基于电力系统公共信息模型的互操作试验

1、基于电力系统公共信息模型的互操作试验   发布日期：2011-04-22    中国智能电网资料频道导读：以IEC 61970 标准的公共信息模型（CIM）为基础，介绍了基于CIM/XML文件的国内外互操作试验情况，包括互操作以IEC 61970 标准的公共信息模型（CIM）为基础，介绍了基于CIM/XML文件的国内外互操作试验情况，包括互操作试验的目的、所用的模型以及试验的内容和方法等。试验在验证了CIM模型正确性的同时，也证明了控制中心各应用之间的信息交换和控制中心以外系统间的信息交换的可能性。此外还验证了EMS的不同应用之间以及不同厂家的EMS产品

2、之间的互操作性。    关键词：能量管理系统应用程序接口；公共信息模型；可扩展标志性语言；互操作试验；导入/导出  1  引言    随着电力系统和计算机技术的发展，电力系统的自动化水平不断提高。电力市场的逐步实现，需要电力市场技术支持系统和更多功能的EMS应用软件。因此，在电力系统中实现信息和功能共享越来越重要，各应用系统之间接口的标准化工作就具有很重要的意义1。IEC 61970系列标准定义了能量管理系统应用程序接口（EMSAPI）。公共信息模型（CIM）是整个EMSAPI框架很重要的一部分。EMSAPI标准的

3、目的是为了促进对不同卖方独立开发的EMS应用进行集成和对独立开发的整个EMS系统进行集成，或对EMS系统和其他涉及电力系统运行的不同方面的系统，例如发电或配电管理系统进行集成。用于控制中心各应用之间的信息交换以及控制中心以外系统间的信息交换2。通过定义标准应用程序接口，使得这些应用或系统能够不依赖于信息的内部表示而存取公共数据和交换信息，完成对EMS的集成。    一般情况下，SCADA/EMS/DMS 应用需要一个详细模型来支持它运行，包括量测、网络连接关系、设备参数等。CIM就提供了这种模型，为这些应用提供了一个全面的电力系统逻辑视图。它是IEC制定的电力系统

4、自动化中通用的数据模型和数据接口，目前国际上许多厂家已经将电力系统自动化的各级产品，例如RTU，自动抄表，电量设备和SCADA/EMS/DMS/PM的各种模型逐步采用CIM数据模型。CIM数据模型包含基本上所有和电力生产有关的数据，如RTU设备、SCADA数据、财务、网络连接、发电、检修和电力市场等。CIM是一个抽象模型，它表示了EMS信息模型中典型包含的电力企业的所有主要对象，包含这些对象的公共类和属性，以及它们之间的关系。对EMS应用而言，就是类与对象以通用的方式对电力系统中需要表示的模型进行建模。类是对现实世界中对象的描述，例如EMS中需要表示的电力系统模型，变压器、发电机、负荷和断路器

5、等。这些对象需要以一种通用的形式表示，以达到兼容插入和互联运行的目的。    美国电科院（EPRI）于1994年启动了控制中心应用程序接口（CCAPI）项目，该项目的主要任务就是形成一套标准或规范，使得能够在控制中心环境中创建“即插即用”的应用。“即插即用”应用定义为以最小代价和无任何代码改动就可以安装在系统中的一套软件。CCAPI项目的主要目标是： 减少向EMS中增加新应用所需要的费用和时间 保护对EMS中正在有效工作的现有应用的投资 促进不同系统控制中心内部以及控制中心与外部系统之间信息交换的能力2。    为了验证CIM模型的完

6、整性、通用性、实用性和正确性，以及通过CIM进行数据交换的可行性，目前一般采用互操作试验的方式。进行EMSAPI互操作实验意义重大，试验的目的是多个EMS厂家的产品可以实现信息交换和“即插即用”，这对快速提高我国自动化技术水平具有巨大的促进作用，是赶超世界先进水平、实现与国际接轨的有利时机。2  国外互操作试验介绍2.1  概述    进行互操作试验的最初动机是北美电力可靠性委员会（NERC）需要在安全协调员之间交换电力系统模型数据。现在，电力系统公共信息模型（CIM）已经可以用可扩展的标志性语言（XML）来描述，这样，模型就可以以标准格式进行

7、交换。国外从2000年12月到现在已进行了四次基于CIM的互操作试验。现在，互操作试验的工作重点已由Corba等中间件的应用，转移到以CIM/XML为载体实现电力系统数据和信息的交换，并在交换的基础上实现不同厂家的各应用产品的互操作。    在美国进行的互操作试验，有多个具有电力系统EMS产品的公司参加（并不是所有厂家都参加了全部互操作试验），包括ABB，ALSTOM，CIM-Logic，Langdale，PsyCor，Siemens，SISCO，GE Network Solution，Langdale Consulting和PTI。为了用XML标准文档格式在多个

8、EMS厂家之间交换电力系统模型，每个厂家都准备了基于CIM的XML交换文件，并通过试验证明他们都能将电力系统模型转化成XML文件，并将XML文件描述的电力系统模型转化成各自软件所需的数据格式，进行应用软件计算。2.2  互操作试验所用的模型    美国到目前为止已经针对EMSAPI标准的CIM模型进行了4次互操作试验。互操作试验的样本数据是由参加者提出的可以公开使用的模型，模型必须通过XML的有效性检验。这几次互操作试验使用的模型主要包括：PsyCor的2厂站小模型，ALSTOM ESCA的60母线模型（29个厂站，41条输电线），ABB的40母线模型（

9、15个厂站，26条输电线），Siemens的100母线模型（68个厂站，37条输电线）3，Duke energy的实际系统模型（2000条母线，1752个厂站，3095条输电线），和CAISO 实际系统模型（2473个厂站，3186条输电线）4。2.3  互操作试验的目的    进行互操作试验的目的可以综合为以下几个方面5： 证明不同厂家基于CIM的产品具有互操作性，这些产品包括EMS的各个应用以及第三方独立开发的产品； 验证信息交换中包含的类和属性是否完全遵循CIM； 证明用基于CIM的XML描述文件可以交换电力系统模型数据； 校验IEC61970标准

10、（主要是301部分）的正确性和完整性，通过剔除差异和明确一些模糊的概念得到一个高质量的标准； 校验CIM各版本的模型的正确性，到目前已经验证了CIM09b和CIM10； 建立一个大的实际系统模型，验证用基于CIM的XML文件传输数据的可行性； 运行潮流计算软件，验证模型文件的充分性和正确性。看模型中是否包含潮流计算用的所有设备参数； 在第二次互操作试验中，还验证了NERC的公共电力系统模型工作组（CPSM）提出的最小数据需求模型的正确性和完整性。    在第4次互操作试验中，除了达到以上目的外，还增加了3项特殊的目标6： 验证增量模型的传送，即传送模型的变化。 验

11、证部分模型的传送。 对内部控制中心通信协议（ICCP）的结构数据进行交换。2.4  互操作试验的内容    在正式进行互操作试验之前，各厂家都必须事先准备好模型文件样本（基于CIM的XML文档），然后再集中到一起进行互操作。试验内容包括以下几个方面。    （1）模型文件的基本导入/导出3    在导出过程中，每一个试验参与者必须将模型从自己私有的数据描述格式转化为标准的CIM/XML文件格式。该CIM/XML文档能够通过浏览器读到，而且必须通过格式校验与XML/RDF语法一致。导入过程就是将标

12、准的CIM/XML文件转化成参与者私有的内部数据描述形式。导入的正确性应当由参与者特有的校验工具进行检验。    （2）互操作试验    一般情况下，进行互操作试验的参与者都需要带来自己的硬件/软件产品，在实验室组成一个局域网。用于试验的模型样本文件都放在局域网服务器上，每个参与者正确导出的文件也都放到这个服务器上，以便其他参与者访问这些文件来测试它们的导入能力4。试验分两部分：    1）每个参与者必须对标准的CIM/XML格式的文件正确地导入/导出，从而证明各自的产品可以满足标准的要求。导入正确性的校

13、验应当由各产品的内部校验功能完成。而导出文件的正确性应当通过XML/RDF校验工具验证。    2）每个参与者都必须能够成功地导出CIM/XML格式的文件，放到服务器上并可用于其他参与者导入，从而证明通过使用CIM/XML标准文件可以实现不同产品间的互操作。同时验证导出的文件应与原始模型文件相同。    （3）应用软件计算    应用软件计算的测试主要为了验证电力系统模型数据的完整性以及数据传送和交换的正确性，通过运行潮流计算程序来实现4。主要内容包括：首先，每个参与者（例如A）都必须导入标准的电力系统模

14、型文件，将其转化为私有的数据描述格式，并通过模型校验，进行潮流计算，保存计算结果。计算结束以后，再导出一个CIM/XML文件；然后，其他参与者（例如B）将这个导出文件导入到自己的私有系统中，经过校验以后进行潮流计算，计算结束以后，再导出一个CIM/XML文件；最后，第一次导入原始文件的参与者（即参与者A）再将这个导出文件导入自己的系统，进行潮流计算，并与对原始数据进行潮流计算得到的结构相比较，若差别在合理的范围内，则说明试验成功。    这里需要说明的是，可能不同参与者的潮流计算结果没有可比性。因此最好用同一参与者的应用软件测试经过多次导入/导出的文件，可以比较潮

15、流计算结果。另外由于需要进行潮流计算，所以给定的模型样本必须包含如下参数：发电数据、负荷数据、变压器档位、发电机电压控制值、设备状态和电容器/电抗器的无功功率。    （4）增量模型和部分模型的传递    实际上，电力系统模型的任何变化，都应当可以通过CIM模型进行传送（只传送变化的部分），国外的第四次互操作试验主要就是对增量模型、部分模型和网络快照（实时断面）的传送进行校验。综合起来，对基于CIM/XML的电力系统模型的更新包括以下几个方面6：    1）增加新的厂站（包括厂站中的所有设备）； 

16、;   2）增加新的设备或删除已有的设备；    3）用新的设备替换已有的设备；    4）修改设备的参数（如额定值等）；    5）提取出感兴趣的网络（如电压等级大于等于220kV的部分）；    6）增加或修改遥测、遥信数据。    根据国外实际应用的情况，一般做模型更新的基本步骤是5：    （1）安全协调员发出需要更新模型的请求（在某些情况下可以由周期或事件来启动更新需求）； &

17、#160;  （2）需要提供更新模型的系统根据需求准备XML文件。基于CIM/XML的文件应包括增量模型部分；    （3）进行模型合并，更新电力系统网络模型；    （4）在离线EMS系统验证更新后的模型；    （5）然后再把更新后的模型应用到在线系统。3  国内互操作试验介绍3.1  第一次互操作试验    我国从2001年7月开始进行基于IEC61970标准（主要是CIM）的互操作试验。第一次试验主要是用网上发布的例题（PsyCor的2厂

18、站小模型SmallModel、ABB_40、esca60、siemense100），对所给的基于CIM的 XML文件进行导入/导出，实际上是一个自测试的过程，并没有在各厂家的产品之间真正的传送数据模型进行互操作。对于应用软件计算，也是各厂家对模型样本文件导入后进行的，并没有涉及互操作。由于是第一次进行试验，大家都认为应当由易到难，由浅入深，首先试验XML文件的导入和导出，所使用的网络模型也是在具有代表性的基础上，选择简单的模型文件。这次试验的基本内容是：    （1）采用基于CIM 09a的两个厂站的数据模型、ESCA60模型以及基于CIM09b的ESCA60和A

19、BB40模型，作为导入/导出试验的数据模型。各厂家进行导入试验，转化成自己产品的私有数据格式。然后再导出，转化成CIM/XML文件格式。    （2）导入基于CIM09b的ABB40模型后，进行潮流计算。检查潮流计算所需参数是否正确和完整。3.2  第二次互操作试验    2002年1月由国家电力调度通信中心组织国内知名的SCADA/EMS研发单位进行了基于IEC61970标准的又一次互操作实验，参与试验的共有5个厂家的7种产品。实际上这是一次正式的互操作试验，各厂家都带来了自己的硬件和软件产品。以CIM/XML为

20、载体实现了电力系统数据和信息的交换，在各个单位的不同硬件和软件系统平台上分别进行了XML文件的导入、电力系统潮流计算、XML文件的导出等操作试验，在交换的基础上实现不同厂家的各应用之间的互操作。试验分两个阶段：    第一阶段的测试根据符合CIM10标准（2001/10/15版）的Siemens100母线模型， ESCA60母线模型，和IEEE14节点模型，进行导入，潮流计算和导出测试。每个参与者都对以上模型进行了导入，转化成自己产品的私有数据描述格式，进行潮流计算后，再将数据模型导出，转化成CIM/XML文件格式。然后，各厂家又都分别对其他厂家的导出文件（CIM

21、/XML格式文件），进行了导入试验和潮流计算。    第二阶段的测试立足于利用不同厂家多次导入/导出的模型进行潮流计算。各厂家基本都对同一模型文件进行了3次导入/导出的测试，基本步骤是： 厂家A将原始文件（Doc1）导入自己的产品，进行潮流计算，再导出形成CIM/XML文件（Doc2）； 厂家B将文件Doc2导入自己的产品，进行潮流计算，再导出形成CIM/XML文件（Doc3）； 厂家C将文件Doc3导入自己的产品，进行潮流计算，再导出形成CIM/XML文件（Doc4）。 厂家A将文件Doc4导入自己的产品，进行潮流计算，并与第一次潮流计算的结果比较。以上步骤可以在多个厂家间进行，也可以循环进行。各厂家对经过多次导入/导出的模型进行潮流计算，并比较计算结果。3.3  第三次互操作试验    2002年8月在国调中心进行了第三次互操作试验。本次试验各SCADA/EMS厂家都准备了基于实际系统的CIM/XML文件，在此基础上进行导入/导出操作和潮流计算，并进行了模型的拆分和合并试验。这次试验包括两方面的内容。    第一， 实际系统模型的导入/导出和应用软件计算。首先，对基于CIM/XML的IEEE 14节点模型进行导入