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浅谈低压供电系统的几种供电方式
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南昌大学硕士学位论文基于IEC61970标准的SCADA系统数据整合研究姓名余知敏申请学位级别硕士专业电力系统及其自动化指导教师张忠会摘要摘要随着电力系统和计算机技术的飞速发展，电力系统已有的应用系统因功能有限而需要升级改造。但是已有系统存在着如下一些技术问题①信息模型私有，无标准②访问接口私有，可移楫|生差③协议私有，互操作性差等。这些问题使得在升级改造中实现信息共享、异种系统集成和二次开发变得很困难。为了解决上述问题，本课题基于IEC61970标准以电力系统动态模拟仿真实验室的SCADA系统作为研究平台，完成了以下几方面的工作首先从提高软件的重用率，保护已有的投资和实现第三方接入等方面考虑，本课题的设计方案采取了保留原有数据库并直接建立一个存储和管理CIM模型数据的数据库。然后通过对比分析选择了FastDB、ACE／TAO、QT等课题相关的计算机技术产品或平台。其次，基于标准的CIM模型，完成了对现有SCADA系统数据模型与CIM模型之间的映射，并依据映射关系实现了数据的导入导出。之后构建了一个较为合理的CIM数据库结构，并结合所选择的面向对象的实时实数据库FastDB，编程开发了自动生成CIM数据库的工具。第三，在深入研究标准的CIS部分以及公共对象请求代理结构CORBA等技术上，基于中间件ACE／TAO，开发了组件接口规范CIS的通用数据存取工具并实现了客户端与服务端的一些主要功能的CIS交互，并能完成数据的读取服务。最后，利用为了方便测试而开发的图形化界面对CIM库的建立、数据的导入导出以及CIS常用服务进行了自测试、互操作实验来验证本课题工作的可行性。关键词SCADAIEC61970公共信息模型CIM组件接口规范CIS数据整合ABSTRACTABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftheelectricalpowersystemandcomputertechnology,theexistedpowersystemapplicationsneedupgradingbecauseofthelimitedfunctionality．TherehasbeenanumberoftechnicalproblemsasfollowsModelsofinformationareprivateandnonstandardgDataimterfacesareprivateandpoorportability③Agreementisprivateandpoorinteroperability．Theseproblemsmaketorealizeinformationsharing，heterogeneoussystemsintegrationandsecondarydevelopmenthasbecomeverydifficultintheupgrading．Inordertosolveabovementionedproblems，thepaperusetheelectricalpowersystemSdynamicsimulationlabSSCADAsystemasaplatformforresearchbasedonthestandardIEC61970，completedinthefollowingareasFirst，fromtheconsiderationsofincreasingtherateofsoftwarereuse，theprotectionofexistinginvestmentandtherealizationofthirdpartyaccess，andSOon，thesubjectofthisdesignhaspreservedtheoriginaldatabaseandestablishedastorageandmanagementoftheCIMmodelSdatabasedirectly．BycontrastiveanalysisthenselectedtheFastDB，ACE／TAO，QT，andothertopicsrelatedcomputertechnologyproductorplatform．Second，basedonthestandardCIMmodel，completedmappingthebetweenexistingSCADAsystemmodelwiththeCIMmodel．accordingtothemappedrelationshiprealizedthedataSimportandexport．Later,constructedamorerationalstructureoftheCIMdatabase，inconjunctionwiththechosenofrealtimeobjectorienteddatabaseFastDB，anddevelopedtoolsgeneratedCIMdatabaseautomatically．Third，indepthstudyofthestandardpartoftheCISaswellastheCommonObjectRequestBrokerArchitectureCORBAandothertechnology，developedcomponentInterfaceSpecificationsCISuniversaldataaccesstoolsbasedonmiddlewareACE／TAO，andrealizedsomeofthemainfeaturesofCISinteractionbetweenclientandserver,completedthereadingofdataservicesaswell．IIABSTRACTFinally,utilizedthegraphicalinterface，developedforthefacilitateoftest，togiveaselftestandinteroperabilitytestoftheestablishmemoftheCIMdatabase、damsimportandexportandthecommonservicesforCIS，toverifythefeasibilityoftheworkofmisarticle．KeyWordsSCADAIEC61970CommonInformationModelCIMComponentInterfaceSpecificationCISDataIntegrationIII学位论文独创性卢明学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签期≯粥年，∥月，∥日权书本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名嬲导师签名够哆奄签字日期矽田＆年，明愿日签字日期潮年I≯月黟日第1章引言1．1问题的提出第1章引言电力工业是国民经济的重要基础，是国家经济发展战略中的重点和先行产业。电网是电力系统重要的组成部分，它承担着输送电能、分配电能的作用。随着社会进步和人民生活水平不断提高，人们对于电能的可靠性、安全性和经济性提出越来越高的要求【l】。为了适应这一要求，则需要提高电网调度的自动化水平，因此提供电网调度、控制和管理功能的调度自动化系统被普遍运用。随着电力系统的发展，自动化、信息化水平得到不断提升，一些单位和部门从各自的需求出发，建立了各自不同的信息管理系统，如电力市场和营销系统、能量管理系统、配电管理系统等。这些系统的建设，大大提高了电力企业内业务流程的自动化以及企业的运行效率。然而，随着电力改革的深入和竞争机制的逐步引入，一些不足之处开始显现出来1现有的各种应用系统实现的功能仍然非常有限，并且大都孤立运行，共享各系统之间的数据和信息很困难同时，由于各应用系统的开发时间不同，技术水平参差不齐，软硬件环境各异，具有显著的分布性和异构性特点，系统升级换代和各应用系统之间的集成实现面临重重困难。2信息化应用水平不高，一些业务子系统集成度低、互联性差、信息管理分散，数据的完整性、准确性、及时性等方面存在较大差距。有些企业已经建立了企业内部网和互联网站，但多年来分散开发或引进的信息系统，形成了许多信息孤岛，缺乏共享的、网络化的信息资源。3现有网络和信息资源的利用不充分，信息和数据的共享度达不到企业对信息资源的整体开发利用的要求，简单的应用多，而能支持管理和决策的应用少，能利用网络开展经营活动的应用更少。因此，信息资源的增值作用还没有在生产经营过程中充分发挥出来【2】。综合近年来计算机技术、网络和通信技术、数据库技术等的发展，IEC61970标准的提出为解决上述问题提供了技术基础。IEC61970标准，是由国际电工委员会InternationalElectrotechnical第1章引言Commission，以下简称IEC负责制定电力系统控制及其通信相关标准的第57技术委员会IECTC57下属的第13工作组即WGl3制定的、为电力系统能量管理系统EMS服务的数据库公共模型和通用接口标准，定义了电力系统能量管理系统的应用程序接口API，即EMS．APIEnergyManagementSystemApplicationProgramInterface。其理想目标是实现即插即用，减少向EMS中增加新应用所需要的费用和时间，保护对EMS中『F在有效工作的现有应用的投资。便于不同调度中心EMS系统之间的模型交换【3刮。1．2国内外研究现状1．2．1概述近年来，研究和应用IEC61970系列标准一直是国内外调度自动化技术的热点和潮流，该标准通过定义开放的信息模型CIM和开放的接口规范CIS来使得不同厂家、不同应用、不同系统和不同调度中心能互联互通和互操作。IEC61970系列标准结构庞大、内容繁杂，涉及到许多新技术，尽快对这些标准进行跟踪和消化，特别是进行互操作实验，对不断提升电网调度自动化水平意义重大。1．2．2国外研究现状对于IEC61970标准的研究最早起源于美国，首先是针对EMS系统。为了提高EMS系统的开放性，在1990年，美国电力科学研究院EPⅪ确立了CCAPI控制中心应用程序接口项目，EPRICCAPI项目的目标是1主要目标是形成一套导则或规范，以最小代价和无任何代码改动就可以将一个新应用软件安装在正在运行之中的EMS系统中，就象在台式机上安装软件包，或者在计算机中加块内存，实现EMS应用软件的即插式应用。2最低目标是探讨一种方法，以减少目前需要在EMS系统中安装第三方软件的工作量。1995年，美国EPRI的CCAPI专业组将相关的研究成果提交给国际电工技术委员会IEC，IEC为此成立了第57分会电力系统控制与相关通信第13工作组，重点研究IEC61970标准即EMS的API标准1997年，对象管2第l章引言理组OMG成立了电力领域专业组1998年，OMG采纳DAF，形成工业系统的数据存取接口标准1999年12月，IEC61970CIM／CIS公共信息模型／组件接口规范作为国际标准正式向全世界发布。到目前，国外的EMS．API互操作实验总共进行了六次，其中前四次是针对CIM部分的，第五、六次是基于CIS部分的。具体情况如下日，第一次EMS．API互操作实验在美国Orlando举行，参加的单位有ABB、Alstom、Siemens和PsyCor等7家，实验的内容是模型的导入／导出。日，第二次互操作实验在LasVegas进行，参加的单位有ABB、Alstom、Siemens、CIM．109ic和SISCO共5家，与第一次实验相比，实验模型增加了ABB的40母线模型、Siemens的100母线模型以及Duke电力公司1752厂站的大模型，实验内容增加了对模型的潮流计算和对CIM版本升级后的适应能力以及对模型规模的适应能力。日，第三次互操作实验在Monterey进行。参加的单位有ABB、Alstom、Siemens、PsyCor和SISCO共5家。实验的内容与第二次相近，区别在于CIM从09b版升到10版，实验模型增加了一个大模型CAISO模型2473个厂站f141。日，第四次互操作实验在SanFrancisco进行，实验的主要内容是基于CIM／XML的增量模型和部分模型的导入／导出和互操作，参加的公司有ABB、GE、Langdale和PTI。日，第五次互操作实验在Cleveland进行。参加的公司有Alstom，PTI，SISCO和SNCLavalin。这次实验开始将测试内容扩展到了GID标准方面，其中的GDA和HSDA标准在这次实验中进行了测试。一些参加实验的新厂商还完成了上次互操作实验的测试内容。日，第六次互操作实验在Folsom进行。参加的公司有ArevaTD，EDF，IncrementalSystems，PTI，Siemens和SISCO。这次实验除了测试前几次的实验内容外还加入了测试61968消息标准的内容。1．2．3国内研究现状为了跟上国际对基于IEC61970的信息集成新技术体系的研究步伐，国内在国家电力调度中心的组织下，主要参与单位有清华大学、中国电力科学研究院、南京电力自动化研究院、东方电子股份有限公司、山东大学等国内最强的五家EMS研发单位，召开了多次研讨会，对统一国对IEC61970标准的理解进3第1章引言行了一些卓有成效的工作。1．2．3．1互操作实验从1999开始，我国开始对IEC61970标准进行跟踪，成立了专门的EMS．API工作组，对该标准进行消化和翻译。2000年9月，EMS．API工作组的第一次扩大会议在南京举行，会议讨论了IEC61970标准的翻译工作，为后续的互操作实验进行了理论上的准备。2001年1月，根据EMS．API标准的最新情况，EMS．API工作组在北京举行了第二次扩大会议，会议在研究了美国2000年12月举行的首次EMS．API互操作实验后，决定我国也进行EMS．API互操作实验，会议讨论了如何采用CORBA技术用于互操作实验，尽管在后来进行的首次互操作实验采用的是XML技术，但从长远看，本次会议确定的技术路线是完全正确的，推动了组件技术在调度自动化系统中的运用【141。2001年7月，EMS．API工作组在南京举行第三次扩大会议，这次会议把焦点从CORBA转向XML，用CIM／XML交换电网模型进行互操作实验，确定了互操作实验的电网模型、实验步骤和时间表，这次会议是我国EMS．API互操作实验的起步。2001年11月，针对各单位互操作实验准备过程中的问题，在烟台举行了EMS．API工作组第四次扩大会议，确定了我国首次互操作实验的具体计划。2002年1月，我国首次EMS．API互操作实验在北京举行，有电科院、电自院、清华大学、积成电子和东方电子5家单位，有两个单位各有两个课题组参加，总共7个互操作成员。实验的方法是通过CIM／XML进行不同互操作成员之间的模型导入／导出和潮流计算。实验模型采用国外实验用的Siemensl00母线、AlstomESCA60母线和我国自行准备的IEEEl4母线模型。CIM模型用的是最新的lO版。从实验结果看，这次实验总体上非常成功，除了没有用大模型和我们自己的实际系统模型做实验外，其余基本完成了国外第三次互操作实验中完成的任务。其后，各互操作成员又在网上通过电子邮件进行了第二次互操作实验。2002年8月，第三次互操作实验在北京举行，有电科院、电自院、清华大学、积成电子和东方电子5家单位参加，本次实验的主要任务是在前面两次实验的基础上采用我国电网的实际电网模型进行实验，基本方法仍然是基于CIM／XML文件的模型导入／导出，但增加了模型的拆分和合并，并且测试了模型导入导出的耗费时间。本次实验结果说明各家对基本实验内容都比较成功。4第1章引言为了推动国内EMS．API标准化工作的进一步深入，保持国内EMS相关产品在符合国际标准方面的同步性，2004年1月在国家电力调度通信中心举行了国内第四次互操作实验。本次互操作实验是基于IEC61970CIS系列标准的首次实验，国内主要的几家EMS厂家都参加了实验。第四次互操作实验的主要内容是测试不同厂家产品之间通过GDA基本接口进行互联时的互操作性，采用的标准是IEC6的4版草案和IEC6的3版草案，实验模型采用的是修改后的西门子100模型，其模型文件为siemensl00il1．10．．本次实验是国内首次关于_pt03rdf．IEC61970CIS部分的互操作实验，主要集中在CISGDA接口的基本部分，包括get_resourceids、get_uris、getvalues、get_extent_values和get_related_values组成的5个基本方法，测试这些基本方法的互操作性。测试结果表明，积成电子、清华大学、国电南瑞、电科院、南瑞继保和东方电子都能支持GDA接口的上述5个基本的数据查询方法，并通过这些接口方法进行电网全模型的获取，进行潮流计算，既能作为服务端提供数据，又能作为客户端获取数据。积成电子、清华大学、国电南瑞、和南瑞继保四个互操作成员不仅完成了小组内的互操作实验，而且成功进行了小组间的互操作实验。部分单位虽然在会议期问的集中实验过程中，由于有些接口方法未实现，因此不能获取全模型和进行潮流计算，仅完成了部分实验内容，但是这些单位在会后继续完成了剩余的实验内容。为了进一步提高对EMS．API标准的理解和应用能力，2004年9月在北京国调中心举行了基于CISGDA接口的国内第五次互操作试验。国内有六家EMS厂家参加了本次互操作试验，此外，浙江大学作为观察员和中立监督员也参加了本次互操作。这次互操作实验是在2004年1月成功举行了国内第四次互操作试验的基础上，对IEC61970CIS系列标准的第二次互操作试验。主要目的是测试不同厂家产品之间通过几类GDA接口进行互联时的互操作性。本次实验所用的全模型文件与第四次互操作试验相同，增量更新文件采用的是美国第五次互操作采用的增量更新文件的一部分，包含了插入、删除和修改等所有更新操作，具有一定的代表性。1．2．3．2CIM／CIS的应用目前EMS系统的厂商基本上投入大部分力量于能够支持CIM／CIS的新一5第1章引言代调度自动化系统的平台开发。针对目前潮流计算需要在线动态的外网等值模型，清华大学在我国两次互操作实验的基础上，提出了进行CIM的电力网络实例的拆分与合并的基本应用原则。基于该原则的部分电力网络的不同系统之间的导入导出已经应用于实际大型省级电力系统，取得了很好的效果。另外，针对当前我国对交直流混合电力系统潮流计算和运行控制的需要，清华大学对CIM的高压直流输电系统HVDC模型进行了扩展，使它能更详细地描述HVDC及其控制。1．3本课题的主要研究工作本课题通过对IEC61970标准的分析，在调度自动化及信息化理论的指导下，探讨了IEC61970标准的概念和IEC61970标准对电力系统信息化一体化建设的指导意义，研究了CIM／XML导入导出的平台和工具，深入地研究了组件技术，重点研究了异构数据平台中CIS服务的实现原理与方法，建立一个基于IEC61970的标准化SCADA数据平台，使其达到了数据信息共享，而且没有信息损害和丢失。在此基础上，以南昌大学电力系统动态模拟实验室的电网仿真系统作为研究项目的具体实施对象，在该平台上进行潮流和状态估计的计算测试，并实现各个应用。具体进行的主要工作如下1、对已有SCADA系统实现信息共享、异种系统集成和二次开发而可能采取的几种方案从合理性、可行性等方面进行对比分析，选择更优的一个作为本课题的设计方案。然后对所选择的方案中需要采用的一些计算机技术进行分析研究，并选择适合本研究课题要求的技术产品。2、在对SCADA系统封装前，首先建立SCADA数据模型与CIM模型之间的映射关系，然后依照映射关系实现将SCADA系统中的数据导入导出，从而使得将其导入CIM数据库中成为可能。3、建立一个存储和管理CIM模型数据的数据库。按照CIM定义的标准，设计数据库的结构，把CIM的类包映射成数据库结构实现CIM数据库与实时数据库的双向接口，实现CIM数据库和实时数据库的数据同步和备份。4、开发基于XML的CIM导入／导出工具把CIM数据库的内容生成XML文件，把CIM模型数据以XML文件形式发布给其他系统或其他厂商使用读取其他厂商提供的CIM／XML文件，生成CIM数据库，并可以直接利用该CIM6第1章引言数据计算状态估计和潮流分析可以合并多个分区的CIM／XML文件，生成统一的CIM数据库。5、开发基于IEC61970组件接口规范CIS的通用数据存取工具，采用CDAF实现CIM的组件接口规范，为SCADA等系统提供统一的CIS服务接口。实现客户端与服务端之间CIS交互的常用服务，如DAF查询的实现、DAF事件通知的实现、数据更新同步的实现等。1．4本文的组织结构全文的主要章节安排如下第一章分析电力系统信息化发展历史、现状和发展趋势，对电力应用集成的基本状况及其相关标准的研究进展与应用情况进行简要概述第二章简单介绍IEC61970标准的产生背景，分析公共信息模型的建模思想，并对构成IEC61970公共信息模型的各个组成包的内容以及他们之间的关系作分析第三章提出总体设计方案及介绍与构建CIM模型数据库和CIS接口实现相关的一些计算机技术和方法第四章提出基于公共信息模型CIM的数据库的设计方法第五章根据IEC61970标准组件接口规范CIS，从客户端与服务端CIS交互功能的实现着手，完成数据访问接口的设计第六章测试第七章总结。7第2章IEC61970标准简介2．1概述第2章IEC61970标准简介IEC61970标准系列又称为EMS．API标准系列，共分导则、术语、CIM和两种级别的CIS五个部分，其最初的草案是接受了美国电科院控制中心API简称EPRICCAPI项目的研究成果，导则中的参考模型来源于美国EPRICCAPI的白皮书。CIM定义了覆盖各个应用的面向对象的电力系统模型，是IEC61970标准的灵魂。我国与国际接轨，对应TC57第13工作组的我国EMS_API工作组已将其翻译。CIS部分定义了API函数的规范，级别1仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术，级别2是级别l对应到CORBA和XML等具体的计算机技术的接口描述。CIS部分接受了对象管理组织objectmanagementgroup，简称OMG的成果数据访问工具dataaccessfacility，简称DAF，最近又接受了美国EPRI的通用接口定义genericinterfacedefinition，简称GID、过程控制OLE基会会OLEforprocesscontrol，简称OPC，OLE是对象嵌入和连接objectlinkingandembedding的简称，OLE后来相继发展为控件ActiveX、组件对象模型COM和DCOM，目前OPC都支持这些技术、工业系统数据采集dataacquisitionforindustrialsystems，简称DAIS以及互操作实验等成果。CIS部分变化较大，WGl3工作组还没有出全，我国EMSAPI工作组正在翻译。IEC61970标准对EMS十分重要，目前，国外是边做系统边做实验边写标准。在国内，遵循IEC61970标准的第4代SCADA／EMS呼之欲出，同时，配电自动化系统也在向标准化迈进。2．2标准组成内容及应用1、IEC61970系列标准包括下列部分令第l部分导则和一般要求◆第2部分术语表8第2章IEC61970标准简介◆第3xx部分公用信息模型CIM语义◆第4xx部分组件接口规范CIS，级别1语法1◆第5xx部分组件接口规范CIS，级别2语法22、目前的标准化文档，主要包括◆IEC61970．1，EMS．API第1部分导则和一般要求◆IEC61970．2，EMS．API第2部分术语表◆IEC6，EMS．API第301部分公用信息模型CIM基本部分◆IEC6，EMS．API第302部分公用信息模型CIM财务、能量计划和预定部分◆IEC6，EMS．API第303部分公用信息模型CIMSCADA部分令IEC6，EMS．API第401部分组件接口规范CIS框架部分◆IEC6，EMS．API第402部分组件接口规范CIS公用数据接口工具部分◆IEC6，EMS．API第403部分组件接口规范CISSCADA部分夺IEC6，第501部分CIMRDF概要3、标准应用IEC61970支持的应用十分广泛，十分适合于电力信息集成和新信息系统的研发，是电力信息集成新技术体系的核心技术，应用主要有◆数据采集与监控SCADA◆警报处理AlarmProcessing◆拓扑分析TopologyProcessing令网络分析应用NetworkApplications◆负荷管理LoadManagement夺发电控制GenerationContr01◆负荷预报LoadForecast夺能量／输电计划Energy／TransmissionScheduling◆会计结算AccountingSettlements◆设备检修计划MaintenanceScheduling夺输电资源管理TransmissionResourceManagement9第2章IEC61970标准简介◆历史存档Archive夺设备数据定义EquipmentDataDefinition夺通用用户接口GenericUserInterface冷动态仿真DynamicSimulation令调度员培训仿真DispatcherTrainingSimulator夺外部系统Externalsystems例如，气象系统等夺资产管理AssetManagement夺配电管理系统DistributionManagementSystem令客户信息管理系统CustomerInformationSystem夺管理信息系统ManagementInformationSystem2．3公共信息模型CIM2．3．1概述电力系统是一个涵盖发电、输电、配电、售电各个环节，包括发电机、断路器、输电线路、用电设备等各类电气设备，涉及到电力公司、发电公司、代理商、市场运营方、监管方、大用户及零售用户各方面，实行实时闭环控制的复杂系统。对这样一个系统的应用组件一般需要详细的模型包括测量、网络拓扑联接、设备特性等。而CIM提供了这样的模型，并为这些应用组件给出了电力系统的复杂逻辑视图和提供了一种用对象类和属性及他们之间的关系来表示电力系统资源的标准方法。为了便于管理复杂的整个CIM，其开发者把CIM中的类组织为多个包Package151。为此包含在CIM中的对象类分成了几个逻辑包，每个逻辑包代表整个电力系统模型的某个部分。这些包的集合发展成为独立的国际标准。IEC61970的这一部分规定了包的基本集合，提供了电力企业内部各应用共享的EMS信息的物理方面的逻辑视图。其他标准规定了某些特定应用所需的模型的特殊部分。从1998年4月开始，CCAPI发布cimu07a．mdl，开始采用面向对象统一建模语言UML来描绘CIM，在UML中，现实世界实体的类型被定义为类，实体类型的性质被定义为类的属性，实体类型之间的关系用类之间的关系10第2章IEC61970标准简介来描述，包括继承、关联、聚集。CCAPI采用RationalRose作为编辑与维护CIM模型的工具，可以在rationalRose环境中通过图形化的导航界面方便地查看CIM规范的所有内容【141。2．3．2CIM建模表示法CIM中的每一个包包含一个或多个类图，用图形方式展示该包中的所有类及它们的关系。然后根据类的属性及与其它类的关系，用文字形式定义各个类。图2．1列出了CIM模型的13个类包目目7目1目q一一一一一一仨Meast一一一一一一一一再SCADA宙国I图2．1CIM类包之间的关系其中●Core核心这个包包含14个类，包含核心PowerSystemResource电力系统资源和ConductingEquipment导电设备实体，这些实体被所有的应用程序及这些实体的公共集合所共享。并不是所有的应用程序需要所有的Core实体。这个包不依赖于任何其他的包，但是其他包中的大部分具有依赖于本包的关联和一般化。■SCADASCADA包包含13个类，包含了用于SCADA的建模信息的实体。第2章IEC61970标准简介2．3．3CIM类及其之间的关系在CIM建模的过程中，每一个CIM包的类图展示了该包中的所有的类及它们的关系。在与其它包中的类存在关系时，这些类也展示出来，而且标以表明其所属的包的符号。类与对象所建模的正是电力系统中需要以一种对各种EMS应用通用的方法来描绘的东西。一个类是对现实世界中发现的一种对象的表示，例如在EMS中需要表示为整个电力系统模型的一部分的变压器、发电机或负荷。其它类型的对象包括诸如EMS应用需要处理、分析与储存的计划与量测。这些对象需要一种通用的表示，以达到EMS．API标准的插入兼容和互操作的目的。在电力系统中具有唯一身份的一个具体对象则被建模成它所属类的一个实例。在描述类之间的关系中，CIM主要有三种。2．3．3．1一般化继承一般化是一个较一般的类与一个更具体的类之间的一种关系。比如，电力变压器类PowerTransfornler是电力系统资源类PowerSystemResource的一种具体类型。更具体的类仅能够包含更多的信息。通过一般化，更具体化的类可以从上层的更一般化的类继承所有的属性和关系【l51。例如子类SynchrocheckRelay不仅包含本身的属性MaxAngleDiff,MaxFreqDiff等，还包括从父类ProtectionEquipment继承下来的属性，如ProtectionEquipmentlrelayDelayTime，ProtectionEquipment1highLimit等。图2．2是一般化的一个例子。此例取自Wires包，Breaker是Switch的更为具体的类型，Switch又是ConductingEqupment的更为具体的类型，而ConductingEquipment本身又是PowerSystemResource的更为具体的类型。PowerTransfornler是PowerSystemResource的另一个具体类型。12第2章IEC61970标准简介图2．2一股化的例子2．3．3．2简单关联关联是类之间的一种概念上的联系。每一种关联都有两个作用role。每一个作用指关联中的一种方向，描述了在目标类与源类的关联中，目标类的作用【171。作用给定为目标类的名字，可以带或不带动词。每个作用还有重数／基数，用来表示有多少对象可以参加到给定的关系中。在CIM中，关系是没有命名的。例如，图2．3中显示了分接头调节器类TapChanger和调节计划类RegulationSchedule之间存在的简单关联。对象关联重数则显示在关联的两端，如图中，一个分接头调节器TapChanger可以有0个或1个调节计划RegulationSchudule，而一个调节计划RegulationSchudule可以属于0个、1个或多个分接头调节器对象TapChanger。图2．3简单关联的例子2．3．3．3聚集聚集是关联关系的一个特例。聚集关系指明类之间的关系是整体和局部的关系。整体的类由局部的类组成，或整体的类包含局部的类，局部的类13三第2章IEC61970标准简介是整体的类的一部分【】。局部类不像一般化，局部类并不从整体类继承。图2．4说明了拓扑岛类Topologicallsland与拓扑节点TopologicalNode之间的聚集关系，它取自拓扑包Topology。如图所示，一个拓扑节点TopologicalNode只能是一个拓扑岛Topologicallsland的一个成员，但是一个拓扑岛Topologicallsland却能包括任意个但至少一个拓扑节点TopologicalNode。2．3．4CIM模型的优点图2．4聚集的例子具体优点表现在以下几个方面1CIM用元数据而不是数据库来抽象电力系统资源。2CIM将电力系统资源划分到各个包里，详细描述了各个资源的继承属性和特有属性，以及资源之间的关联、聚集等相互关系。3CIM包含电力企业生产和管理中涉及的主要电力资源对象，是一个采用面向对象方式描述的、经过高度抽象的、以继承关系为主线并包含诸多关系的大型分层网状模型CIM的表现形式符合人们认识客观世界的习惯，适应于面向对象系统开发过程中的需求分析、编程编码、系统测试等软件工程的各个阶段可以在其基础上对各种具有静态结构和动态行为的电力企业应用进行业务建模，使应用系统更符合实际需要，提高了应用系统自身的扩展性和灵活性。4CIM还提供了扩展的可能，应用系统遵从CIM并不意味也不需要其数据库结构与CIM的原始类图完全一样，而且也不意味着支持CIM的所有方面，允许根据系统自身需要、区域具体情况等因素对CIM扩展¨刚。5尽管CIM最初是为电力系统EMS服务的，但是，CIM的使用远远超出了其在电力系统EMS中的应用范围。应当将这个模型理解为一种能够在所有相关领域进行集成的工具，只要该领域需要一种公共电力系统模型【8J，这样就便于在同构或异构质的应用及系统之间实现互联运行和兼容插入，而与任何具体应用无关。14毫第2章IEC61970标准简介2．4组件接口规范CIS2．4．1概述组件接口规范ComponentInterfaceSpecification，CIS是在CIM基础上定义的，规定组件或应用程序为了能够以一种标准方式和其它的组件或应用程序交换信息和／或访问公开数据而应该实现的各种接口。这些组件接口描述可以被应用程序用于这一目的的特定的事件、方法和属性【l_71。IEC61970标准的目的是通过开发组件接口标准来鼓励独立开发可重用的软件组件并促进它们在构造电力信息系统的集成。软件行业，包括SCADA应用程序供应者和主要的能量管理系统厂商，都已经经历了从基于顶到底模块软件设计的软件工程概念到面向对象方法再到使用基于组件的体系结构的最新的改进这样的进化。由公用对象请求代理体系结构CORBACommonObjectRequestBrokerArchitecture、企业Java组件EJBEnterpriseJavaBeans和分布式组件对象模型DCOMDistributedComponentObjectModel所倡导的组件模型是这一趋势的最好的例证。CIS的目的是规定一些接口，组件应用程序或系统要用这些接口来促进和其它独立开发的组件应用程序或系统的集成。虽然为了帮助定义必须转换的信息类型，把一些典型的应用程序和组件看成是IEC61970标准的一部分，但是，其目的并不是要定义组件本身。组件厂商应该能够自由地把组件接口的不同汇集包装到各个组件包里而不会违背IEC61970标准。2．4．2文档内容IEC61970标准中的CIS相关内容都在4xx和5xx中。CIS标准文档由两个级别组成级别1仅对接口做一般性描述，不涉及具体的计算机技术，401是CIS的总体框架说明，402之后与原来的计划的目录变化较大，其余的内容包括非实时的数据访问CDA用OMG的DAF和CCAPI的GIDCDA，实时数据的访问用OPC的OPCDA快速数据访问，历史数据用OPC的OPCHAD访问历史数据，其他的CIS还包括互操作实验的成果即模型交换模型合并、更新等，以及针对各个应用的CIS级别2将CIS映射到CORBA15第2章IEC61970标准简介和XML等具体的计算机技术，501是CIM模型从UML转换成XMLRDF格式，用于模型的语法校验，502是CDA映射到CORBA，503是互操作实验的CIM／XML数据交换格式。2．4．3数据访问设施DAF数据访问设施DAF是OMG发布的国际标准。它组成了IEC61970标准中402部分的主要内容。其目标是提高EMS应用与其它系统、应用协同工作的能力。该规范用于访问以CIM模型建设的公共数据，为不同的供应商提供了一种使用公共应用程序接口API和公共服务的机制。DAF主要包括了DAFDescriptions、DAFQuery、DAFIdentifiers和DAFEvents等模块。各模块的依赖关系如图2．5所示。图2．5DAF模块之间依赖关系图其中CosNaming和CosEventChannelAdmin是CORBA的通用服务IDL。DAF中的常用的几个模块简单介绍如下1DAFIdentifiersResourcelDService接口该接口主要提供资源标识ResourcelD和统一资源标识UⅪ相互转化的服务，并提供如下方法getresourceids该方法用于将统一资源标识转化为服务端内部资源标识。get该方法用于将服务端内部的资源标识转化为统一资源标识。16第2章IEC61970标准简介2DAFQueryResoureeQueryService接口该接El是DAF的核心部分，主要提供基本的资源查询服务，并提供如下方法getvalues该方法用于查询某一条记录的若干字段值。getextentvalues该方法用于查询某一张表的所有记录的若干字段值。getrelatedvalues该方法用于查询与某一条记录的某个字段相关联的记录的若干字段值。getdescendentvalues该方法从源记录序列出发，通过关联序列的导航，查询与该关联序列相关的所有记录的若干个字段值。主要用于负责查询，以提高查询效率。3DAFEventsResourceEventSource接口服务端在数据变化后，利用CORBA提供的事件服务，向连入事件通道的所有客户发出数据已更新的事件通知。该接口主要供用户连入CORBA提供的事件通道，并提供如下方法obtain该方法用于将用户连入事件通道，以接受服务器的更新事件．pu通sh知．s。uppliercurrentversion该方法用于获取服务端所维护数据的当前版本。2．4．4通用数据访问GDA由于DAF只定义了数据读取访问的简单接口，不能完全满足即插即用的应用软件的需要。因此IEC61970标准的403部分通用数据访问GeneticDataAccess对标准的第402部分进行了一定的扩展。加入了写接口和条件查询，进一步满足了实际应用的需求。另外，结合402部分的公共服务，GDA为来自独立提供方、访问CIM数据的应用程序提供了一个通用的面向请求／应答的数据访问机制【9】。这个规范提供了一个简单明了的API来满足当前和未来应用程序的功能需求避免不必要的复杂性以及不要求任何特定的数据库技术来实现。为了满足这些目标，GDA需求被分为三种◆读访问●写访问●改变通知事件17第2章IEC61970标准简介2．4．4．1GDA读访问IEC61970描述了GDA读访问的两种形式。第一种是初始在OMG中标准化为电力部门管理系统UMS数据访问工具DAF，它为客户提供了一个查询实例和元数据的基本能力。第二种是对UMSDAF的扩展，它为客户提供了一种更高级的能力，使客户能够对查询增加过滤【l0|。1GDA资源查询接口。无过滤条件的读访问完全重用DAF的查询服务，读取实例和元数据。接口操作为DAFQuery_ResourceQueryServiceget_values、DAFQuery_ResourceQueryServiceget_extent_values0、DAFQuery_ResourceQueryServiceget_descendent_values0。2GDA过滤查询接口。有过滤条件的读访问是对查询服务增加了where语句，将结果集中的属性与预先给定的值进行比较。接口操作为GDAFilteredQueryget_filtered_extent_values0、GDAFilteredQueryget_filtered_related_values0、GDAFileredQueryget_filtered_descendent_values0。2．4．4．2GDA写访问GDA写访问模块通过提供对元数据和实例数据的写访问扩展了GDA读访问模块。并提供如下功能①一个或多个对象或属性值的更新②控制对象生命周期、创建或销毁对象，包括将UⅪ关联到资源上，或取消URI与资源的关联⑧创建、删除和更新元数据定义。GDA中扩展的常用接口有1GDAFilteredQueryFilteredResourceQueryService接口该接口中的每个方法相对于DAFQueryResourceQueryService接口的方法都增加了一个过滤器参数，用来对查询结果进行过滤。提供如下方法getfilteredextentvalues该方法用于查询某一张表的所有记录的若干字段值，并按过滤器参数对查询结果进行过滤。getfilteredrelatedvalues该方法用于查询与某一条记录的某个字段相关联的记录的若干字段值，并按过滤器参数对查询结果进行过滤。getfiltereddescendentvalues该方法从源记录出发，通过关联序列的导航，查询与该关联序列相关的所有记录的若干个字段值，并按过滤器参数对查询结果进行逐级过滤。18第2章IEC61970标准简介2CSIdentitiersExtendedResourceIDService接口该接口是对DAFIdentifiersResourcelDService的扩展，补充了按视图名获取URI及创建资源标识两个方法，具体描述如下get该方法用于将服务端内部的资源标识转化为统一资源标识符，该转化．u可ris能。因视图的不同而得到不同的转化结果。createresourceids该方法用于向服务端申请新的资源标识，以用于新增加的记录。3DAFUpdateResourceUpdateService接口该接口用于实现数据的写操作，包括记录的插入、更新和删除。下面的类图显示了该接口服务及它的相关结构。DiffbPenceModelResourceUpdateServiceheadercreateresource_idsOpreconditionsapply_updatesOforwardDiffefencesreverseDif．ferences其中apply_updates方法通过向服务端提交DifferenceModel结构，进行模型的增删或修改。其中，DifferenceModel．reverseDifferences描述模型更改前的信息，DifferenceModel．forwardDifferences描述模型更改后的信息。2．4．4．3GDA事件GDA事件将DAF事件扩展为一种更强大的机制，GDA事件包提供了通知客户特定数据的改变的方法，这就确保了数据访问的一致性【8】。GDA事件允许对象实例的ResourcelD嵌在事件中，Callback接口允许客户接受更新。常用接口有1GDAEventsCallback接口该接口在客户端实现，用于服务端的回调，以通知客户端模型己更新。提供如下方法onevent该方法由服务端调用，通过传入的ResourceChangeEvent结构参数通知客户端模型更新的详细信息。2GDAEventsRegisterService接口根据IEC6的描述，GDAEvents缺少一个客户端向服务端注册的接口。根据国内第五次互操作实验的讨论结果，决定暂时对现有标准进行扩充，增加该接口。提供如下方法19第2章IEC61970标准简介register该方法用于客户端往服务端注册回调对象GDAEventsCallback。unregister该方法用于客户端往服务端取消已注册的回调对象。2．4．5高速数据访问HSDA高速数据访问接口Hi曲SpeedDataAccess，简称HSDA的意图是支持从一个EMS到该EMS内外广泛类型客户的大数量数据的有效实时传输。该APl支持数据发现和数据值访问。这个API预期用于在线数据传输，但不支持数据对象的配置，即不支持数据对象的增加与删除【11I。HSDA主要引用国际对象管理组织ObjectManagementGroup，简称OMG的工业系统数据访问规范DataAcquisitionfromIndustrialSystemsSpecification，简称DAIS中的数据访问即DataAccess部分来作为自己的标准。在介绍HSDA的常用接口前，先介绍常用的四个名词Type、Property、Node和Item，其含义如表2．1所示，关系如图2．6所示。图2．6HSDA常用数据结构20第2章IEC61970标准简介表2．1HSDA常用名词含义名词含义Type类，即ClassProperty类的属性包括类之间的关联Node表的记录Item记录的字段在介绍HSDA的常用接口前，先介绍常用的四个名词Type、Property、Node和Item，其含义如表2．1所示，关系如图2．6所示。HSDA有下列主要的API类型●浏览●数据访问。其中数据访问APl支持●同步与异步读●同步与异步写●订阅。DAIS数据访问API中所有的数据都是以结构方式定义的。每一个结构包含了定义交换数据的若干成员。其中，用来从服务端向客户端传递数据的主要结构是DAISDataAccessIOItemStateDAISTypeDescriptionDAISDataAccessItemDescriptionDAISPropertyDescription用于数据浏览的API．DAISTypeHomeCIM类型浏览接口，展示CIM的元数据，如Substation、voltageLevel等。DAISPropertyHome__CIM类属性浏览接口，展示CIM的元数据，如Measurement．maxValue、Naming．name等。DAISNodeHome展示实际对象的层次结构。DAISDataAccessItemHome展示CIM类对象的属性值。用于数据访问的API，支持对象属性的访问DAISDataAccessGroupManager订阅数据。21第2章IEC61970标准简介DAISDataAccessIOSynclO初始化同步数据传送。DAISDataAccessIOAsynclO初始化异步数据传送。DAISDataAccessSimplelO简单方式读写数据。DAISDataAccessIOCallback一一为了满足异步调用和订阅的要求，由DAIS客户端实现，DAIS服务器调用。另外，从服务端传递到客户端的数据使用DAISDataAccessIOItemState结构来存储。2．5本章小结本章从整体上简单介绍了IEC61970标准，并分别阐述了公共信息模型CIM的内容、优点、建模表示法，以及组件接口规范的内容及其三个组成部分。CIM是用来抽象电力系统资源的一种元数据。它通过提供一种用对象类和属性及他们之间的关系继承、关联、聚集来表示电力系统资源的标准方法，实现了组件的即插即用。CIS通过DAF、GDA、HSDA等提供的接口，使组件应用程序或系统能用这些接口来促进与其它独立开发的组件或系统实现集成。22第3章方案设计及相关技术分析3．1设计方案第3章方案设计及相关技术分析为实现在现有的SCADA系统基础上，通过利用先进的IT技术，将一个电力企业不同时期、不同厂商建设的独立应用系统有机地联系起来，并实现信息的高度共享和彻底解决信息孤岛的问题。国内外已经进行了比较多的研究，主要方案有两类1对原数据库不做改动，直接建立一个CIM数据库，原数据库与CIM数据库之间通过CIM／XML技术形成映射关系。这种做法把CIM用做外部接口标准，是一个外模型，内部系统仍沿用原来的私有模型，系统改动较少，这为一个己经运行SCADA／EMS系统的电力企业在完成系统数据的整合，提高软件的重用率，保护已有的投资和实现第三方接入方面有很大的优势。这类方案中，关键是建立一个怎样的CIM数据库和利用什么样的技术映射，使其能更方便、迅速的与原数据库之间进行数据交互。大部分文献中建立的CIM数据库都是采用面向对象与关系或层次等技术结合的数据模型【18圳】，无形中增加了设计的技术难度。如文献【20】中，基于IEC61970的CIM数据库是建立在提供面向关系、面向对象、面向层次的三位一体数据库上的。其主要用于CIM模型数据的管理和维护，并负责对数据进行校验，以保证数据的完整性。这个方案的优点是可以轻松的与以不同数据模型建立的并已经投入运行的原数据库之间轻松的实现数据交互缺点是，对同一电力设备可分别用上述3种数据模型描述相同物理含义的属性，使得对CIM数据库的设计工作量和复杂程度变大。所以，今后对CIM数据库设计应完全采用符合未来技术的发展方向的面向对象模型技术。2放弃原有数据库并将其彻底改造为基于CIM结构的面向对象的组件。这类方案在重新建立CIM中采用面向对象数据模型，可直接定义CIM中的类。这种做法的优点是实时数据库可直接映射CIM，实时性好，容易表达CIM中的继承等面向对象特性，对CIM版本变化的适应性也较好缺点是不能兼容原有系统的应用软件，从而投资大并且完全开发面向对象的数据库管理系统比较复杂。针对23第3章方案设计及相关技术分析目前系统改造还只是在初期阶段，原有系统应用软件很多，许多经过长期运行证明是可靠和高效的，不可能全部推翻重来，所以这类方案不适应。综合上面所述两种方案的优缺点，本课题将参考第一个方案在保留原有数据库的基础上，采用面向对象的实时数据库方案。所采取的这种设计方案中主要有两部分工作1、基于IEC61970标准的CIM模型，对保留的原数据库进行技术封装。即将现有SCADA系统数据模型与CIM模型映射并以此为依据编程实现即有数据库中的数据以CIM／XML类型文档导出或将CIM／XML文件导入即有数据库中，如图3．1中上半部分所示。从而使其与其它应用或系统之间方便快速进行数据交换成为可能。2、基于CIS规范并利用中间件技术，实现新建好的SCADA系统CIM数据库与其他应用或系统之间数据和信息的共享，如图3．1。SCADA／EMS系鸶允㈨一SCADA／CIM／XMLCIMEMS数刀卜＼数据库据库＼数据映射∥一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一3f一一规范蜒基于coRBA中间件技术的集成总线④规范炒规范痧规范{}j}{}其他系统或客户等DMS系统ooo组件图3．1设计方案图从图3．1中可以看出，在实现设计方案时将利用许多计算机技术，如数据库技术、CORBA中间件技术、可扩展标记语言XML等。在具体实现方案之前，下面将先对相关技术进行分析比较。3．2数据库技术数据库技术从上世纪60年代末期产生到今天不到四十年的历史。其发展数第3章方案设计及相关技术分析度之快，使用范围之广是其他技术所远不能及的。短短四十年不到已从第一代的网状，层次数据库，第二代的关系数据库系统，发展到第三代以面向对象模型为主要特征的数据库系统。数据库技术与网络通信技术、人工智能技术、面向对象程序设计技术、并行计算技术等互相渗透、互相结合，成为当前数据库技术发展的主要特征2223】。3．2．1实时数据库虽然在处理永久性数据上传统的数据库有很大的优势，但在实际应用中，一些特殊应用的数据库技术却满足不了，比如电话交换、电力系统、证券交易等，这些应用要求在一定的时间内收集数据，并要求及时作出响应，这种应用的另一特点是它们包含了短暂数据的处理，这种数据只在一定的时间范围内有效，且需要进行快速的交换，过时则无意义了。因此，引入了实时数据库系统RealTimeDatabaseSystem，简称RTDB124J。实时数据库的一个重要特性就是实时性，包括数据实时性和事务实时性【25。。数据实时性是现场IO数据的更新周期，作为实时数据库，不能不考虑数据实时性。一般数据的实时性主要受现场设备的制约，特别是对于一些比较老的系统而言，情况更是这样。事务实时性是指数据库对其事务处理的速度。它可以是事件触发方式或定时触发方式。事件触发是该事件一旦发生可以立刻获得调度，这类事件可以得到立即处理，但是比较消耗系统资源而定时触发是在一定时间范围内获得调度权。作为一个完整的实时数据库，从系统的稳定性和实时性而言，必须同时提供两种调度方式。在电力系统的各种应用软件中，电网仿真系统在电力系统计算方面对实时性的要求非常的高，需要各个模块相互协调进行仿真计算，模拟现场发生的各种运行、故障、调度方式。仿真系统的主要处理对象就是非常庞大的电力系统的实时变化的数据，这些数据不仅数据量非常大，而且交互频繁。为此，实时数据库系统采用了共享内存机制，在共享内存里完成数据的共享和传递，达到了很好的实时效果。实时数据库系统很好地满足了实时响应的需要，但是一般的实时数据库系统缺乏离线数据的管理和事务处理等功能，在数据量越来越大，数据内容越来越丰富，应用系统对数据库功能需求越来越高的情况下，这些弊端日渐影响实25第3章方案设计及相关技术分析时库的应用。3．2．2面向对象数据库面向对象数据库系统OODBS，ObjectOrientedDataBaseSystem是数据库技术与面向对象设计方法结合的产物【261，使得数据库系统的分析、设计最大程度地与人们对客观世界的认识相一致。另一方面它能解决传统关系型数据库不能很好解决的诸如声音、图像、复合文件、地理信息等数据的存取问题。面向对象数据库的产生主要是为了解决阻抗失配，它强调高级程序设计与数据库的无缝连接。即一个程序可以不需要或基本不需要任何改动就将它作用于数据库，即你可以用C语言透明访问数据库，就好像数据库根本不存在一样，所以也有人把面向对象数据库理解为语言的持久化。由于实现了无缝连接，使得面向对象数据库能支持非常复杂的数据模型，从而特别适用于工程设计领域。比如CAD中的一个复杂部件，它可能由成千上万个不同的零件组成，用关系模型中的表来表达几乎是不可能的，而描述这种复杂的部件，正好是高级程序设计语言的强项。此外，面向对象数据库还吸收了面向对象程序设计语言的思想，如支持类、方法、继承等概念。面向对象数据库很好地解决了阻抗失配的问题，但它也有缺点。它的缺点J下好是关系数据库的强项由于模型较为复杂，而且缺乏数学基础，使得很多管理系统功能难以实现，也不具备SQL处理集合数据的强大能力。3．2．3数据库平台选择CIS服务要求所采用的数据库首先必需反映迅速，存取速度快其次要有较强的可维护性，以适应标准的升级。CIM模型采用面向对象技术构建，用层次模型来实现对象的存储会遇到很多困难。如能构建面向对象的实时数据库，将避免模型之间的映射，大大降低CIM模型构建的复杂度，减少出错的可能性，同时也可增强其可维护性。经过细致的比较研究，采用开放源代码的面向对象的实时数据库FastDB。FastDB利用C／C实现，支持SQL查询、W曲页面查询、XML数据文件的导入和导出、事务处理、在线备份与自动恢复等多种功能，可运行于Win32／Unix／Linux等多种操作系统平台上。另外，由于其支持各种面向对象的
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