CIM_CIS互操作细则在多级电网调度中的应用
CIM/ CIS 互操作细则在多级电网调度中的应用
谢善益1 , 梁成辉2 , 高新华1 , 范 颖1 , 周伊琳1 , 高 雅1
(1. 广东电网公司电力科学研究院 , 广东省广州市 510600 ; 2. 山东大学威海分校信息工程学院 , 山东省威海市 264209)
摘要 : IEC 61970/ IEC 61968 系列标准的制定为电网调度自动化系统之间的互操作提供了标准。
给出了基于 IEC 61970/ IEC 61968 制定的公共信息模型 (CIM) / 组件接口规范 (CIS) 互操作细则 ,
包括明确规定系统间交换涉及的模式、使用的接口方法和涵盖图元细化定义的图形交换规范 ,以及
基于互操作细则的调度自动化模型互导、拆分和合并。细则的定义消除了标准应用的理解偏差 ,其
有效实施对电网调度自动化系统的建设、维护和升级 ,以及各级电网调度自动化系统模型共享、信
息共用起到促进作用。
关键词 : 电网调度 ; 公共信息模型(CIM) ; 组件接口规范(CIS) ; 互操作细则 ; IEC 61970
中图分类号 : TM734
收稿日期 : 2008207218 ; 修回日期 : 2008209203。
0 引言
IEC 61970/ IEC 61968 标准的公共信息模型
(CIM) [1] 定义了电力应用系统信息传输的语义 ;组
件接口规范(CIS) [2 ] 定义了信息传输的语法。对于
电网公司而言 ,应用 CIM 和 CIS 的意义在于逐步消
除信息孤岛 ,使得电网公司内各系统之间的信息能
够以确定的含义、确定的方式顺畅地交换。消除信
息孤岛要求新建系统能直接遵从标准 ,并逐渐改造
已有系统使之适应标准。
电网公司内的系统间信息交换分为横向交换和
纵向交换两大类。横向交换是指管理层级相同的不
同系统之间进行的信息交换 ,如地区分公司内调度
自动化系统与配电自动化系统、生产管理系统的信
息交换 ;纵向交换是指公司内几个层级的同类型系
统之间的信息交换 ,如省公司、各地区分公司、各县
分公司调度自动化系统之间的信息交换。
不论是横向交换还是纵向交换 ,特定系统能否
通过标准规定的接口提供符合 CIM 的数据 ,以及图
形从风格到内容完全兼容 ,都是系统间信息交换能
否成功的关键。CIM/ CIS 互操作细则研究包括 :裁
制特定系统的系统模式 ,即信息交换模型 ( IEM) ;规
定系统必须实现的组件接口 ;定义与模型、数据交换
密切相关的图形交换规范。在互操作细则基础上研
究模型拆分、合并 ,可以将标准应用实用化。
1 调度自动化系统 CIM/ CIS 互操作细则
从调度自动化系统处理的信息考虑 ,调度自动
化系统 CIM/ CIS 互操作细则需要定义的内容包括
调度自动化系统的 CIM 子集、调度自动化系统的
CIS 和图形交换规范。
1. 1 调度自动化 CIM
CIM 由类、类的属性和类之间的关联组成。定
义面向特定系统的 CIM 子集就是针对特殊的应用
限制所使用的 CIM 类、类的属性和类之间的关联。
例如 ,强化对关联重数的限制 ,如果 CIM 本身允许
某个关联作用的重数为 0 ,1 , ?, n ,子集则可以不允
许其为 0 ,只允许 1 ,2 , ?,n ;或者 ,只允许为 0 ,即不
允许使用这一关联。也可以对属性合法值加以限
制。
为了在数据交换时能有效地进行信息沟通 ,严
格定义调度自动化 CIM ,即调度自动化系统信息交
换所需的 CIM 类、类属性、作用。在 CIS 基础上传
递对象数据或基于可扩展置标语言 ( XML) 文件传
输时 ,须遵从调度自动化 CIM 的模式定义。
1. 1. 1 描述方式
CIM 是面向对象方式描述 ,因此 ,调度自动化
CIM 主要是定义类、性质(属性和作用) 以及类与类
之间的关系。
使用如下的格式描述类[3 ] :
< 类名 >
固有属性
< 属性名 > ( < 属性数据类型 > )
属性继承自 < 抽象类 >
< 属性名 > ( < 属性数据类型 > )
固有作用
< 关联作用名 > ( < 关联的类名字 > )
—301—
第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
作用继承自 < 抽象类 >
< 关联作用名 > ( < 关联的类名字 > )
[说明]
其中 :类名 = 交换语境中 CIM 类的名字 ;属性名 =
交换语境中的 CIM 属性名字 ;属性数据类型 = CIM
中为当前属性定义的数据类型 ;关联作用名 = 当前
类在指定关联中的作用名 ;关联的类名 = 当前类通
过关联引用的类的名字。
1. 1. 2 模型内容
调度 自 动 化 CIM 参 照 公 共 电 力 系 统 模 型
(CPSM) [4 ] 定义 ,考虑到终端设备的网络化趋势以
及灾备情况下异地、跨级别调度的可能性 ,调度自动
化 CIM 在 CPSM 基 础 上 补 充 数 据 采 集 与 监 控
(SCADA) 部分模型描述。
1. 2 调度自动化系统 CIS
CIS 规定了应用软件访问数据的标准接口。调
度自动化系统 CIS 使用的中间件系统为对象管理
组织 ( OM G) 的 通 用 对 象 请 求 代 理 体 系 结 构
(CORBA) 。
调度自动化系统 CIS 在 IEC 61970 标准 CIS 基
础上特化 ,包括用于电网模型数据访问的通用数据
访问( GDA) [5 ] 、实时数据访问使用的高速数据访问
( HSDA) [6] 、事件和报警处理所需的通用事件和订
阅( GES) [7 ] 以及报表和历史信息处理需要使用的时
间序列数据访问( TSDA) [8] 。
1) GDA 接口
GDA 接口提供的服务主要包括资源标识服务、
资源查询服务(含过滤查询) 、资源更新服务、事件服
务。由于实际运行的系统很少直接更新另外的系
统 ,并且从安全角度出发 ,大多数系统可以提供数
据 ,但一般不允许其他系统更新 ,因此 ,调度自动化
系统 CIS 中对数据读取涉及的资源标识、资源查询
和事件(通知) 服务提出强制要求 ,但允许资源更新
服务不对其他系统开放。
2) HSDA 接口
HSDA 接口规范定义了高效交换数据的一个
通用 接 口。需 要 经 由 标 准 接 口 进 行 HSDA , 则
HSDA 接口涉及的服务器和会话接口、浏览接口、
组管理接口、客户接口都是必须的 ,同步、异步写操
作由服务器实现者决定是否支持。
3) GES 接口
GES 接口给出了高效的事件信息交换的一般
化接口。GES 涉及的服务器和会话接口、浏览接
口、客户接口对于传输事件和订阅信息是必须的 ,相
关的软件模块必须支持。
4) TSDA 接口
TSDA 接口提供一种标准、高效的 TSDA 方
式。该接口由调度自动化系统的报表、人机界面等
模块使用。TSDA 接口支 持 订 阅 和 读/ 写 操 作。
TSDA 接口细则包括服务器和会话接口、管理接口、
浏览接口、IO 接口、客户接口 ,其中读接口服务器必
须完全支持 ,写接口可选。
1. 3 调度自动化系统图形交换规范
基于 CIM 和 CIS 建设的调度自动化系统 ,在对
象具有唯一有效标识 (使用确定的唯一资源标识符
(URI) ) 后 ,系统间的模型、对象属性数据几乎可以
无障碍地传输。此时 ,用于人机界面的图形能否有
效交换成为是否可以减低维护工作量、复用信息的
关键。
为了使在系统间交换的图形能被图形处理客户
端识别从而减少应用集成的工作量 ,定义电网调度
自 动 化 系 统 图 形 交 换 规 范。图 形 格 式 采 用
IEC 619702453[9 ] 推荐的可缩放矢量图形 (SV G) 格
式。
图形交换建立在电网模型以 CIM 描述的基础
上 ,因此 ,图形文件中图元对应的领域对象及其属性
必须基于 CIM 定义。图形交换规范涉及调度自动
化系统中广泛使用的单线图 (包括地理结线图和厂
站单线图等) ,规范的重点在于图符绘制方法的定义
和图元附加 CIM 元数据(Metadata) 的方式。
1. 3. 1 图符定义及引用
电力系统对象在单线图中显示时都有一定样式
的表示方法 ,如断路器通常定义成矩形的隔离开关
定义为菱形和小车形状等。直接在 SV G 格式每次
重复定义图符的各个属性 ,对图形交换和访问的效
率影响较大。可通过定义图符方式对经常使用的对
象进行预定义 ,例如断路器定义如下 :
< defs >
< symbol id = "Breaker" viewBox = " - 40 - 40 81 81" >
< line x1 = "0" y1 = " - 30" x2 = "0" y2 = " - 20"
stroke2width = "1"/ >
< path d = "M - 7 - 20 L7 - 20 L7 20 L - 7 20 L - 7 -
20 z" stroke2width = "1" fill = "none"/ >
< line x1 = "0" y1 = "30" x2 = "0" y2 = "20" stroke2
width = "1"/ >
< / symbol >
< / defs >
在定义样式和图符后 ,图形描述中使用 use 引
用。确定的图符定义可以减小图形互操作中信息不
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匹配情况发生的概率。
1. 3. 2 调度自动化系统图符
在调度自动化系统中 ,需要用图符表示的电力
系统资源主要是在 CIM 子集的电线包中描述的类。
根据图符的形状结合 CIM 类名及图符标识的状态
信息(如开、合等) 确定细化的图符标识 ,如菱形隔离
开关图符由 DiamondDis 和 RoundDisClose 分别表
示菱形隔离开关的分、合状态。
图符还包括量测值显示使用的符号。母线、线
路等直接用 SV G 的 line 或 path 或 rect 图元实现。
用 SV G 的 path 和 rect 等图元描述电压等级
区、间隔等。
1. 3. 3 图符坐标约定
一个图符中通常包括几个具有确定的相对位置
关系的基本图形 ,也可以在图符中引用其他图符。
为使通过图符绘制的图形能在线型上保持一致 ,所
有的图符采用固定的视界 (viewBox) ,同时 ,为便于
旋转和缩放 ,定义图形中心为图符的原点(0 ,0) 。
依据上述原则 ,图符上出现的可用的绘图连接
点(部件的端点) 在图形定义中往往具有横轴零坐标
或纵轴零坐标 ( x = 0 或 y = 0) ,如图 1 中矩形符号
断路器图符所示。
图 1 图符定义示例
Fig. 1 Example of graphic symbol definition
对于非对称图形的图符 ,依然按照双轴中心为
原点的方式定义 ,见图 1 中的普通隔离开关图符定
义。其他图符采用同样的处理原则。
1. 3. 4 与领域数据的关联
图形与领域数据关联采用元数据方式 :
< g id = "Breaker21" transform = "translate(40 ,160) " >
< use x = " - 40" y = " - 40" fill = " red" width = "81"
height = "81" xlink :href = " # Breaker"/ >
< metadata >
< cge :PSR - Ref Object ID = "ObjID2breaker21222201"
ObjectName = "顺安变 201 开关" ClassName =
"Breaker"/ >
< cge :Mea - Ref ObjectID = "ObjID2Mea21200901"
ObjectName = "201 开关状态"/ >
< cge :MeaValSource - Ref ObjectName = " SCADA"/ >
< escge : Object ID = "38 1 22"/ >
< / metadata >
< / g >
在“g”描述中 , 定 义 了 与 g 相 关 的 元 数 据 :
( < metadata > ) , 包 括 PSR - Ref , Mea - Ref ,
MeaValSource - Ref 等基于 CIM 图形交换必须的
元数据和特定开发商自定义的私有数据。由于
CIM 模型交换时对象以 URI 标识 ,图形文件中交换
的 Object ID 应当是图符对应的领域对象的 URI。
2 基于 CIM/ CIS 的多级模型互导、拆分和
合并
随着互联电力系统的发展 ,一个电网公司控制
区内的调度自动化系统受相邻系统影响较大 ,位于
高层的电力调度系统需要与低层电力调度系统相互
配合 ,而随着网络化远程终端的应用 ,高层电力调度
系统甚至可以在低层电力调度系统出现问题时 ,以
灾备运行的方式直接建立低层电力调度系统的备份
控制系统参与调度控制。上述处理都与电网调度自
动化系统之间信息交换能力密不可分。
依据符合国际标准的 CIM/ CIS 互操作细则在
调度自动化系统间进行信息交换 ,即使不同的系统
是由不同的厂商开发 ,只要符合细则的要求 ,就可以
顺利地完成模型拆分、合并 ,以建立适宜的电网模
型、图形系统。
2. 1 模型、数据互导
模型、数据互导按采用的接口不同进行划分。
模型互导可采用 XML 文件方式和 GDA 接口方式 ,
实时数据互导在模型交换的基础上采用 HSDA 接
口 ,历史数据互导在模型交换的基础上采用 TSDA
接口。
如图 2 所示 ,模型、对象数据互导所用的每条交
换路径均基于调度自动化 CIM 。
图 2 基于 CIM/ CIS 细则的模型、数据互导
Fig. 2 CIM/ CIS based model and data exchange
—501—
·工程应用 · 谢善益 ,等 CIM/ CIS 互操作细则在多级电网调度中的应用
2. 2 模型拆分、合并
多级模型的拆分、合并基于 CIM/ CIS 细则 ,模
型拆分、合并时必须考虑模型完整性 (可分析计算)
和无冗余(等值部件在合并时进行适当处理 ,现实世
界中的同一部件在一个模型系统中只能出现一个唯
一的实例) 。
从调度自动化系统管理层级分析 ,各级别调度
自动化系统采用的模型及相互关系如图 3 所示。
图 3 各级别调度自动化系统模型覆盖范围
Fig. 3 EMS model range
如果没有重叠部分 ,那么不论通过 GDA 以紧
耦合方式还是通过 XML 以松耦合方式进行模型的
拆分、合并都将是极为简单的 ,即通过设定过滤条件
将模型内容区分或直接叠加即可。但由于电力系统
的互联性 ,不同级别的系统需要使用的模型之间有
一定的重叠 ,同一级别的各系统使用的模型之间也
可能有一定的重叠。模型拆分、合并时需要处理的
关键点就是系统边界涉及的部分。
模型合并、拆分的典型情况包括 :
1) 新建地调自动化系统 ,从省调系统拆分出指
定子控制区域内的变电站和边界线路 ,结合县调已
有模型数据 ,构成地调系统初始模型。地调系统数
据维护完成后 ,省调系统提取需要的数据 ,更新相关
模型 ,同时更新县调系统。
2) 新建地调自动化系统 ,系统建设完成后 ,省调
系统提取需要的数据 ,更新相关模型 ,同时更新县调
系统。
3) 新建县调自动化系统 ,从省调、地调拆分出子
控制区域内的变电站和边界线路 ,构成县调系统初
始模型。县调系统数据维护完成后 ,省调、地调系统
提取需要的数据 ,更新相关模型。
4) 新建县调自动化系统 ,系统建设完成后 ,省
调、地调系统提取需要的数据更新相关模型。
5) 省调系统升级 ,根据已有系统保留下的数据 ,
结合地调、县调数据建立省调模型。省调系统维护
后 ,更新地调、县调相关模型。
6) 正常运行的各级系统模型升级维护后 ,对相
关系统进行差分更新。
基于 CIM 的电力系统模型拆分、合并时 ,应考
虑采用等值模式[10211 ] 。等值模式的关键在于通过唯
一的识别码(ID) 控制模型拆分、合并时对象的相应
处理。等值匹配方法在基于 XML 文件的导入、导
出时易于实现 ,可将等值部分在拆分时放置到单独
的文件中 ,注明拆分源系统 ,然后在模型合并时将等
值元件进行合并。
基于 CIM/ CIS 在线进行模型拆分、合并时 ,因
无法单独存储等值对象 ,需要定义特别的对象标识
以明确区分对象是原始物理对象还是等值对象。可
以采用以下 2 种处理方式 :
1) 在对象的 URI 部分增加标识是否是等值对
象的后缀 (URI 是唯一的 ,增加后缀之后的 URI 仍
可保持其唯一性) 。
2) 为等值对象增加容器对象。在每个级别的模
型中建立特定的虚拟厂站容器 ,将等值对象归属到
该容器中。拆分、合并时重点处理等值容器中的对
象。
第 2 种方式根据系统拆分、合并的处理需求动
态增减属于等值对象容器中的对象 ,可根据拓扑关
系分析处理 ,不会对 URI 定义产生影响 ,处理效率
和准确度也比第 1 种方式更高。
2. 3 图形的跟随处理
图形跟随处理以模型变化为基础。由于图形规
范中规定了图符的具体画法 ,不同系统的图形风格
完全一致 ,可以做到即取即用。在模型拆分、合并完
成后 ,图形编辑工具根据图元绑定的元数据和关联
关系确定需要增加或删除的图形元素。如果图元引
用的元数据在模型中已经不存在 ,则提示是否删除
该图元 ;根据图元绑定的元数据检查其关联的对象
是否已在图中显示 ,由用户确定是否修改图形 ,通过
与用户交互完成图形对模型的跟随变更处理。
2. 4 模型拆分、合并的管理保障
模型拆分、合并处理过程中 ,在 CIM/ CIS 互操
作细则的支撑下 ,对象类型、对象性质 (属性、关联)
是确定的 ,对象数据访问的接口也是确定的 ,数据访
问和利用不存在障碍。但能否正确地完成模型的拆
分、合并 ,关键在于各级别的系统必须以一致的方式
确立对象的唯一标识 ,亦即现实世界中存在的一个
对象在多个系统中须具有唯一的身份标识。
对象的唯一标识必须遵循一个强制的编码方
案 ,配合集中管理的对象代码分配中心 ,可以保证正
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确地核发对象身份主标识。在高级别系统中建立一
个统一的对象主标识登录库是解决此问题的一个可
行的技术方案[12 ] 。
3 结语
本文描述了 CIM/ CIS 互操作细则涉及的内容
和制定方法 ,研究了根据 CIM/ CIS 互操作细则完成
系统间模型互导、拆分和合并的具体问题 ,给出了多
层级系统间模型互操作具体处理方式。现已根据此
研究结果 ,制定了广东电网公司调度自动化系统的
CIS、CIM 、图形交换规范。同时 ,为确保在广东电网
公司范围内 CIM/ CIS 互操作细则实施的一致性 ,制
定了 CIM/ CIS 标准符合性测试方案、测试细则及评
价标准 ,并在此基础上研究开发了“广东电网公司调
度自动化系统 CIM/ CIS 实施细则一致性测试系
统”。以上研究成果在实际的工程项目中均得到了
较好的应用、完善及验证。
参 考 文 献
[1] IEC 61970 —301 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 301 Common Information
Model (CIM) Base. 2004.
[2] IEC 619702401 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 401 Component interface
specification (CIS) framework , 2005.
[3] IEC 619702452 Energy management system application
program interface ( EMS2API ) : Part 452 CIM network
applications model exchange specification , DR3. 2006.
[4] EVANS Joe , HUN TER Kurt. CPSM minimum data
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[5] IEC 619702403 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 403 component interface
specification (CIS) : generic data access , 2008.
[6] IEC 619702404 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 404 component interface
specification (CIS) : high speed data access , 2007.
[7] IEC 619702405 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 405 component interface
specification (CIS) : generic eventing and subscription , 2007.
[8] IEC 619702407 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 407 component interface
specification (CIS) : time series data access , 2007.
[9] IEC 619702453 Energy management system application
program interface ( EMS2API) : Part 453 CIM based graphics
exchange , 2006.
[10] 刘崇茹 ,孙宏斌 ,张伯明 ,等. 公共信息模型拆分与合并应用研
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28 (12) : 51259.
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Automation of Electric Power Systems , 2003 , 27(15) : 45248.
[12] NERC DEWG Station Naming Focus Team. Master resource2
ID concept specification. 2002.
谢善益 (1971 —) ,男 ,通信作者 ,硕士 ,高级工程师 ,主要
研究方向 :电网自动化系统。E2mail : kways @126. com
梁成辉 (1972 —) ,男 ,讲师 ,主要研究方向 :分布对象系
统、电力企业应用集成。
高新华 (1968 —) ,男 ,高级工程师 ,主要研究方向 :电网
自动化系统。
Application of CIM/ CIS Interoperation Details in Multi2level Power Grid Dispatching
X I E S hanyi1 , L IA N G Chenghui2 , GA O Xinhua1 , FA N Ying1 , Z HOU Yilin1 , GA O Ya1
(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation , Guangzhou 510600 , China ;
2. Shandong University at Weihai , Weihai 264209 , China)
Abstract : The drafting of IEC 61970/ IEC 61968 series standards have provided criteria for the interoperation among power grid
dispatching automation systems. The detailed CIM/ CIS interoperation criteria based on IEC 61970/ IEC 61968 standards are
worked out , including the clarification of the interchanging pattern involved among systems , the interfacing approaches used ,
and the graphic interchange standards covering the definition of element details. The interconnection , separation , and
integration of dispatching automation models based on the criteria proposed are also discussed. The definition of details helps
eliminate the misunderstanding in the application of these standards , carry out construction , maintenance , and upgrading the
power grid dispatching automation system effectively as well as promoting the sharing of model and information in the multi2
level power grid dispatching automation systems.
Key words : power grid dispatching ; common information model (CIM) ; component interfacing standard (CIS) ; interoperation
detail ; IEC 61970
—701—
·工程应用 · 谢善益 ,等 CIM/ CIS 互操作细则在多级电网调度中的应用
CIM_CIS互操作细则在多级电网调度中的应用.pdf
