楊 睿，程桂林，徐懂理

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京211167）

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IEC 61970 CIM與IEC 61850 SCL模型互通性分析與研究

楊 睿，程桂林，徐懂理

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京211167）

摘要：針對目前智能電網(wǎng)中IEC 61970和IEC 61850這2種標(biāo)準(zhǔn)之間互通性的問題展開研究。分析了2種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，探討了2種數(shù)據(jù)模型之間互通的可能性，以雙母線帶母聯(lián)斷路器的主接線結(jié)構(gòu)為例，分別建立IEC 61970公共信息模型（CIM）和IEC 61850模型，詳細(xì)描述了2種標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)交換和模型映射。結(jié)果證明了該數(shù)據(jù)交換和模型映射方法的可行性，為2種標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)互通提供了一種方法。

關(guān)鍵詞：IEC61970；公共信息模型；IEC61850；變電站配置表述語言；模型映射

“源端維護(hù)，全局共享”是進(jìn)行智能電網(wǎng)統(tǒng)一信息建模的重要原則。根據(jù)智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，在變電站和控制中心側(cè)的配置信息分別遵循IEC 61850 變電站配置表述語言 （SCL）和IEC 61970 公共信息模型（CIM）［ 1 ］。IEC 61970制定了統(tǒng)一的CIM，包含了電力系統(tǒng)管理及信息交換的幾乎所有方面。IEC 61850中使用SCL來描述變電站IED設(shè)備、變電站系統(tǒng)和變電站網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的配置。這2種標(biāo)準(zhǔn)均針對變電站內(nèi)部的設(shè)備定義了相關(guān)數(shù)據(jù)模型；但是即便是同一個設(shè)備，2種標(biāo)準(zhǔn)定義的模型也不完全一樣。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，接入的設(shè)備越來越多，由于模型的不一致性，不同設(shè)備之間和系統(tǒng)之間互操作的成本將會越來越高。通過對IEC 61970 CIM數(shù)據(jù)模型與IEC 61850數(shù)據(jù)模型的分析，研究了這2種標(biāo)準(zhǔn)之間數(shù)據(jù)模型的互通問題。

1　2種標(biāo)準(zhǔn)簡介

1.1IEC 61970 CIM與組件包

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)中信息模型缺乏公共的數(shù)據(jù)模型和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，由 IEC TC57提出的IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)正是針對在現(xiàn)有電力系統(tǒng)中的信息模型上實現(xiàn)組件化和組件間交互的互操作功能而提出的，為現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)提供一個基于CIM和組件技術(shù)的、擁有公共體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)集成框架。

IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)中的2個重要組成部分是組件接口規(guī)范（CIS）和CIM［ 2 ］。CIS規(guī)定了信息交換的語法，CIM定義了信息交換內(nèi)容的語義。CIM規(guī)范使用統(tǒng)一建模語言 （UML）表示法，它將CIM 定義為一組包（Package）。一個包表示對特定元素的組合，主要為了便于對整個模型的設(shè)計、理解和研究。IEC 61970-301中主要的包（Package）類型如下。

（1）核心包（Core）。包含所有應(yīng)用共享的核心的電力系統(tǒng)資源 （Power System Resource）和導(dǎo)電設(shè)備（Conducting Equipment）實體，以及這些實體的常見的組合。

（2）拓?fù)浒═opology）。拓?fù)浒呛诵陌臄U(kuò)展，通過與描述連接關(guān)系的終端類（Terminal）建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，定義了設(shè)備的物理連接關(guān)系。

（3）電網(wǎng)包（Wires）。電網(wǎng)包是核心包和拓?fù)浒臄U(kuò)展，它建立了輸電（Transmission）和配電（Distribution）網(wǎng)絡(luò)的電氣特性的信息模型，這些信息將被用于狀態(tài)估計、潮流計算、安全分析、最優(yōu)潮流等應(yīng)用。

（4）量測包（Meas）。量測包包含描述各個應(yīng)用間交換的動態(tài)測量數(shù)據(jù)的實體。

1.2IEC 61850與SCL

IEC 61850亦是由IEC TC57工作組制定的應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。其主要目的是為了提供一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備的規(guī)范化、統(tǒng)一化建模，使整個變電站內(nèi)部設(shè)備之間實現(xiàn)無縫連接。在IEC 61850-6中為變電站智能設(shè)備的配置定義了SCL，使用SCL可以在不同制造商提供的智能設(shè)備和系統(tǒng)配置工具之間進(jìn)行通信系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)的相互交換。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)有如下的特點：

（1）采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，建立起IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器所必須提供的各種通信服務(wù)的模型。

（2）引入了變電站內(nèi)信息分層的概念，將變電站的通信體系分為3個層，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層與層之間的通信接口。

（3）采用了設(shè)備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數(shù)據(jù)類名來建立對象的命名和引用；采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述方法，通過數(shù)據(jù)源對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行自我描述，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自我說明，從而無需再對數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。

（4）設(shè)計了一種獨立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口（ASCI）。通過ACSI，由專用通信服務(wù)映射（SCSM）所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范（MMS）等。從而解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展時只需改動SCSM，而不需要修改ACSI就能兼容最新底層協(xié)議棧的標(biāo)準(zhǔn)［ 3 ］。

在IEC 61850 第二版中又新增了一些內(nèi)容，將邏輯節(jié)點模型從變電站自動化領(lǐng)域擴(kuò)充到風(fēng)力發(fā)電、分布式能源以及水電廠等新的領(lǐng)域。同時，在標(biāo)準(zhǔn)中也逐步開始考慮不同標(biāo)準(zhǔn)模型間的兼容性問題。

1.32種模型文件的特點

CIM靜態(tài)文件包含了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架配置的靜態(tài)數(shù)據(jù)描述。包括不同組件（如母線、斷路器、發(fā)電機(jī)和負(fù)荷）的詳細(xì)信息。CIM靜態(tài)文件采用網(wǎng)狀并列結(jié)構(gòu)描述設(shè)備及節(jié)點之間的連接。

SCL對象模型包括變電站模型、IED模型和通信模型。在變電站配置文件（SCD）中，定義了變電站對象模型，描述了變電站一次設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變電站功能對應(yīng)于不同的IED邏輯節(jié)點的映射。例如，電力系統(tǒng)主接線結(jié)構(gòu)中的斷路器映射到IED模型中的XCBR1的實例將會出現(xiàn)在SCD文件中的變電站節(jié)點中。SCD文件是一個樹形結(jié)構(gòu)的XML文件，包含變電站所有信息?；窘Y(jié)構(gòu)包括文件頭、變電站、通信、IED、CDCs和數(shù)據(jù)模板。

2　CIM與IEC 61850模型之間的映射

由于IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)所定義的CIM側(cè)重于調(diào)度中心，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的SCL信息模型側(cè)重于變電站，所以其對應(yīng)建立的電力系統(tǒng)模型也有所差異。要實現(xiàn)這2種模型的互通，必須建立2種模型之間的映射。SCL變電站的對象模型定義中有許多與CIM模型的定義相一致，易于建立它們之間的映射關(guān)系，對于不一致部分則需要進(jìn)行相應(yīng)的處理。所以，2種模型間的映射可以按照是否是共通對象模型分類方法分別進(jìn)行映射。

2.1CIM與SCL模型共通對象的映射

在CIM模型中，電力系統(tǒng)資源包中的間隔類包含導(dǎo)電設(shè)備、保護(hù)繼電器、量測量和遠(yuǎn)程測控；而電力系統(tǒng)資源類中包含電力系統(tǒng)部件；變電站類包含變電站設(shè)備；端點類（Terminal）包含所有實例的端點。拓?fù)浒鼮楹诵陌臄U(kuò)充，與端點類相關(guān)聯(lián)建立起連接模型，定義設(shè)備如何連接，以及設(shè)備間如何通過閉合開關(guān)連接在一起的邏輯關(guān)系。電線包作為核心包和拓?fù)浒臄U(kuò)展，建立輸電和配電網(wǎng)絡(luò)電氣特性信息的模型［ 4 ］；派生類中包含電氣網(wǎng)絡(luò)中斷路器類、變壓器類、電抗器類、母線類等。

在IEC 61850模型中采用邏輯節(jié)點作為基本組成實體，使用面向?qū)ο蟮姆椒ǘx邏輯節(jié)點和對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容［ 5 ］。邏輯節(jié)點對變電站中設(shè)備和功能進(jìn)行了詳細(xì)的定義，模型中的SCD文件模型有：變電站、電壓等級、間隔、設(shè)備等，對變電站進(jìn)行了完整的信息描述。

在表1中對照列出了一些可以直接映射的共通模型。針對CIM中定義的設(shè)備物理參數(shù)，如果IEC 61850建立的模型中沒有完全對應(yīng)建模，則可對相關(guān)的邏輯節(jié)點進(jìn)行擴(kuò)展。

表1　CIM與SCL主要的共通模型

如表1所示，2種模型在映射中并非都為一對一的關(guān)系：如CIM模型中的間隔和母線類，在IEC 61850 SCL模型中映射為間隔層；CIM模型中的同步電機(jī)類在IEC 61850 SCL模型中映射為發(fā)電機(jī)節(jié)點和電動機(jī)節(jié)點。

2.2CIM與SCL非共通對象的映射

對于IEC 61970 CIM和IEC 61850 SCL模型中的非共通部分，即無法直接對應(yīng)的部分，則要依據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。如基于IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)建立的CIM模型中定義的自控制區(qū)類，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立模型中的IED設(shè)備，保護(hù)功能等。例如，針對IEC 61850中詳細(xì)定義的保護(hù)邏輯節(jié)點，需要時可在CIM模型中擴(kuò)展對應(yīng)的類或者設(shè)備來對其邏輯進(jìn)行表示；同時可將實時運行的測量數(shù)據(jù)映射為CIM擴(kuò)展設(shè)備的量測數(shù)據(jù)。

3　CIM與IEC 61850模型映射實例

3.1變電站靜態(tài)模型映射

以典型的變電站雙母線帶母聯(lián)斷路器主接線結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示。圖1中左側(cè)為IEC 61850對象模型，按照IEC 61850中的SCL變電站對象模型，將變電站模型依次建立為變電站、電壓等級、間隔和導(dǎo)電設(shè)備類型，構(gòu)成比較完備的站內(nèi)樹形層級關(guān)系；而后根據(jù)連接端子（Terminal）和導(dǎo)電設(shè)備端點（ConnectivityNode）的連接關(guān)系生成變電站全站拓?fù)溥B接模型；根據(jù)拓?fù)溥B接模型，并按照表1中的CIM和IEC 61850模型的對應(yīng)關(guān)系可完成兩者之間的映射。值得注意的是CIM模型中的母線對象模型 （Busbar）對應(yīng)于IEC 61850中的間隔類。CIM模型的層級結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀平行結(jié)構(gòu)，并沒有嚴(yán)格的層次關(guān)系。這樣，查詢設(shè)備子類和Terminal的連接，Terminal和 ConnectivityNode的連接即可建立IEC 61850變電站靜態(tài)模型和IEC 61970 的CIM模型之間的設(shè)備模型映射。

圖1　CIM和SCL靜態(tài)模型映射

3.2IED映射

SCL中的IED模型和CIM中的模型有較大的差異，需對其進(jìn)行一定的調(diào)整后，才能進(jìn)行正確映射。

如圖2所示，IEC 61850的服務(wù)器對象（Server）可對應(yīng)于CIM模型中的資產(chǎn)類（Asset）。IEC 61850的邏輯節(jié)點LN描述變電站一次設(shè)備或二次設(shè)備，和CIM中的設(shè)備（Equipment）相對應(yīng)，具體的邏輯節(jié)點分別對應(yīng)于CIM模型的各種導(dǎo)電設(shè)備Equipment的對應(yīng)子類。如CIM中的斷路器類 （Breaker）是從設(shè)備類（Equipment）中派生的類，可以和斷路器邏輯節(jié)點（XCBR）建立一對一的映射。在SCL中，量測數(shù)據(jù)是放到邏輯節(jié)點中的，邏輯節(jié)點中跟實時運行情況相關(guān)的數(shù)據(jù)屬性放到遙測等數(shù)據(jù)集（dsAIN）中，和CIM中的量測點相對應(yīng)，如斷路器的位置Pos。通過分析邏輯節(jié)點的類型和數(shù)據(jù)屬性的命名規(guī)則，獲得數(shù)據(jù)屬性和量測值之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.3邏輯節(jié)點映射

以IEC 61850中斷路器邏輯節(jié)點XCBR和CIM 中Equipment類中的Breaker之間的映射為例，分析SCL中具體邏輯節(jié)點與CIM中的設(shè)備類的映射規(guī)則。

邏輯節(jié)點XCBR的具體測量值分別作為數(shù)據(jù)屬性，放在該邏輯節(jié)點跟這些測量量值相關(guān)的數(shù)據(jù)對象（DO）中，包括開關(guān)位置（Pos）、操作計數(shù)（OpCnt）、跳閘閉鎖（Blkopn）及合閘閉鎖（BlkCls）。CIM中的斷路器類（Breaker）相關(guān)聯(lián)的測量（Measurement）有：開關(guān)位置（Pos）、開斷計數(shù)（operCnt）和閉鎖控制（LTCBlk）。每一個測量量值屬性和各自的測量類型和測量值相關(guān)聯(lián)。因此，把CIM的斷路器類相關(guān)聯(lián)的測量值與IEC 61850的具體測量值數(shù)據(jù)對象下的反映測量值的數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就完成了IEC 61850和CIM之間的斷路器實體對象和屬性之間的關(guān)聯(lián)映射，如圖3所示。

圖2　SCL的IED模型和CIM的映射關(guān)系

圖3　CIM與SCL斷路器模型數(shù)據(jù)的映射關(guān)系

4　結(jié)束語

將IEC 61970 CIM模型與IEC 61850 SCL模型進(jìn)

行分析比較，提出2種標(biāo)準(zhǔn)間的映射方法，即對2種標(biāo)準(zhǔn)中直接對應(yīng)的元件建立共通模型進(jìn)行直接映射，對于非共通模型根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整或擴(kuò)展。最后以雙母線帶母聯(lián)斷路器這一主接線模型為例，按照文種映射方法，成功地實現(xiàn)2種標(biāo)準(zhǔn)間模型的映射，為適用于電力系統(tǒng)不同范圍的信息模型互通提供了一定的借鑒和參考。

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楊睿（1982），男，江蘇南京人，工程師，從事智能變電站方面的研究工作；

程桂林（1977），男，江蘇淮安人，高級實驗師，從事高電壓技術(shù)方面的研究工作；

徐懂理（1983），男，江蘇徐州人，實驗師，從事繼電保護(hù)算法方面的研究工作。

Analysis and Research on the Interoperability Between IEC 61970 CIM and IEC 61850 SCL Model

YANG Rui， CHENG Guilin， XU Dongli
（School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：The problem of the interoperability between IEC 61970 and IEC 61850 in smart grid is studied. Firstly， the data structure model of the two standards is analyzed. Secondly， the possibility of the interoperability between the two data models is discussed. Finally， taking main wiring structure of double busbar with bus coupler circuit breaker as an example， the models of IEC 61970 CIM and IEC 61850 are established respectively. The data exchange and model mapping between the two standards are described in detail. The result shows that this method to exchange data between the two standards is feasible.

Key words：IEC 61970； CIM； IEC 61850； SCL； model mapping

中圖分類號：TN915.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0046-03

作者簡介：

收稿日期：2015 -11-20；修回日期：2016-02-17