基于IEC 61970的智能電網數據采集平臺設計

郭金根，劉 曄

（浙江省電力公司，杭州 310007）

電力信息化

基于IEC 61970的智能電網數據采集平臺設計

郭金根，劉 曄

（浙江省電力公司，杭州 310007）

針對電力信息采集技術發展現狀，提出了基于IEC 61970建立智能電網數據采集平臺的設想，并詳細介紹該平臺總體架構設計中的邏輯架構、數據架構、物理架構、安全架構、性能設計等關鍵要素，該采集平臺可實現遠方數據采集與業務應用的分離，提高數據采集利用性能，實現資源共享。

IEC 61970；智能電網；數據采集平臺

1 構建智能電網數據采集平臺設想的提出

近年來，隨著電力信息技術不斷發展，對電能信息采集領域的研究和建設也逐步深入，各級電力企業分別建設了發電廠關口電能采集系統、變電站關口電能采集系統、配網公用配變監測系統、電力負荷管理系統、中小客戶電能采集系統、低壓集中抄表系統等，已具備一定的規模和技術水平。這些系統針對不同專業，在輸、變、配監測，低壓集抄、電能質量監測等業務領域得到一定應用。

但是，這些系統僅考慮了各自部門的需求，并未從全局的角度來開發建設，系統的規模、技術架構千差萬別，運行中存在著重復建設、運維管理困難、運維成本增加、數據交互困難、數據沉重冗雜等一系列問題。因此，構建統一的電網數據采集平臺是降低成本和強化管理的需要，也是精細化管理的要求。

國家電網公司已經公布了智能電網的發展規劃。智能電網的基礎是分布式數據傳輸、計算和控制技術，以及多個供電單元之間數據和控制命令的有效傳輸技術。建設面向購電側、供電側、售電側綜合統一的智能電網數據采集平臺，是建設堅強智能電網、提供隨需應變的數據支撐能力的迫切要求。

國際電工委員會（IEC）制定的IEC 61970定義了智能電網數據采集平臺所需的系列數據模型標準。基于IEC 61970構建電網結構模型，可以化解各個專業不同部門數據應用的矛盾，解決系統建設過程中的諸多實際困難，為智能電網的實施提供數據支撐。

本文結合智能電網的規劃理念，提出了構建基于IEC 61970建立智能電網數據采集平臺的設想，以下著重介紹該平臺總體架構的設計。

2 平臺設計

2.1 邏輯架構

根據采集平臺與業務應用分離的原則，智能電網數據采集平臺以數據采集為主，對采集的數據進行合理存儲，并為不同業務應用系統提供標準的數據服務。平臺邏輯架構如圖1所示，由通信服務、數據庫、終端裝接應用、模型構建及同步接口、基本應用、數據服務組成。

圖1 平臺邏輯結構

通信服務：由負責偵聽通信報文、提供報文轉發及緩存功能的網關系統、負責通信調度和流量監控等業務的通信前置機系統、負責對報文進行封裝和解析的業務處理器等組成。

數據庫：負責數據的存儲，包含模型數據、上報數據、加工數據。

終端裝接應用：負責所有終端安裝過程，包含通信參數的配置和通信調試、參數下發、任務下發等。

基本應用包含通信直通型應用（主要是提供相關業務系統直接調用通信服務與終端進行通信的接口）、采集定制型應用（主要是提供相關業務系統向平臺訂制數據服務的接口）、通信參數管理型應用、采集質量保障型應用 （包含工況監視、漏點補召等）、數據加工分析型應用（數據采集后做基礎加工，提供加工數據給相關業務系統）。

數據服務：平臺提供直取數據、克隆數據、訂制數據3種類型的數據服務。

平臺的數據服務采用面向服務（SOA）的體系架構，結合企業級數據總線（ESB）的設計理念，為各個業務應用系統提供協議無關、平臺無關、松散耦合、一致高效的數據服務。數據服務的邏輯架構由協議適配及總線、授權與認證、數據服務請求正確性與完整性甄別、數據服務請求排隊、數據服務請求調度、數據服務請求分發、數據服務分類提供等組成。

2.2 數據架構

數據架構定義了智能電網數據采集平臺中的數據模型、數據構成、存儲原則等，可以實現數據收集和接入，通過數據中心、數據交換平臺實現各業務應用系統和智能電網數據采集平臺的基礎數據同步維護，保證基礎數據的一致性。

2.2.1 數據模型

平臺采集的數據包括電網設備的電氣量、電能量、狀態量等，可以分為參數數據和運行數據兩大類，不僅記錄設備的實時運行情況，也反映被測量的電網局部或整體的正常運行、經濟運行、健康狀況、故障等數據。

為實現數據共享，采集的數據必須進行全模型設計，與一次設備、自動化設備、通信設備建立關系，即可從一次設備系統、自動化設備系統、通信系統實現對采集數據的關聯檢索與查詢。借鑒IEC 61970數據模型設計思想，智能電網數據采集平臺如圖2所示，其中包含了設備在線信息、離線信息、在線維護及設備狀態分析。

2.2.2 數據中心

智能電網數據采集平臺對準實時數據、非實時數據進行集中型平臺建設，并在此基礎上提供“全面業務整合平臺”的業務支撐。

圖2 電網設備狀態監測關系模型

通過建立整體數據模型，實現統一信息資源層次體系、統一數據元素標準和統一信息編碼。通過對數據的規范化定義，保證數據的唯一性、準確性、完整性、規范性和時效性，實現數據的共享共用，解決數據層面的信息孤島問題。

數據中心應覆蓋電網公司的所有資產、資源、業務過程、采集數據、財務等核心數據。基于智能電網數據采集平臺的電力企業數據中心設計如圖3所示。

圖3 平臺數據中心

即便電力信息系統發展到高級階段，仍然要分為多個專業子系統，只不過這些專業子系統構筑在集中統一的平臺上，包括財務資金、營銷管理、安全生產、協同辦公、人力資源、物資管理、項目管理、綜合管理等業務系統。各大業務系統內部高度耦合，與外部則有明確的業務界面分界，且耦合度相對較低，便于未來的業務整合。

（1）源數據（與數據規劃有關）

首先對電力企業進行整體數據規劃，基于元數據劃分數據塊，并按其來源分解到相應的業務系統中，形成所謂的源數據。源數據就是產生此數據的源頭，負責數據的產生、修改、質量保證和最終解釋。

源數據可分為共享數據、私有數據、公共數據三大類。其他系統能使用的數據為共享數據；僅自身系統使用的稱為私有數據；所有系統均要使用的數據則是公共數據。

（2）統一數據交換平臺

統一數據交換平臺主要實現各業務系統的源數據寫入數據中心和以訂閱等方式向各業務系統提供所需的數據服務。

盡管IEC 61970定義了各類標準，但實踐中主要采用帶模型的電網資源、設備數據、拓撲數據及測量數據的CIM/XML文件方式進行導入、導出。

（3）主題數據庫

借鑒IEC 61970設計思想，在整體數據規劃時，可按測量設備、測量值（實時、準實時、非實時）、電氣設備、電氣拓撲四大類設計主題數據庫，繼而再劃分為輸電網類、變電站類、配電網類、配電變壓器類、低壓網類、低壓用戶類等6個子類。

（4）元數據管理

元數據描述了關于數據的一組典型特征，但通常不包含數據本身。元數據包括：現有數據的詳細清單；名稱和數據項定義；名稱和定義的關鍵字列表；數據清單索引和訪問關鍵字列表；數據生成的操作步驟記錄，包括數據是如何采集的；數據結構和使用的數據模型文檔；用于分析的步驟記錄。

IEC 61970 CIM模型提供了面向領域模型驅動的元數據。

2.2.3 存儲原則

智能電網數據采集平臺的基本目標是建立一套統一的數據采集和存儲平臺，并通過數據服務的方式將存儲的數據提供給外部的業務應用系統，使數據采集、存儲與數據的業務應用相分離。遵循此存儲原則有以下優點：

（1）降低系統復雜度。平臺只關注數據的采集、存儲，與數據的具體業務應用無關。因此在系統構建時不受具體業務應用的影響和限制，可以盡可能地做到數據采集與存儲的通用性和獨立性。應用系統與平臺的數據交互均通過數據服務接口進行，使平臺的架構具有更大的自由度，也降低了系統的復雜程度。

（2）減少系統存儲量。平臺存儲的數據主要是原始采集數據和加工數據，數據存儲和數據應用分離，平臺不需要存儲與具體應用有關的相關業務數據及中間數據，可以減少平臺的數據存儲量。平臺通過數據服務接口將基本數據提供給外部應用系統，具體的數據加工、計算及與業務相關的操作均在應用系統內部進行。

（3）降低平臺和業務應用系統間的耦合度。數據存儲與業務應用相分離，通過數據服務接口連接，系統相對獨立，不會因為自身的問題影響彼此的正常運轉。例如，如果業務應用系統因某種原因而不能正常運行，也不會影響平臺系統的數據采集和存儲，從而保證了采集、存儲的高可靠性。

（4）有利于提高平臺系統的性能。平臺主要對原始數據進行采集和基本加工，數據的操作主要是針對原始數據（生數據）的頻繁存儲，查詢相對較少。業務應用系統則主要是對處理后的數據（熟數據）進行查詢，很少有修改。將數據存儲和業務應用相分離，即對生、熟數據進行了分離，使平臺更關注數據的存儲、修改，而不會受大量數據訪問的影響，有利于提高系統的性能。

（5）有利于數據庫系統的性能提高。平臺偏重于數據庫的寫入性能，而應用系統更偏重于數據庫的讀取性能，數據存儲和業務應用相分離，使數據庫的性能進一步提高。

2.3 物理架構

物理架構是為應用提供軟硬件的支撐平臺，主要包括軟件平臺、服務器、網絡、存儲、采集設備、通信信道、主站系統等軟硬件設施。物理架構設計需重點考慮智能電網數據采集平臺的高可靠性和高效性，以達到系統高效穩定運行的目的。根據平臺邏輯架構的設計，相應的物理部署如圖4所示。

2.4 安全架構

安全架構決定了智能電網數據采集平臺建設的成敗。針對企業級智能電網數據采集平臺的業務特點，必須建立起堅強的網絡信息安全防范體系，有效保護企業內部網絡的信息安全，防范來自外部網絡的黑客和非法入侵者的攻擊。

圖4 平臺物理架構

平臺的安全架構分為技術和管理兩個層面。技術層面的安全主要包括應用安全、數據安全、系統安全、網絡安全、物理安全等。管理層面的安全主要包括安全組織及人員保證、安全管理制度、安全技術規范、安全考核及監督等內容。

2.5 性能設計

智能電網數據采集平臺的性能設計按以下要求考慮：

（1）主站巡檢終端重要信息（重要狀態信息及總加功率和電能量）時間＜15 min。

（2）系統控制操作響應（遙控命令下達至終端響應）的時間≤5 s。

（3）常規數據召測和設置響應（主站發送召測命令到主站顯示數據）的時間＜15 s。

（4）歷史數據召測響應（主站發送召測命令到主站顯示數據）的時間＜30 s。

（5）系統對客戶側時間的響應時間≤30 min。

（6）常規數據查詢響應時間＜10 s。

（7）模糊查詢響應時間＜15 s。

（8）90%界面切換響應時間≤3 s，其余≤5 s。

（9）前置主備通道自動切換時間＜5 s。

（10）在線熱備用雙機自動切換及功能恢復的時間＜30 s。

（11）計算機遠程網絡通信實時數據傳送時間＜5 s。

3 結語

本文提出了基于IEC 61970建設企業級智能電網數據采集平臺的設想，并給出了平臺設計的總體架構。建立智能電網采集數據綜合應用支持中心，可實現遠方數據采集與業務應用的分離，滿足各級供電企業、各個業務部門不同的數據需求。本文為電力企業信息化建設提供了一定的思路和參考。

[1]李亞樓，周孝信，林集明，等.2008年IEEE PES學術會議新能源發電部分綜述[J]．電網技術，2008，32（20）:1-7.

（本文編輯：龔 皓）

Design of IEC 61970-based Data Acquisition Platform for Intelligent Power Grid

GUO Jin-gen，LIU Ye
（Zheiang Electric Power Corporation Information Technology Center,Hangzhou 310007,China）

In view of the current development of electric power information collection technology,the paper proposes to establish an IEC 61970-based data acquisition platform for intelligent power grid and describes in detail the key elements of the overall architectural design such as the logical architecture,data architecture, physical architecture,security architecture,performance design etc.This platform can realize the separation of remote data acquisition and business application,improve utilization performance of data acquisition and achieve resource sharing.

IEC 61970；intelligentpower grid；data acquisition platform

TM764

B

1007-1881（2010）08-0041-04

2010-06-25

郭金根（1955-），男，浙江桐鄉人，工程師，從事電力系統自動化及電力信息化建設工作。