CIM与IEC61850模型协调研究

张铁峰，李 佳，顾建炜，张卫华

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.杭州供电公司 浙江 杭州 310009）

CIM与IEC61850模型协调研究

张铁峰1，李 佳1，顾建炜2，张卫华1

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.杭州供电公司 浙江 杭州 310009）

由于变电站自动化系统和调度中心分别遵循IEC61850标准和IEC61970标准，二者在进行信息交互时模型不统一，信息难以共享。为此对CIM和IEC61850进行了比较，并分析二者模型的主要差异。结合国内外CIM和IEC61850模型协调研究的最新成果，探讨了当前主要应用的直接统一模型、无缝通信体系、公共语义模型、模型映射和本体语义模型共5种协调方案，对其进行了详细的分析比较，给出各自的优势与不足。最后指出公共语义模型的建立是协调问题的基础和关键，应首先解决。

IEC61850；IEC61970；CIM；模型协调；智能电网

IEC TC57为变电站与调度中心以及配电管理分别制定了IEC61850、IEC61970和IEC61968系列国际标准。调度中心遵循IEC61970/61968标准，使用公共信息模型 （Common Information Model，CIM）描述电网模型，采用组件接口规范（Component Interface Specification，CIS）实现互操作。由于两种标准的适用范围和制定体系不同，造成标准间存在一定的差异，这种差异导致调度中心与变电站系统进行数据交换时，二者之间的信息不能充分地交互。并且随着IEC61850第二版的发布，IEC61850已经扩展到配电自动化、分布式能源等公共事业通信领域[2-3]，相关标准的扩展维护也在进行中，因此实现CIM与IEC61850模型协调将是未来调度中心和变电站以及配电自动化之间信息共享和互操作的基础，也成为国内外当前亟需解决的主要问题之一[4]。

模型协调问题已引起国内外研究机构的重视，从统一标准、模型语义、工程应用、无缝衔接等不同的角度提出了各自的解决方案，主要有直接统一模型、公共语义模型、模型映射、无缝通信体系、本体语义模型等。 这些方案各有优势和不足，本文在简要介绍CIM和IEC61850模型后，对二者的模型进行比较，并列举二者的主要差异。进一步总结分析国内外模型协调的方案，分析其优势和不足，找出解决问题的关键。

1 IEC61850标准与CIM关系

在电力系统中，协调是指从IEC61850数据到CIM对象的语义或数据意义的整合，因此是相同数据在两个标准中的表示。IEC61850涵盖了现场设备的实时电力工程控制应用，同时CIM使跨IT系统的数据共享成为可能。 许多应用程序都可以单独使用IEC61850或CIM，但若要实现更强大的功能则要将两个标准融合。CIM和IEC61850在电力系统通信和控制需求整体架构中互为补充[5]。当前，两个标准都不应独立发展，都要考虑另一标准。例如CIM中状态维修对象的制定应考虑已经定义在IEC61850标准中用于维护现场设备的逻辑节点和数据对象。出于安全原因，CIM环境将不适合扩展到实时保护和现场设备的环境。由此，配电CIM对象的非操作数据应该充分利用现有的IEC61850的逻辑节点和数据对象，以及那些将扩展到IEC61850对象库的逻辑节点和数据对象。CIM和IEC61850之间的关系如图1所示。

图1 CIM与IEC61850模型之间的关系

2 IEC61850模型与CIM的比较

2.1 模型相似点

CIM和IEC61850模型在数据模型定义方面非常相近，如变电站自动化系统（Substation Automation System，SAS），它们都是对同一对象或功能进行描述，只是建模方法稍有差异。在SCL中，层次的划分非常清晰，分为变电站层、间隔层和过程层。SCL中把主变直接划分到变电站层。在CIM中，变电站包含了电压等级和间隔，通常作为设备容器。由于主变压器有相应的附属设备，一般情况下，CIM建模时会把主变看做主变间隔，主变间隔与变电站直接建立联系。从整体上看，SCL与CIM虽然描述的方式不同，但是对于变电站模型，很多地方确极其相似。

2.2 模型的差异

IEC61970/61968采用抽象模型CIM描述电力系统所有的主要对象。IEC61850则用变电站配置语言对自身的对象进行描述。CIM和IEC61850模型的根本区别在于[6]：CIM主要对变电站内的一次设备模型进行描述，而对变电站内实际功能模型的描述很少。IEC61850主要对二次智能电子设备进行描述，也可以对变电站内一次设备模型描述，然而对一次设备的描述与CIM比较而言要简单的多。模型差异主要来自类、关系和属性3个方面。下面给出了模型之间在这3方面的不同之处。

类型差异主要包括导电设备类差异、量测体系差异、对象标识方式差异、时标差异、单位类型差异以及品质对象差异。

关系差异表现在CIM中，类与类之间的关系是双向的、网状的。IEC61850中类与类之间的关系是单向的、树型的。与层次化模型相比，网状模型的校验比较困难。

属性差异表现在SCL中的tConducting Equipment包含 name、desc、virtual属性 ， 比 CIM 中定义的ConductingEquipment子类中的属性少很多。同样，在PowerTransformer等其他类中，SCL类包含的属性都比CIM类少，这导致在模型转换的过程中会丢失很多信息。

3 协调方案

IEC61970标准主要用于调度中心，使用CIM对电力系统中的主要对象进行描述，而IEC61850标准主要用于变电站。二者的模型基本上是独立的、互不相同的。IEC TC57成立 WG19的初衷就是IEC61970和IEC61850的模型协调，及负责 TC57范围内互操作性的长期战略研究。在CIM和IEC61850标准制定过程中，以ABB公司为首的研究机构就对CIM和IEC61850模型协调问题予以重视，并进行了长期的研究。现在二者的协调问题已经受到了广泛关注，协调相关的一些调查已经在标准化工作组以及由EPRI发起的项目中进行。

针对模型协调问题，国内外研究机构都给出了自己的解决方案，这些方案主要分为直接统一模型、无缝通信体系、公共语义模型、模型映射以及本体语义模型等。

3.1 直接统一模型

直接统一模型的思想在于，整合IEC TC 57公共信息模型与IEC61850变电站配置描述语言信息模型，为电力系统建立一个统一的信息模型。此方案实现了模型的统一，为电网中的一切活动提供了理论基础，对整个智能电网的建设具有重大意义。

2006年，ABB公司较早提出了将两个标准合并的思想，通过比较IEC61850模型和CIM的差异，认为二者的合并可以实现。与此同时，其他研究机构提出了基于CIM扩展，使其完全兼容IEC61850模型的思想，该思想的提出为后来其他机构的研究奠定了理论基础。

2009年9月，广东电网公司电力科学研究院提出了基于CIM与IEC61850变电站配置描述语言信息模型整合的方案，构建整个电力系统统一的公共信息模型。基于CIM直接统一模型方案的示意如图2所示。此外，理论上也可以基于IEC61850建立统一模型，但可行性较差，无实践支持。

图2 基于CIM扩展的直接统一模型方案

直接统一模型需要大幅度修改现有的模型，工作量大，短期内很难完成，且变电站端和调度端对模型的需求和侧重点不同，建立统一的信息模型还有待实践验证。

3.2 无缝通信体系

IEC61850-7-1第一版的附录D中，提出了无缝通信将来可能使用代理技术实现，并提到3种可能的实现方式：1）通过代理使控制中心直接访问变电站物理设备。2）在代理内，控制中心的数据集由逻辑设备定义。3）在代理内定义新的逻辑节点类和数据类，提供变电站的控制中心视图。

2007年前后，西南交通大学综合了第2、3种实现方式的特点对此方案进行了深入研究，提出建立IEC61850＋通信标准的方案，并验证了无缝通信方案的可行性。

2008-2010年，国网电力科学研究院也对此方案进行了研究，通过协议转换和代理技术，给出了几种可供选择的无缝通信实现方案，如综合模型映射、协议转换，且成功应用在国内的一些数字化变电站中[7]。

2013年，国电南瑞南京控制系统有限公司提出了一种新的无缝通信体系方案。文章中提到一种用于无缝通信的新流程：首先在子站端生成相应的SCD文件，该文件在子站端通过特定的校验工具检验，以保证语法、层次结构、对象模型的准确性。在主站端，可以定期或人工主动方式把子站生成的SCD文件调到主站，然后通过文件解析工具解析SCD文件中的模型信息，最后对主站端能量管理系统（Energy Management System， EMS）数据库中相关记录进行操作，最终实现对主站系统的免维护。

3.3 公共语义模型

公共语义模型的思想在于，利用统一建模语言在CIM基础上建立包含IEC61850模型的新对象体系，在新的模型中，二者可以互相理解语义级别的内容。具体转换过程如图3所示。此方案在语义方面有较高精确度，并且有较高的可行性。

图3 公共语义模型解决方案

2003年至2007年，ABB研究小组做了一项工作，将所有的IEC61850模型转换为UML[8]，模型间的语义就用此形式语言表达，同时开发了一个用于两个模型间双向翻译配置文件的工具。ABB研究小组发现，CIM和IEC61850模型间类型的不匹配是自动协调过程的主要障碍。

2009年10月，EPRI的报告中提到：在智能电网的若干领域中，一个用于应用级通信的公共语义模型是必要的。报告建议要统一CIM和IEC61850模型。文中提到公共语义模型的好处，由于变电站内的数据采用IEC61850信息模型，该数据应使用相同的信息模型向控制中心报告。这将简化从现场采集数据的模型和CIM数据模型之间的协调工作。

2010年 6月，EPRI委托 Xtensible Solutions和SISCO公司完成了一份报告[9]，该报告研究的主要内容是建立整个电力系统的统一语义模型，为了支撑智能电网的发展，必须保证CIM和IEC61850模型间转换的准确性。目前，EPRI对UML公共语义模型的定义已经初步完成，且验证了一些实例以支持方案的可行性。

该方案也存在一些问题，UML本体语义模型缺少支持其领域建模要求的机制；在语言体系结构、语义等方面存在理论缺陷；此方案开发的工具需要用户进行手动翻译，使得模型协调的工程量较大。

3.4 模型映射

模型映射方案的思想在于，对现有标准尽量小幅度修改的前提下，实现从一个系统模型映射到另一个系统的等效模型，主要是两个文件之间的映射，即把SCD文件映射为等效的CIM/XML或CIM/E文件[10]。模型映射方案的优势在于对现有标准改动小，各类系统均得到保留，通过实践证明此方案切实可行。

2003年，模型映射的研究工作在ABB公司开展，他们建立了基于UML的模型映射工具原型系统。

2006年左右，国家电力公司继电保护研究所从理论上对模型映射进行了研究，基于XML文件规范了IEC61850模型到CIM的映射规则。

2009-2010年，该方案也在国网电科院中开展，他们给出了实际系统的实现方案，并且应用于实践[11]。此外山东大学在2010年对模型映射研究也提出了自己的建设方案。

不足之处：修改和补充不能从根本上解决问题，对整个智能电网建设的意义有限。

3.5 本体语义模型

本体语义模型的思想在于：使自身模型保持不变的基础上，使用本体建模语言建立语义信息模型，最后通过本体映射实现模型间的映射关系，最终完成两者之间的信息共享，以达到模型间的协调。具体方案如图4所示。使用本体语义模型进行模型协调的突出优势是：无需对现有的标准作出修改，切实可行，从根本上解决了模型不匹配的问题。然而，由于两个模型之间的关系并不是总有明确的定义，在转换为本体模型的过程中可能需要手动完成，这使得模型协调的实施变得繁琐。

图4 本体语义模型协调方案

2006年，EPRI发表了一篇关于OWL的报告。报告提出Web本体语言 （Web Ontology Language，OWL）比UML的语义精确度更高，表达更准确，建议使用Web本体语言表达语义对应关系。此报告给我们提供了一种新的方法-本体技术。报告中提到建议UML和OWL结合使用，同时也介绍了结合使用UML和OWL的具体方法。

2012年-2013年，相关研究机构对基于OWL本体的模型协调问题展开了深入研究[12-14]。其主要方法是采用Protégé构建IEC61850和CIM的本体模型，再利用本体映射技术完成已有本体模型的映射，目的是为了获得CIM与IEC61850模型之间的映射规则。

4 方案比较

CIM和IEC61850模型协调已成为国内外智能电网领域的热点课题，根据第3部分所述协调方案，给出各方案的优势和不足如表1所示。综合分析[15]可知它们之间存在的关系如表2所示。其中A∈B表示B包括A。由表2可见，公共语义是所有协调方案的基础和关键，其建立无论对于应用哪个方案，都应需要首先要解决。

表1 各方案的比较

表2 模型协调方案间的关系

5 结 论

随着智能电网的加速发展，模型协调工作成为必然，各种协调解决方案更是层出不穷，本文在介绍IEC61850标准和IEC61970标准的前提下，对二者的模型进行了比较，并列举了二者的主要差异。总结了国内外对CIM和IEC61850模型协调的研究方案，对当前主要的研究机构给出的协调方案—直接统一模型、无缝通信体系、公共语义模型、模型映射、本体语义模型方案进行了详细比较。结果表明，建立公共语义模型是未来模型协调的基础和关键工作。

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Research on the harmonization of CIM and IEC61850 model

ZHANG Tie-feng1， LI Jia1， GU Jian-wei2， ZHANG Wei-hua1
（1.School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University， Baoding 071003， China；2.Hangzhou Power Supply Company， Hangzhou 310009， China）

Since the substation automation system and the dispatching center follow IEC61850 standard and IEC61970 standard respectively，the two models are not unified and the information is difficult to be shared.Therefore，this paper compares IEC61850 and CIM，and analyzes the main differences between the two models.Based on the recent researches on the harmonization of CIM and 61850 models，this paper discusses 5 kinds of existing harmonization solutions， including the direct and unified model，seamless communication， public semantic model， model mapping and ontology semantic model.Then，this paper gives a detailed analysis and comparison and lists their advantages and disadvantages.Finally，the results show that establishing the public semantic model is the basis and key to solve the problem.

IEC61850；IEC61970；CIM；model harmonization；smart grid

TN91

A

1674－6236（2017）12-0006-05

2016-08-16稿件编号：201608107

国网浙江省电力公司科技项目（5211HZ1352TZ）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（2014MS101）

张铁峰（1974—），男，内蒙古凉城人，副教授，博士后。研究方向：信息安全、配电网信息处理与决策支持。