数字化变电站到IEC 61970主站信息无缝交换

王文婕，张海东

（1.盐城供电公司，江苏盐城 224000；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210061）

基于IEC 61850的数字化变电站自动化系统（以下简称子站）和基于IEC 61970的数字化电网调度自动化系统（以下简称主站）已有多项工程投入使用，目前子站和主站之间的信息交换方式是将IEC 61850转换成IEC 60870，采用IEC 60870-5-101/104通信规约传输数据值和命令。这种传统的传输方式具有很多弊端∶子站上大量丰富的有用信息不能传输到主站上，系统之间处于分割状态产生信息孤岛，没有充分发挥两大标准的优势；变电站和多个调度中心重复维护，增加了维护的工作量和电网的安全隐患等。而以信息化、自动化、互动化等为特征的智能电网则是要求子站与主站实现无缝连接，取代传统的信息传输方式[1]。针对上述问题和背景，提出了在实践应用中子站到主站无缝信息交换的策略，分析了子站和主站模型及其之间的映射关系。

1 子站到主站无缝信息交换

子站到主站无缝信息交换方法有：（1）子站中生成SCD文件在子站后台监控中对子站SCD模型转换生成符合主站要求的模型，然后上送到主站中；（2）子站生成SCD文件上送到主站，主站对其转换生成主站关心的模型。鉴于以后数字化变电站装置发展趋于智能化，弱化后台监控的作用等因素，在实践应用中具有推广应用价值的是方法（2），具体步骤如下：

（1）子站生成SCD文件上送到主站；

（2）主站对SCD文件加以解析，把主站关心的子站SCD模型转换成公共信息模型（CIM）；

（3）最终生成符合主站要求的CIM资源描述框架（RDF）格式XML文件并导入到主站中，使主站关心的子站信息完整上送到主站中。

基本流程如图1所示。

2 SCD与CIM模型

2.1 SCD模型介绍

IEC 61850 SCL配置文件用于在不同制造商的不同工具间交换配置数据,存在4种类型SCL文件,通过文件名后缀加以区分。这4种文件分别是∶ICD文件，SCD文件，SSD文件，CID文件。SCD对象模型有3个基本部分：（1）变电站模型：从功能的角度描述开关场的设备（过程装置）、基于电气接线图的连接（拓扑）、说明装置和功能，是基于变电站功能结构的分层对象。其主要包括的对象模型：变电站，电压层，设备，子设备，连接节点，端点等。（2）IED模型：变电站自动化系统中的二次智能电子设备。其主要包括的对象模型：智能电子设备，服务器，逻辑装置，逻辑节点，数据等。（3）通信系统模型：与通信相关的对象类型。通信模型其主要包括的对象模型：访问点，路由器，时钟等。

IEC 61850标准中的对象模型采用XML Schema（W3C扩展标记语言）描述，在其XML文档中为分层结构可以有多层嵌套。使用XML语言定义变电站自动配置语言的实例如下：

这个XML文件说明变电站节内含1个电压等级D1，在此电压等级中含有一个间隔Q1，此间隔里有1个电流互感器l1。

2.2 CIM介绍

CIM是一个抽象模型，它表示通常包含在能量管理系统（EMS）信息模型中的电力企业的所有主要对象。CIM规范使用统一建模语言(UML)表达方法，它将CIM定义成一组包，整个CIM划分为下面几个包：核心，拓扑，电线，停运，保护，SCADA，量测，负荷模型，发电，生产，发电动态，域，能量计划，预订，财务，资产。包的边界并不意味着应用的边界。一个应用可能使用几个包的CIM实体。CIM中的每一个包包含一个或多个类图，用图形方式展示该包中的所有类及它们的关系。然后根据类的属性及与其他类的关系，用文字形式定义各个类。CIM包含的基本类有：变电站类，基准电压类，间隔类，导电设备类，端点类，设备容器，电流继电器类，保护设备类等。在CIM中与子站相关的模型主要是电网模型，变电站模型和量测模型。

IEC 61970对象模型也采用了XML语言描述，使用的是另外一种更复杂功能也更强大的元数据描述工具—RDF。RDF定义了数据本身，也就是语义，CIM XML语言是基于CIM模型的RDF应用，它是CIM RDF语法的综合。每个系统的资源都有惟一的标识 (ID)。ID属性用于使元素能够引用CIM RDF Schema文档中的其他元素节点。ID＝“Terminal”元素可以通过在该属性值前加＃号 （如“＃Terminal”）的方式被其他元素引用。

3 SCD与CIM模型比较分析

IEC 61970 CIM模型和IEC 61850 SCD模型建模都采用了XML、UML、面向对象、组件技术等信息领域最前沿的技术。在IEC 61970 CIM和IEC 61850 SCD对象模型存在如下的情况，（1）2种标准中共通的对象模型，如变电站、电压等级、间隔、变压器、断路器等。（2）只有一种标准中定义的对象模型：IEC 61970 CIM模型中独有的对象模型，如主控区域、子控区域、负荷等；IEC 61850 SCD模型中独有的对象模型，如智能电子设备 （IED）、逻辑节点（LPHD、PTOC 等）、控制块（RCB、SGCB）等。它们的关系如图2所示。

IEC 61850 SCD对象采用SCL XML(XML Schema)描述，层层嵌套是一种树状结构。IEC 61970 CIM对象模型中的CIM XML(RDF XML)描述的，是一种网状结构。虽然两者的结构和采用的XML语言格式不一样，但这2种命名方式都符合万维网联合会制定的XML命名空间规范。

4 模型映射分析

子站上送到主站的SCD文件中部分模型是主站不关心的，例如保护模型，35 kV子站中的电抗器等。因此只需把主站关心的子站模型与主站模型建立映射关系。

在IEC 61850 SCD模型和IEC 61970 CIM模型中拥有共通的对象模型，这些模型可以基本建立他们之间的映射关系如图3所示，但并不是一对一的严格映射关系。一对多的映射关系，如图3中子站间隔模型与主站CIM模型中间隔和母线段2个对象模型形成映射关系；多对一的映射关系，如图3中子站电容器组和电抗器组模型2个模型与主站CIM模型中补偿器形成映射关系。在子站SCD中具体定义而主站CIM模型中没有明确定义的，如智能电子设备（IED）等。建立映射关系需要按照主站CIM模型中的要求建立相应的包类，增加相应的类型，属性和关联等。

图3 共通模型映射关系

子站模型到主站模型虽然可以建立映射关系，但是是有条件的在建立映射，需加以处理。主要有如下几个方面：

（1）子站与主站模型类型不一致：SCD模型中定义的对象模型与CIM模型中类型不完全一致。例如SCD电抗器和SCD电容器两个对象模型与CIM补偿器对象模型建立映射关系，两者的模型类型确不一致。

（2）子站与主站的对象模型属性不完全一致。例如CIM中逻辑节点属性是强制的而在对应的SCD中有些属性是可选的。同期检测继电器类在CIM中相关属性，相角，频率和电压必须的而在SCD中对应的为可选的。

（3）子站与主站的关联关系不完全一致。SCD中的对象模型关联关系通过层次路径实现，是直接简单的，是一种树状结构。CIM中是双向的关联关系，展开后是一种网状结构，CIM模型中对象模型的关联通过惟一标识ID加以引用，这种跨越的关联关系很复杂，由于类型之间的必须关联关系导致很难表达2个实例对象的实时关系，在建立映射关系中需结合实际情况进行数据建模。

即使子站与主站对象模型中某些部分很好的映射关系，基本的关联关系在子站和主站中也不一样，例如变压器模型，在主站CIM模型中变压器是作为主变间隔，而主变间隔与变电站相连。而在子站模型中变压器可以连接在变电站，电压，间隔等结构层中。在子站模型中间隔必须是电压等级的一部分，电压等级必须是变电站的一部分。而在主站CIM模型中间隔可以是电压等级或变电站的一部分或两者都不是，甚至在主站模型中根本没有。在主站CIM模型中详细定义了变压器，分接头，断路器，开关等模型，而子站SCD模型中只是定义了一种导电设备，导电设备有枚举属性，枚举属性决定了对象类型是那哪种实类对象。

子站与主站对象模型的描述语言都是XML语言，命名方式都符合万维网联合会制定的XML命名空间规范，同时XML语言具有异构系统间的信息互通等特点，XML语言是对象模型映射转换的最终交换格式。

5 结束语

子站到主站信息无缝交换是智能电网建设要求之一，也是IEC 61850和IEC 61970标准在工程实践中进一步深入应用的要求。目前IEC 61850和IEC 61970这2个标准在不断地发展，为了符合将来应用需求，现有模型需要不断更新，例如加入避雷器等模型。随着电力系统信息一体化的发展，需要制定一些相关列标准使两大标准合并为一，实现子站与主站共享建模，乃至最终要实现调度，变电站和配电信息一体化。

[1]陈树勇，宋书芳，李兰欣，等.智能电网综述[J].电网技术，2009，33（8）：1-7.

[2]谭文恕.电力系统无缝通信系统体系[J].电力系统自动化，2001，22（11）：1-4.

[3]周邺飞，张海滨，徐石明，等.IEC61850工程组态中的统一建模技术研究[J].江苏电机工程，2007，26（S）：72-74.

[4]胡 靓.XML语言在新一代电力自动化系统中的应用[J].电力学报，2007，22（1）：35-38.

[5]IEC 61850，Communication Networks and System in Substation[S].2004.

[6]IEC61970-301.Energy Management System Application Program Interface （EMS-API）：Part 301 Common Information model（CIM）base[S].2007.