基于整合模式的EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

隨著基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)變電站SAS(Substation Automation System)的發(fā)展[1],面向信息點(diǎn)的調(diào)度主站EMS(Energy Management System)系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮淖冸娬局g的通信需求沖突逐步顯現(xiàn)出來，IEC61970EMS系統(tǒng)[2]與IEC61850變電站模型的差異，如何使其信息交互變得越來越重要。在EMS和SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)監(jiān)控應(yīng)用集成框架中，傳統(tǒng)模式存在體系結(jié)構(gòu)耦合過于緊密、整合困難、系統(tǒng)難以移植和擴(kuò)展、成本過高等問題。Web Services為分布式系統(tǒng)提供了支持，其平臺(tái)和語言中立性利于跨平臺(tái)的互操作。而EJB/CORBA/DCOM組件技術(shù)提供的是緊耦合的遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)機(jī)制，而且其協(xié)議屬于某個(gè)廠家或集團(tuán)，并不完全開放，在基于Internet的分布式應(yīng)用上存在一定的局限性；XML.Web Services提供的是松耦合機(jī)制，而且所基于的協(xié)議得到了業(yè)界的廣泛支持，是充分開放的。針對(duì)以上問題，本文提出一種基于IEC61970 標(biāo)準(zhǔn)與IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)集成、Web Services/CORBA整合的EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將促進(jìn)電力企業(yè)在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成。

1 基于整合的改進(jìn)模式

傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式中，應(yīng)用軟件和SCADA硬件之間為緊耦合，從而導(dǎo)致應(yīng)用整合、系統(tǒng)移植擴(kuò)展非常困難，成本增加。網(wǎng)絡(luò)控制中心的控制系統(tǒng)(EMS/DMS)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)被用于監(jiān)控電力系統(tǒng)設(shè)備。當(dāng)這些系統(tǒng)關(guān)注同樣的物理對(duì)象時(shí),它們?cè)谒峁┬畔⒌脑敿?xì)度、性能要求以及在控制中所承擔(dān)責(zé)任范圍等方面存在差異。為了電力系統(tǒng)的應(yīng)用更好地集成,變電站間(IEC61850) 和控制中心間( IEC61970)數(shù)據(jù)相互交換的標(biāo)準(zhǔn)集成勢在必行。

利用IEC61970和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型、系統(tǒng)和服務(wù)的抽象描述、標(biāo)準(zhǔn)接口的描述等，運(yùn)用UML統(tǒng)一建模語言表述面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)構(gòu)架和設(shè)計(jì)。電力管理系統(tǒng)（EMS）結(jié)合IEC61970-303、IEC61970-404、IEC61970-407等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)[2]，而變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）結(jié)合IEC61850-5、IEC61850-7-2、IEC61850-7-3、IEC61850-7-4等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)[1]。為了管理涉及傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)信息,可以對(duì)IEC61970-303的CIM模型描述進(jìn)行擴(kuò)展。一些IEC標(biāo)準(zhǔn)中描述的服務(wù)可以重新設(shè)計(jì)，以便能夠適合具體的數(shù)據(jù)模型。改進(jìn)的系統(tǒng)不是直接與SCADA系統(tǒng)通信，而是只與Web Services/CORBA系統(tǒng)通信，這樣就可以降低系統(tǒng)管理和更新的復(fù)雜度及成本。系統(tǒng)直接用TCP/IP進(jìn)行通信，也降低了系統(tǒng)的成本。改進(jìn)實(shí)現(xiàn)模型如圖1所示。

2 基于IEC61970和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的整合模型實(shí)現(xiàn)

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(shù)據(jù)模型。IEC61850沒有用任何正式的建模語言， 而只是依賴文本的描述， 即將模型核對(duì)的工作交由人工完成。因此,首先必須開發(fā)IEC61850 的UML 模型， 這樣就建立了基于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對(duì)象語意的模型映射。該UML模型是IEC61850 到IEC61970 數(shù)據(jù)表示方式的雙向的映射基礎(chǔ)。IEC61970 中的CIM/XML是一種用XML 表述CIM 模型的語言,而IEC61850中SCL在第六部分被標(biāo)準(zhǔn)化為一個(gè)XML模式(XML Schema),它只對(duì)IEC61850 的一部分進(jìn)行了建模。為了表征物理層設(shè)備裝置，必須對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。管理EMS/SAS的相關(guān)數(shù)據(jù)可以采用高速數(shù)據(jù)采集HSDA(High-Speed Data Acquisition)接口服務(wù)，儲(chǔ)存與EMS相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)可以采用時(shí)間序列數(shù)據(jù)訪問TSDA(Time Sequence Data Access)接口服務(wù)。在基于IEC的抽象描述基礎(chǔ)上，定義監(jiān)控功能所要求的服務(wù)以及設(shè)計(jì)監(jiān)控服務(wù)，以解決抽象服務(wù)與數(shù)據(jù)模型之間的適應(yīng)性問題。

IEC61970標(biāo)準(zhǔn)中定義了基本的變電站一次設(shè)備模型，設(shè)備維護(hù)業(yè)務(wù)流程在IEC61968中定義，對(duì)二次設(shè)備模型定義的僅有SCADA包中的RemoteUnit和保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)不一致而導(dǎo)致模型難以協(xié)調(diào)。IED是變電站中的直接信息來源，其范疇?wèi)?yīng)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(duì)象數(shù)據(jù)模型，其描述電力系統(tǒng)運(yùn)行管理中的各種實(shí)體及其關(guān)系，用來做電力企業(yè)應(yīng)用集成的公共語義。IEC 61850只提供變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的所有實(shí)體對(duì)象和控制信息描述，并沒有提出對(duì)象數(shù)據(jù)模型。為了提高系統(tǒng)應(yīng)用的協(xié)同工作，IEC61850的對(duì)象數(shù)據(jù)模型必須在CIM下進(jìn)行定義和整合[3]，圖2為IEC61850狀態(tài)監(jiān)測模型向CIM模型的適配過程。實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)模型的基本協(xié)調(diào)，需通過以下步驟：(1)解除二次設(shè)備在IEC61970中分散不一的與其他設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系； (2)把這些二次設(shè)備抽象形成IED類，并歸為一種設(shè)備類(Equipment)，建立繼承關(guān)系；(3)根據(jù)實(shí)際配置情況構(gòu)建一次設(shè)備與二次設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。

整合的CIM數(shù)據(jù)模型總體表述變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備裝置，邏輯節(jié)點(diǎn)定義繼承采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。可以通過把CIM模型中電力系統(tǒng)實(shí)體與IEC61850的邏輯節(jié)點(diǎn)容器結(jié)合起來，從而使IEC61970也可以管理傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。圖3為CIM模型中PowerSystemResource實(shí)體和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中LocalNodeContainer數(shù)據(jù)模型之間連接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為了表征變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)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(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)類信息設(shè)計(jì)新的實(shí)體，新的實(shí)體包含：斷路器、開關(guān)刀閘、測控裝置、發(fā)電機(jī)等設(shè)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(xiàn)

在EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)中，訪問CORBA構(gòu)建的服務(wù)器時(shí)，要求客戶端必須安裝對(duì)象請(qǐng)求代理（ORB）環(huán)境，而訪問Web Services服務(wù)器的客戶端無需安裝任何組件執(zhí)行系統(tǒng)，采用解析簡單對(duì)象訪問協(xié)議（SOAP）消息即可，SOAP通過超文本傳送協(xié)議（HTTP）傳輸XML文件。所以基于EJB/CORBA/DCOM組件技術(shù)還應(yīng)該結(jié)合Web Services技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。通過CORBA服務(wù)器和Web Services 客戶端間用Web Services 作為代理,如圖5所示，可以實(shí)現(xiàn)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客戶端接收SOAP消息；另一端則通過ORB總線連接CORBA服務(wù)器。對(duì)于Web Services客戶端,代理相當(dāng)于Web Services服務(wù)器；對(duì)于CORBA服務(wù)器，代理相當(dāng)于CORBA客戶端，其工作過程如圖6所示。

對(duì)象管理組織（OMG）使用接口定義語言（IDL），利用類似Java語言類似語法定義IEC61970中的CIS，直接對(duì)應(yīng)OMG CORBA組件模型[4],則Java、 CORBA、Web Services之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)映射。下面以DAF(Data Access Facility)中DAFQuery包為例說明其之間的映射關(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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提供方?jīng)]有找到class_id表示的資源類或者properties表示的屬性序列中的任一屬性，則拋出UnknownResource異常；如果查詢失敗,則拋出QueryError異常。

IEC61970和IEC61850定義了各自的數(shù)據(jù)模型和通信接口標(biāo)準(zhǔn),但它們之間并沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信接口標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)IEC61970EMS系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來，通過整合CIM數(shù)據(jù)模型，總體表述變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備裝置，而邏輯節(jié)點(diǎn)定義繼承采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^把CIM模型中電力系統(tǒng)實(shí)體與IEC61850的邏輯節(jié)點(diǎn)容器結(jié)合起來，從而使IEC61970也可以管理傳統(tǒng)變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)。針對(duì)CORBA和Web Services各自的優(yōu)點(diǎn)，以公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)(CORBA)CIS服務(wù)器為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了CORBA和Web Services的集成。