IM öXML 进行查询[ 15 ]。 D.面向对象的技术和统一建模语言(un if iedmodeling language，简称UML ) 技术。面向对象的技术按客观事物的本来面目描述事物，是分析、设计和建模最好的技术,UML 是一种可视化的建模语言，使建模直观、方便。基于UML 的流行的建模工具有Rat ional Ro se 等[ 16 ]。

2　形成过程

EM S—A P I 的最初草案是接受了美国EPR ICCA P I 项目的成果[ 2 ]。EPR I CCA P I 是美国电科院的一个科研项目，其任务是对控制中心的EM S 软件制定一套A P I 的规范，能使系统集成和互联简便[ 17 ]。1994 年7 月的CCA P I 会议上，项目组开始以美国电科院的操作员培训仿真系统(operato rt rain ing sim u lato r，简称O TS) EU 300 为基础建立C IM 模型，1994 年9 月22 日形成C IM 的最初草案，从1994 年11 月17 日的000d 版开始，几乎每季度的会议都进行修改，对修改的内容、原因和时间等做了详细的记录[ 1 ] ，1996 年被国际上接受作为C IM的初始草案，国外的EM S 开发商开始关注和使用C IM。在2000 年C IM 的CDV (委员会草案投票)中，由于美国ICL 公司的一项关于电力系统面向对象建模的计算机实现的专利的问题，CDV 没有通过。最近，13 工作组在原来吸收了OM G 的DA F 的基础上，又吸收了美国CCA P I 的通用接口定义G ID的CDA 与DA F 一起构成403，用于大批量数据的访问，吸收了O PC 的数据访问接口O PC DA 作为404，用于实时数据访问，405 结合O PC 和G ID 处理事件和报警，以及互操作实验的成果作为408 和503 等。根据IEC 57W G 13 的2002 年1 月17 日～18 日的巴黎会议纪要，最新的EM S—A P I 标准文档情况如表1 所示。

3　文档内容

EMA —A P I 标准系列分导则、术语、C IM 和两种级别的C IS 共5 个部分，导则部分主要提出了一个用来描绘控制中心EM S A P I 问题的参考模型,其中应用的组件化有两种方法，一是彻底用组件构造，二是对原来的应用加封套。术语部分列出了标准中用到的术语和定义。C IM 分为3 个部分，301 是C IM 的基本部分，302 是C IM 用于能量计划、检修和财务的部分，303 是C IM 用于SCADA 的部分(这里的SCADA 应用与我们当前系统的SCADA的含义不完全一样)。 CIM 由包组成，包是将相关模型元件人为分组的方法。301 包括Co re，Topo logy，W ires，O u tage,P ro tect ion，M eas，LoadModel，Generat ion 和Dom ain 共9 个包。核心包(Co re) 定义了厂站类Sub stat ion、电压等级类Vo ltageL evel 等许多应用公用的模型; 拓扑包(Topo logy) 定义连接节点Connect ivityNode 和拓扑岛Topo logical Island 等拓扑关系模型; 电线包(W ires) 定义断路器B reaker、隔离刀闸D isconnecto r 等网络分析应用需要的模型; 停运包(O u tage) 建立了当前及计划网络结构的信息模型; 保护包(P ro tect ion) 建立了用于培训仿真的保护设备的模型; 量测包(M eas) 定义了各应用之间交换变化测量数据如测点M easu rem en t 和限值L im it set 等描述; 负荷模型包(LoadModel) 定义了负荷预测用的负荷模型; 发电包(Generat ion) 分成生产包( P roduct ion ) 和发电动态特性包(Generat ionDynam ics) 两个子包，前者定义了用于A GC 等应用的发电机模型，后者定义了用于DTS的原动机和锅炉等模型; 域包(Dom ain) 是量与单位的数据字典，定义了可能被其他任何包中任何类使用的属性(特性) 的数据类型。 CIM 中每一个包都是一组类的集合，每个类包括类的属性和与此类有关系的类，比如W ires 包中的断路器类B reaker 类，其属性有ampRat ing 和inT ran sitT im e 两个，与此类有关系的类有保护装置类P ro tect ionEqu ipm en t 和Reclo seSequence，事实上,B reaker 类还有断路器名称属性nam e 等从其父类sw itch 继承，sw itch 再从其父类继承，依次类推直到Co re 包中的N am ing 类。在C IM 中有3 种类之间的关系: 聚合、继承和简单关联。聚合是一种整体和局部特殊的关联; 继承关系是隐式表示的，简单关联和聚合是要显式表示的，如在资源描述框架中用对象引用来表示，继承不仅包括上面的属性，而且包括继承类的关联关系; 简单关联是C IM 中最多的一种关联，它表示类和类之间要相互作用，比如上述B reaker 与P ro tect ionEqu ipm en t 是一种简单关联,保护动作要跳闸开关。值得注意的是简单关联的多样性，在P ro tect ionEqu ipm en t 侧标有0，1，⋯，n 表示作用的重数，含义是一个开关可以没有保护使其跳闸，可以是1 个或多个保护使其跳闸，这种多样性使建模时既要检验是否符合C IM 语法，又要检查模型本身的错误。上述B reaker 与Reclo seSequence 是一种聚合关系，没有断路器，重合顺序类不能存在。 CIM 模型可保存在RO SE 的模型文件(. m dl)中，可以用Xpetal 等工具输出为以XML RDF 表示的定义。实际上,W G 13 使用RO SE 的模型文件维护C IM 模型，然后使用Rat ional SoDA 生成IEC61970—3xx C IM 文档。 CIS 分两个级别: 级别1 仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术，401 是C IS 的总体框架说明，402 之后与原来的计划的目录变化较大，其余的内容包括非实时的数据访问CDA 用OM G 的DA F 和CCA P I 的G ID CDA ，实时数据的访问用O PC 的O PC DA 快速数据访问，历史数据用O PC的O PC HAD 访问历史数据，其他的C IS 还包括互操作实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C IS; 级别2 将C IS 映射到CORBA 和XML 等具体的计算机技术，501 是C IM模型从UML 转换成XML RDF 格式，用于模型的语法校验，502 是CDA 映射到CORBA ，503 是互操作实验的C IM XML 数据交换格式。由表1 可知,C IS 部分很多处于准备阶段，甚至还没有工作组草案。因此，要把精力集中在C IM 上，C IS 可以先自行研究并保持关注和跟踪。

4　应用情况

目前，C IM 已被ABB,A lstom ，Siem en s，S ISCO和ICL 等20 多个开发商用于SCADA ,NA 和O TS等30 多种应用; N ERC,W SCC，加利福尼亚ISO 等30 多个电力企业接受C IM [ 2 ]。在国内，几乎所有的省调和大型地调的招标文件中都有遵循IEC 61970标准系列的要求，华东电力设计院等单位正在按IEC 61970 修改调度自动化设计规程，NAR I,EPR I，清华大学和鲁能积成电子公司等主要EM S开发单位正在抓紧研制基于C IM 的新一代调度自动化系统。 EMS—A P I 是对EM S 接口的规范，C IM 本质上是外模型，目前应用C IM 的EM S 集成有下列几种做法: ①把C IM 作为系统内部和外部的模型，EM S平台用CORBA 等组件容器作为系统集成框架,EM S 应用完全按组件模型设计，这种做法没有吸收原来的成果，工程浩繁，周期太长; ②对原来的系统进行整体封装，把整个系统作为一个大的组件，可以基于C IM 导入ö导出，这是最松散的外挂式，虽然可以部分解决系统间互操作问题，但不能解决EM S应用的即插即用，可作为初期的C IM 产品，目前国内外的互操作实验基本上是该模式; ③EM S 平台完全基于C IM ，数据库管理用面向对象模型，数据库定义用C IM 模型，用CORBA 等中间件作为系统集成框架，EM S 应用中原来的应用通过封装接入，并逐渐改造，新的应用按面向对象的组件自然接入，这种模式既兼顾老系统，又完全按EM S—A P I 设计。 国内外EM S 开发商正按照上述3 种方法整合各自的系统。N ERC 基于C IM 交换电网模型的迫切需求推动了美国的EM S—A P I 互操作实验。互操作实验是上述做法②中的外挂模式。经过若干次电话会议后，2000 年12 月18 日～ 19 日EM S—A P I 互操作实验首次在美国O rlando 举行，参加的单位有ABB,A lstom ，Siem en s 和P syCo r 等7 家，实验的内容是模型的导入ö导出。实验分5 步进行: ①原始模型的导入; ②原始模型导入的结果导出后再自我导入; ③原始模型导入的结果进行修改后再自我导入;④原始模型导入的结果导出后让另一家导入; ⑤原始模型导入的结果进行修改后让另一家导入。实验模型是P syCo r 提供的2 个厂站模型和A lstom 提供的60 母线模型(29 个厂站和41 条线路)。实验结果为: 第①步所有公司都成功，第②步6 家成功，第③步2 家成功，第④步有10 组至少有一个模型成功，第⑤步有6 组至少有一个模型成功[ 18 ]。 2001 年4 月29 日～ 5 月1 日在L as V egas 进行了第2 次互操作实验，参加的单位有ABB,A lstom ，Siem en s，C IM —logic 和S ISCO 共5 家。与第1 次实验相比，实验模型增加了ABB 的40 母线模型、Siem en s 的100 母线模型以及Duke 电力公司1 752 个厂站的大模型，实验内容增加了对模型的潮流计算和对C IM 版本升级后的适应能力以及对模型规模的适应能力。实验结果为: ①C IM 从09a版到09b 版后各家都能正确导入ö导出; ②有16 组能至少对一个模型互操作; ③有10 组能对大模型互操作成功，但导入时间从20 m in 到几小时不等;④A lstom 和Siem en s 能对导入的模型运算潮流，同一程序运行相同但来自不同单位的模型，潮流结果基本相同，不同程序计算同一模型，有功功率相近,无功功率有差别[ 19 ]。 2001 年9 月26 日～ 28 日在Mon terey 进行了第3 次互操作实验。参加的单位有ABB,A lstom ,Siem en s，P syCo r 和S ISCO 共5 家。实验的内容与第2 次相近，区别在于C IM 从09b 版升到10 版，实验模型增加了一个大模型CA ISO 模型(2 473 个厂站)。实验结果为: ①新版本的适应性: 除P syCo r 导入有错误外其他公司都正确导入4 个小模型，除一个公司外其他公司至少能成功导出一个模型,Siem en s 能导出所有模型，结果表明与10 版兼容。②互操作性: 有6 组能至少对一个模型互操作成功。③大模型的适应性: 除P syCo r 外都能导入和导出Duke 和CA ISO 模型,A lstom 导出CA ISO 模型有错误; 有4 组能对两个大模型互操作，导入时间从20 m in 到几小时不等。④潮流计算: 每个公司都能对40 母线、60 母线和100 母线模型运算潮流;Siem en s 能导入别人导出的所有模型并运算潮流,说明模型用于计算潮流是完整的; Siem en s 把模型在ABB 中导入ö导出一遍后潮流结果相同，而把模型在A lstom 中导入ö导出一遍后潮流结果不同，说明A lstom 在导入ö导出中改变了模型[ 20 ]。 美国3 次互操作的结果表明，C IM 总体是可行的，但也有一些需要进一步规范的内容，减少二义性。根据2002 年2 月26 日和3 月5 日电话会议的议题，美国互操作下一步的目标是: ①交换部分电网模型; ②模型更新; ③交换实时数据断面; ④交换模型中设备的ID，用于模型合并[ 20 ]。 我国的EM S—A P I 工作组的第1 次扩大会议2000 年9 月在南京举行，讨论IEC 61970 的翻译工作。第2 次扩大会议2001 年1 月在北京举行，讨论互操作实验，当时的重点在于CORBA 的应用。第3 次扩大会议2001 年7 月在南京举行，这次会议把焦点从CORBA 转向XML ，用C IM XML 交换电网模型进行互操作实验，确定了互操作的电网模型、实验步骤和时间表，这次会议是我国EM S—A P I 互操作实验的起步。实验步骤如下: 第1 步用基于C IM09a 版的P syCo r 两个厂站的数据模型作为导入和导出试验的数据模型，数据模型直接用国外的RDF和XML 文件; 第2 步将采用60 母线的数据模型进行导入和导出试验，此模型是ESCA 提供的，当时是基于C IM 09a 版; 第3 步将采用40 母线的ABB 数据模型导入后进行潮流计算或状态估计试验，此模型是基于C IM 09b 版; 第4 步将采用标准数据模型(由中国电力科学研究院和清华大学提供) 进行潮流计算或状态估计等试验; 第5 步将采用实际的电网数据进行潮流计算和状态估计等应用的试验。第4 次扩大会议2001 年11 月在烟台举行，会议讨论了实验中遇到的问题，确定了下一步互操作实验的计划。第5 次扩大会议2002 年1 月23 日～24 日在北京国调举行，进行了国内第1 次EM S—A P I 互操作实验，有电科院、NAR I、清华大学、山东大学—鲁能积成电子公司和东方电子5 家单位，有两个单位各有两个课题组参加，总共7 个互操作成员。实验模型有美国用的Siem en s100 母线、A lstomESCA 60 母线和清华大学准备的IEEE 14 母线模型，将这些模型重新改名为N 100,N 60 和N 14。C IM模型用的是最新的10 版。实验的内容是: ①各课题组一对一互操作，相互导入ö导出并计算潮流; ②课题组A 导出的结果给课题组B 导入ö导出一次后再由课题组A 导入并计算潮流，课题组A 比较用自己的潮流程序两次潮流计算的结果。实验结果是: ①所有课题组都能完成基本的一对一导入ö导出; ②除两个课题组未能参加潮流计算实验，有两个课题组计算潮流时PV 节点的电压要取电压曲线数据而对方导出时忽略电压曲线造成潮流不收敛(美国的互操作电话会议已有人建议要规范类和属性对应的应用，避免理解的二义性) 外，其余课题组潮流计算都收敛且结果合理; ③有13 个组合成功完成了模型在实验内容②中的互操作，两次潮流计算结果相同;④实验中主要使用了N 100 模型,N 60 和N 14 两个模型由于模型原因，能导入\导出，但潮流计算不收敛; ⑤导入\导出的时间从几十秒到十几分钟不等。 从我国第1 次互操作的过程和结果看，这次实验总体上非常成功，除了没有用大模型和我们自己的实际系统模型做实验外，其余基本完成了美国第3 次互操作实验中完成的任务。我国互操作实验下一步的计划是: ①用国内自己的实际系统做实验，各个互操作成员各自准备一个模型和一个或多个应用，电网模型覆盖网省调、地调等级别和潮流计算、状态估计等应用。②尽快把一些导入\导出等做成产品用于实际系统，如EM S 与M IS 的数据交换,DTS中对下级调度员的轮流培训和联合培训等。同时，我们要跟踪国外的情况，及时调整我们的计划，根据最近美国几次互操作电话会议的内容，我们也应考虑部分模型交换、模型合并、模型更新等方面的互操作实验，这有益于我们加深对C IM 的理解和建模的方法学、人工智能化的研究。譬如: ①检查模型本身错误的检验器; ②传统的建模方法如T 接的处理、除线路外变压器等设备连接两个厂站等建模方法的多样性带来的问题; ③多用户同时建模时的版本管理和历史模型的保存、重演等。这些问题在新一代的能互操作的系统中可能会遇到。 5　结语 从IEC 61970 标准的产生、形成和运用看，该标准吸收了软件业流行的新技术、OM G 和O PC 等组织的新经验以及科研项目、实际运用和实验的新成果，对用户和开发单位都非常有用和重要。从上文分析可以看出: a. IEC 61970标准因保护用户资源等实际需求而产生，并反过来指导实际应用系统，同时也在实际运用中不断完善; b. 软件的即插即用是IEC 61970 的最终目标,但不可能一蹴而就，要从互操作实验和其他外挂模式应用为切入点采用该标准，降低系统接口的成本; c. C IM 是比较稳定的，也被互操作实验证明是可行的; d. C IS还未出全，已有的部分也在不断完善，基于该标准的应用系统要能适应C IS 的变化; e. 要关注国外动态，继续做好互操作实验和基于IEC 61970 标准的应用系统，提高对该标准的理解和使用。

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