基于整合模式的EMS/SAS監控系統研究與設計

隨著(zhù)基于IEC61850標準變電站SAS(Substation Automation System)的發(fā)展[1],面向信息點(diǎn)的調度主站EMS(Energy Management System)系統和面向對象的變電站之間的通信需求沖突逐步顯現出來(lái)，IEC61970EMS系統[2]與IEC61850變電站模型的差異，如何使其信息交互變得越來(lái)越重要。在EMS和SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)監控應用集成框架中，傳統模式存在體系結構耦合過(guò)于緊密、整合困難、系統難以移植和擴展、成本過(guò)高等問(wèn)題。Web Services為分布式系統提供了支持，其平臺和語(yǔ)言中立性利于跨平臺的互操作。而EJB/CORBA/DCOM組件技術(shù)提供的是緊耦合的遠程過(guò)程調用(RPC)機制，而且其協(xié)議屬于某個(gè)廠(chǎng)家或集團，并不完全開(kāi)放，在基于Internet的分布式應用上存在一定的局限性；XML.Web Services提供的是松耦合機制，而且所基于的協(xié)議得到了業(yè)界的廣泛支持，是充分開(kāi)放的。針對以上問(wèn)題，本文提出一種基于IEC61970 標準與IEC61850 標準集成、Web Services/CORBA整合的EMS/SAS監控系統，該系統將促進(jìn)電力企業(yè)在更大范圍內實(shí)現應用集成。

1 基于整合的改進(jìn)模式

傳統的實(shí)現模式中，應用軟件和SCADA硬件之間為緊耦合，從而導致應用整合、系統移植擴展非常困難，成本增加。網(wǎng)絡(luò )控制中心的控制系統(EMS/DMS)和變電站自動(dòng)化系統(SAS)被用于監控電力系統設備。當這些系統關(guān)注同樣的物理對象時(shí),它們在所提供信息的詳細度、性能要求以及在控制中所承擔責任范圍等方面存在差異。為了電力系統的應用更好地集成,變電站間(IEC61850) 和控制中心間( IEC61970)數據相互交換的標準集成勢在必行。

利用IEC61970和IEC61850標準，構建數據模型、系統和服務(wù)的抽象描述、標準接口的描述等，運用UML統一建模語(yǔ)言表述面向對象的系統構架和設計。電力管理系統（EMS）結合IEC61970-303、IEC61970-404、IEC61970-407等標準實(shí)現[2]，而變電站自動(dòng)化系統（SAS）結合IEC61850-5、IEC61850-7-2、IEC61850-7-3、IEC61850-7-4等標準實(shí)現[1]。為了管理涉及傳統變電站自動(dòng)化系統設備的相關(guān)信息,可以對IEC61970-303的CIM模型描述進(jìn)行擴展。一些IEC標準中描述的服務(wù)可以重新設計，以便能夠適合具體的數據模型。改進(jìn)的系統不是直接與SCADA系統通信，而是只與Web Services/CORBA系統通信，這樣就可以降低系統管理和更新的復雜度及成本。系統直接用TCP/IP進(jìn)行通信，也降低了系統的成本。改進(jìn)實(shí)現模型如圖1所示。

2 基于IEC61970和IEC61850標準的整合模型實(shí)現

基于UML(Unified Modeling Language) 的表示方式是IEC61970 的一個(gè)完整的部分， 以描述它的數據模型。IEC61850沒(méi)有用任何正式的建模語(yǔ)言， 而只是依賴(lài)文本的描述， 即將模型核對的工作交由人工完成。因此,首先必須開(kāi)發(fā)IEC61850 的UML 模型， 這樣就建立了基于兩個(gè)標準的數據對象語(yǔ)意的模型映射。該UML模型是IEC61850 到IEC61970 數據表示方式的雙向的映射基礎。IEC61970 中的CIM/XML是一種用XML 表述CIM 模型的語(yǔ)言,而IEC61850中SCL在第六部分被標準化為一個(gè)XML模式(XML Schema),它只對IEC61850 的一部分進(jìn)行了建模。為了表征物理層設備裝置，必須對數據庫進(jìn)行設計。管理EMS/SAS的相關(guān)數據可以采用高速數據采集HSDA(High-Speed Data Acquisition)接口服務(wù)，儲存與EMS相關(guān)的歷史數據可以采用時(shí)間序列數據訪(fǎng)問(wèn)TSDA(Time Sequence Data Access)接口服務(wù)。在基于IEC的抽象描述基礎上，定義監控功能所要求的服務(wù)以及設計監控服務(wù)，以解決抽象服務(wù)與數據模型之間的適應性問(wèn)題。

IEC61970標準中定義了基本的變電站一次設備模型，設備維護業(yè)務(wù)流程在IEC61968中定義，對二次設備模型定義的僅有SCADA包中的RemoteUnit和保護包中的ProtectionEquipment，IED在IEC61850中的概念在IEC 1970中屬于RemoteUnit的一種，RemoteUnit在IEC 61850中卻不存在，這正是因兩個(gè)標準不一致而導致模型難以協(xié)調。IED是變電站中的直接信息來(lái)源，其范疇應該包括RTU、Substation control system等，也包括Protect包中的ProtectEquipment。IEC61970由公共信息模型（CIM）提出對象數據模型，其描述電力系統運行管理中的各種實(shí)體及其關(guān)系，用來(lái)做電力企業(yè)應用集成的公共語(yǔ)義。IEC 61850只提供變電站自動(dòng)化系統的所有實(shí)體對象和控制信息描述，并沒(méi)有提出對象數據模型。為了提高系統應用的協(xié)同工作，IEC61850的對象數據模型必須在CIM下進(jìn)行定義和整合[3]，圖2為IEC61850狀態(tài)監測模型向CIM模型的適配過(guò)程。實(shí)現變電站設備狀態(tài)模型的基本協(xié)調，需通過(guò)以下步驟：(1)解除二次設備在IEC61970中分散不一的與其他設備的關(guān)聯(lián)關(guān)系； (2)把這些二次設備抽象形成IED類(lèi)，并歸為一種設備類(lèi)(Equipment)，建立繼承關(guān)系；(3)根據實(shí)際配置情況構建一次設備與二次設備的對應關(guān)聯(lián)。

整合的CIM數據模型總體表述變電站自動(dòng)化系統的設備裝置，邏輯節點(diǎn)定義繼承采用IEC 61850標準?？梢酝ㄟ^(guò)把CIM模型中電力系統實(shí)體與IEC61850的邏輯節點(diǎn)容器結合起來(lái)，從而使IEC61970也可以管理傳統變電站自動(dòng)化系統。圖3為CIM模型中PowerSystemResource實(shí)體和IEC61850標準中LocalNodeContainer數據模型之間連接對應關(guān)系。

為了表征變電站自動(dòng)化系統設備裝置，可以用LNode定義具體實(shí)體?？梢杂蒊EC61850-7-3和IEC 61850-7-4提供的邏輯節點(diǎn)和數據類(lèi)信息設計新的實(shí)體，新的實(shí)體包含：斷路器、開(kāi)關(guān)刀閘、測控裝置、發(fā)電機等設備信息。圖4為新實(shí)體各部分之間關(guān)系。

3 基于Web Service和CORBA的Web整合實(shí)現

在EMS/SAS監控系統中，訪(fǎng)問(wèn)CORBA構建的服務(wù)器時(shí)，要求客戶(hù)端必須安裝對象請求代理（ORB）環(huán)境，而訪(fǎng)問(wèn)Web Services服務(wù)器的客戶(hù)端無(wú)需安裝任何組件執行系統，采用解析簡(jiǎn)單對象訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議（SOAP）消息即可，SOAP通過(guò)超文本傳送協(xié)議（HTTP）傳輸XML文件。所以基于EJB/CORBA/DCOM組件技術(shù)還應該結合Web Services技術(shù)增強網(wǎng)絡(luò )傳輸功能。通過(guò)CORBA服務(wù)器和Web Services 客戶(hù)端間用Web Services 作為代理,如圖5所示，可以實(shí)現CORBA CIS服務(wù)器和Web Services CIS服務(wù)器的集成。

代理的一端從Web Services客戶(hù)端接收SOAP消息；另一端則通過(guò)ORB總線(xiàn)連接CORBA服務(wù)器。對于Web Services客戶(hù)端,代理相當于Web Services服務(wù)器；對于CORBA服務(wù)器，代理相當于CORBA客戶(hù)端，其工作過(guò)程如圖6所示。

對象管理組織（OMG）使用接口定義語(yǔ)言（IDL），利用類(lèi)似Java語(yǔ)言類(lèi)似語(yǔ)法定義IEC61970中的CIS，直接對應OMG CORBA組件模型[4],則Java、 CORBA、Web Services之間需要進(jìn)行數據映射。下面以DAF(Data Access Facility)中DAFQuery包為例說(shuō)明其之間的映射關(guān)系[5]。DAFQuery包最重要的組成部分是Resource QueryService服務(wù)接口，Resource QueryService定義了用作基本資源查詢(xún)的4個(gè)公共方法：get_values()、get_extent_values()、get_related_values和get_descendent_values。下面介紹利用Java和CORBA實(shí)現get_values()、get_extent_values()的方法。

get_values()方法IDL原型：
ResourceDescription get_values(in ResourceID resource, in PropertySequence properties)
raises(UnknownResource,QueryError);
Java原型：
Public ResourceDescription get_values(ResourceID resource,ResourceID[]properties)
throws QueryError,UnknownResource;

異常處理：如果數據提供方?jīng)]有找到resource表示的資源實(shí)例或者properties表示的屬性序列中的任一屬性，拋出UnknownResource異常；如果查詢(xún)失敗，拋出QueryError異常。

get_extent_values()方法IDL原型：
ResourceDescriptionIterator get_extent_values(in PropertySequence properties, in ClassID class_id)
raises(UnknownResource,QueryError);
　 Java原型：
　 Public ResourceDescriptionIterator get_extent_values(ResourceID[]properties, ResourceID class_id)
　 throws QueryError,UnknownResource;

異常處理：如果數據提供方?jīng)]有找到class_id表示的資源類(lèi)或者properties表示的屬性序列中的任一屬性，則拋出UnknownResource異常；如果查詢(xún)失敗,則拋出QueryError異常。

IEC61970和IEC61850定義了各自的數據模型和通信接口標準,但它們之間并沒(méi)有統一的數據模型和通信接口標準。針對IEC61970EMS系統與IEC61850變電站模型之間的差異，本文采用整合的方法，利用各自的優(yōu)勢，將IEC61970和IEC61850標準結合起來(lái)，通過(guò)整合CIM數據模型，總體表述變電站自動(dòng)化系統的設備裝置，而邏輯節點(diǎn)定義繼承采用IEC61850標準?？梢酝ㄟ^(guò)把CIM模型中電力系統實(shí)體與IEC61850的邏輯節點(diǎn)容器結合起來(lái)，從而使IEC61970也可以管理傳統變電站的自動(dòng)化系統。針對CORBA和Web Services各自的優(yōu)點(diǎn)，以公共對象請求代理體系結構(CORBA)CIS服務(wù)器為基礎,實(shí)現了CORBA和Web Services的集成。