基于CIM的配电网设备状态管控信息模型研究

张世栋，邵志敏，冯兰新，孙　　勇

基于CIM的配电网设备状态管控信息模型研究

张世栋1，邵志敏1，冯兰新2，孙勇1

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.国网山东省电力公司泰安供电公司，山东泰安271000）

根据配电网设备状态管控的实际需求，研究提出配电网设备状态管控模型范围及建模原则和方法。基于CIM15模型裁制出适用于配电网设备状态管控的基础模型，对基础模型进行修正，补充物理设备及技术参数属性，添加厂商及产品型号模型，扩展故障、缺陷模型，增加天气等外部环境模型，形成标准、统一、规范、完整的设备状态信息模型，为配电网设备状态评估和数据挖掘分析奠定基础。

配电网设备；状态管控；故障分析；配电网信息模型

0　　引言

基于CIM模型的配电网模型数据、实时运行数据及历史运行数据，结合运行过程中的故障、缺陷、试验报告等信息，综合天气情况等外部数据，形成设备全寿命周期的全景数据，可以对配电网中的电力设备进行运行监控、缺陷分析、故障诊断及早期预警。因此，通过构建配电网设备状态管控平台，将各业务系统的配电设备相关数据及已有设备故障、缺陷、试验报告等数据接入平台，根据设备状态分析、设备劣化趋势分析、家族缺陷分析等数据挖掘算法进行深入研究，实现配电网设备状态评估、异常早期预警及家族性缺陷的识别，能准确定位故障原因，进行针对性改进，可有效降低配电网设备的故障发生率，减少设备的维修成本、延长设备寿命、提高配电网运行可靠性和经济性［1-5］。

配电网各业务系统根据其需求定位，在不同时期由不同厂商进行建设，由于各业务系统所关注的数据重心不同，所采用的技术也不同，采用的信息模型更是不同。将各业务系统的数据接入到统一的平台，如果只是通过数据库抽取、转换、归并的方式，只能得到一个综合的数据集合，缺少完整的设备状态信息模型，不能很好地为配电网设备管控等高级应用提供支撑。一体化的设备监测数据分析需要将各业务系统的数据规范化地整合到平台中［6-8］，建立一个统一的配电网设备状态管控信息模型（DCMM，Distribution Condition Monitoring Model）。

DCMM不仅要覆盖各业务系统的数据范围，更重要的是要建立各业务系统数据之间的关联，同时为故障记录、天气状况等建立模型并关联到相关的业务数据模型，为设备状态管控提供有效的数据支撑。

针对配电网设备状态管控对数据一体化管理的实际需求，首先确定配电网设备状态管控信息模型的建模范围、原则及方法，在此基础上描述信息模型的裁制过程、扩展内容，并说明如何支撑配电网的数据分析业务。

1DCMM建模范围

配电网设备状态管控需要对设备的全面数据进行分析，需要包括的数据包括：①物理设备数据，包括物理设备台账、地理坐标、厂家型号、状态检修等信息，主要通过生产管理系统（PMS）、地理信息系统（GIS）来获取；②运行设备数据，以运行角度来描述的设备及设备之间的拓扑结构，通过配网自动化系统（DAS）、能量管理系统（EMS）来获取；③电网实时数据，设备的运行电压、电流、负荷等数据，通过配电自动化系统、用电信息采集系统等来获取；④设备缺陷、故障、试验报告等数据，通过人工导入或录入；⑤外部环境数据，如天气数据等，可定期获取气象采集点数据并自动导入。进行配电网设备状态管控信息模型在建模时，需要覆盖上述配电网设备状态管控分析所需要的数据。

2DCMM组织

DCMM根据业务需要扩展的部分统一组织在DCMM包下，根据扩展类的类型分为几个子包，分别组织同一类型的扩展类。

DCMMAsset扩展包下组织对物理设备进行扩展的子类型；DCMMPSR扩展包下组织对运行设备进行扩展的子类型；DCMMRecord扩展包下组织对故障、缺陷等记录进行扩展的子类型。

DCMM模型最终以符合IEC 61970-501标准的CIM RDF Schema形式发布［9］，可供各应用程序解析使用。

3DCMM构建

IEC 61970、IEC 61968公共信息模型（CIM，Common Information Model）作为电力系统管理及其信息交换领域国际标准定义的信息模型，是DCMM裁制扩充的基础［10］。确定配电网设备状态管控信息模型的建模范围后，首先裁制CIM模型形成UCMM的基础模型。采用CIM建模导则，扩展建立配电网设备状态管控需要的监测点、物理设备及技术参数、试验报告等抽象描述所需的类、属性和关联。建模语言采用与 CIM模型一致的统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）。本文采用UML类图的方式描述DCMM需重点说明的部分。

3.1基础模型构建

CIM模型在2003年发布的CIM10是第一个广泛使用的稳定版本，广泛应用于EMS等系统中，之后经过不断发展和升级，2013年发布了CIM16v17。CIM版本更新速度很快，在实际应用中也会带来一些麻烦，一般新版本往往是不稳定的，所以在实际应用中，采用稳定的次新版本为基准，根据业务的需要适当地融入其他版本的部分模式，源自不同版本CIM及扩展的模式通过不同的命名空间来区分。

基于以上考虑，DCMM选择CIM15v33作为基准版本。所有源自该基准版本的模式元素命名空间为：http：//iec.ch/TC57/2011/CIM-schema-cim15#，根据CIM14版本扩展的模式元素命名空间为http：//iec. ch/TC57/2009/CIM-schema-cim14#，业务需要扩展建立的模式元素命名空间为http：//yjy.sd.sgcc.com. cn/2015/DCMM。命名空间为模式组合提供了方便，DCMM可以根据配电网设备状态管控的需要，结合不同版本CIM进行升级扩展。

图1DCMM基础模型

基础模型包括运行设备、物理设备、位置、文档、组织等。选取TC57 CIM中的电力系统资源（Power System Resource）、资产（Asset）、位置（Location）、文档（Document）、组织（Organisation）这五个体系及其子类构成基础模型。电力系统资源体系描述电力系统的逻辑构成、网络拓扑等；资产是状态管控的直接目标对象；位置用于描述资产等的具体位置、GIS坐标等；文档用于表示缺陷、故障、试验报告等记录类的文档；组织用来表示供电公司及各生产厂商。

3.2基础模型修正

基础模型中Power System Resource、Asset、Location三者之间有直接的关联关系，Asset与Organisation之间通过中间的角色类 Asset Organisation Role来建立关联，如图2所示。

图2　　基础模型修正示例

采用该建模方式，可以解决同一资产多次关联同一组织的情况，例如一个部门即是资产的所属部门，也是维护部门，还是使用部门。但是这种建模方式在实际使用起来比较麻烦，查找资产的所属部门必须通过两次查询，而且只能使用Asset Organisation Role的属性取值来区分不同的关联，语义表示不是很清晰。为此，DCMM在建模时将最常用的资产所属部门采用直接的关联 Asset-Erp Organisation（供电公司内部的公司和部门采用Erp Organisation及其子类型来表示，外部的公司采用Organisation来区分）来表示，仍保留原来的方式表示其他关联及用来扩展。类似的情况还有Asset的自关联表示资产的上下级关系；Organisation的自关联表示组织的上下级关系；Document的自关联表示文档的上下级关系；Document-Asset的关联表示缺陷等文档类记录与具体物理设备的关系；Document-Organisation的关联表示文档所属的部门。

3.3物理设备扩展

物理设备在DCMM中都建模为Asset的子类，从建模角度上来讲，设备的分类越细，在后续的设备状态分析中就越方便，为此DCMM在CIM模型的基础上进行了扩展，对物理设备进行了子类化处理，建立了变电站资产、开关柜资产、开关站资产、环网柜资产、箱式变电站资产、电缆分支箱资产、馈线资产、电缆资产、架空线资产、断路器资产、电容器资产、隔离开关资产、FTU资产、熔断器资产、负荷开关资产等资产的具体子类型。为了明确表示物理设备之间的上下级关系，采用Asset的From Asset关联表示其上级物理设备。

对于物理设备的技术参数，CIM模型有一种通用的扩展方式，采用资产的Properties和Ratings关联的方式，用User Attribute类来表示技术参数，见图3。这种方式具有最大的灵活性，但在实际使用中随意性太强，缺少语义的限制，并且取值类型都采用最宽泛的String类型，不利于后续的分析等应用使用。为此在DCMM建模时，对技术参数进行分类建模，对于一些电气特性、资产明确具有、后续分析一定要使用的技术参数，直接作为资产类的属性进行建模；对于一些统计类的技术参数，构建描述类并关联到资产对象；对于一些只是解释性的技术参数，以及后期的扩展技术参数，采用User Attribute的方式构建。

图3　　技术参数模型

在实际使用中采用直接建立属性的方式可以更方便地对技术参数进行访问，语义也更加清晰，采用与属性对应的取值类型，直接访问属性相较于关联对象效率更高，同时减少大量UserAttribute对象在平台中形成的碎片。

3.4馈线扩展

馈线在配电网中是比较重要的设备，在DCMM中，馈线设备用Circuit Asset类来表示。馈线由导线（Conductor Asset）组成，导线分为两类，地面上的架空线（Overhead Conductor Asset）和地下的电缆（Cable Asset）。

与馈线相关的物理设备还有杆塔，分别用Pole（杆）和Tower（塔）来表示，为了描述导线的起始杆塔和终止杆塔，杆塔的基类结构件（Structure）建立与导线资产（ConductorAsset）的两条关联关系，分别表示导线的起始和终止位置。

图4　　馈线模型

3.5故障、缺陷扩展

故障、缺陷都是文件的子类型，分别用Fault-Record、DefectRecord来表示，为了更明确地表示故障、缺陷所对应的物理设备，建立与Asset的直接关联。

图5　　故障与缺陷模型

3.6设备评价

设备评价是对设备根据一定的原则与标准进行评分，是开展设备健康状态趋势分析的基础。在DCMM中设备评价（Asset Evaluation）是文档类的一个子类，评价的设备通过文档与资产的关联来表示。

设备评价由一组详细的评价记录（Evaluation Record）来组成，评价记录建模为活动记录（Activity Record）的子类型，评价记录的填报人、填报单位等通过活动记录与人员、组织的关联来表示。评价记录关联一组扣分记录（Deduct Record），记录评价记录详细的扣分原因等。

3.7天气监测扩展

天气监测数据属于外部环境数据，其数据来源于气象站（Weather Station）的定时监测。由于配电网点多面广，气象站的位置相对固定，变电站、线路及设备根据地理坐标距离，关联邻近气象站的监测数据。

图6　　设备评价模型

图7　　天气模型

天气的监测数据包括风速、风向、温度、湿度、降水量、能见度、气压、阵风风速、阵风风向、极大风风速、极大风风向，分别建立Analog和Analog Value对象，并建立与Weather Station的关联。

天气监测的数据只在模型数据中建立具体的天气站及天气站的监测数据，详细的时间序列天气数据通过历史数据访问接口进行读写。

3.8型号厂商扩展

型号厂商在配电网设备状态管控分析中也是比较重要的一部分，是进行家族性缺陷分析的基础。

物理设备在设计时，会设定所需的物理设备型式 （Type Asset），型式可以进行分组 （Type Asset Catalogue）。型式是设计要求的一些技术参数集合，具体的物理设备型号必须符合型式的要求。

厂商（Manufacturer）制造一批产品的型号（Product Asset Model），在选择具体的物理设备时，其型号必须符合型式的要求，具体的型号关联到物理设备，为家族性缺陷分析提供支撑。

厂商是组织角色（Organisation Role）的子类型，是具体的组织扮演的一个角色，详细的组织信息在关联的组织（Organisation）中描述。将厂商建模为组织角色而不是直接建模为组织的子类型，是为了解决在现实情况中一个组织扮演多个角色的场景，例如一个组织即是供应商，同时也是维护商，还可能是电能消费者。采用此种建模方式可以减少重复组织对象的创建。

图8　　设备型号模型

4　基于DCMM的数据支撑实现方式

DCMM模型从底层上对管控平台的一些业务进行了约束，采用模式驱动开发方式建立了配电网设备状态管控管控平台，平台模型架构如图9所示。

配电网设备状态管控平台综合应用各种数据管理技术构建实体数据存储体系。采用分布式数据存储、并行运算、服务分发与归并等信息管理，以成熟的关系数据库存储结构化数据，以分布式文件系统存储半结构化和非结构化数据，建立结构化数据到半结构化和非结构化数据的关联，使半结构化和非结构化数据能够以高效率在较小的集群系统中得到处理。DCMM模型从顶层对平台业务进行了语义约束，将各个业务系统的模型进行了整合，建立了各业务系统数据的关联，将各业务系统独立的数据整合为一体化的完整性数据，在数据接入过程中对数据进行规范化，打通了各业务系统之间的壁垒，为数据挖掘和数据分析提供有效的支撑。

4.1模型映射

由于当前主流的存储系统仍是关系型数据库，而DCMM模型是采用面向对象的方式构建，所以需要建立面向对象与关系型数据库之间的映射关系。

IEC 61970 CIS接口也是采用面向对象方式［11］，在通过CIS接口进行数据访问时，需要通过面向对象—关系的映射算法在面向对象及关系型数据库之间进行转换。当通过CIS接口读取数据时，将关系型数据库中的数据转换为对象数据；当通过CIS接口写入数据时，将对象转换为关系型数据库中的数据［12-15］。

4.2视图定义

CIM模型构建了一个网状态的对象关系，而在实际业务使用时，是采用类似于树形层次结构进行访问，需要根据DCMM模型构建树形定义，以树形层次结构的方式对外提供数据。

图9　　配电网设备状态管控管控平台逻辑结构

DCMM模型是不断扩展和修改的，如何动态地定义树形层次结构并可以动态进行树形展示是需要关注的关键点。

4.3数据融合

各业务系统的数据是互相隔离的，对同一数据有各自不同的标识和命名规则，但都对应到DCMM模型中的同一类型。在接入管控平台时不仅仅是直接将各业务系统的数据汇总，还需要对这些相同的数据进行筛选、分析、匹配，合并为一个对象持久化到管控平台。DCMM基于信息模型管理和消息载荷定义支持特定应用的Web服务，服务支持新一代OPC UA数据访问接口，为保证数据安全性，数据访问原则上不直接提供数据库表，而通过数据访问接口服务提供。

4.4标准化发布

规范化的DCMM模型只是平台的基础，平台要对外进行规范化的数据发布，还需要标准化的模型、实时、历史、事件数据发布机制，利用标准化的IEC 61970 CIS服务接口对外发布数据。

DCMM模型作为平台的底层约束，从语义环节保证了信息的有效性。通过DCMM模型的规范化，各业务系统的数据整合到管控平台后，形成一体化的数据，为故障的联动分析等提供了有效的支撑，同时在数据整合的过程中对源数据进行修正完善，进一步提高了数据的质量，为后续的数据挖掘和应用分析扫清了障碍。

5　　结语

通过将配电网设备状态管控相关的模型抽象建立DCMM，并基于DCMM构建管控平台，将各业务系统分散的数据整合为一体化统一的全景数据，可以更好地挖掘已有数据的内在价值。基于DCMM模型，结合标准化的CIS接口构建的管控平台，初步实现了数据的规范性、去冗余，对已有的数据进行了有效的整合，为设备状态评估、故障分析与预警等算法提供了有效的支撑数据。

［1]王柏君，周义华，任晓英.配电线路故障智能监测技术研究与实施［J］.中国电业（技术版），2013（12）：1-3.

［2]关龙，刘志刚，徐建芳，等.基于模型的配电网故障诊断关键问题研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（20）：145-150.

［3]倪琼，余涛，何斌斌.配网设备状态及风险评估研究［J］.电子测试，2014，（24）：116-118.

［4]高振兴，郭创新，俞斌，等.基于多源信息融合的电网故障诊断方法研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（6）：17-23.

［5]李鹏，张小易，黄浩声，等.基于雷电信息的电网故障诊断系统研究［J］.江苏电机工程，2014，33（2）：17-21.

［6]陈奋.电气自动化系统多源数据融合应用研究［J］.机电工程技术，2014（1）：70-72.

［7]张志生，曹敏，高尚飞，等.电网管理数据融合的输电全景驾驶舱技术［J］.云南电力技术，2014（5）：114-117.

［8]徐岩，张锐，卫波.应用数据融合的电网故障诊断［J］.电力系统及其自动化学报，2014，26（11）：67-71.

［9］IEC 61970-501 energy management system application program interface（EMS-API），part 501：Common Information Model Resource Description Framework（CIM RDF）schema ［S］.IEC，2006.

［10］IEC 61970-301 energy management system application program interface（EMS-API），part 301：common information model（CIM） base［S］.Edition 2.0.IEC，2009.

［11］IEC 61970-403 Energy management system application program interface（EMS-API）Part 403：Generic data access ［S］.Edition 1.0.IEC，2008.

［12］董树锋，何光宇，刘凯诚，等.使用Eclipse建模框架实现基于公共信息模型系统的开发［J］电力系统自动化，212，36（22）：68-72.

［13］史周军，叶晓俊.基于元数据的对象关系映射研究［J］.计算机科学，2005，32（5）：95-97.

［14］吴秋果，卢苇.对象关系映射模式的研究与设计［J］.航空计算技术，2007，37（6）：92-95.

［15］徐茹枝，丁昊志，单波.对象关系映射框架的研究与设计［J］.华北电力大学学报，2006，33（4）：69-72.

Information Model for Power Distribution Equipment Status Management and Control

ZHANG Shidong1，SHAO Zhimin1，FENG Lanxin2，SUN Yong1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid Taian Power Supply Company，Taian 271000，China）

According to the actual demand to the management of the power distribution equipment，the scope，principles and method to the control model of power distribution equipment status are studied.Based on CIM 15，the basic model is p roposed，physical devices and technical parameters are added to this model.Combing additional models，such as manufacturer and product model，extended fault model，weather model and so on，the standard equipment state information model is established in this paper，which will become the basis for the distribution network equipment status assessment and data mining analysis.

power distribution equipment；status management and control；fault analysis；power distribution information model

TM642

A

1007－9904（2016）06－0027－06

2015-12-23

张世栋（1983），男，工程师，主要从事电力信息系统建设工作；张林利（1979），男，工程师，主要从事配电网建设工作；邵志敏（1984），男，工程师，主要从事配电自动化工作；冯兰新（1988），男，工程师，主要从事配电网状态检修工作；孙勇（1969），男，工程师，主要从事配电网状态监测及分析工作。