基于IEC 61970的调度运行管理系统设计

翟 哲，刘显茁，张 勇，王 巍，邱生敏，张 坤，张德亮，郭自豪

(1.南方电网电力调度控制中心，广东 广州 510623;2.北京清大科越股份有限公司,北京 100084)

0 引言

电网调度管理需要对大量数据进行分析，对系统运行机理、运行策略等做出判断，进行全方位的综合决策，这一点与新一代的人工智能发展较为相似[1]。而目前调度运行管理越来越面向服务构架的趋势发展，在调度运行管理中，对于此构架的研究和应用仍然有限。

针对不同的调度系统方案与构架，文献[2]提出了基于多QoS约束条件的广域信息管理系统任务调度算法;文献[3]提出了基于SOA面向服务体系结构的电力调度管理系统;文献[4]主要针对调度数据管理，提出了相应的设计方案;文献[5]提出了面向需求响应的数据中心供能系统优化调度系统。可以看出，针对面向服务构架调度管理系统设计较少。

因此，本文针对面向服务构架的理念，设计了基于IEC 61970的调度运行管理系统。首先分析电网运行调度管理的特征和状态，然后从IEC 61970标准出发，提出了基于该标准的调度运行管理系统的构架，主要分析了其功能和系统特点。本文重点分析了该系统的数据管理方案，包括数据采集方案、数据整合流程以及数据安全构架，从数据的多维度方面提出了该系统的数据管理特征。最后针对调度管理的报表生成说明了该系统的有效性。

1 现阶段电网调度运行管理

现阶段电网调度运行管理所涵盖的范围十分广泛，从基本的并网管理到最终的运行支持管理，涵盖了多种类型的数据。调度的管理主要分为并网管理、运行风险管理、运行计划管理、运行控制管理、运行评价管理、二次系统管理和运行支持管理等。调度最主要的任务就是运行计划管理，其主要内容包括发电能力的计算、发电计划编制、综合停电信息安排、输配电能力管理、运行方式编制、系统运行计划编制和水电调度等。根据所编制的运行计划可以得到相应的调度操作票、调度日志、设备监控日志、应急预案及事故决策支持、调度运行信息报送与发布等内容。而目前电网调度更加注重电网运行的安全和稳定性，因此在调度管理过程中，调度的运行支撑占比日益增长。现阶段调度的主要任务不仅仅是完成发电任务，更重要的是完成对系统运行安全、经济、优质、环保开展分析评价，制定相应的指标，进一步提升电网的运行能效，促进电网的运行水平。相关的网省公司已经对于目前多维度的分析感知技术与系统运行、数据处理等进行了项目分析，主要目的是利用国内外先进的研究成果，综合考虑电力自动化技术、通信技术、智能电网技术等，将电网运行中的设备模型、设备参数、历史数据、发电计划和市场定价等作为数据的基本信息，通过大数据、云计算、人工智能等技术将这些信息有机的结合起来，经过相关的软件接口处理，形成统一的数据库。最后针对不同类型的数据建立不同的模型，实现数据的可视化，最终呈现给调度运行部门的不仅仅是枯燥的数据，而是能够根据这些数据对系统的运行方案进行更深层次的规划和安排。在这个过程中，系统运行分析报表是系统调度过程中重要的环节。为了实现多维度的报表功能，需要设计相应的运行管理系统，针对不同的标准，实现相应的功能。

2 基于IEC 61970的调度运行管理系统

2.1 面向服务构架

面向服务的概念起源于计算机领域，其主要特征是能够通过编程接口访问各类应用。面向服务架构(SOA)的主要构成是服务提供者、服务使用者和服务平台中心。通过服务提供者、使用者以及信息平台的连接，将网络地址实体、应用程序或功能以及服务平台三者有机结合，建立起服务使用者与提供者的对话。

面向服务构架是一种构架模型，它可以用于弱耦合应用元件的分布式系统的部署、构建以及应用等。面向服务构架的所有功能均可以使用描述语言进行定义，其接口使用独立的、免费的服务，其硬件接口平台、操作系统和编程语言均根据此接口来实现。面向服务的构架主要有2大特点:一是数据格式的标准化,其可以通过对数据进行压缩和加密来调整数据的格式，从而提升数据的安全性和实时性，不同的数据格式可以封装为标准的数据格式(例如XML格式);二是统一的标准化接口,面向服务的构架可以同时将多个接口整合为统一的标准化接口，不同类型的面向服务构架产品均可以实现此功能。

2.2 IEC 61970 CIM/CIS标准

IEC 61970《能量管理系统应用程序接口(EMS-API)》,是由国际电工委员会(IEC)57号13组制定的应用于电力自动化的一个系列标准，其目的是促进电力企业应用集成[6]。IEC 61970提出一个独立于底层技术的基于组件的应用集成框架、一个公共信息模型(CIM)和一些组件接口规范(CIS)。CIM可以作为应用程序接口的公共语义，其特征是描绘电力系统运行管理中存在的各种实体及其关系；通过CIS，应用服务中的组件可以用一种标准的方式交换信息和访问公共数据。基于CIM，系统和应用可以使用CIS进行信息交互；基于CIS，图形互动可以实现大部分功能。该标准的主要目的是为不同的生产商整合不同类型的电能管理服务的应用提供便利，能够让能量管理系统更好地在调度中心与其他系统相互融合。同时，实现与不同的能量管理系统的调度中心模型相互交换信息。

IEC 61970推荐了4种主要的组件模型，即企业Java组件(EJB)、公共对象请求代理体系结构(CORBA)，构件对象模型/分布式构件对象模型(COM/DCOM)和Web Services[7]。

2.3 基于IEC 61970的管理系统构架

基于IEC 61970的管理系统的构架如图1所示，具体包括：

a.SCADA/EMS/DMS数据收集、处理、存储模块。

b.系统分析模块。用于识别系统状态、评估系统运行模式。利用离线数据或实时大数据进行处理。本模块利用在线决策树算法对系统的实时状态进行监视和评估。

c.智能决策模块。能够实现对电网控制能力的分析，包括新能源出力预测、安全约束、远动控制和保护装置灵敏度控制等，并基于得到的全局描述器搜寻和发布预防或校正控制。电力系统调度和控制在该模块中模拟为多目标博弈问题，博弈双方为人工智能调度员和一系列可能的问题，包括可再生能源的不确定性、停电、黑客攻击等。

d.存放现状表计数据/历史表计数据、仿真数据、调度命令的三大数据库，以及自动装置动作记录的数据库。

e.人工智能调度接口，包括与人工调度交互的对话接口。

图1 系统构架

2.4 主要功能和系统特点

该系统的主要功能如下：

a.可进行在线状态监测，并具有预警功能。

b.具有调度行为智能机支持系统，可实现开环控制模式和调度员建议模式。

c.实时调控机制自动智能控制，即闭环控制模型，实现最优预防和紧急控制无需调度员审核而自动执行，且不需要用户指令的确认。只要结果可行，指令即自动执行并发送。

d.开闭环联合控制，部分指令可由调度员完成，其余则由人工智能调度系统实现。

其主要特点为：

a.该系统需要整合范围内各种业务应用系统的数据，信息模型需要不断扩充。为了能够适应信息模型的不断变化与扩展，系统采用了优化的系统设计，各类数据服务(信息模型服务、实时数据服务、历史数据服务和历史事项服务等)均能够实现对模型扩展的自适应。

b.模型扩展后，不需要对各类数据服务的软件程序进行任何改动，只需要简单配置甚至不改配置，新扩展部分的模型数据就能够自动由各数据服务访问或处理。

c.数据服务能够有效扩展系统的自适应能力，使系统的可扩展性、业务应用系统接入效率大大提高。

另外，系统采用统一的对象编码作为模型合并、数据整合与数据交换的重要数据标识。系统具有功能完善的统一对象编码子系统，实现统一编码生成、校验、查询和维护等功能，编码子系统能够适应不同的编码体系或编码规则，并适应编码规则的进化需要，支持不同编码体系之间的映射。

统一对象编码子系统由对象编码服务及编码维护管理工具等功能模块组成。对象编码服务按照SDP-DDS编码规范，以遵循SDP-DDS的接口标准，提供编码的生成、查询和校验等服务，保证编码的唯一性以及合法性。该服务作为接口系统的核心服务之一，除用于接口系统内部的编码生成、查询和校验外，还可以由外部的应用通过公开的接口进行调用。

3 系统数据管理方案

3.1 系统数据采集方案

调度系统的数据收集主要依靠遥测、遥信和遥控等功能来完成。在电力市场的环境下，不同市场参与者之间的通信机制，对于传输服务提供者以及有资质的调度实体是非常重要的。有资质的调度实体，也就是通常意义上的调度中心。调度中心拥有相关的设备，并且能够代表发电商以及其他市场参与者的一些利益进行市场活动。通过部署在调度中心的SCADA系统，调度中心可以监测电压、电流、功率以及设备状态等信息。通过内部控制中心通信协议IEC 60870，就可以将这些信息传输至不同的市场参与者。

在信息的互动过程中，遥测系统对于数据的采集十分重要。需要确保遥测过程中，满足相应的规程规范以及标准，从而将遥测信息与现阶段广泛应用的大数据模型以及云计算等综合考虑，并融入到电力调度中。遥测过程中，不仅仅需要捕捉调度过程中不断变化的拓扑结构以及设备运行状态，而且需要追踪不同类型的遥测数据或者是与这些遥测量相关的设备信息、位置信息、传输信息、信息自然属性等数据。传输过程中可能有多种形式，主要包括二进制、浮点量测量以及整数位置量测量等。这些量测量的数据信息对于调度过程中的读写均具有非常重要的意义。

IEC 61970标准为量测包中定义的遥测提供了相应的解决办法。该量测包正处于发展的基本阶段。其主要的第一级别的形式包括模拟量、离散量、模拟量值和量测量值等，这些量均定义设备的量测状态以及电气位置等。第二级信息主要包括模拟量名称、离散量名称、量测值来源和计算值等，这些信息确定了有功功率、无功功率、开关状态和量测来源。

3.2 数据整合流程

数据整合流程如图2所示。

图2 数据整合流程

数据的整合是建立在数据采集基础上的进一步深入的操作。数据的整合，主要包括数据转换、数据合理性校验及数据库存入、数据可视化分析等。数据转换主要是指数据不同类型的抽取，抽取数据需要从不同的系统中将有用的数据进行挖掘，这里就涉及到多种调度系统运行监测管理的多样化数据。在数据抽取过程中，应当结合调度运行的实际情况，针对不同的数据结构、数据类型和数据状态进行合理化的抽取。当数据转换完成之后，就需要对数据的合理性进行校验，以便剔除不良数据的影响。数据的合理性校验应当根据相应的标准和规范进行，并且出具能够提供给上级调度部门的校验报告。当数据合理性校验完成时，此时的数据就可以存入到数据库中。数据库的规模是随着数据结构不同而进行划分的，数据库也需要对于调度不同级别进行合理的分类，不同数据库之间的数据应当能够满足数据同步的要求。不同级别的调度中心能够对于自己管辖区域范围内的数据进行可视化的分析。在调度运行管理过程中，应当能够随时调取数据库的数据信息，以便进一步进行调度管理的操作。调度过程中的数据抽取与转换数据存储等需要专门的接口程序来实现，该接口程序需要满足IEC 61970的标准。在接口设计过程中，应当充分考虑数据的数据特征以及面向服务的构架设计方案。最终通过相应的可视化技术将数据的抽取、转换与加工进行图形化、流程化的呈现方式，实现调度过程中的数据有证可查、有据可循。

数据合理性校验是整个过程中最为重要的一个环节，数据的合理性是日后调度中心进行数据分析的重要基础。数据的合理性校验，主要是针对遥测系统采集的数据所可能出现的数据重复、数据缺失、数据违规等问题进行的综合处理。主要包括数据的取值范围检查、交叉记录验证、数据格式教研、数据空值检查、重复数据清除和数据源纠错等内容。

3.3 数据安全构架

全业务统一数据中心系统等级保护初定为一级，其安全防护遵循“分区分域、安全接入、动态感知、全面防护”的安全策略，按照等级保护一级系统要求进行安全防护设计，并根据业务系统的不断完善加强对系统的防护，最大限度保障应用系统的安全、可靠和稳定运行。安全防护总体技术架构如图3所示。

图3 数据安全构架

数据安全的防护构架主要分为数据的信息内网、信息外网和外界互联网之间的联系。信息内网系为主要的调度数据库，以及调度信息、调度接口服务等网络。调度信息外网即为与外界服务对接的模块。而互联网即为与终端用户相连接的网络模块。首先应当重点关注信息内网的数据安全，其次应当控制信息外网与互联网之间的信息交换，设置相应的防火墙。

4 应用案例

调度运行管理系统的主要目的是根据各种调度数据生成调度报表，供调度人员进行下一步的政策制定等。因此，调度报表集中反映了调度收集的数据信息、调度决策系统的可视化功能，以及调度的终端展现功能等。本文通过面向服务的调度管理系统，设计了如图4所示的调度报表功能构架。

图4 调度报表功能构架

报表服务模块是为满足各类用户在报表分析方面的综合要求，提供的一个分析型报表的解决方案。其核心是基于语义模型定义自由报表，其格式设计中可进行各类分析设置；设计好的自由报表可发布为节点，供用户进行实时查询分析和定时订阅发布等各种方式的使用。

在报表管理中，调度人员根据不同等级的调度管理范围进行数据的整合，从而确定调度报表所展现的基本内容。通过调度报表的协同编制功能，不同调度级别的调度人员可以进行在线数据的编辑。调度报表的服务端是调度报表展示加工阶段的重要组成部分，主要包括展示引擎、计算引擎、数据引擎、数据源设计器、报表设计器以及多种数据库等。通过服务端对数据的类型、展示内容的加工，可以完成报表的基本展示功能。报表管理是为了进一步加强报表的可读性而设计的，主要包括数据的导入导出、报表的发布、报表的监控和报表归档等。报表内的所有内容应该在系统中提供在线查询浏览功能，具体功能如表1所示。

表1 报表管理功能设计

5 结束语

本文针对面向服务构架的理念，设计了基于IEC 61970的调度运行管理系统。IEC 61970标准能够提供相应的管理构架方案，并且依此设计了系统数据管理方案。本文设计的方案能够为调度运行管理提供系统支撑，在应用案例中设计了面向服务的调度报表管理系统，说明了相应的功能。结合具体的调度运行方案，本文的管理系统可以衍生更多的应用模块。