王化鵬，楊威，許智，劉筱萍，劉洋，李勁松

(中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

電力系統(tǒng)中各級調(diào)度中心的主站能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)遵循 IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)，利用公共信息模型(common information model，CIM)來描述電網(wǎng)模型，變電站側(cè)的自動化系統(tǒng)遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)［1］，利用變電站配置描述語言(substation configuration language，SCL)模型來描述變電站中的數(shù)據(jù)模型。2個標(biāo)準(zhǔn)體系的差異導(dǎo)致調(diào)度中心的主站和變電站之間很難做到信息共享。

智能變電站一體化信息平臺源端維護應(yīng)用功能的提出為調(diào)度中心主站與變電站間的信息模型共享提供了必要條件。通過源端維護功能可實現(xiàn)遵循IEC 61850 SCL的變電站二次設(shè)備模型與遵循IEC 61970的主站CIM模型的轉(zhuǎn)換映射。為主站和子站端模型共享提供基礎(chǔ)。

目前IEC 61850 Ed.2標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)升級為電力企業(yè)自動化系統(tǒng)通訊體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)［2-3］，支持與控制中心的IEC 61970 CIM協(xié)調(diào)，實現(xiàn)主站調(diào)度端無縫訪問現(xiàn)場設(shè)備信息的功能。同時標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的變電站規(guī)范模型文件(system specification description，SSD)其內(nèi)部節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)以及命名規(guī)則已與IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)中的CIM文件模型中部分內(nèi)部節(jié)點構(gòu)成交集，這就為實現(xiàn)源端維護中模型轉(zhuǎn)化技術(shù)提供了實現(xiàn)依據(jù)。

目前國內(nèi)外對于源端維護功能的實現(xiàn)尚處于研究和探索階段。本文通過對IEC 61850 Ed.2中的SSD和IEC 61970的CIM模型文件的共性和映射關(guān)系展開研究，實現(xiàn)了變電站SSD模型至主站CIM模型的模型轉(zhuǎn)換，可為源端維護信息模型共享功能提供一定參考。

1 基于IEC 61850-6 Ed.2的SSD模型

IEC 61850 Ed.2中的SSD變電站規(guī)范模型文件是變電站配置文件(substation configure description，SCD)的變電站功能和拓?fù)涿枋霾糠帧Ｋ邳c線圖的連接(拓?fù)?和設(shè)備功能的分配，目的是從變電站結(jié)構(gòu)角度派生出邏輯節(jié)點功能說明，使變電站中電氣設(shè)備功能和其包含的邏輯功能節(jié)點建立關(guān)聯(lián)。

SSD模型文件包含了變電站主接線圖中相關(guān)電氣設(shè)備的名稱、類型、位置、陳列方向等詳細信息，描述了主接線圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及主接線圖中各電氣設(shè)備的連接關(guān)系。

SSD模型文件依據(jù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)建模。其模型的建立須遵循以下原則:變壓器分接頭、繞組以及節(jié)點本身存放到變壓器類當(dāng)中，各變壓器繞組所屬電壓等級安排在電壓等級類中單獨列出。主接線圖中的間隔單元和母線間隔存放在間隔類中。變電站中的刀閘、斷路器、電容器、電抗器等電氣設(shè)備作為傳導(dǎo)設(shè)備，被歸類到傳導(dǎo)設(shè)備類當(dāng)中，IEC 61850 Ed.2同時也為這些傳導(dǎo)設(shè)備規(guī)定了設(shè)備類型。

2 基于IEC 61970的CIM模型

IEC 61970采用基于CIM的面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行建模，表示了建立模型通常所需要的所有對象。通過提供一種標(biāo)準(zhǔn)的方法，即用對象類、屬性以及它們之間的關(guān)系來表示電力系統(tǒng)資源。這些對象類、屬性以及他們之間的關(guān)系主要通過定義CIM/資源描述框架(resource description framework，RDF)規(guī)范來實現(xiàn)的，使得各個應(yīng)用系統(tǒng)能夠不依賴于信息內(nèi)部如何表示就可以訪問公共數(shù)據(jù)和交換信息［1］，RDF作為元數(shù)據(jù)描述工具與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)所采用的元數(shù)據(jù)描述工具文檔類型定義相比功能更加強大。

CIM被劃分為13個類包，290多個類，其中包括:域包、核心包、電線包、測量包、拓?fù)浒⒇?fù)荷包、保護包、預(yù)測包等［4］。涵蓋了量測模型和變電站的層次模型。模型包含了這些對象的功能類和屬性，同時也表示了他們之間的關(guān)系。統(tǒng)一規(guī)定了模型語義，并采用RDF和可擴展標(biāo)記語言(extensible markup language，XML)來實現(xiàn)信息模型的形式化表達。符合XML在異構(gòu)應(yīng)用集成方面的發(fā)展趨勢，但RDF和XML主要還是在語法和結(jié)構(gòu)方面起到一定的規(guī)范作用［1］。

3 SSD模型與CIM模型的比較

IEC 61850是圍繞新一代變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，所以針對于SSD模型和CIM模型的比較范圍應(yīng)限定在變電站及其包含的各類對象當(dāng)中。CIM模型的描述涵蓋了電力系統(tǒng)管理及信息交換的所有方面。

3.1 建模技術(shù)比較

SSD模型和CIM模型均采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立數(shù)據(jù)模型，采用XML語言作為各自的模型描述語言。仔細分析模型的內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)以下情況，二者對變電站建模的整體層次結(jié)構(gòu)是相同的。

二者對變電站建模的層次結(jié)構(gòu)雖然相同，但針對于模型內(nèi)部類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不盡相同。CIM模型中類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系都是雙向的。SSD模型從屬于SCL模型，其類之間的關(guān)系是單向的、層次化的、樹形的［5-6］。

這同時也導(dǎo)致了二者對模型元數(shù)據(jù)的描述方式和描述的內(nèi)容有所不同。SSD模型與CIM模型的區(qū)別主要表現(xiàn)在文檔類型定義、模型聚合方式、對象屬性描述方式、量測和設(shè)備關(guān)聯(lián)方式以及模型命名方式和引用方式這幾個方面。

3.2 模型相似性比較

雖然SSD模型和CIM模型有很多不同之處，但IEC 61850 Ed.2的推出，已經(jīng)使得SSD模型與CIM模型有很多相似性，為SSD模型與CIM模型的轉(zhuǎn)換和信息共享提供了基礎(chǔ)［7］。但由于SSD模型和CIM模型具有完全不同的語義，因此不能實現(xiàn)變電站內(nèi)IED數(shù)據(jù)與調(diào)度端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的直接交互，這就需要在2種模型間建立映射關(guān)系，從而實現(xiàn)SSD模型至CIM模型的轉(zhuǎn)換。

通過對SSD模型與CIM模型進行比較分析，可以看出:

(1)SSD模型中Substation可以與CIM模型中的SubControlArea建立映射關(guān)系。

(2)SSD模型中VoltageLevel可以與CIM模型中的BaseVoltage建立映射關(guān)系。

(3)SSD模型中Bay可以根據(jù)節(jié)點屬性描述分別和 CIM 模型中的 ACLineSegment、EnergyConsumer、BusbarSection建立映射關(guān)系。

(4)SSD模型中的PowerTransformer及其內(nèi)部子節(jié)點可以與CIM模型中的Power-Transformer建立映射關(guān)系。

(5)SSD模型中的傳導(dǎo)設(shè)備可以根據(jù)其屬性類型與CIM模型中的各種導(dǎo)電設(shè)備建立直接映射關(guān)系。

(6)SSD模型中傳導(dǎo)設(shè)備可包含的具有量測功能的邏輯節(jié)點，可與CIM模型中的量測包建立部分映射關(guān)系。

4 SSD模型與CIM模型轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)

4.1 轉(zhuǎn)換技術(shù)原理

SSD模型文件具有良好的擴展性，可根據(jù)實際需要對其進行擴展，包括對IEC 61850-7數(shù)據(jù)模型的擴展、數(shù)據(jù)類型的約束、XML命名空間及其私有元素的定義、已有語法元素上附加新語義等方面的擴展。以下為SSD模型文件經(jīng)過擴充后的部分實例片段:

通過以上實例片段可以看出，SSD模型文件與IEC 61970 CIM模型中的元素節(jié)點名稱具有一定的重疊性。通過SSD模型文件的層次化結(jié)構(gòu)可以推斷出SSD模型文件父元素與子元素的所屬關(guān)系。SSD模型文件擴充了元素節(jié)點描述屬性元素desc，這為變電站側(cè)子站信息模型與調(diào)度中心側(cè)的主站端信息模型的信息共享提供了保障。

相對于IEC 61850中的SSD模型而言，CIM模型采用的RDF模型格式的XML模型，CIM中類之間的關(guān)系都是雙向的。以下部分為CIM模型的部分模型片段:

通過以上模型片段可以看出雖然CIM模型采用XML語言來建模，但采用RDF格式來對模型進行約束，該模型具備層次性的同時，具有雙向索引的特點。CIM建模一般重點考慮設(shè)備間的外圍邏輯關(guān)聯(lián)，對于設(shè)備內(nèi)部的原理的描述很少涉及。

雖然使用的元數(shù)據(jù)描述工具不同［SSD模型利用文檔類定義(document type definition，DTD)，CIM利用RDF］，但利用XML解析器對2種模型進行操作時沒有太多差異［8］。以SSD模型與CIM模型的映射關(guān)系為橋梁，利用XML解析器對SSD模型進行樹形結(jié)構(gòu)解析，通過XML解析器對SSD模型在內(nèi)存中形成的樹形結(jié)構(gòu)進行逐層讀取，將讀取到的SSD模型信息的有用信息，利用2種模型的映射關(guān)系，建立對應(yīng)的CIM模型［9］。由于SSD模型與CIM模型的映射關(guān)系有不一致性，可以通過外部配置文件對模型的不一致性進行模型映射的額外補充，外部配置文件也可以采用XML文件作為描述載體，實現(xiàn)原理圖如圖1所示。

圖1 SSD和CIM轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)原理Fig.1 Schematic diagram for mapping relation between SSD and CIM

4.2 轉(zhuǎn)換技術(shù)的實現(xiàn)

由于SSD模型至CIM模型的轉(zhuǎn)換過程中頻繁涉及到XML解析器對模型文件的操作，所以需要采用比較健壯的XML解析器［10］。本文在轉(zhuǎn)換技術(shù)的實現(xiàn)中采用了封裝在QT軟件開發(fā)工具中的Xerces DOM作為模型轉(zhuǎn)換的XML解析器，同時采用QT作為模型轉(zhuǎn)換的軟件開發(fā)工具。

轉(zhuǎn)換技術(shù)的實現(xiàn)需要以下幾個步驟:

(1)在CIM模型轉(zhuǎn)換之前，建立3個DOM對象。分別用來操作SSD模型信息、讀取配置文件信息和建立CIM模型。

(2)將SSD模型文件導(dǎo)入到DOM解析器中，將SSD模型信息以樹形結(jié)構(gòu)的形式存儲在內(nèi)存當(dāng)中。通過DOM解析器操作SSD模型結(jié)構(gòu)樹，逐層讀取SSD模型結(jié)構(gòu)樹中的有用信息，同時將讀取過來的有用信息存儲在公共變量當(dāng)中。

(3)利用命名規(guī)則轉(zhuǎn)換模塊將從SSD模型讀取過來的有關(guān)節(jié)點名稱轉(zhuǎn)換為符合CIM模型命名規(guī)則的與其相對應(yīng)CIM模型中的相關(guān)節(jié)點。然后通過公共變量將這些信息傳遞給用來建立CIM模型的DOM解析器。

(4)在建立CIM模型的DOM解析器中通過公共變量傳遞過來的有用信息，以RDF的形式建立CIM模型結(jié)構(gòu)樹。

通過SSD模型對象的讀取操作與CIM模型對象的寫入操作的交互響應(yīng)，實現(xiàn)SSD模型和CIM模型映射關(guān)系的模型轉(zhuǎn)換［11］，轉(zhuǎn)換示意圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Schematic diagram for model transformation

另外對于CIM模型中存在的，SSD模型中并不存在的模型信息，比如CIM模型中的量測包。利用DOM對象讀取配置文件中的信息，通過公共變量傳遞給用來建立CIM模型的DOM解析器，來完善CIM模型的建立。由于篇幅有限，在這里不做過多介紹。

5 結(jié)語

源端維護實現(xiàn)的基礎(chǔ)是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。通過模型轉(zhuǎn)換機制，加強變電站與主站間的聯(lián)系，進而做到全網(wǎng)模型站站統(tǒng)一。本文研究的SSD模型至CIM模型的轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法，對智能變電站一體化信息平臺源端維護的實現(xiàn)將具有積極的推動作用，同時也為實現(xiàn)調(diào)度自動化系統(tǒng)縱向信息一體化維護以及滿足跨區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供一定的借鑒意義。

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