智能变电站一体化信息平台源端维护模型转化技术

王化鹏，杨威，许智，刘筱萍，刘洋，李劲松

(中国电力科学研究院，北京市，100192)

0 引言

电力系统中各级调度中心的主站能量管理系统(energy management system，EMS)遵循 IEC 61970标准，利用公共信息模型(common information model，CIM)来描述电网模型，变电站侧的自动化系统遵循IEC 61850标准［1］，利用变电站配置描述语言(substation configuration language，SCL)模型来描述变电站中的数据模型。2个标准体系的差异导致调度中心的主站和变电站之间很难做到信息共享。

智能变电站一体化信息平台源端维护应用功能的提出为调度中心主站与变电站间的信息模型共享提供了必要条件。通过源端维护功能可实现遵循IEC 61850 SCL的变电站二次设备模型与遵循IEC 61970的主站CIM模型的转换映射。为主站和子站端模型共享提供基础。

目前IEC 61850 Ed.2标准已经升级为电力企业自动化系统通讯体系结构的标准［2-3］，支持与控制中心的IEC 61970 CIM协调，实现主站调度端无缝访问现场设备信息的功能。同时标准中规定的变电站规范模型文件(system specification description，SSD)其内部节点的组成结构以及命名规则已与IEC 61970标准中的CIM文件模型中部分内部节点构成交集，这就为实现源端维护中模型转化技术提供了实现依据。

目前国内外对于源端维护功能的实现尚处于研究和探索阶段。本文通过对IEC 61850 Ed.2中的SSD和IEC 61970的CIM模型文件的共性和映射关系展开研究，实现了变电站SSD模型至主站CIM模型的模型转换，可为源端维护信息模型共享功能提供一定参考。

1 基于IEC 61850-6 Ed.2的SSD模型

IEC 61850 Ed.2中的SSD变电站规范模型文件是变电站配置文件(substation configure description，SCD)的变电站功能和拓扑描述部分。它基于点线图的连接(拓扑)和设备功能的分配，目的是从变电站结构角度派生出逻辑节点功能说明，使变电站中电气设备功能和其包含的逻辑功能节点建立关联。

SSD模型文件包含了变电站主接线图中相关电气设备的名称、类型、位置、陈列方向等详细信息，描述了主接线图的拓扑结构以及主接线图中各电气设备的连接关系。

SSD模型文件依据面向对象技术建模。其模型的建立须遵循以下原则:变压器分接头、绕组以及节点本身存放到变压器类当中，各变压器绕组所属电压等级安排在电压等级类中单独列出。主接线图中的间隔单元和母线间隔存放在间隔类中。变电站中的刀闸、断路器、电容器、电抗器等电气设备作为传导设备，被归类到传导设备类当中，IEC 61850 Ed.2同时也为这些传导设备规定了设备类型。

2 基于IEC 61970的CIM模型

IEC 61970采用基于CIM的面向对象技术进行建模，表示了建立模型通常所需要的所有对象。通过提供一种标准的方法，即用对象类、属性以及它们之间的关系来表示电力系统资源。这些对象类、属性以及他们之间的关系主要通过定义CIM/资源描述框架(resource description framework，RDF)规范来实现的，使得各个应用系统能够不依赖于信息内部如何表示就可以访问公共数据和交换信息［1］，RDF作为元数据描述工具与IEC 61850标准所采用的元数据描述工具文档类型定义相比功能更加强大。

CIM被划分为13个类包，290多个类，其中包括:域包、核心包、电线包、测量包、拓扑包、负荷包、保护包、预测包等［4］。涵盖了量测模型和变电站的层次模型。模型包含了这些对象的功能类和属性，同时也表示了他们之间的关系。统一规定了模型语义，并采用RDF和可扩展标记语言(extensible markup language，XML)来实现信息模型的形式化表达。符合XML在异构应用集成方面的发展趋势，但RDF和XML主要还是在语法和结构方面起到一定的规范作用［1］。

3 SSD模型与CIM模型的比较

IEC 61850是围绕新一代变电站自动化系统设计的标准，所以针对于SSD模型和CIM模型的比较范围应限定在变电站及其包含的各类对象当中。CIM模型的描述涵盖了电力系统管理及信息交换的所有方面。

3.1 建模技术比较

SSD模型和CIM模型均采用面向对象技术建立数据模型，采用XML语言作为各自的模型描述语言。仔细分析模型的内容，可以发现以下情况，二者对变电站建模的整体层次结构是相同的。

二者对变电站建模的层次结构虽然相同，但针对于模型内部类之间的关联关系不尽相同。CIM模型中类之间的关联关系都是双向的。SSD模型从属于SCL模型，其类之间的关系是单向的、层次化的、树形的［5-6］。

这同时也导致了二者对模型元数据的描述方式和描述的内容有所不同。SSD模型与CIM模型的区别主要表现在文档类型定义、模型聚合方式、对象属性描述方式、量测和设备关联方式以及模型命名方式和引用方式这几个方面。

3.2 模型相似性比较

虽然SSD模型和CIM模型有很多不同之处，但IEC 61850 Ed.2的推出，已经使得SSD模型与CIM模型有很多相似性，为SSD模型与CIM模型的转换和信息共享提供了基础［7］。但由于SSD模型和CIM模型具有完全不同的语义，因此不能实现变电站内IED数据与调度端系统数据的直接交互，这就需要在2种模型间建立映射关系，从而实现SSD模型至CIM模型的转换。

通过对SSD模型与CIM模型进行比较分析，可以看出:

(1)SSD模型中Substation可以与CIM模型中的SubControlArea建立映射关系。

(2)SSD模型中VoltageLevel可以与CIM模型中的BaseVoltage建立映射关系。

(3)SSD模型中Bay可以根据节点属性描述分别和 CIM 模型中的 ACLineSegment、EnergyConsumer、BusbarSection建立映射关系。

(4)SSD模型中的PowerTransformer及其内部子节点可以与CIM模型中的Power-Transformer建立映射关系。

(5)SSD模型中的传导设备可以根据其属性类型与CIM模型中的各种导电设备建立直接映射关系。

(6)SSD模型中传导设备可包含的具有量测功能的逻辑节点，可与CIM模型中的量测包建立部分映射关系。

4 SSD模型与CIM模型转换技术实现

4.1 转换技术原理

SSD模型文件具有良好的扩展性，可根据实际需要对其进行扩展，包括对IEC 61850-7数据模型的扩展、数据类型的约束、XML命名空间及其私有元素的定义、已有语法元素上附加新语义等方面的扩展。以下为SSD模型文件经过扩充后的部分实例片段:

通过以上实例片段可以看出，SSD模型文件与IEC 61970 CIM模型中的元素节点名称具有一定的重叠性。通过SSD模型文件的层次化结构可以推断出SSD模型文件父元素与子元素的所属关系。SSD模型文件扩充了元素节点描述属性元素desc，这为变电站侧子站信息模型与调度中心侧的主站端信息模型的信息共享提供了保障。

相对于IEC 61850中的SSD模型而言，CIM模型采用的RDF模型格式的XML模型，CIM中类之间的关系都是双向的。以下部分为CIM模型的部分模型片段:

通过以上模型片段可以看出虽然CIM模型采用XML语言来建模，但采用RDF格式来对模型进行约束，该模型具备层次性的同时，具有双向索引的特点。CIM建模一般重点考虑设备间的外围逻辑关联，对于设备内部的原理的描述很少涉及。

虽然使用的元数据描述工具不同［SSD模型利用文档类定义(document type definition，DTD)，CIM利用RDF］，但利用XML解析器对2种模型进行操作时没有太多差异［8］。以SSD模型与CIM模型的映射关系为桥梁，利用XML解析器对SSD模型进行树形结构解析，通过XML解析器对SSD模型在内存中形成的树形结构进行逐层读取，将读取到的SSD模型信息的有用信息，利用2种模型的映射关系，建立对应的CIM模型［9］。由于SSD模型与CIM模型的映射关系有不一致性，可以通过外部配置文件对模型的不一致性进行模型映射的额外补充，外部配置文件也可以采用XML文件作为描述载体，实现原理图如图1所示。

图1 SSD和CIM转换技术实现原理Fig.1 Schematic diagram for mapping relation between SSD and CIM

4.2 转换技术的实现

由于SSD模型至CIM模型的转换过程中频繁涉及到XML解析器对模型文件的操作，所以需要采用比较健壮的XML解析器［10］。本文在转换技术的实现中采用了封装在QT软件开发工具中的Xerces DOM作为模型转换的XML解析器，同时采用QT作为模型转换的软件开发工具。

转换技术的实现需要以下几个步骤:

(1)在CIM模型转换之前，建立3个DOM对象。分别用来操作SSD模型信息、读取配置文件信息和建立CIM模型。

(2)将SSD模型文件导入到DOM解析器中，将SSD模型信息以树形结构的形式存储在内存当中。通过DOM解析器操作SSD模型结构树，逐层读取SSD模型结构树中的有用信息，同时将读取过来的有用信息存储在公共变量当中。

(3)利用命名规则转换模块将从SSD模型读取过来的有关节点名称转换为符合CIM模型命名规则的与其相对应CIM模型中的相关节点。然后通过公共变量将这些信息传递给用来建立CIM模型的DOM解析器。

(4)在建立CIM模型的DOM解析器中通过公共变量传递过来的有用信息，以RDF的形式建立CIM模型结构树。

通过SSD模型对象的读取操作与CIM模型对象的写入操作的交互响应，实现SSD模型和CIM模型映射关系的模型转换［11］，转换示意图如图2所示。

图2 转换示意图Fig.2 Schematic diagram for model transformation

另外对于CIM模型中存在的，SSD模型中并不存在的模型信息，比如CIM模型中的量测包。利用DOM对象读取配置文件中的信息，通过公共变量传递给用来建立CIM模型的DOM解析器，来完善CIM模型的建立。由于篇幅有限，在这里不做过多介绍。

5 结语

源端维护实现的基础是IEC 61850标准。通过模型转换机制，加强变电站与主站间的联系，进而做到全网模型站站统一。本文研究的SSD模型至CIM模型的转换的实现方法，对智能变电站一体化信息平台源端维护的实现将具有积极的推动作用，同时也为实现调度自动化系统纵向信息一体化维护以及满足跨区域互联大电网的安全稳定运行提供一定的借鉴意义。

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