XML在智能電網(wǎng)中的應用

I. 引言

智能電網(wǎng)本質(zhì)是數字電網(wǎng)，它是以物理電網(wǎng)為基礎，將現代先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它以充分滿(mǎn)足用戶(hù)對電力的需求和優(yōu)化資源配置、確保電力供應的安全性、可靠性和經(jīng)濟性、滿(mǎn)足環(huán)保約束、保證電能質(zhì)量、適應電力市場(chǎng)化發(fā)展等為目的，實(shí)現對用戶(hù)可靠、經(jīng)濟、清潔、互動(dòng)的電力供應和增值服務(wù)。

我們目前使用的傳統交流電網(wǎng)最早1896年投入運行，100多年過(guò)去了，一些功能有限的技術(shù)仍然被采用。傳統電網(wǎng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代電力需求?，F代智能電網(wǎng)的驅動(dòng)力大致有4個(gè)：

1) 提高電網(wǎng)運行的可靠性、效率和安全度。

2) 分布式發(fā)電，提供多樣化的電力來(lái)源。

3) 用電分析、數據挖掘與電量管理。

4) 綠色能源，可再生能源，引導環(huán)保經(jīng)濟。

美國2001年EPRI最早提出智能電網(wǎng)(Intelligrid)，并開(kāi)始研究，歐洲2005年成立“智能電網(wǎng)(SmartGrids)歐洲技術(shù)論壇”，也將“SmartGrids”上升到戰略地位展開(kāi)研究。2009年美國政府成立特別小組研究管理智能電網(wǎng)并加大投資力度。目前，“智能電網(wǎng)”被大家普遍接受和認可，可以說(shuō)，智能電網(wǎng)是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的方向。

IEC TC57技術(shù)委員會(huì )建立了一系列可以用作智能電網(wǎng)的系列標準. 這些標準包括描述變電站自動(dòng)化架構的IEC61850標準和描述公共信息模型(CIM)的IEC61968/61970。

I. XML在智能電網(wǎng)中的應用

A. XML技術(shù)介紹

XML(可擴展標記語(yǔ)言)是一個(gè)開(kāi)放的標準，是一種類(lèi)似HTML的標記語(yǔ)言。與HTML用于展示數據不同，XML被設計為用于傳輸數據，它是自描述的。

XML的語(yǔ)法規范由W3C定義在XML1.0規范中，它是應用程序之間的各種數據傳輸的最常用的手段，正成為越來(lái)越多的存儲和描述信息領(lǐng)域的歡迎。

XML的特點(diǎn)：

1)XML在互聯(lián)網(wǎng)直接可用。

2)XML支持各種應用。

3)易于編寫(xiě)程序處理XML文檔。

4)XML文檔易讀，并合理地清晰。

5)XML設計能迅速進(jìn)行。

6)XML文件易于創(chuàng )建。

目前XML已經(jīng)發(fā)展為一系列的技術(shù)(見(jiàn)圖1)，是一個(gè)在信息技術(shù)中無(wú)處不在的技術(shù)標準。

B. XML技術(shù)定義IEC61850標準

1 通信數據交換

IEC 61850標準是用于變電站自動(dòng)化的設計標準，是在國際電工委員會(huì ) (IEC)的技術(shù)委員會(huì )57(57技術(shù)委員會(huì ))對電力系統的參考架構。標準定義的抽象數據模型可以映射到一些列的通信協(xié)議，目前能映射成MMS(制造報文規范)，GOOSE，SMV，并即將擴展到WEB服務(wù)。這些協(xié)議可以運行在高速以太網(wǎng)交換機上以獲得4毫秒內的繼電保護相應時(shí)間。XML是構成WEB服務(wù)的重要技術(shù)基礎，因此，XML可以用于通信數據交換。

2 SCL配置

IEC61850標準采用XML Schema描述，SCL(變電站配置語(yǔ)言)也采用XML格式，XML是IEC61850配置信息交換的基礎。IEC61850的特點(diǎn)包括：

1)數據建模，主要的過(guò)程對象或功能模塊被建模為不同的邏輯設備LD和邏輯節點(diǎn)LN。

2)報告計劃。

3)快速事件傳輸，定義通用變電站事件GSE用于快速傳輸，GSE細分為GOOSE和GSSE。

4)定值組。

5)采樣數據傳輸。

6)命令，各種操作控制命令。

7)數據存儲，變電站配置數據通過(guò)SCL存儲。

由于XML的信息獨立于平臺之間，從而使得配置數據能夠在不同廠(chǎng)商的智能電子設備(IED)間進(jìn)行信息交換。這些XML格式的配置數據根據功能分為ICD、SSD、SCD、CID四個(gè)類(lèi)型。

配置過(guò)程如下：

1)導入ICD數據到系統配置工具。

ICD是對IED的功能描述。通常由設備制造商提供，是符合標準定義的XML格式文件。

2)導入SSD數據到系統配置工具。

SSD包括變電站描述，以及所需要的數據類(lèi)型模板和邏輯節點(diǎn)類(lèi)型定義。

3)系統配置工具配置SCD。

SCD包括了IED的描述，變電站的描述以及通信系統的描述。

4)下裝CID數據到IED。

CID是IED最終的配置文件，其內部的通信部分將會(huì )包含各個(gè)IED的IP地址等完整配置信息。.

IEC61968(針對分布式管理系統DMS)/IEC61970(針對能量管理系統EMS)的主要內容是：

1) 通用信息模型CIM和CIM XML.

2) 應用編程接口A(yíng)PI，定義接口，是互操作的基礎。

3) XML消息標準

1 CIM XML

CIM是定義了應用程序間配置信息與電網(wǎng)狀態(tài)的標準模型，與IEC61850有重合的地方，CIM模型與IEC61850模型的比較與融合是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的課題。

CIM提供了異構環(huán)境下不同資源描述與交互的手段，它是一個(gè)用于軟硬件資源建模的面向對象的模型。該模型的元素是模式、類(lèi)、屬性和方法，而且還支持自定義擴展。目前的CIM是以UML模型的形式存在，因此在應用軟件集成時(shí)可以根據需要演繹成XML模式(XML Schema)或RDF模式(RDF Schema)。

圖2CIM XML數據交換模型

RDF(Resource Description Framework資源描述框架)是W3C推薦的用XML展示個(gè)體以及個(gè)體之間關(guān)系的知識表示語(yǔ)言。RDF內容包括模型、語(yǔ)義和模式。CIM XML就是RDF在CIM中的應用，也就是XML技術(shù)在CIM中的應用，這也是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的研究課題。CIM XML的數據交換模型如圖2所示。

2 互操作

應用編程接口A(yíng)PI是各電力控制中心之間應用程序接口的國際標準，可以實(shí)現各中心之間以及中心內多種類(lèi)異構系統之間的數據交換和信息共享。CIM是API的語(yǔ)義部分，也是互操作的重要基礎?？梢?jiàn)，互操作數據交換也采用的是XML格式。

Ⅲ. XML在智能電網(wǎng)的應用實(shí)例

介紹幾個(gè)我們在智能電網(wǎng)實(shí)施過(guò)程中常見(jiàn)的幾種XML應用。

A. IEC61850配置

IEC61850-6規定了實(shí)現設備互操作性的變電站配置描述語(yǔ)言(SCL),該語(yǔ)言用于根據IEC61850-5 和IEC61850-7 部分描述智能電子設備的配置和通信系統。系統配置器是一個(gè)獨立于智能電子設備的系統級工具，它必須能夠輸入或輸出按照IEC61850-6定義的SCL文件。

下面簡(jiǎn)單介紹我們最新開(kāi)發(fā)的可視化系統配置器VisualSCD。VisualSCD的核心是SCL模型樹(shù)，除了有其它系統配置器類(lèi)似的XML解析模塊、SCL導入導出模塊、節點(diǎn)樹(shù)屬性表編輯模塊、SCL校驗模塊，還包括XML Schema映射模塊、圖形編輯模塊、SVG模塊。下面詳細介紹后面幾個(gè)模塊：

1 XML Schema映射模塊

我們通過(guò)研究XML Schema技術(shù)，成功研發(fā)出XML Schema語(yǔ)義模型到程序內存中SCL語(yǔ)法模型的自動(dòng)映射算法，在系統配置器啟動(dòng)的時(shí)候，快速地將IEC61850-6標準中八個(gè)XSD文件映射到內存上并建立起SCL分層模型語(yǔ)法樹(shù)。在編輯SCL文檔時(shí)，只需要從語(yǔ)法樹(shù)中摘取相應的節點(diǎn)，就可以根據語(yǔ)法節點(diǎn)建立起SCL模型樹(shù)中對應的語(yǔ)義節點(diǎn)。

2 圖形編輯模塊

在廠(chǎng)站視圖中，可以通過(guò)畫(huà)圖操作添加刪除一次設備，也可以通過(guò)連線(xiàn)操作為一次設備建立連接。在IED視圖中，可以直觀(guān)的看到一次設備與IED關(guān)系，也可以通過(guò)連線(xiàn)操作為IED之間建立GOOSE連接等等。圖形化操作通過(guò)直觀(guān)可視化的方式提高了工具的易用性，是以后系統配置器的發(fā)展方向。

3 SVG模塊

廠(chǎng)站視圖中配置好的圖形是一張簡(jiǎn)要的廠(chǎng)站單線(xiàn)圖，后臺系統需要這樣一張圖，因此VisualSCD提供了對矢量圖形SVG的支持，可以將廠(chǎng)站視圖導出為SVG圖形，后臺系統可以導入該圖形直接利用。這是以后變電站自動(dòng)化系統統一模型的一部分。

圖3 VisualSCD框架結構

廠(chǎng)站視圖中配置好的圖形是一張簡(jiǎn)要的廠(chǎng)站單線(xiàn)圖，后臺系統需要這樣一張圖，因此VisualSCD提供了對矢量圖形SVG的支持，可以將廠(chǎng)站視圖導出為SVG圖形，后臺系統可以導入該圖形直接利用。這是以后變電站自動(dòng)化系統統一模型的一部分。

B. 電力WEB

智能電網(wǎng)作為一個(gè)復雜系統，有三個(gè)主要元素：

1)數字化的設備，包括數字式傳感器、智能電表等等

2)完備的數據收集體系和系統的數據整合體系。

3)高級數據分析與可視化。

Web 是一個(gè)非常重要的數據表現方式，并已成為通用實(shí)時(shí)平臺一個(gè)重要的組成部分。并且，隨著(zhù)web 技術(shù)從信息領(lǐng)域進(jìn)入應用領(lǐng)域，web 平臺的從原來(lái)的以信息為中心逐步發(fā)展為以服務(wù)為中心，瀏覽器逐漸由原來(lái)的信息查詢(xún)界面成為應用體系中成熟的用戶(hù)交互界面，B/S 架構在分布式系統中也成為流行架構。

當前國家電網(wǎng)公司明確要求各級EMSWEB 系統采用WEB 通用技術(shù)開(kāi)發(fā)， 不允許使用自定義控件技術(shù)。以SVG+Ajax 技術(shù)為基礎的非控件方式是解決這個(gè)問(wèn)題很好途徑，將Ajax( Asynchronous JavaScript and XML)模式引入到WEB 系統中，并結合Ajax、SVG(ScableVector Graphics)等多項技術(shù)，實(shí)現了異步交互機制，可以支持廠(chǎng)站圖的顯示和刷新(如圖4所示)。

圖4 AJAX+SVG數據流

結 論

XML技術(shù)由于其獨特的開(kāi)放性在智能電網(wǎng)上大有可為，智能電網(wǎng)的實(shí)現離不開(kāi)XML技術(shù)。

參考文獻

[1] “Common Information Model (CIM) for the Control Center Application Program Interface”, EPRI, Sep., 1998

[2]“CIM RDF Schema” Exported from Ccapi.mdl Version: CIMU08b, Leila Schneberger, http://www.cim-logic.com/cim-rdf/CIM-schemacimu08b.xml

[3]“Simplified RDF Syntax for Power System Model Exchange”, Arnold deVos, October 2000, http://www.langdale.com.au/DAF/PSModelExchange.pdf

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[8]IEC61850. Communication Networks and Systems in Substations. 2004