智能變電站一體化信息平臺(tái)源端維護(hù)模型轉(zhuǎn)化技術(shù)

王化鵬，楊威，許智，劉筱萍，劉洋，李勁松

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

電力系統(tǒng)中各級(jí)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(lái)描述電網(wǎng)模型，變電站側(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)［1］，利用變電站配置描述語(yǔ)言(substation configuration language，SCL)模型來(lái)描述變電站中的數(shù)據(jù)模型。2個(gè)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(tái)源端維護(hù)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(guò)源端維護(hù)功能可實(shí)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(jí)為電力企業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)主站調(diào)度端無(wú)縫訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息的功能。同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)構(gòu)成交集，這就為實(shí)現(xiàn)源端維護(hù)中模型轉(zhuǎn)化技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于源端維護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)尚處于研究和探索階段。本文通過(guò)對(duì)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(kāi)研究，實(shí)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(hù)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(diǎn)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(diǎn)功能說(shuō)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(diǎn)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(lèi)型、位置、陳列方向等詳細(xì)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(diǎn)本身存放到變壓器類(lèi)當(dāng)中，各變壓器繞組所屬電壓等級(jí)安排在電壓等級(jí)類(lèi)中單獨(dú)列出。主接線圖中的間隔單元和母線間隔存放在間隔類(lèi)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(lèi)到傳導(dǎo)設(shè)備類(lèi)當(dāng)中，IEC 61850 Ed.2同時(shí)也為這些傳導(dǎo)設(shè)備規(guī)定了設(shè)備類(lèi)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(jìn)行建模，表示了建立模型通常所需要的所有對(duì)象。通過(guò)提供一種標(biāo)準(zhǔn)的方法，即用對(duì)象類(lèi)、屬性以及它們之間的關(guān)系來(lái)表示電力系統(tǒng)資源。這些對(duì)象類(lèi)、屬性以及他們之間的關(guān)系主要通過(guò)定義CIM/資源描述框架(resource description framework，RDF)規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使得各個(gè)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(wèn)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(lèi)型定義相比功能更加強(qiáng)大。

CIM被劃分為13個(gè)類(lèi)包，290多個(gè)類(lèi)，其中包括:域包、核心包、電線包、測(cè)量包、拓?fù)浒⒇?fù)荷包、保護(hù)包、預(yù)測(cè)包等［4］。涵蓋了量測(cè)模型和變電站的層次模型。模型包含了這些對(duì)象的功能類(lèi)和屬性，同時(shí)也表示了他們之間的關(guān)系。統(tǒng)一規(guī)定了模型語(yǔ)義，并采用RDF和可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(extensible markup language，XML)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息模型的形式化表達(dá)。符合XML在異構(gòu)應(yīng)用集成方面的發(fā)展趨勢(shì)，但RDF和XML主要還是在語(yǔ)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(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，所以針對(duì)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(lèi)對(duì)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(yǔ)言作為各自的模型描述語(yǔ)言。仔細(xì)分析模型的內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)以下情況，二者對(duì)變電站建模的整體層次結(jié)構(gòu)是相同的。

二者對(duì)變電站建模的層次結(jié)構(gòu)雖然相同，但針對(duì)于模型內(nèi)部類(lèi)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不盡相同。CIM模型中類(lèi)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(lèi)之間的關(guān)系是單向的、層次化的、樹(shù)形的［5-6］。

這同時(shí)也導(dǎo)致了二者對(duì)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(lèi)型定義、模型聚合方式、對(duì)象屬性描述方式、量測(cè)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(gè)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I(xiàn)EC 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(yǔ)義，因此不能實(shí)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(shí)現(xiàn)SSD模型至CIM模型的轉(zhuǎn)換。

通過(guò)對(duì)SSD模型與CIM模型進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(lèi)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(cè)功能的邏輯節(jié)點(diǎn)，可與CIM模型中的量測(cè)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(shí)現(xiàn)

4.1 轉(zhuǎn)換技術(shù)原理

SSD模型文件具有良好的擴(kuò)展性，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，包括對(duì)IEC 61850-7數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展、數(shù)據(jù)類(lèi)型的約束、XML命名空間及其私有元素的定義、已有語(yǔ)法元素上附加新語(yǔ)義等方面的擴(kuò)展。以下為SSD模型文件經(jīng)過(guò)擴(kuò)充后的部分實(shí)例片段:

通過(guò)以上實(shí)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(diǎn)名稱具有一定的重疊性。通過(guò)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(kuò)充了元素節(jié)點(diǎn)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(duì)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(lèi)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(guò)以上模型片段可以看出雖然CIM模型采用XML語(yǔ)言來(lái)建模，但采用RDF格式來(lái)對(duì)模型進(jìn)行約束，該模型具備層次性的同時(shí)，具有雙向索引的特點(diǎn)。CIM建模一般重點(diǎn)考慮設(shè)備間的外圍邏輯關(guān)聯(lián)，對(duì)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(lèi)定義(document type definition，DTD)，CIM利用RDF］，但利用XML解析器對(duì)2種模型進(jìn)行操作時(shí)沒(méi)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(duì)SSD模型進(jìn)行樹(shù)形結(jié)構(gòu)解析，通過(guò)XML解析器對(duì)SSD模型在內(nèi)存中形成的樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(guò)外部配置文件對(duì)模型的不一致性進(jìn)行模型映射的額外補(bǔ)充，外部配置文件也可以采用XML文件作為描述載體，實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示。

圖1 SSD和CIM轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)

由于SSD模型至CIM模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程中頻繁涉及到XML解析器對(duì)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(shí)現(xiàn)中采用了封裝在QT軟件開(kāi)發(fā)工具中的Xerces DOM作為模型轉(zhuǎn)換的XML解析器，同時(shí)采用QT作為模型轉(zhuǎn)換的軟件開(kāi)發(fā)工具。

轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要以下幾個(gè)步驟:

(1)在CIM模型轉(zhuǎn)換之前，建立3個(gè)DOM對(duì)象。分別用來(lái)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(shù)形結(jié)構(gòu)的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中。通過(guò)DOM解析器操作SSD模型結(jié)構(gòu)樹(shù)，逐層讀取SSD模型結(jié)構(gòu)樹(shù)中的有用信息，同時(shí)將讀取過(guò)來(lái)的有用信息存儲(chǔ)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(guò)來(lái)的有關(guān)節(jié)點(diǎn)名稱轉(zhuǎn)換為符合CIM模型命名規(guī)則的與其相對(duì)應(yīng)CIM模型中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)。然后通過(guò)公共變量將這些信息傳遞給用來(lái)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(guò)公共變量傳遞過(guò)來(lái)的有用信息，以RDF的形式建立CIM模型結(jié)構(gòu)樹(shù)。

通過(guò)SSD模型對(duì)象的讀取操作與CIM模型對(duì)象的寫(xiě)入操作的交互響應(yīng)，實(shí)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(duì)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(cè)包。利用DOM對(duì)象讀取配置文件中的信息，通過(guò)公共變量傳遞給用來(lái)建立CIM模型的DOM解析器，來(lái)完善CIM模型的建立。由于篇幅有限，在這里不做過(guò)多介紹。

5 結(jié)語(yǔ)

源端維護(hù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)模型轉(zhuǎn)換機(jī)制，加強(qiáng)變電站與主站間的聯(lián)系，進(jìn)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(shí)現(xiàn)方法，對(duì)智能變電站一體化信息平臺(tái)源端維護(hù)的實(shí)現(xiàn)將具有積極的推動(dòng)作用，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)縱向信息一體化維護(hù)以及滿足跨區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的借鑒意義。

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