IEC 61970 CIM与IEC 61850 SCL模型互通性分析与研究

杨 睿，程桂林，徐懂理

（南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167）



IEC 61970 CIM与IEC 61850 SCL模型互通性分析与研究

杨 睿，程桂林，徐懂理

（南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167）

摘要：针对目前智能电网中IEC 61970和IEC 61850这2种标准之间互通性的问题展开研究。分析了2种标准的数据结构模型，探讨了2种数据模型之间互通的可能性，以双母线带母联断路器的主接线结构为例，分别建立IEC 61970公共信息模型（CIM）和IEC 61850模型，详细描述了2种标准之间的数据交换和模型映射。结果证明了该数据交换和模型映射方法的可行性，为2种标准之间的数据互通提供了一种方法。

关键词：IEC61970；公共信息模型；IEC61850；变电站配置表述语言；模型映射

“源端维护，全局共享”是进行智能电网统一信息建模的重要原则。根据智能电网的标准体系，在变电站和控制中心侧的配置信息分别遵循IEC 61850 变电站配置表述语言 （SCL）和IEC 61970 公共信息模型（CIM）［ 1 ］。IEC 61970制定了统一的CIM，包含了电力系统管理及信息交换的几乎所有方面。IEC 61850中使用SCL来描述变电站IED设备、变电站系统和变电站网络通信拓扑结构的配置。这2种标准均针对变电站内部的设备定义了相关数据模型；但是即便是同一个设备，2种标准定义的模型也不完全一样。随着电网规模的不断扩大，接入的设备越来越多，由于模型的不一致性，不同设备之间和系统之间互操作的成本将会越来越高。通过对IEC 61970 CIM数据模型与IEC 61850数据模型的分析，研究了这2种标准之间数据模型的互通问题。

1　2种标准简介

1.1IEC 61970 CIM与组件包

现有的电力系统中信息模型缺乏公共的数据模型和标准的数据接口规范，由 IEC TC57提出的IEC 61970标准正是针对在现有电力系统中的信息模型上实现组件化和组件间交互的互操作功能而提出的，为现有的应用系统提供一个基于CIM和组件技术的、拥有公共体系结构的系统集成框架。

IEC 61970标准中的2个重要组成部分是组件接口规范（CIS）和CIM［ 2 ］。CIS规定了信息交换的语法，CIM定义了信息交换内容的语义。CIM规范使用统一建模语言 （UML）表示法，它将CIM 定义为一组包（Package）。一个包表示对特定元素的组合，主要为了便于对整个模型的设计、理解和研究。IEC 61970-301中主要的包（Package）类型如下。

（1）核心包（Core）。包含所有应用共享的核心的电力系统资源 （Power System Resource）和导电设备（Conducting Equipment）实体，以及这些实体的常见的组合。

（2）拓扑包（Topology）。拓扑包是核心包的扩展，通过与描述连接关系的终端类（Terminal）建立关联关系，定义了设备的物理连接关系。

（3）电网包（Wires）。电网包是核心包和拓扑包的扩展，它建立了输电（Transmission）和配电（Distribution）网络的电气特性的信息模型，这些信息将被用于状态估计、潮流计算、安全分析、最优潮流等应用。

（4）量测包（Meas）。量测包包含描述各个应用间交换的动态测量数据的实体。

1.2IEC 61850与SCL

IEC 61850亦是由IEC TC57工作组制定的应用于变电站通信网络和系统的国际标准。其主要目的是为了提供一种公共的通信标准，通过对设备的规范化、统一化建模，使整个变电站内部设备之间实现无缝连接。在IEC 61850-6中为变电站智能设备的配置定义了SCL，使用SCL可以在不同制造商提供的智能设备和系统配置工具之间进行通信系统配置数据的相互交换。IEC 61850标准有如下的特点：

（1）采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型，建立起IEC 61850标准服务器所必须提供的各种通信服务的模型。

（2）引入了变电站内信息分层的概念，将变电站的通信体系分为3个层，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层与层之间的通信接口。

（3）采用了设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名来建立对象的命名和引用；采用面向对象的数据自描述方法，通过数据源对数据本身进行自我描述，实现了数据的自我说明，从而无需再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。

（4）设计了一种独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI）。通过ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（MMS）等。从而解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，当网络技术发展时只需改动SCSM，而不需要修改ACSI就能兼容最新底层协议栈的标准［ 3 ］。

在IEC 61850 第二版中又新增了一些内容，将逻辑节点模型从变电站自动化领域扩充到风力发电、分布式能源以及水电厂等新的领域。同时，在标准中也逐步开始考虑不同标准模型间的兼容性问题。

1.32种模型文件的特点

CIM静态文件包含了电力系统网络构架配置的静态数据描述。包括不同组件（如母线、断路器、发电机和负荷）的详细信息。CIM静态文件采用网状并列结构描述设备及节点之间的连接。

SCL对象模型包括变电站模型、IED模型和通信模型。在变电站配置文件（SCD）中，定义了变电站对象模型，描述了变电站一次设备的拓扑结构和变电站功能对应于不同的IED逻辑节点的映射。例如，电力系统主接线结构中的断路器映射到IED模型中的XCBR1的实例将会出现在SCD文件中的变电站节点中。SCD文件是一个树形结构的XML文件，包含变电站所有信息。基本结构包括文件头、变电站、通信、IED、CDCs和数据模板。

2　CIM与IEC 61850模型之间的映射

由于IEC 61970标准所定义的CIM侧重于调度中心，IEC 61850标准定义的SCL信息模型侧重于变电站，所以其对应建立的电力系统模型也有所差异。要实现这2种模型的互通，必须建立2种模型之间的映射。SCL变电站的对象模型定义中有许多与CIM模型的定义相一致，易于建立它们之间的映射关系，对于不一致部分则需要进行相应的处理。所以，2种模型间的映射可以按照是否是共通对象模型分类方法分别进行映射。

2.1CIM与SCL模型共通对象的映射

在CIM模型中，电力系统资源包中的间隔类包含导电设备、保护继电器、量测量和远程测控；而电力系统资源类中包含电力系统部件；变电站类包含变电站设备；端点类（Terminal）包含所有实例的端点。拓扑包为核心包的扩充，与端点类相关联建立起连接模型，定义设备如何连接，以及设备间如何通过闭合开关连接在一起的逻辑关系。电线包作为核心包和拓扑包的扩展，建立输电和配电网络电气特性信息的模型［ 4 ］；派生类中包含电气网络中断路器类、变压器类、电抗器类、母线类等。

在IEC 61850模型中采用逻辑节点作为基本组成实体，使用面向对象的方法定义逻辑节点和对应的数据内容［ 5 ］。逻辑节点对变电站中设备和功能进行了详细的定义，模型中的SCD文件模型有：变电站、电压等级、间隔、设备等，对变电站进行了完整的信息描述。

在表1中对照列出了一些可以直接映射的共通模型。针对CIM中定义的设备物理参数，如果IEC 61850建立的模型中没有完全对应建模，则可对相关的逻辑节点进行扩展。

表1　CIM与SCL主要的共通模型

如表1所示，2种模型在映射中并非都为一对一的关系：如CIM模型中的间隔和母线类，在IEC 61850 SCL模型中映射为间隔层；CIM模型中的同步电机类在IEC 61850 SCL模型中映射为发电机节点和电动机节点。

2.2CIM与SCL非共通对象的映射

对于IEC 61970 CIM和IEC 61850 SCL模型中的非共通部分，即无法直接对应的部分，则要依据需要进行扩展。如基于IEC 61970标准建立的CIM模型中定义的自控制区类，基于IEC 61850标准建立模型中的IED设备，保护功能等。例如，针对IEC 61850中详细定义的保护逻辑节点，需要时可在CIM模型中扩展对应的类或者设备来对其逻辑进行表示；同时可将实时运行的测量数据映射为CIM扩展设备的量测数据。

3　CIM与IEC 61850模型映射实例

3.1变电站静态模型映射

以典型的变电站双母线带母联断路器主接线结构为例，如图1所示。图1中左侧为IEC 61850对象模型，按照IEC 61850中的SCL变电站对象模型，将变电站模型依次建立为变电站、电压等级、间隔和导电设备类型，构成比较完备的站内树形层级关系；而后根据连接端子（Terminal）和导电设备端点（ConnectivityNode）的连接关系生成变电站全站拓扑连接模型；根据拓扑连接模型，并按照表1中的CIM和IEC 61850模型的对应关系可完成两者之间的映射。值得注意的是CIM模型中的母线对象模型 （Busbar）对应于IEC 61850中的间隔类。CIM模型的层级结构为网状平行结构，并没有严格的层次关系。这样，查询设备子类和Terminal的连接，Terminal和 ConnectivityNode的连接即可建立IEC 61850变电站静态模型和IEC 61970 的CIM模型之间的设备模型映射。

图1　CIM和SCL静态模型映射

3.2IED映射

SCL中的IED模型和CIM中的模型有较大的差异，需对其进行一定的调整后，才能进行正确映射。

如图2所示，IEC 61850的服务器对象（Server）可对应于CIM模型中的资产类（Asset）。IEC 61850的逻辑节点LN描述变电站一次设备或二次设备，和CIM中的设备（Equipment）相对应，具体的逻辑节点分别对应于CIM模型的各种导电设备Equipment的对应子类。如CIM中的断路器类 （Breaker）是从设备类（Equipment）中派生的类，可以和断路器逻辑节点（XCBR）建立一对一的映射。在SCL中，量测数据是放到逻辑节点中的，逻辑节点中跟实时运行情况相关的数据属性放到遥测等数据集（dsAIN）中，和CIM中的量测点相对应，如断路器的位置Pos。通过分析逻辑节点的类型和数据属性的命名规则，获得数据属性和量测值之间的对应关系。

3.3逻辑节点映射

以IEC 61850中断路器逻辑节点XCBR和CIM 中Equipment类中的Breaker之间的映射为例，分析SCL中具体逻辑节点与CIM中的设备类的映射规则。

逻辑节点XCBR的具体测量值分别作为数据属性，放在该逻辑节点跟这些测量量值相关的数据对象（DO）中，包括开关位置（Pos）、操作计数（OpCnt）、跳闸闭锁（Blkopn）及合闸闭锁（BlkCls）。CIM中的断路器类（Breaker）相关联的测量（Measurement）有：开关位置（Pos）、开断计数（operCnt）和闭锁控制（LTCBlk）。每一个测量量值属性和各自的测量类型和测量值相关联。因此，把CIM的断路器类相关联的测量值与IEC 61850的具体测量值数据对象下的反映测量值的数据属性进行关联，就完成了IEC 61850和CIM之间的断路器实体对象和属性之间的关联映射，如图3所示。

图2　SCL的IED模型和CIM的映射关系

图3　CIM与SCL断路器模型数据的映射关系

4　结束语

将IEC 61970 CIM模型与IEC 61850 SCL模型进

行分析比较，提出2种标准间的映射方法，即对2种标准中直接对应的元件建立共通模型进行直接映射，对于非共通模型根据需要进行调整或扩展。最后以双母线带母联断路器这一主接线模型为例，按照文种映射方法，成功地实现2种标准间模型的映射，为适用于电力系统不同范围的信息模型互通提供了一定的借鉴和参考。

参考文献：

［1］ 黄 嵩. 基于IEC 61850与CIM的智能变电站信息集成方案研究［D］. 上海：上海交通大学，2012.

［2］ DL/T 890.501—2007 能量管理系统应用程序接口（EMSAPI）第501部分：公共信息模型的资源描述框架［S］. 北京：中国电力出版社，2007.

［3］ 闵 峥，徐 洁，王嘉乐. 基于IEC 61850的智能水电厂建模技术［J］. 水电自动化与大坝监测，2011，35（4）：1-5.

［4］ 许凯宁，程新功，刘新锋，等. 基于CIM设计的电力系统状态估计模型［J］. 电力系统保护与控制，2009，37（24）：123-128.

［5］ 陈国炎，张 哲，尹项根. 基于IEC 61850的广域继电保护通信建模［J］. 电网技术，2012，36（6）：56-63.

杨睿（1982），男，江苏南京人，工程师，从事智能变电站方面的研究工作；

程桂林（1977），男，江苏淮安人，高级实验师，从事高电压技术方面的研究工作；

徐懂理（1983），男，江苏徐州人，实验师，从事继电保护算法方面的研究工作。

Analysis and Research on the Interoperability Between IEC 61970 CIM and IEC 61850 SCL Model

YANG Rui， CHENG Guilin， XU Dongli
（School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：The problem of the interoperability between IEC 61970 and IEC 61850 in smart grid is studied. Firstly， the data structure model of the two standards is analyzed. Secondly， the possibility of the interoperability between the two data models is discussed. Finally， taking main wiring structure of double busbar with bus coupler circuit breaker as an example， the models of IEC 61970 CIM and IEC 61850 are established respectively. The data exchange and model mapping between the two standards are described in detail. The result shows that this method to exchange data between the two standards is feasible.

Key words：IEC 61970； CIM； IEC 61850； SCL； model mapping

中图分类号：TN915.04

文献标志码：A

文章编号：1009-0665（2016）03-0046-03

作者简介：

收稿日期：2015 -11-20；修回日期：2016-02-17