基于IEC 61970的調度運行管理系統設計

翟 哲，劉顯茁，張 勇，王 巍，邱生敏，張 坤，張德亮，郭自豪

(1.南方電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510623;2.北京清大科越股份有限公司,北京 100084)

0 引言

電網調度管理需要對大量數據進行分析，對系統運行機理、運行策略等做出判斷，進行全方位的綜合決策，這一點與新一代的人工智能發展較為相似[1]。而目前調度運行管理越來越面向服務構架的趨勢發展，在調度運行管理中，對于此構架的研究和應用仍然有限。

針對不同的調度系統方案與構架，文獻[2]提出了基于多QoS約束條件的廣域信息管理系統任務調度算法;文獻[3]提出了基于SOA面向服務體系結構的電力調度管理系統;文獻[4]主要針對調度數據管理，提出了相應的設計方案;文獻[5]提出了面向需求響應的數據中心供能系統優化調度系統。可以看出，針對面向服務構架調度管理系統設計較少。

因此，本文針對面向服務構架的理念，設計了基于IEC 61970的調度運行管理系統。首先分析電網運行調度管理的特征和狀態，然后從IEC 61970標準出發，提出了基于該標準的調度運行管理系統的構架，主要分析了其功能和系統特點。本文重點分析了該系統的數據管理方案，包括數據采集方案、數據整合流程以及數據安全構架，從數據的多維度方面提出了該系統的數據管理特征。最后針對調度管理的報表生成說明了該系統的有效性。

1 現階段電網調度運行管理

現階段電網調度運行管理所涵蓋的范圍十分廣泛，從基本的并網管理到最終的運行支持管理，涵蓋了多種類型的數據。調度的管理主要分為并網管理、運行風險管理、運行計劃管理、運行控制管理、運行評價管理、二次系統管理和運行支持管理等。調度最主要的任務就是運行計劃管理，其主要內容包括發電能力的計算、發電計劃編制、綜合停電信息安排、輸配電能力管理、運行方式編制、系統運行計劃編制和水電調度等。根據所編制的運行計劃可以得到相應的調度操作票、調度日志、設備監控日志、應急預案及事故決策支持、調度運行信息報送與發布等內容。而目前電網調度更加注重電網運行的安全和穩定性，因此在調度管理過程中，調度的運行支撐占比日益增長。現階段調度的主要任務不僅僅是完成發電任務，更重要的是完成對系統運行安全、經濟、優質、環保開展分析評價，制定相應的指標，進一步提升電網的運行能效，促進電網的運行水平。相關的網省公司已經對于目前多維度的分析感知技術與系統運行、數據處理等進行了項目分析，主要目的是利用國內外先進的研究成果，綜合考慮電力自動化技術、通信技術、智能電網技術等，將電網運行中的設備模型、設備參數、歷史數據、發電計劃和市場定價等作為數據的基本信息，通過大數據、云計算、人工智能等技術將這些信息有機的結合起來，經過相關的軟件接口處理，形成統一的數據庫。最后針對不同類型的數據建立不同的模型，實現數據的可視化，最終呈現給調度運行部門的不僅僅是枯燥的數據，而是能夠根據這些數據對系統的運行方案進行更深層次的規劃和安排。在這個過程中，系統運行分析報表是系統調度過程中重要的環節。為了實現多維度的報表功能，需要設計相應的運行管理系統，針對不同的標準，實現相應的功能。

2 基于IEC 61970的調度運行管理系統

2.1 面向服務構架

面向服務的概念起源于計算機領域，其主要特征是能夠通過編程接口訪問各類應用。面向服務架構(SOA)的主要構成是服務提供者、服務使用者和服務平臺中心。通過服務提供者、使用者以及信息平臺的連接，將網絡地址實體、應用程序或功能以及服務平臺三者有機結合，建立起服務使用者與提供者的對話。

面向服務構架是一種構架模型，它可以用于弱耦合應用元件的分布式系統的部署、構建以及應用等。面向服務構架的所有功能均可以使用描述語言進行定義，其接口使用獨立的、免費的服務，其硬件接口平臺、操作系統和編程語言均根據此接口來實現。面向服務的構架主要有2大特點:一是數據格式的標準化,其可以通過對數據進行壓縮和加密來調整數據的格式，從而提升數據的安全性和實時性，不同的數據格式可以封裝為標準的數據格式(例如XML格式);二是統一的標準化接口,面向服務的構架可以同時將多個接口整合為統一的標準化接口，不同類型的面向服務構架產品均可以實現此功能。

2.2 IEC 61970 CIM/CIS標準

IEC 61970《能量管理系統應用程序接口(EMS-API)》,是由國際電工委員會(IEC)57號13組制定的應用于電力自動化的一個系列標準，其目的是促進電力企業應用集成[6]。IEC 61970提出一個獨立于底層技術的基于組件的應用集成框架、一個公共信息模型(CIM)和一些組件接口規范(CIS)。CIM可以作為應用程序接口的公共語義，其特征是描繪電力系統運行管理中存在的各種實體及其關系；通過CIS，應用服務中的組件可以用一種標準的方式交換信息和訪問公共數據。基于CIM，系統和應用可以使用CIS進行信息交互；基于CIS，圖形互動可以實現大部分功能。該標準的主要目的是為不同的生產商整合不同類型的電能管理服務的應用提供便利，能夠讓能量管理系統更好地在調度中心與其他系統相互融合。同時，實現與不同的能量管理系統的調度中心模型相互交換信息。

IEC 61970推薦了4種主要的組件模型，即企業Java組件(EJB)、公共對象請求代理體系結構(CORBA)，構件對象模型/分布式構件對象模型(COM/DCOM)和Web Services[7]。

2.3 基于IEC 61970的管理系統構架

基于IEC 61970的管理系統的構架如圖1所示，具體包括：

a.SCADA/EMS/DMS數據收集、處理、存儲模塊。

b.系統分析模塊。用于識別系統狀態、評估系統運行模式。利用離線數據或實時大數據進行處理。本模塊利用在線決策樹算法對系統的實時狀態進行監視和評估。

c.智能決策模塊。能夠實現對電網控制能力的分析，包括新能源出力預測、安全約束、遠動控制和保護裝置靈敏度控制等，并基于得到的全局描述器搜尋和發布預防或校正控制。電力系統調度和控制在該模塊中模擬為多目標博弈問題，博弈雙方為人工智能調度員和一系列可能的問題，包括可再生能源的不確定性、停電、黑客攻擊等。

d.存放現狀表計數據/歷史表計數據、仿真數據、調度命令的三大數據庫，以及自動裝置動作記錄的數據庫。

e.人工智能調度接口，包括與人工調度交互的對話接口。

圖1 系統構架

2.4 主要功能和系統特點

該系統的主要功能如下：

a.可進行在線狀態監測，并具有預警功能。

b.具有調度行為智能機支持系統，可實現開環控制模式和調度員建議模式。

c.實時調控機制自動智能控制，即閉環控制模型，實現最優預防和緊急控制無需調度員審核而自動執行，且不需要用戶指令的確認。只要結果可行，指令即自動執行并發送。

d.開閉環聯合控制，部分指令可由調度員完成，其余則由人工智能調度系統實現。

其主要特點為：

a.該系統需要整合范圍內各種業務應用系統的數據，信息模型需要不斷擴充。為了能夠適應信息模型的不斷變化與擴展，系統采用了優化的系統設計，各類數據服務(信息模型服務、實時數據服務、歷史數據服務和歷史事項服務等)均能夠實現對模型擴展的自適應。

b.模型擴展后，不需要對各類數據服務的軟件程序進行任何改動，只需要簡單配置甚至不改配置，新擴展部分的模型數據就能夠自動由各數據服務訪問或處理。

c.數據服務能夠有效擴展系統的自適應能力，使系統的可擴展性、業務應用系統接入效率大大提高。

另外，系統采用統一的對象編碼作為模型合并、數據整合與數據交換的重要數據標識。系統具有功能完善的統一對象編碼子系統，實現統一編碼生成、校驗、查詢和維護等功能，編碼子系統能夠適應不同的編碼體系或編碼規則，并適應編碼規則的進化需要，支持不同編碼體系之間的映射。

統一對象編碼子系統由對象編碼服務及編碼維護管理工具等功能模塊組成。對象編碼服務按照SDP-DDS編碼規范，以遵循SDP-DDS的接口標準，提供編碼的生成、查詢和校驗等服務，保證編碼的唯一性以及合法性。該服務作為接口系統的核心服務之一，除用于接口系統內部的編碼生成、查詢和校驗外，還可以由外部的應用通過公開的接口進行調用。

3 系統數據管理方案

3.1 系統數據采集方案

調度系統的數據收集主要依靠遙測、遙信和遙控等功能來完成。在電力市場的環境下，不同市場參與者之間的通信機制，對于傳輸服務提供者以及有資質的調度實體是非常重要的。有資質的調度實體，也就是通常意義上的調度中心。調度中心擁有相關的設備，并且能夠代表發電商以及其他市場參與者的一些利益進行市場活動。通過部署在調度中心的SCADA系統，調度中心可以監測電壓、電流、功率以及設備狀態等信息。通過內部控制中心通信協議IEC 60870，就可以將這些信息傳輸至不同的市場參與者。

在信息的互動過程中，遙測系統對于數據的采集十分重要。需要確保遙測過程中，滿足相應的規程規范以及標準，從而將遙測信息與現階段廣泛應用的大數據模型以及云計算等綜合考慮，并融入到電力調度中。遙測過程中，不僅僅需要捕捉調度過程中不斷變化的拓撲結構以及設備運行狀態，而且需要追蹤不同類型的遙測數據或者是與這些遙測量相關的設備信息、位置信息、傳輸信息、信息自然屬性等數據。傳輸過程中可能有多種形式，主要包括二進制、浮點量測量以及整數位置量測量等。這些量測量的數據信息對于調度過程中的讀寫均具有非常重要的意義。

IEC 61970標準為量測包中定義的遙測提供了相應的解決辦法。該量測包正處于發展的基本階段。其主要的第一級別的形式包括模擬量、離散量、模擬量值和量測量值等，這些量均定義設備的量測狀態以及電氣位置等。第二級信息主要包括模擬量名稱、離散量名稱、量測值來源和計算值等，這些信息確定了有功功率、無功功率、開關狀態和量測來源。

3.2 數據整合流程

數據整合流程如圖2所示。

圖2 數據整合流程

數據的整合是建立在數據采集基礎上的進一步深入的操作。數據的整合，主要包括數據轉換、數據合理性校驗及數據庫存入、數據可視化分析等。數據轉換主要是指數據不同類型的抽取，抽取數據需要從不同的系統中將有用的數據進行挖掘，這里就涉及到多種調度系統運行監測管理的多樣化數據。在數據抽取過程中，應當結合調度運行的實際情況，針對不同的數據結構、數據類型和數據狀態進行合理化的抽取。當數據轉換完成之后，就需要對數據的合理性進行校驗，以便剔除不良數據的影響。數據的合理性校驗應當根據相應的標準和規范進行，并且出具能夠提供給上級調度部門的校驗報告。當數據合理性校驗完成時，此時的數據就可以存入到數據庫中。數據庫的規模是隨著數據結構不同而進行劃分的，數據庫也需要對于調度不同級別進行合理的分類，不同數據庫之間的數據應當能夠滿足數據同步的要求。不同級別的調度中心能夠對于自己管轄區域范圍內的數據進行可視化的分析。在調度運行管理過程中，應當能夠隨時調取數據庫的數據信息，以便進一步進行調度管理的操作。調度過程中的數據抽取與轉換數據存儲等需要專門的接口程序來實現，該接口程序需要滿足IEC 61970的標準。在接口設計過程中，應當充分考慮數據的數據特征以及面向服務的構架設計方案。最終通過相應的可視化技術將數據的抽取、轉換與加工進行圖形化、流程化的呈現方式，實現調度過程中的數據有證可查、有據可循。

數據合理性校驗是整個過程中最為重要的一個環節，數據的合理性是日后調度中心進行數據分析的重要基礎。數據的合理性校驗，主要是針對遙測系統采集的數據所可能出現的數據重復、數據缺失、數據違規等問題進行的綜合處理。主要包括數據的取值范圍檢查、交叉記錄驗證、數據格式教研、數據空值檢查、重復數據清除和數據源糾錯等內容。

3.3 數據安全構架

全業務統一數據中心系統等級保護初定為一級，其安全防護遵循“分區分域、安全接入、動態感知、全面防護”的安全策略，按照等級保護一級系統要求進行安全防護設計，并根據業務系統的不斷完善加強對系統的防護，最大限度保障應用系統的安全、可靠和穩定運行。安全防護總體技術架構如圖3所示。

圖3 數據安全構架

數據安全的防護構架主要分為數據的信息內網、信息外網和外界互聯網之間的聯系。信息內網系為主要的調度數據庫，以及調度信息、調度接口服務等網絡。調度信息外網即為與外界服務對接的模塊。而互聯網即為與終端用戶相連接的網絡模塊。首先應當重點關注信息內網的數據安全，其次應當控制信息外網與互聯網之間的信息交換，設置相應的防火墻。

4 應用案例

調度運行管理系統的主要目的是根據各種調度數據生成調度報表，供調度人員進行下一步的政策制定等。因此，調度報表集中反映了調度收集的數據信息、調度決策系統的可視化功能，以及調度的終端展現功能等。本文通過面向服務的調度管理系統，設計了如圖4所示的調度報表功能構架。

圖4 調度報表功能構架

報表服務模塊是為滿足各類用戶在報表分析方面的綜合要求，提供的一個分析型報表的解決方案。其核心是基于語義模型定義自由報表，其格式設計中可進行各類分析設置；設計好的自由報表可發布為節點，供用戶進行實時查詢分析和定時訂閱發布等各種方式的使用。

在報表管理中，調度人員根據不同等級的調度管理范圍進行數據的整合，從而確定調度報表所展現的基本內容。通過調度報表的協同編制功能，不同調度級別的調度人員可以進行在線數據的編輯。調度報表的服務端是調度報表展示加工階段的重要組成部分，主要包括展示引擎、計算引擎、數據引擎、數據源設計器、報表設計器以及多種數據庫等。通過服務端對數據的類型、展示內容的加工，可以完成報表的基本展示功能。報表管理是為了進一步加強報表的可讀性而設計的，主要包括數據的導入導出、報表的發布、報表的監控和報表歸檔等。報表內的所有內容應該在系統中提供在線查詢瀏覽功能，具體功能如表1所示。

表1 報表管理功能設計

5 結束語

本文針對面向服務構架的理念，設計了基于IEC 61970的調度運行管理系統。IEC 61970標準能夠提供相應的管理構架方案，并且依此設計了系統數據管理方案。本文設計的方案能夠為調度運行管理提供系統支撐，在應用案例中設計了面向服務的調度報表管理系統，說明了相應的功能。結合具體的調度運行方案，本文的管理系統可以衍生更多的應用模塊。