雷明 邵英 鄧李重陽

（1. 中國人民解放軍91515部隊, 海南 三亞 572016；2. 海軍工程大學電氣與信息工程學院, 武漢 430033）

0 引言

電力系統(tǒng)自動化正不斷向著網(wǎng)絡化、數(shù)字化和集成化的方向發(fā)展。為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的信息和功能共享，實現(xiàn)對不同廠家獨立開發(fā)的能量管理系統(tǒng)（EMS）應用的集成以及對 EMS和其他系統(tǒng)的集成[1]。由國際電工委員會57技術委員會制定的IEC 61970系列標準主要定義了能量管理系統(tǒng)公共信息模型CIM（Common Information Model）和組件接口規(guī)范 CIS（Component Interface Specification）兩方面的內容。其中 CIM 是一個面向對象的抽象數(shù)據(jù)模型，正是這種CIM模型的提出，有時候很好地解決系統(tǒng)“信息孤島”問題。它表示包含在 EMS信息模型中的電力企業(yè)的所有主要對象。通過提供一種用對象類和屬性及它們之間的關系來表示電力系統(tǒng)資源的標準方法[2]。CIM對電力系統(tǒng)相關設備和對象進行建模，為異構環(huán)境下的各系統(tǒng)提供一種通用的電力系統(tǒng)資源模型，實現(xiàn)系統(tǒng)間在接口層上的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享。

然而我們知道傳統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)大多采用關系或層次模型，而基于CIM的數(shù)據(jù)模型卻是面向對象的。這兩者間不匹配的問題已嚴重影響了電力系統(tǒng)的實時性、集成性和互操作性。因此如何在面向關系型的數(shù)據(jù)庫中導入導出這種面向對象的數(shù)據(jù)模型是一個亟需解決的問題。

本文在介紹一種基于JENA法對CIM數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)其導入導出的同時，根據(jù)其基本原理以及系統(tǒng)功能特點討論了一種基于數(shù)據(jù)分類的改進方法。這種方法結合了傳統(tǒng)映射法和基于 RDF的JENA法兩者的優(yōu)點，并通過實驗驗證了這種改進方法的可行性和有效性。

1 基于JENA法的基本原理

IEC 61970系列標準依據(jù)電力系統(tǒng)的特點及功能應用構建相關類對象，利用Rational Rose建模工具對其進行 CIM 建模，并采用 CIM RDF Schema元數(shù)據(jù)框架把CIM模型轉換為包含電力系統(tǒng)模型信息的CIM/XML文檔。為解決上述不匹配等問題，需要將這種CIM/XML文檔導入導出到數(shù)據(jù)庫中，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。其中導入操作是將CIM/XML文檔轉化為實際電路模型，把系統(tǒng)運行狀態(tài)及參數(shù)轉化為符合自身數(shù)據(jù)庫結構的數(shù)據(jù)并存入自身數(shù)據(jù)庫；導出操作時是把系統(tǒng)轉化為CIM/XML文檔。

既然 CIM 在形式上是通過資源描述框架語言RDF（Resource Description Framework）來描述各種電力系統(tǒng)中的對象與對象間的關系，即CIM/XML本質上是基于RDF技術的。那么就可以直接使用基于 RDF工具來對其進行解析與處理[3]。JENA就是這樣一個由HP實驗室開發(fā)的表示和處理半結構化數(shù)據(jù)的Java開源工具[4]。JENA充分利用RDF的特點直接基于RDF技術對CIM數(shù)據(jù)進行表達、解析、查詢、管理等基本操作（如圖 1）。

文獻[3]中提到的這種直接基于RDF的JENA法，在生成與查詢CIM/XML過程中無需如傳統(tǒng)方法那樣定義映射規(guī)則，避免了在關系型數(shù)據(jù)庫中進行復雜的數(shù)據(jù)類型映射。且構建CIM的RDF模型不再是以手工的方式，而是通過JENA的相關工具自動生成，使得對CIM數(shù)據(jù)的查詢變得簡捷與高效。

圖1 基于RDF的JENA法處理CIM數(shù)據(jù)

雖然這種基于RDF的JENA法在處理CIM數(shù)據(jù)模型過程中非常有效，但也存在著一些問題。如在整個數(shù)據(jù)處理過程中，都是將電力系統(tǒng)大對象的所有數(shù)據(jù)單純地作為一個整體來處理。而在一個數(shù)據(jù)庫中存放多套結構類似的控制與被控數(shù)據(jù)，在圖形用戶界面（GUI）上顯示或刷新數(shù)據(jù)時，要編寫多段類似刷新程序，代碼編寫與維護工作量大，新增功能困難[5]。對于大型復雜電力系統(tǒng)而言，其所產數(shù)據(jù)量大，流向錯綜復雜，聯(lián)系緊密，這種整體的處理方式勢必造成各個子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流向不合理甚至不流通而得不到共享，增加了系統(tǒng)參數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)維護的難度。且這種以串行執(zhí)行為主的單任務處理方式在時間上有依賴性，對數(shù)據(jù)的處理產生影響，嚴重時會導致數(shù)據(jù)的丟失，不利于系統(tǒng)的擴展[6]，無法在關系型數(shù)據(jù)庫中完整而有效地存儲、表達和查詢 CIM 數(shù)據(jù)。本文在參考以上優(yōu)缺點的同時，討論的這種基于數(shù)據(jù)分類的改進方法，可以很好地解決上述問題。

2 基于數(shù)據(jù)分類的JENA法設計思路與實現(xiàn)

2.1 基于數(shù)據(jù)分類的JENA法設計思路

能量管理系統(tǒng)作為一個集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理為一體的信息流對能量流的大型綜合管理系統(tǒng)，其功能的最終操作對象都是數(shù)據(jù)，而操作數(shù)據(jù)的速度快慢直接決定著整個系統(tǒng)的性能好壞。由于各應用子系統(tǒng)結構與功能特點不同，所監(jiān)測到電力對象的數(shù)據(jù)性質也有所不同。為便于實時數(shù)據(jù)的分布式流向，確保數(shù)據(jù)信息的完整，優(yōu)化數(shù)據(jù)的運行效率，提高電力系統(tǒng)信息處理和控制響應速度。應根據(jù)數(shù)據(jù)的不同特點和性質進行科學分類處理和存取。因此在對系統(tǒng)進行CIM建模前，需了解系統(tǒng)的功能特性和結構組成，通過對 EMS在實時運行過程中的數(shù)據(jù)來源進行分析研究，梳理清晰各應用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模、類型、存取要求等內容。對于電力系統(tǒng)運行中基本不變或者緩慢變化的基本數(shù)據(jù)，由于這部分數(shù)據(jù)相對較少，可結合傳統(tǒng)映射方法的優(yōu)點，在存儲、檢索與處理CIM數(shù)據(jù)時，根據(jù)類與類之間的三種關系（泛化關系、聚合關系與簡單關聯(lián)）定義相應的映射規(guī)則，在關系型的數(shù)據(jù)庫中建立相關的數(shù)據(jù)字典，讓面向對象的CIM數(shù)據(jù)模型和關系型數(shù)據(jù)庫作一一映射，實現(xiàn)類及類之間的關系映射成相應的表。而對于一些實時經(jīng)常變動的數(shù)據(jù)，因為這部分數(shù)據(jù)大，若采用映射方法，這將不可避免地生成很多關系表來表達復雜的CIM關系，使得數(shù)據(jù)庫表數(shù)量增多，帶來數(shù)據(jù)庫維護的嚴重困難，且容易出錯，大大影響了系統(tǒng)的靈活性和實時性。因此可利用JENA法實時高效的優(yōu)點，一起存取到CIM數(shù)據(jù)庫。

2.2 基于數(shù)據(jù)分類的JENA法實現(xiàn)

能量管理系統(tǒng)在實時運行過程中，在各個回路的開關以及節(jié)點間要進行大量的數(shù)據(jù)傳輸。要實現(xiàn)對不同性質的數(shù)據(jù)進行分類。首先需對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構（如圖 2）組成有一個清晰認識?？v向表示電力系統(tǒng)不同對象之間的關系，橫向可以根據(jù)其數(shù)據(jù)的不同性質進行分類[7]。

圖2 電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構

對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構分析后，在深入了解電力系統(tǒng)各功能模塊，以及其軟件和硬件構成的基礎上，通過對電力系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)來源進行分析研究，可將數(shù)據(jù)分為如下幾類：

1） 基本數(shù)據(jù)

主要是電力系統(tǒng)運行中基本不變或者緩慢變化的數(shù)據(jù)，如供電設備及其控制系統(tǒng)的參數(shù)、配電設備的配置及其參數(shù)、量測設備的配置及其參數(shù)；如額定電壓、線路型號、電力系統(tǒng)基本的電氣連接關系、拓撲關系等。

2） 實時量測數(shù)據(jù)

主要是指來自底層的綜合智能監(jiān)控模塊（或者智能終端）采集的實時模擬量、數(shù)字量等信息；如一些有功功率、無功功率、電流、電壓、開關狀態(tài)、變壓器等實時量測數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)。

3） 歷史數(shù)據(jù)

主要是在總結數(shù)據(jù)運行規(guī)律時得到的一些運算結果數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)應用于電力系統(tǒng)運行狀態(tài)分析、故障查詢和模擬訓練等有很大的作用；如一些靜態(tài)安全分析運算結果、故障分析運算結果等。

4） 臨時數(shù)據(jù)

主要是電力系統(tǒng)的一些高級應用軟件中自動形成和待自動清除的數(shù)據(jù)。例如，潮流計算中產生的導納矩陣等；

對系統(tǒng)所產數(shù)據(jù)進行分類后，對不同性質的數(shù)據(jù)選擇相應不同的處理方法。如基本數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)少且相對固定，宜采取定義基于類間關系的數(shù)據(jù)類型映射方法，將共享數(shù)據(jù)以表的形式映射到關系數(shù)據(jù)庫中，不僅簡單有效，而且數(shù)據(jù)查詢方便；而實時量測數(shù)據(jù)這類實時變化快且量大，宜采用JENA自動生成方法。這種基于數(shù)據(jù)分類的處理方法，為面向對象的CIM數(shù)據(jù)模型導入導出到關系型數(shù)據(jù)庫提供了一條有效途徑（如圖3）。

3 基于數(shù)據(jù)分類JENA法的優(yōu)點

本文通過在實驗室中的小比例電力系統(tǒng)對改進的JENA法進行驗證對比，結果表明該法具有以下優(yōu)點：

1）減輕系統(tǒng)負擔，數(shù)據(jù)傳輸快速。對于變化不大的基本數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)而言，在系統(tǒng)運行過程中不必進行頻繁傳輸且這種分類方法能靈活處理應用功能間的協(xié)調配合，方便新增功能，減少程序代碼的重復量，并可大量節(jié)約內存和磁盤空間的開銷。

2）數(shù)據(jù)處理簡單快捷。系統(tǒng)運行時都要涉及到大量的數(shù)據(jù)需處理。這種基于不同性質的數(shù)據(jù)分類方法，使數(shù)據(jù)分布明確，數(shù)據(jù)處理目的性強。因此，在對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行增加、刪除和備份時，可以較快地找到相應的區(qū)進行不同處理，而不是采用傳統(tǒng)循環(huán)查詢的方法，大大縮短了訪問時間，不易混淆出錯，使數(shù)據(jù)庫維護變得更為簡單快捷，增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖3 基于分類的JENA法處理CIM數(shù)據(jù)

3）方便總結系統(tǒng)運行規(guī)律。為了維護系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，在很多時候需要將運行結果數(shù)據(jù)進行比較研究，總結其規(guī)律，從而應用于分析系統(tǒng)的狀態(tài)和故障等功能。將這部分結果數(shù)據(jù)作為一個區(qū)單獨進行處理，在不同的節(jié)點以及開關等操作下互不影響，最大限度地發(fā)揮了對歷史數(shù)據(jù)研究的效應。

4）結合了傳統(tǒng)映射法和基于 RDF的 JENA法兩者優(yōu)點。可以很好的在關系型數(shù)據(jù)庫中表達CIM模型，從而解決了面向關系或層次的數(shù)據(jù)庫如何存取面向對象的CIM數(shù)據(jù)模型問題，為下一步系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口以及構建綜合電力系一體化平臺打下基礎。

4 結語

為了在電力系統(tǒng)中更為簡便快捷地導入導出CIM數(shù)據(jù)模型，本文對基于RDF的JENA法進行了數(shù)據(jù)分類，對系統(tǒng)所產數(shù)據(jù)梳理清晰后，根據(jù)其不同的性質進行分類管理。這種改進方法結合傳統(tǒng)映射法與基于RDF的JENA法兩者的優(yōu)點，通過在實驗室中小比例供配電管理系統(tǒng)的驗證對比，結果表明本方法可行有效，具有數(shù)據(jù)處理簡單快捷、減輕網(wǎng)絡負擔、增大數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點。

[1]潘毅, 周京陽, 李強, 米為民, 樊濤. 基于公共信息模型的電力系統(tǒng)模型的拆分與合并[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2003, (15): 45-48.

[2]Draft IEC 61970: Energy Management System Application Program Interface (EMS-API): Part301 Common Information Model (CIM). 2003.

[3]樊榮. 基于 CIM-DAF的電力系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)交互的研究[D]. 華中科技大學, 2007.

[4]Philip McCarthy. Introduction to Jena. 2004 http://www-128.ibm.com/developerworks /cn/ java/ j-jena/index.html.

[5]鄧佑滿, 鐘德成, 張伯明, 莫光玲. 面向對象的EMS數(shù)據(jù)庫設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 1999, (7):24-27.

[6]湯磊, 張伯明, 徐春暉. 能量管理系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)處理[J].中國電力, 2001, (S1): 63-66.

[7]潘凱巖, 徐臣, 王建勇. 基于分區(qū)方法的 EMS數(shù)據(jù)庫實用化改進與應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2006,(24): 77-79.