IEC 61850 SCL與IEC 61970 CIM模型間的無損轉換技術研究

郭 燕，董懷普，紀 陵

（南京國電南自電網自動化有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引 言

根據智能電網的標準體系，變電站站端遵循的是IEC 61850變電站配置描述語言（Substation Configuration description Language，SCL）模型體系，然而在主站或者是調度端則遵循的是IEC61970標準，采用的是公共信息模型（Common Information Model，CIM）[1,2]。針對傳統調度中心自動化系統采集廠站數據時，通常只采集對象數據值，對象數據模型則需要分別在主站和廠站建立，該采集方式容易導致數據采集和控制錯誤，存在電力生產安全方面的隱患[3]。基于模型無損轉換技術能夠在廠站端維護IEC 61850 SCL信息模型，并將模型導出為CIM擴展標志語言（Extensible Markup Language，XML）文件，然后傳送到主站系統，分析、轉換生成CIM模型。這種模型轉換方法能夠進一步保證廠站與主站系統模型的一致性。

據調查發現，在模型轉換方面大部分廠家采用以XML為基礎的數據交換方式，國內更多的研究偏重于兩個模型的比較、映射以及轉換[4-7]。2012年，張海東、張鴻等人對比分析了變電站配置描述（Substation Configuration Deion，SCD）模型與CIM/E模型的差異，研究了兩種模型的映射關系，并提出了模型轉化方案，該方案在500 kV常熟南智能變電站與智能調度共享建模工程項目中取得了令人滿意的效果[4]。2014年，董張卓、孔永超等人針對電力系統資源編碼不統一和規則混亂問題，基于CIM模型提出了一種統一、規范的電力系統資源編碼思想，保證了系統對象模型的標準性與通用性[8]。

由于模型統一和模型融合需要對現有系統做很大的改動，難以推廣應用。本文將從模型映射、無損轉換以及編碼規則入手，提出IEC 61850 SCL信息模型與IEC 61970 CIM模型之間的轉換方案，實現SCD文件與CIM XML文件之間的無損轉換，最終解決模型不一致的問題。

1 模型轉換分析

1.1 基礎分析

由于IEC 61850和IEC 61970標準都是根據相應特定應用對各種對象進行建模，因此它們的模型并不完全一致[9]。SCL和CIM的比較如圖1所示。

圖1 SCL與CIM模型比較

SCL模型主要包括變電站、通信系統、智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）以及數據類型模板等。CIM模型是描述整個電力系統資源對象的，其包括數據采集包、量測、保護等。變電站和拓撲模型可以從SCL到CIM進行一致轉換，相應處理不一致的部分。

1.2 差異分析與轉換難點

兩種模型的差異性導致在實現SCD文件與CIM XML文件之間的無損轉換時存在一定的困難[10]。

一是導電設備類的差異，SCL模型中的CON、FAN、PSH、BAT、BSH、RRC以及TCR等設備類型沒有合適的CIM類與之對應，兩個模型在轉換時可能會導致信息丟失。二是量測體系描述差異，在CIM模型中，量測幾乎可以描述所有的電力系統資源[11]。在SCL模型中，自然對數（Natural logarithm，LN）和其數據構成的路徑可以視作CIM中的量測，該部分關聯在邏輯節點中。在量測描述方式上，兩者存在較大的差距，使其在模型處理方面具有一定的難度[12]。三是對象標識方法差異，SCL模型對象大部分沒有顯示定義全站唯一標識，而是通過類元素的層次路徑+name等價的標識方式定位到特定對象[13]。基于CIM描述的電網模型，其對象用網絡地址（Uniform Resource Locator，URL）標識，這些具有標識符的對象可用對象的主編碼進行標識，所構成的層級關系可方便直接定位到特定對象。

2 SCL與CIM模型的無損映射研究

2.1 變電站模型映射

變電站模型的作用是用于描述一次設備的相互關聯及其連接關系。利用SCL語言描述變電站系統模型的層次結構如圖2所示。

圖2 SCL模型層次結構

SCL和CIM中都具有變電站、電壓等級以及間隔等設備容器。從中會發現兩個模型之間變電站和電壓等級的結構一致，因此可以直接建立映射關系。SCL中的母線間隔則可以映射到CIM中的母線間隔+母線設備，設備則與CIM的導電設備各派生類相對應。拓撲關系采用連接節點+端子的方式進行定義，映射規則如圖3所示。

圖3 變電站模型映射規則

2.2 數據量測映射

SCL模型中采用智能電子設備、邏輯設備、邏輯節點、數據集以及數據分層細化的方式描述數據量測信息，而在CIM中采用量測的方式描述。對SCL模型中已有的測點信息采用表1的規則進行映射。

表1 數據量測映射規則

2.3 CIM模型編碼規則

CIM模型電力系統資源身份標識號（Identity Document，ID）由29位字符組成。從左到右依次為5位行政區域碼、1位對象類型碼、兩位電壓等級序列碼、6位廠站序列碼、3位間隔類型碼、兩位間隔序列碼、3位設備類型碼、兩位設備序列碼、兩位端子序列碼以及3位連接點序列碼。其中，行政序列碼分別對應不同地區的供電公司；對象類型碼中“B”為變電設施，“F”為發電設施；每個電壓等級對應兩個字符，構成電壓等級序列碼；每個間隔、設備類型對應3個字符，構成間隔類型碼與設備類型碼；廠站序列碼、間隔序列碼、設備序列碼與端子序列碼為自動生成的序列號，不同類型下需重新編號；連接點序列碼由固定字符“Z”+兩位序列號組成。

3 模型轉換方案設計

3.1 模型轉換流程

SCD模型文件到CIM XML文件轉換流程如圖4所示。SCD模型文件需要符合IEC 61850中定義的Schema語法，如果不符合則需要重新配置。模型轉換由CIM模型轉換器實現，轉換器依賴模型映射規則和編碼規則。

圖4 SCD文件到CIM XML文件轉換流程

3.2 模型轉換類設計

模型采用面向對象的編程方法，通過類的定義、封裝以及繼承完成數據結構設計。其中，VSCD Main Wnd類完成了CIM模型轉換器主界面的實現，主要負責發布和接收命令。CIM Dialog類實現了簡單的用戶界面，負責編碼信息的輸入，該類繼承于QDialog類。CIM Export類是模型轉化的關鍵部分，主要負責變電站一次設備信息的解析、轉換以及編碼生成功能。Init Sub station Data、init Voltage level Data、 ……、init Conducting Equipment、init Terminal Data、init Connectivity Node Data等類分別實現了變電站、電壓等級、間隔、變壓器、變壓器繞組、設備、端子以及節點的SCD解析和CIM XML文件轉換功能。Get Voltage Id、get Bay Id、get Power Transformer Id、get Transformer Winding Id、Connectivity Node Id、get Terminal Id等類分別實現了電壓等級、間隔、變壓器、變壓器繞組、節點以及端子的編碼自動生成功能。Access Voltage File類實現電壓等級相關的第三方文件的連接和訪問功能。Get Node Infor類主要將變電站中所有節點的名稱與編碼信息存儲到node Infro類中。

4 結 論

本文從模型映射入手，采用模型轉換的方法，解決了智能變電站與智能調度系統模型不一致的迫切問題。IEC 61850 SCL信息模型與IEC 61970 CIM模型之間的無損轉換技術是當前實現模型數據在各級系統之間交換時切實可行的方案，本文的模型轉換工具已經成功地應用到現場，并且能夠成功地導出CIM XML文件，具有令人滿意的效果。