泛在电力物联辅控系统中的公共信息模型扩展研究

胡洋 杨小凡 纪陵 滕国山

摘要：泛在电力物联网对智能变电站提出了新要求，辅控系统的公共信息模型扩展研究是建设泛在电力物联网的基础。IEC 61970中定义的公共信息模型（CIM，Common Information Model）不能为辅控系统进行提供全面的模型支撑。该文基于IEC 61970标准中规定的CIM基本扩展原则，通过分析辅控系统的组成结构，扩展了辅控系统的公共信息模型，并给出了在实际工程实施中的交互流程。

关键词：IEC 61970;泛在电力物联;辅控系统;公共信息模型

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）25-0036-03

2019年3月8日，国家电网有限公司泛在电力物联网建设工作部署电视电话会议在京召开，对建设泛在电力物联网做出全面部署安排。会上指出要全面推进“三型两网”建设，即建设枢纽型、平台型、共享型企业，在坚强智能电网基础上建设泛在电力物联网，共同构成能源流、业务流、数据流“三流合一”的能源互联网[1]。

目前变电站内都部署远动系统，采集站内数据并上送调度主站，但是在投运前，需要有很大的对点工作量，并且在后期改扩建的过程中，仍然需要重复前面的对点工作，以保证新增设备未影响前面的信号正常上送。

泛在电力物联网是要围绕电力系统的各个环节，充分应用先进的物联网技术，实现万物互联，通过融通提供数据价值服务。由此可见再利用人工对点的方式已经不能满足泛在电力物联网的多设备、大数据量的特点，所以本文提出辅控系统公共信息模型来解决以上问题。

对于公共信息模型的研究，国内外对其扩展进行了很多尝试，提出了很多领域的公共信息模型扩展的研究思路和方法。文献[2]对智能变电站二次系统公共信息模型拓展进行了研究，实现了二次系统物理拓扑建模和一二次设备信息关联，促进了一二次系统信息融合，为一二次数据信息挖掘、设备协同故障诊断等技术研究奠定基础。文献[3]扩展了智能变电站继电保护二次设备资源公共信息模型和继电保护二次设备资产公共信息模型。文献[4]研究了风电场在公共信息模型中的结构关系，建立了风电场和风机量测数据的CIM。文献[5]通过分析输电设备的全景信息建模需求，从设备的EPC编码信息、资产基本信息、运维过程信息、公共安全信息和在线监测信息5个方面，建立了输电设备的全景信息模型。文献[6]以面向对象统一建模理论为依据，详细构建了基于公共信息模型的电网信息模型，并对比了多种开发软件，选取了Enterprise Architect软件进行电网信息模型的创建、修改和维护，最终通过实际现场进行了模型交互验证。文献[7]针对配电网的特性对CIM模型进行了扩展研究。

虽然国内外对CIM 扩展进行了很多尝试，也提出了很多领域的CIM 公共信息模型扩展的研究思路和方法，但是在辅控系统方面，目前尚未有具体的公共信息模型，来支撑辅控系统的信息交互。

本文采用面向对象的建模思路，从泛在物联辅控系统的物理构成以及设备运维管理应用需求等角度进行了剖析，在现有的CIM模型上，扩展泛在电力物联辅控系统公共信息模型，为实现泛在物联智慧变电站的建设奠定模型基础。

1 辅控系统

辅助设备监控系统在变电站部署，集成了变电站在线监测、巡检机器人、视频监控、消防、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制、智能锁控等子系统，实现辅助设备数据采集、运行监视、操作控制、对时、权限、配置、数据存储、报表以及智能联动管理，为变电站综合监控提供辅助支撑的系统，简称辅控系统[8]。

其具体架构如图1所示。

辅助设备监控系统包括辅助设备监控系统主机、工作站、运检网关机、巡检机器人主机、视频监控主机、就地模块等主要设备。

辅助设备监控主机部署在安全Ⅱ区，按DL/T860规范，接入Ⅱ区在线监测、消防、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制、智能锁控等辅助设备信息;通过防火墙接收Ⅰ区主设备监控系统联动信息，并通过安全隔离装置向Ⅳ区发送联动信息。

视频监控主机部署在Ⅳ区，接入Ⅳ区变电站工业摄像机视频监控信息，通过正向隔离装置实现主、辅设备视频联动。

巡检机器人主机部署在Ⅳ区，通过安全接入模块，接入变电站巡检机器人信息。

辅助设备监控系统与辅助设备集中监控系统之间，Ⅱ区部分通过调度数据网实现信息交互，Ⅳ区部分通过综合数据网实现信息交互。

2 辅控系统CIM拓展

2.1 拓展原则

根据IEC 61970标准中规定的CIM基本扩展原则，要最大可能的使用现有的CIM。在此基础上，可以根据具体的使用领域，可以从简单到复杂进行考虑，进行CIM扩展[9]。

（1）向一个类已有的属性中增加附加值;

（2）向已有的类中增加属性;

（3）增加新的类，此类是已有类的特例;

（4）通过关联向已有的类中增加新的类，并可以考虑将新增的类归类到新的包中。

本文基于IEC 61970中原有的CIM包扩展建立了辅控系统信息模型，所涉及的模型均在CIM-301内扩展。

2.2  辅控系统CIM建模

辅控系统是由辅助设备监控系统、在线监测、消防、安防、环境监测、智能锁控、照明控制等辅助设备构成的一个完整的有机整体，辅助设备监控系统主要实现运行监视、智能联动、配置管理等功能，其他辅助设备主要承担对下的信号采集及联动执行等操作。

IEC 61970的CIM定义了核心包（Core）中的Equipment设备类[10-14]，辅控设备可以作为Equipment设备类的子类，所以需要基于Equipment设备类对象派生出辅控设备的子类，派生出的对象有在线监测装置（OnlineMonitorDevice）、感烟探头（SmokeProbe）、火灾报警器（FireAlarm）、灭火器（FireExtinguisher）、消火栓（FireHydrant）、电子围栏（ElectronicFence）、红外对射（InfraredBeam）、溫度传感器（TemperatureSensor）、湿度传感器（HumiditySensor）、风速传感器（WindSpeedSensor）、门禁控制器（AccessController）、门禁（DoorAccess）、照明控制器（IlluminatingController）、摄像头（Camera）等辅控设备对象类。

辅助设备没有电压等级和间隔的概念，现有CIM模型中对Equipment设备类只有电压等级和间隔的描述，但是对于辅控设备，需要知道的是其安装位置和监控区域，所以需要扩展出这两个类。

辅助设备除了需要了解设备的本身检测信号外，还关心设备的型号、安装方式、维保单位等信息，实现设备在线监测信息、设备台账信息（含基本信息、技术参数、价值信息、运维资料、大修技改、缺陷记录、绩效评价等七个维度）的记录。

基于上述分析，采用面向对象的建模方法，基于Equipment设备类对象各辅控设备对象类，扩展安装位置和监控区域属性，构建辅控系统的公共信息模型，其CIM建模框图如图2所示。

其中：灰色框表示已有的类或基类，白色框表示新扩展的类。

2.3  辅助设备及其组件建模

根据以上分析，可以定义出具体辅助设备的模型，模型应具有以下特性：

（1）要有唯一编号，通过此唯一编号，贯穿不同的业务系统，方便之后的运检业务的统一分析

（2）要确定所属类别，用于划定具体的业务子系统

（3）安装位置和监控区域

（4）台账信息

（5）自身属性

以下给出门禁控制器的模型实例，如图3所示。

2.4  辅控系统CIM实例

根据上述分析，可以设计出辅控系统CIM模型实例，如下所示。

@Num  mRID  name  Parent  P  Q  region_id

//序号  标识  区域名  父区域标识  总有功  总无功  模型所属区域

#  1  11371589075189  南京  NULL  NULL  NULL  1

@Num  mRID  name  pathName  type  ControlArea  P  Q  x  y  i_flag  mGdis_flag   mUnXf_flag  region_id

//序号  标识  中文原名  标准带路径厂站全名  厂站类型  所属区域标识  总有功  总无功  厂站经度  厂站纬度  电流量测标识  地刀量测标识  机组变压器量测标识  所属系统区域

#  1  3096224743817223  禄口变电站  南京. 禄口变电站  变电站  11371589075189  NULL  NULL  NULL  NULL  NULL  NULL  NULL  1

@Num  mRID  type  name  mSubstaionLink

//序号  标识  类型 中文原名  所属变电站

#  1  02121211231001  楼  一号小室  3096224743817223

#  2  02121211231002  楼  二号小室   3096224743817223

@Num  mRID  type  name  mBuildingLink

//序号  标识  类型  中文原名  所属建筑

#  1  0212121123100101  楼  一层 02121211231001

#  2  0212121123100201  楼  一层 02121211231002

@Num  mRID  type  name  mFloorLink

//序号  标识  类型 中文原名  所属楼层

#  1  021212112310010101  小室  101室 0212121123100101

#  2  021212112310010102  小室  102室 0212121123100101

@Num  mRID  name  mFilePath

//序号  标识  中文原名  文件路径

#  1  021212112310010101ACF01  台账信息 /date/document/accesscontroller.xml

@Num  mRID  type  name  mBuildingLink mFloorLink  mRoomLink  mDocument

//序号  标识  类型 中文原名 所属建筑  所属楼层  所属小室  所属文件

#  1  021212112310010101AC01  门禁控制器  一号小室门禁控制器  NULL  NULL  021212112310010101  021212112310010101ACF01

@Num  mRID  type  name  mDevice  mIndex

//序号  标识  信号物理数据属性  中文原名  所属设备  104点号

1  021212112310010101AC01D01S  State  南京市.禄口变电站/一号小室门禁控制器门1状态  021212112310010101AC01  241

3 辅控系统CIM交互

3.1  交互流程

主子站间交互分为模型传输和设备信息传输，其中模型采用文件方式定义，而后子站利用电力系统通用实时传输协议的文件服务，上送主站。待主站模型校验成功并生成主站数据库，子站得到主站返回的成功结果，然后可以进行设备信息的发送。具体交互流程如图4所示。

3.2  通信方式

目前，变电站主子站间比较通用的通信方式为IEC 104规约，CIM模型文件可以通过104规约的文件传输服务交互，而后的设备信息可以利用104报文发送其点号来唯一标识，具体的流程如图5所示。

4 结束语

目前变电站中的远动系统完全依赖于站内及调度对点工作，在投运前工作量大。但是泛在电力物联网设备多、数据量大，已经不能采用传统的人工对点来实现信号的核对工作，而且后期扩展困难，需要重新验证前期的对点工作，不能满足泛在物联的智慧变电站发展要求。基于以上分析，本文针对辅控系统，分析了辅控系统的系统架构和装置构成，并结合IEC 61970的CIM扩展原则，扩展了辅控系统的公共信息模型，给出了具体的实例，并分析了主子站间的交互流程，实现了辅控系统及其设备多维信息的统一建模和管理，为实现泛在物联辅控系统的一体化建模和互操作奠定了一定的基础。

參考文献：

[1]  国网互联网部.泛在电力物联网建设大纲[J].华北电业，2019.

[2]  叶远波，谢民，陈实，等.智能变电站二次系统公共信息模型拓展研究[J].行业应用与交流，2018，37（7）：154-158.

[3]  叶远波，纪陵，黄太贵，等.面向状态检修的智能变电站二次设备公共信息模型扩展研究[J].电力系统保护与控制，2018，18（46）：49-58.

[4]  梁涛，徐紫君，杨改文，等.基于公共信息模型的区域风电集控SCADA系统的设计与实现[J].高技术通讯，2018，28（4）：336-343.

[5]  黄小庆，白纯，曹一家，等.基于公共信息模型的输电设备全景信息扩展建模[J].高电压技术，2015，12（41）：3929-3936.

[6]  梁国迪.基于公共信息模型的电网信息建模研究及应用[D].河南：华北水利水电大学，2017：5-15.

[7]  WANG X F，SCHULZ N N，NEUMANN S.CIM extensions to electrical distribution and CIM XML for the IEEE radial test feeders[J].IEEE Transactions on Power Systems，2003，18（3）：1021-1028.

[8]  智慧变电站试点工程辅助设备监控系统技术要求（试行）[S].2019.

[9]  能量管理系统应用程序接口（EMS--API）第301部分公共信息模型（CIM）基础[S].2004.

[10] 朱雪凌.基于公共信息模型的配电网建模研究[D].河南：华北水利水电大学，2017：1-15.

[11] 曹晋彰.面向智能电网的公共信息模型及其若干关键应用研究[D].浙江：浙江大学，2013：12-16.

[12] 刘海璇，吴福保，董大兴，等.微电网能量管理系统中的公共信息模型扩展[J].电力系统自动化，2012，36（6）：45-50.

[13] 刘国建.公共信息模型在微电网中的应用研究[D].山东：山东大学（威海），2017：6-13.

[14] 陆靖滨.基于公共信息模型的配电网建模研究[D].河南：华北水利水电大学，2017：7-15.

【通联编辑：朱宝贵】