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

（南京工程學院電力工程學院，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

（南京工程學院電力工程學院，江蘇南京211167）

摘要：針對目前智能電網中IEC 61970和IEC 61850這2種標準之間互通性的問題展開研究。分析了2種標準的數據結構模型，探討了2種數據模型之間互通的可能性，以雙母線帶母聯斷路器的主接線結構為例，分別建立IEC 61970公共信息模型（CIM）和IEC 61850模型，詳細描述了2種標準之間的數據交換和模型映射。結果證明了該數據交換和模型映射方法的可行性，為2種標準之間的數據互通提供了一種方法。

關鍵詞：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，全局共享”是進行智能電網統一信息建模的重要原則。根據智能電網的標準體系，在變電站和控制中心側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制定了統一的CIM，包含了電力系統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設備、變電站系統和變電站網絡通信拓撲結構的配置。這2種標準均針對變電站內部的設備定義了相關數據模型；但是即便是同一個設備，2種標準定義的模型也不完全一樣。隨著電網規模的不斷擴大，接入的設備越來越多，由于模型的不一致性，不同設備之間和系統之間互操作的成本將會越來越高。通過對IEC 61970 CIM數據模型與IEC 61850數據模型的分析，研究了這2種標準之間數據模型的互通問題。

1　2種標準簡介

1.1IEC 61970 CIM與組件包

現有的電力系統中信息模型缺乏公共的數據模型和標準的數據接口規范，由 IEC TC57提出的IEC 61970標準正是針對在現有電力系統中的信息模型上實現組件化和組件間交互的互操作功能而提出的，為現有的應用系統提供一個基于CIM和組件技術的、擁有公共體系結構的系統集成框架。

IEC 61970標準中的2個重要組成部分是組件接口規范（CIS）和CIM［ 2 ］。CIS規定了信息交換的語法，CIM定義了信息交換內容的語義。CIM規范使用統一建模語言 （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）。包含所有應用共享的核心的電力系統資源 （Power System Resource）和導電設備（Conducting Equipment）實體，以及這些實體的常見的組合。

（2）拓撲包（Topology）。拓撲包是核心包的擴展，通過與描述連接關系的終端類（Terminal）建立關聯關系，定義了設備的物理連接關系。

（3）電網包（Wires）。電網包是核心包和拓撲包的擴展，它建立了輸電（Transmission）和配電（Distribution）網絡的電氣特性的信息模型，這些信息將被用于狀態估計、潮流計算、安全分析、最優潮流等應用。

（4）量測包（Meas）。量測包包含描述各個應用間交換的動態測量數據的實體。

1.2IEC 61850與SCL

IEC 61850亦是由IEC TC57工作組制定的應用于變電站通信網絡和系統的國際標準。其主要目的是為了提供一種公共的通信標準，通過對設備的規范化、統一化建模，使整個變電站內部設備之間實現無縫連接。在IEC 61850-6中為變電站智能設備的配置定義了SCL，使用SCL可以在不同制造商提供的智能設備和系統配置工具之間進行通信系統配置數據的相互交換。IEC 61850標準有如下的特點：

（1）采用面向對象的建模技術，定義了基于客戶機/服務器結構的數據模型，建立起IEC 61850標準服務器所必須提供的各種通信服務的模型。

（2）引入了變電站內信息分層的概念，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）采用了設備名、邏輯節點名、實例編號和數據類名來建立對象的命名和引用；采用面向對象的數據自描述方法，通過數據源對數據本身進行自我描述，實現了數據的自我說明，從而無需再對數據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。

（4）設計了一種獨立于所采用網絡和應用層協議的抽象通信服務接口（ASCI）。通過ACSI，由專用通信服務映射（SCSM）所采用的具體協議棧，例如制造報文規范（MMS）等。從而解決了標準的穩定性與未來網絡技術發展之間的矛盾，當網絡技術發展時只需改動SCSM，而不需要修改ACSI就能兼容最新底層協議棧的標準［ 3 ］。

在IEC 61850 第二版中又新增了一些內容，將邏輯節點模型從變電站自動化領域擴充到風力發電、分布式能源以及水電廠等新的領域。同時，在標準中也逐步開始考慮不同標準模型間的兼容性問題。

1.32種模型文件的特點

CIM靜態文件包含了電力系統網絡構架配置的靜態數據描述。包括不同組件（如母線、斷路器、發電機和負荷）的詳細信息。CIM靜態文件采用網狀并列結構描述設備及節點之間的連接。

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備的拓撲結構和變電站功能對應于不同的IED邏輯節點的映射。例如，電力系統主接線結構中的斷路器映射到IED模型中的XCBR1的實例將會出現在SCD文件中的變電站節點中。SCD文件是一個樹形結構的XML文件，包含變電站所有信息。基本結構包括文件頭、變電站、通信、IED、CDCs和數據模板。

2　CIM與IEC 61850模型之間的映射

由于IEC 61970標準所定義的CIM側重于調度中心，IEC 61850標準定義的SCL信息模型側重于變電站，所以其對應建立的電力系統模型也有所差異。要實現這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系，對于不一致部分則需要進行相應的處理。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，電力系統資源包中的間隔類包含導電設備、保護繼電器、量測量和遠程測控；而電力系統資源類中包含電力系統部件；變電站類包含變電站設備；端點類（Terminal）包含所有實例的端點。拓撲包為核心包的擴充，與端點類相關聯建立起連接模型，定義設備如何連接，以及設備間如何通過閉合開關連接在一起的邏輯關系。電線包作為核心包和拓撲包的擴展，建立輸電和配電網絡電氣特性信息的模型［ 4 ］；派生類中包含電氣網絡中斷路器類、變壓器類、電抗器類、母線類等。

在IEC 61850模型中采用邏輯節點作為基本組成實體，使用面向對象的方法定義邏輯節點和對應的數據內容［ 5 ］。邏輯節點對變電站中設備和功能進行了詳細的定義，模型中的SCD文件模型有：變電站、電壓等級、間隔、設備等，對變電站進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中定義的設備物理參數，如果IEC 61850建立的模型中沒有完全對應建模，則可對相關的邏輯節點進行擴展。

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模型中的同步電機類在IEC 61850 SCL模型中映射為發電機節點和電動機節點。

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，即無法直接對應的部分，則要依據需要進行擴展。如基于IEC 61970標準建立的CIM模型中定義的自控制區類，基于IEC 61850標準建立模型中的IED設備，保護功能等。例如，針對IEC 61850中詳細定義的保護邏輯節點，需要時可在CIM模型中擴展對應的類或者設備來對其邏輯進行表示；同時可將實時運行的測量數據映射為CIM擴展設備的量測數據。

3　CIM與IEC 61850模型映射實例

3.1變電站靜態模型映射

以典型的變電站雙母線帶母聯斷路器主接線結構為例，如圖1所示。圖1中左側為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、間隔和導電設備類型，構成比較完備的站內樹形層級關系；而后根據連接端子（Terminal）和導電設備端點（ConnectivityNode）的連接關系生成變電站全站拓撲連接模型；根據拓撲連接模型，并按照表1中的CIM和IEC 61850模型的對應關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）對應于IEC 61850中的間隔類。CIM模型的層級結構為網狀平行結構，并沒有嚴格的層次關系。這樣，查詢設備子類和Terminal的連接，Terminal和 ConnectivityNode的連接即可建立IEC 61850變電站靜態模型和IEC 61970 的CIM模型之間的設備模型映射。

圖1　CIM和SCL靜態模型映射

3.2IED映射

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

如圖2所示，IEC 61850的服務器對象（Server）可對應于CIM模型中的資產類（Asset）。IEC 61850的邏輯節點LN描述變電站一次設備或二次設備，和CIM中的設備（Equipment）相對應，具體的邏輯節點分別對應于CIM模型的各種導電設備Equipment的對應子類。如CIM中的斷路器類 （Breaker）是從設備類（Equipment）中派生的類，可以和斷路器邏輯節點（XCBR）建立一對一的映射。在SCL中，量測數據是放到邏輯節點中的，邏輯節點中跟實時運行情況相關的數據屬性放到遙測等數據集（dsAIN）中，和CIM中的量測點相對應，如斷路器的位置Pos。通過分析邏輯節點的類型和數據屬性的命名規則，獲得數據屬性和量測值之間的對應關系。

3.3邏輯節點映射

以IEC 61850中斷路器邏輯節點XCBR和CIM 中Equipment類中的Breaker之間的映射為例，分析SCL中具體邏輯節點與CIM中的設備類的映射規則。

邏輯節點XCBR的具體測量值分別作為數據屬性，放在該邏輯節點跟這些測量量值相關的數據對象（DO）中，包括開關位置（Pos）、操作計數（OpCnt）、跳閘閉鎖（Blkopn）及合閘閉鎖（BlkCls）。CIM中的斷路器類（Breaker）相關聯的測量（Measurement）有：開關位置（Pos）、開斷計數（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聯。因此，把CIM的斷路器類相關聯的測量值與IEC 61850的具體測量值數據對象下的反映測量值的數據屬性進行關聯，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聯映射，如圖3所示。

圖2　SCL的IED模型和CIM的映射關系

圖3　CIM與SCL斷路器模型數據的映射關系

4　結束語

將IEC 61970 CIM模型與IEC 61850 SCL模型進

行分析比較，提出2種標準間的映射方法，即對2種標準中直接對應的元件建立共通模型進行直接映射，對于非共通模型根據需要進行調整或擴展。最后以雙母線帶母聯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2種標準間模型的映射，為適用于電力系統不同范圍的信息模型互通提供了一定的借鑒和參考。

參考文獻：

［1］ 黃 嵩. 基于IEC 61850與CIM的智能變電站信息集成方案研究［D］. 上海：上海交通大學，2012.

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［3］ 閔 崢，徐 潔，王嘉樂. 基于IEC 61850的智能水電廠建模技術［J］. 水電自動化與大壩監測，2011，35（4）：1-5.

［4］ 許凱寧，程新功，劉新鋒，等. 基于CIM設計的電力系統狀態估計模型［J］. 電力系統保護與控制，2009，37（24）：123-128.

［5］ 陳國炎，張 哲，尹項根. 基于IEC 61850的廣域繼電保護通信建模［J］. 電網技術，2012，36（6）：56-63.

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

文獻標志碼：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