基于整合模式的EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計

隨著基于IEC61850標準變電站SAS(Substation Automation System)的發(fā)展[1],面向信息點的調(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，其平臺和語言中立性利于跨平臺的互操作。而EJB/CORBA/DCOM組件技術提供的是緊耦合的遠程過程調(diào)用(RPC)機制，而且其協(xié)議屬于某個廠家或集團，并不完全開放，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，是充分開放的。針對以上問題，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(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將促進電力企業(yè)在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)應用集成。

1 基于整合的改進模式

傳統(tǒng)的實現(xiàn)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(tǒng)移植擴展非常困難，成本增加。網(wǎng)絡控制中心的控制系統(tǒng)(EMS/DMS)和變電站自動化系統(tǒng)(SAS)被用于監(jiān)控電力系統(tǒng)設備。當這些系統(tǒng)關注同樣的物理對象時,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(tǒng)的應用更好地集成,變電站間(IEC61850) 和控制中心間( IEC61970)數(shù)據(jù)相互交換的標準集成勢在必行。

利用IEC61970和IEC61850標準，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型、系統(tǒng)和服務的抽象描述、標準接口的描述等，運用UML統(tǒng)一建模語言表述面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)構(gòu)架和設計。電力管理系統(tǒng)（EMS）結(jié)合IEC61970-303、IEC61970-404、IEC61970-407等標準實現(xiàn)[2]，而變電站自動化系統(tǒng)（SAS）結(jié)合IEC61850-5、IEC61850-7-2、IEC61850-7-3、IEC61850-7-4等標準實現(xiàn)[1]。為了管理涉及傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)設備的相關信息,可以對IEC61970-303的CIM模型描述進行擴展。一些IEC標準中描述的服務可以重新設計，以便能夠適合具體的數(shù)據(jù)模型。改進的系統(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)管理和更新的復雜度及成本。系統(tǒng)直接用TCP/IP進行通信，也降低了系統(tǒng)的成本。改進實現(xiàn)模型如圖1所示。

2 基于IEC61970和IEC61850標準的整合模型實現(xiàn)

基于UML(Unified Modeling Language) 的表示方式是IEC61970 的一個完整的部分， 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標準的數(shù)據(jù)對象語意的模型映射。該UML模型是IEC61850 到IEC61970 數(shù)據(jù)表示方式的雙向的映射基礎。IEC61970 中的CIM/XML是一種用XML 表述CIM 模型的語言,而IEC61850中SCL在第六部分被標準化為一個XML模式(XML Schema),它只對IEC61850 的一部分進行了建模。為了表征物理層設備裝置，必須對數(shù)據(jù)庫進行設計。管理EMS/SAS的相關數(shù)據(jù)可以采用高速數(shù)據(jù)采集HSDA(High-Speed Data Acquisition)接口服務，儲存與EMS相關的歷史數(shù)據(jù)可以采用時間序列數(shù)據(jù)訪問TSDA(Time Sequence Data Access)接口服務。在基于IEC的抽象描述基礎上，定義監(jiān)控功能所要求的服務以及設計監(jiān)控服務，以解決抽象服務與數(shù)據(jù)模型之間的適應性問題。

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，這正是因兩個標準不一致而導致模型難以協(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(shù)據(jù)模型，其描述電力系統(tǒng)運行管理中的各種實體及其關系，用來做電力企業(yè)應用集成的公共語義。IEC 61850只提供變電站自動化系統(tǒng)的所有實體對象和控制信息描述，并沒有提出對象數(shù)據(jù)模型。為了提高系統(tǒng)應用的協(xié)同工作，IEC61850的對象數(shù)據(jù)模型必須在CIM下進行定義和整合[3]，圖2為IEC61850狀態(tài)監(jiān)測模型向CIM模型的適配過程。實現(xiàn)變電站設備狀態(tài)模型的基本協(xié)調(diào)，需通過以下步驟：(1)解除二次設備在IEC61970中分散不一的與其他設備的關聯(lián)關系； (2)把這些二次設備抽象形成IED類，并歸為一種設備類(Equipment)，建立繼承關系；(3)根據(jù)實際配置情況構(gòu)建一次設備與二次設備的對應關聯(lián)。

整合的CIM數(shù)據(jù)模型總體表述變電站自動化系統(tǒng)的設備裝置，邏輯節(jié)點定義繼承采用IEC 61850標準?？梢酝ㄟ^把CIM模型中電力系統(tǒng)實體與IEC61850的邏輯節(jié)點容器結(jié)合起來，從而使IEC61970也可以管理傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)。圖3為CIM模型中PowerSystemResource實體和IEC61850標準中LocalNodeContainer數(shù)據(jù)模型之間連接對應關系。

為了表征變電站自動化系統(tǒng)設備裝置，可以用LNode定義具體實體?？梢杂蒊EC61850-7-3和IEC 61850-7-4提供的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)類信息設計新的實體，新的實體包含：斷路器、開關刀閘、測控裝置、發(fā)電機等設備信息。圖4為新實體各部分之間關系。

3 基于Web Service和CORBA的Web整合實現(xiàn)

在EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)中，訪問CORBA構(gòu)建的服務器時，要求客戶端必須安裝對象請求代理（ORB）環(huán)境，而訪問Web Services服務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組件技術還應該結(jié)合Web Services技術增強網(wǎng)絡傳輸功能。通過CORBA服務器和Web Services 客戶端間用Web Services 作為代理,如圖5所示，可以實現(xiàn)CORBA CIS服務器和Web Services CIS服務器的集成。

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服務器。對于Web Services客戶端,代理相當于Web Services服務器；對于CORBA服務器，代理相當于CORBA客戶端，其工作過程如圖6所示。

對象管理組織（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，直接對應OMG CORBA組件模型[4],則Java、 CORBA、Web Services之間需要進行數(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系[5]。DAFQuery包最重要的組成部分是Resource QueryService服務接口，Resource QueryService定義了用作基本資源查詢的4個公共方法：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)模型和通信接口標準,但它們之間并沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信接口標準。針對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標準結(jié)合起來，通過整合CIM數(shù)據(jù)模型，總體表述變電站自動化系統(tǒng)的設備裝置，而邏輯節(jié)點定義繼承采用IEC61850標準?？梢酝ㄟ^把CIM模型中電力系統(tǒng)實體與IEC61850的邏輯節(jié)點容器結(jié)合起來，從而使IEC61970也可以管理傳統(tǒng)變電站的自動化系統(tǒng)。針對CORBA和Web Services各自的優(yōu)點，以公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)(CORBA)CIS服務器為基礎,實現(xiàn)了CORBA和Web Services的集成。