基于IEC61970標準的EMS/WAMS統一信息模型構建

宋戰慧 王 倩

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

基于IEC61970標準的EMS/WAMS統一信息模型構建

宋戰慧 王 倩

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

針對目前能量管理系統（EMS）與廣域測量系統（WAMS）之間沒有一個統一的信息模型，不能集中動態監視與控制日益復雜的電力系統的現狀，對IEC 61970標準的公共信息模型CIM進行了深入研究，并結合EMS與WAMS的各自特點及其在電力系統中的應用情況，構建了基于IEC61970標準CIM的EMS/WAMS的統一信息模型，并定義了主要的CIM類以及它們相應的屬性信息。

電力系統；能量管理系統;數據采集與數據監控；IEC61970；CIM；廣域測量系統

1 引言

隨著電網規模的不斷擴大，電力系統的調度和控制變得越來越復雜。為保證電網安全和優質運行，電網調度中心可能同時運行多個應用系統，能量管理系統（EMS）和廣域測量系統（WAMS）作為其中兩個必不可少的部分，在電網中得到廣泛應用，但是由于歷史原因，兩個系統都是獨立開發研制及應用的，所以在實際運行當中用戶需要維護和掌握不同的系統，從而造成巨大的人力財力的浪費[3]。為了應對目前環境分布異構，信息孤島眾多的電力企業信息系統，國際電工委員會制定了 IEC61970標準，基于CIM建立統一的信息模型，使得不同系統之間能夠信息交互、一體化集成，同一系統不同應用之間能夠互聯和互操作[10-12]。當前 EMS與WAMS系統還沒有統一的信息模型，只是對各自的系統建立了信息模型，為應對日益復雜的電網，這兩個系統的集成研究迫在眉睫。

2 構建EMS/WAMS統一信息模型的基礎

2.1 能量管理系統的特點

能量管理系統是以 SCADA為數據基礎、以各種應用軟件為后臺管理控制的高度信息化系統。簡單可分三部分，即數據管理部分、能量管理部分、網絡管理部分。三個部分相互作用已達到電力安全穩定控制[5]。現在的能量管理系統越來越復雜，功能也越來越強大，但其還是在傳統的 SCADA之上的電力信息化系統，側重于系統穩態運行情況的監測與靜態安全控制；以SCADA/EMS及有關的應用軟件為代表的調度監測系統實際上是在潮流水平上的電力系統穩態行為監測系統，不能達到實時動態監視與控制。

2.2 廣域測量系統的特點

廣域測量系統主要源自電力系統時間上同步和空間上廣域的要求，利用全球定位系統同步時鐘進行廣域電力系統狀態測量，可以實時動態觀測系統的變化，能及時有效的控制復雜電力系統運行狀態。WAMS主要由位于廠站端的PMU、通信系統和位于調度中心的控制系統組成。文獻[4]中提出了多種WAMS結構，其中主站位于省調度中心，子站為各功角監測點，子站由相角和功角測量裝置、時間同步裝置、通信系統和工控機組成看，圖1為其最基本結構。為了保證實時性，主站與子站之間的通信采用專用的微波通道。特點：可以監測到同步發電機功率角、母線電壓相角等一系列重要狀態變量。改善系統暫態穩定的預測及控制，當系統受到擾動時，相量測量裝置可以為勵磁、調速、電容器的接入等提供反饋控制量，以便進行更有效的控制。發生故障時，調度中心可根據各個點實時相角，判斷出那臺機組可能失穩并采取相應的對策，或者在當地根據實時相角進行控制，如切機、切負荷、解列等，以防止事故進一步擴大。WAMS的應用可以為狀態估計、動態監視、穩定的預測與控制等提供在線的、實時的、準確的系統運行參數，為分析計算提供有力的數據基礎[8]。

圖1 WAMS的基本結構

2.3 EMS/WAMS的并存性

廣域電力系統的運行分析與控制都是以狀態測量為基礎的，它能在毫秒級的時間尺度上對電力系統進行同步測量，基于PMU的WAMS技術使得在更精細的時間尺度上對電力系統進行同步觀測，以及利用這些數據對電力系統進行全新的分析[9]。從理論上講，WAMS系統可以完全取代SCADA，但在現有技術條件下還不現實。由于目前的SCADA技術己經相當成熟，并積累了相當豐富的運行經驗，而 WAMS則是一個全新的系統，技術上存在很多不足；建立完備的WAMS系統可能需要大量的資金投入，完全拋棄SCADA系統意味著浪費其系統先前的投入；所以在以后的相當長的時間內兩者還得并存。

3 基于IEC61970標準的EMS/WAMS統一信息模型

3.1 IEC61970標準概述

IEC61970標準是在保護用戶資源要求、系統集成要求、電力市場要求以及新技術的推動下產生而發展起來的。IEC61970標準系列分導則、術語、CIM和兩種級別的CIS共5個部分[7]。其中CIM是標準的主要部分，定義了覆蓋各個應用面向對象的電力系統模型，是IEC61970標準的靈魂。為方便起見，CIM被劃分為13個類包，290多個類。包括：域包、核心包、電纜包、測量包、拓撲包、負荷包、儲運損耗包、保護包、發電包、財政包、預測包和能量安排包、SCADA包等。它不但提供了EMS信息的一個綜合邏輯視圖，還定義了電力工業主要對象的類、屬性及對象間的關系。

3.2 電力系統集成化應用

電網調度自動化系統水平的重要標志是標準化。傳統調度自動化系統在操作系統、網絡和圖形管理方面采用IEEE（美國電氣電子工程師協會）的可移植性操作系統接口、TCP/IP協議和開放基金協會的 Motif 等標準，然而在支撐平臺和應用軟件方面還沒有統一標準化，系統異構和互聯十分困難。目前把遵循IEC 61970標準作為調度自動化集成研究的主要任務，調度自動化信息集成系統首次在應用層實現標準化[5]。通過CIM標準可以建立不同系統的統一信息模型，為系統集成做好模型統一標準。

4 EMS/WAMS統一信息模型的建立

4.1 構建CIM模型的方法

面向對象型建模有以下幾個方面：

（1）搜集相關的信息需求，選擇對象，建立對象類在這一步要詳細了解系統所涉及的各種實體，弄清他們之間的關系、各種約束條件和特別要求。確定對象的基本原則有以下方面：

1）一般的客觀實體可看作一個對象類，例如互感器、發電機、電廠及電網公司等。

2）如果客觀實體的某一部分屬性經常被單獨使用，則也可以看作一個對象類，如發電廠中的發電機、變壓器等實體。

3）如果幾個實體經常合在一起被操作和使用，則看作一個組合復雜對象類。例如斷路器、隔離刀閘屬于開關類的子類。

4）其他需要或補充的對象類。

（2）畫出對象關系圖

在確定了基本對象，建立了相應的類以后，緊接著要畫其對象關系圖。主要包括以下工作：

1）確定對象類之間的關系（簡單關聯，聚合，泛化）。

2）根據確定的對象類和關系，畫出各個獨立的對象關系圖。對象類之間的關系也要標明。

3）進行正確性檢查與修改，對畫出的對象關系圖進行正確性與一致性檢查；對同類關系和冗余關系進行合并或撤銷；檢查對象關系圖是否完整。不滿足的應進一步修改。

4.2 建立統一信息模型

通過對SCADA系統和WAMS的特點比較，以及對WAMS的結構和工作原理的了解，并結合CIM建模的方法規范，采用基于CIM標準對EMS/WAMS系統建立統一信息模型。由于IEC 61970-303描述的是 SCADA系統的 CIM 模型。它包含了用于SCADA系統的建模實體、監視控制部分支持操作員對設備的控制，數據采集部分則從不同數據源采集遙測數據等。WAMS的信息模型需要包含以下內容：WAMS本身的結構信息、各類測量裝置（包括時間同步裝置、相角測量裝置等）、WAMS獲得的各類量測數據信息、尤其是 PMU獲得的相角信息。SCADA包中的某些CIM類和屬性，對于WAMS系統也是適用的，所以在原來 SCADA的建模基礎上添加 WAMS的重要的類就可以完成統一信息模型的構建。具體類及其之間的關聯關系如圖2所示。

圖2 EMS/WAMS統一信息模型對象關系圖

4.3 EMS/WAMS統一信息模型關鍵類的信息描述

SCADA系統包的相關類及其描述信息在 IEC 61970-303部分有詳細的介紹。下面只對部分 RTU被代替的PMU相關類進行簡單描述。

Time synchronization device類指的是時間同步裝置相應的類，它的設計是為了表示各個測量值的同步信息，如基準相位以及基準參考點的信息等。實現全網同步監測系統的最關鍵技術是高精度絕對時間的獲得。高精度時間的獲得不僅是采用相量形式描述系統行為的基礎，也是不同地點觀測數據之間同步性的基本保證，所以有關時間同步的信息描述非常重要。它的固有屬性是絕對時間、時間的偏移量、基準站的地址，同時它也從PowersystemResource繼承屬性。它的關聯關系是每個相角測量必對應某一個時間點。

Phase measurement device類是相角測量裝置類，它從發電機組側或者各關鍵母線等處獲得對應量的相角信息。它只是繼承 PowersystemResource的屬性。固有關聯是一個相角測量裝置可以給一個或多個模擬量輸入提供模擬信號；一個相角測量裝置信號連接一個特定端子，同時它也繼承了PowersystemResource的關聯。

PMU類是相量測量單元類，它的固有屬性是PMU的安裝地址，測量類型，傳輸協議，控制中心地址等。同時繼承PowersystemResource的屬性。固有關聯是每個 PMU包含于一個或多個掃描塊，同時繼承PowersystemResource關聯。

5 結論

本文通過對目前EMS與WAMS兩個系統的特點分析，并在深入研究 IEC61970標準下建立兩者的統一公共信息模型，并給出部分關鍵類的屬性信息。目的是為了使兩個系統信息集成，可以使得不同系統之間數據交換，同一系統不同應用之間互聯互操作，這樣不但可以降低系統集成成本和保護用戶資源，同時也可以提高電力系統安全穩定控制力，為兩者下一步一體化集成做好準備。

[1] IEC61970. Energy Management System Application Program Interface (EMS-API) Part 301: Common Information Mod-el (CIM) Base Draft Revision5[S]. 1999.

[2] IEC61970. Energy Management System Application Program Interface (EMS-API) Part 303: Common Information Mod-el (CIM) Base Draft Revision5[S]. 1999.

[3] 汪華.基于公共信息模型的電網建模[J].電網技術,2008, 32(2):186-188.

[4] 鞠 平,鄭世宇,徐 群等.廣域測量系統的研究綜述[J].電力系統自動化,2004,24(7):39-40.

[5] 黎作明.基于新一代能量管理系統的IEC 61970標準的應用[J].廣東電力,2009,22(4):30-34.

[6] 林慶紅,劉學松,姜正豪.新一代能量管理系統設計[J].電力系統自動化,1999,23(17):45-47.

[7] 張慎明,劉國定.IEC 61970標準系列簡介[J].電力系統自動化,2002,26(14):1-6.

[8] 洪建燕,程寧.廣域相量測量系統的原理及運用[J].江西電力職業技術學院學報,2008,21(2):34-35.

[9] 常乃超,蘭洲,甘德強.等廣域測量系統在電力系統分析及控制中的應用綜述[J].電網技術,2005,29(10):46-52.

[10] 潘凱巖,寇強,鄭濤, 覃智君.基于公共信息模型的 EMS/DMS/DTS一體化設計[J].電網技術,2004,28(18): 62-65.

[11] 毛安家,郭志忠.與SCADA互補的WAMS中PMU的配置及數據處理方法[J].電網技術,2005,29(8)71-74.

[12] 孫宏斌,張伯明. EMS/DTS一體化系統設計[J].中國電力,1999,32(8).

For EMS/WAMS Unified Information Mode is Constructed Based on IEC61970Standard

Song Zhanhui Wang Qian
(School of Electrical Engineering of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

In view of the present energy management system and the wide-area measurement system between has no unified information model，and can't concentrate dynamic monitoring and control complex electric power system present situation，to the IEC 61970standard common information model CIM is studied，and combining with the respective characteristic of EMS WAMS in power system and its application， built the EMS/IEC61970standard CIM WAMS unified information model, And defines the main CIM classes， and their corresponding attribute information.

power system；energy management system；supervisory control and data acquisition；IEC61970；CIM；wide-area measurement system

宋戰慧（1986-），男，碩士研究生，籍貫陜西研究方向為電力系統調度及其自動化、繼電保護。

王 倩（1962-），女，教授，籍貫重慶市，研究方向為電力系統調度及自動化。