基于数据分类的JENA法在CIM的应用研究

雷明 邵英 邓李重阳

（1. 中国人民解放军91515部队, 海南 三亚 572016；2. 海军工程大学电气与信息工程学院, 武汉 430033）

0 引言

电力系统自动化正不断向着网络化、数字化和集成化的方向发展。为了实现电力系统中的信息和功能共享，实现对不同厂家独立开发的能量管理系统（EMS）应用的集成以及对 EMS和其他系统的集成[1]。由国际电工委员会57技术委员会制定的IEC 61970系列标准主要定义了能量管理系统公共信息模型CIM（Common Information Model）和组件接口规范 CIS（Component Interface Specification）两方面的内容。其中 CIM 是一个面向对象的抽象数据模型，正是这种CIM模型的提出，有时候很好地解决系统“信息孤岛”问题。它表示包含在 EMS信息模型中的电力企业的所有主要对象。通过提供一种用对象类和属性及它们之间的关系来表示电力系统资源的标准方法[2]。CIM对电力系统相关设备和对象进行建模，为异构环境下的各系统提供一种通用的电力系统资源模型，实现系统间在接口层上的数据交换和数据共享。

然而我们知道传统的实时数据库管理系统大多采用关系或层次模型，而基于CIM的数据模型却是面向对象的。这两者间不匹配的问题已严重影响了电力系统的实时性、集成性和互操作性。因此如何在面向关系型的数据库中导入导出这种面向对象的数据模型是一个亟需解决的问题。

本文在介绍一种基于JENA法对CIM数据模型实现其导入导出的同时，根据其基本原理以及系统功能特点讨论了一种基于数据分类的改进方法。这种方法结合了传统映射法和基于 RDF的JENA法两者的优点，并通过实验验证了这种改进方法的可行性和有效性。

1 基于JENA法的基本原理

IEC 61970系列标准依据电力系统的特点及功能应用构建相关类对象，利用Rational Rose建模工具对其进行 CIM 建模，并采用 CIM RDF Schema元数据框架把CIM模型转换为包含电力系统模型信息的CIM/XML文档。为解决上述不匹配等问题，需要将这种CIM/XML文档导入导出到数据库中，从而实现对系统数据的管理。其中导入操作是将CIM/XML文档转化为实际电路模型，把系统运行状态及参数转化为符合自身数据库结构的数据并存入自身数据库；导出操作时是把系统转化为CIM/XML文档。

既然 CIM 在形式上是通过资源描述框架语言RDF（Resource Description Framework）来描述各种电力系统中的对象与对象间的关系，即CIM/XML本质上是基于RDF技术的。那么就可以直接使用基于 RDF工具来对其进行解析与处理[3]。JENA就是这样一个由HP实验室开发的表示和处理半结构化数据的Java开源工具[4]。JENA充分利用RDF的特点直接基于RDF技术对CIM数据进行表达、解析、查询、管理等基本操作（如图 1）。

文献[3]中提到的这种直接基于RDF的JENA法，在生成与查询CIM/XML过程中无需如传统方法那样定义映射规则，避免了在关系型数据库中进行复杂的数据类型映射。且构建CIM的RDF模型不再是以手工的方式，而是通过JENA的相关工具自动生成，使得对CIM数据的查询变得简捷与高效。

图1 基于RDF的JENA法处理CIM数据

虽然这种基于RDF的JENA法在处理CIM数据模型过程中非常有效，但也存在着一些问题。如在整个数据处理过程中，都是将电力系统大对象的所有数据单纯地作为一个整体来处理。而在一个数据库中存放多套结构类似的控制与被控数据，在图形用户界面（GUI）上显示或刷新数据时，要编写多段类似刷新程序，代码编写与维护工作量大，新增功能困难[5]。对于大型复杂电力系统而言，其所产数据量大，流向错综复杂，联系紧密，这种整体的处理方式势必造成各个子系统间数据流向不合理甚至不流通而得不到共享，增加了系统参数据和数据维护的难度。且这种以串行执行为主的单任务处理方式在时间上有依赖性，对数据的处理产生影响，严重时会导致数据的丢失，不利于系统的扩展[6]，无法在关系型数据库中完整而有效地存储、表达和查询 CIM 数据。本文在参考以上优缺点的同时，讨论的这种基于数据分类的改进方法，可以很好地解决上述问题。

2 基于数据分类的JENA法设计思路与实现

2.1 基于数据分类的JENA法设计思路

能量管理系统作为一个集数据采集、数据通信、实时监控和数据处理为一体的信息流对能量流的大型综合管理系统，其功能的最终操作对象都是数据，而操作数据的速度快慢直接决定着整个系统的性能好坏。由于各应用子系统结构与功能特点不同，所监测到电力对象的数据性质也有所不同。为便于实时数据的分布式流向，确保数据信息的完整，优化数据的运行效率，提高电力系统信息处理和控制响应速度。应根据数据的不同特点和性质进行科学分类处理和存取。因此在对系统进行CIM建模前，需了解系统的功能特性和结构组成，通过对 EMS在实时运行过程中的数据来源进行分析研究，梳理清晰各应用子系统的数据规模、类型、存取要求等内容。对于电力系统运行中基本不变或者缓慢变化的基本数据，由于这部分数据相对较少，可结合传统映射方法的优点，在存储、检索与处理CIM数据时，根据类与类之间的三种关系（泛化关系、聚合关系与简单关联）定义相应的映射规则，在关系型的数据库中建立相关的数据字典，让面向对象的CIM数据模型和关系型数据库作一一映射，实现类及类之间的关系映射成相应的表。而对于一些实时经常变动的数据，因为这部分数据大，若采用映射方法，这将不可避免地生成很多关系表来表达复杂的CIM关系，使得数据库表数量增多，带来数据库维护的严重困难，且容易出错，大大影响了系统的灵活性和实时性。因此可利用JENA法实时高效的优点，一起存取到CIM数据库。

2.2 基于数据分类的JENA法实现

能量管理系统在实时运行过程中，在各个回路的开关以及节点间要进行大量的数据传输。要实现对不同性质的数据进行分类。首先需对系统的数据结构（如图 2）组成有一个清晰认识。纵向表示电力系统不同对象之间的关系，横向可以根据其数据的不同性质进行分类[7]。

图2 电力系统的数据结构

对系统的数据结构分析后，在深入了解电力系统各功能模块，以及其软件和硬件构成的基础上，通过对电力系统运行过程中的数据来源进行分析研究，可将数据分为如下几类：

1） 基本数据

主要是电力系统运行中基本不变或者缓慢变化的数据，如供电设备及其控制系统的参数、配电设备的配置及其参数、量测设备的配置及其参数；如额定电压、线路型号、电力系统基本的电气连接关系、拓扑关系等。

2） 实时量测数据

主要是指来自底层的综合智能监控模块（或者智能终端）采集的实时模拟量、数字量等信息；如一些有功功率、无功功率、电流、电压、开关状态、变压器等实时量测数据。这部分数据是整个系统的核心数据。

3） 历史数据

主要是在总结数据运行规律时得到的一些运算结果数据，这部分数据应用于电力系统运行状态分析、故障查询和模拟训练等有很大的作用；如一些静态安全分析运算结果、故障分析运算结果等。

4） 临时数据

主要是电力系统的一些高级应用软件中自动形成和待自动清除的数据。例如，潮流计算中产生的导纳矩阵等；

对系统所产数据进行分类后，对不同性质的数据选择相应不同的处理方法。如基本数据和历史数据，这部分数据少且相对固定，宜采取定义基于类间关系的数据类型映射方法，将共享数据以表的形式映射到关系数据库中，不仅简单有效，而且数据查询方便；而实时量测数据这类实时变化快且量大，宜采用JENA自动生成方法。这种基于数据分类的处理方法，为面向对象的CIM数据模型导入导出到关系型数据库提供了一条有效途径（如图3）。

3 基于数据分类JENA法的优点

本文通过在实验室中的小比例电力系统对改进的JENA法进行验证对比，结果表明该法具有以下优点：

1）减轻系统负担，数据传输快速。对于变化不大的基本数据和历史数据而言，在系统运行过程中不必进行频繁传输且这种分类方法能灵活处理应用功能间的协调配合，方便新增功能，减少程序代码的重复量，并可大量节约内存和磁盘空间的开销。

2）数据处理简单快捷。系统运行时都要涉及到大量的数据需处理。这种基于不同性质的数据分类方法，使数据分布明确，数据处理目的性强。因此，在对系统数据进行增加、删除和备份时，可以较快地找到相应的区进行不同处理，而不是采用传统循环查询的方法，大大缩短了访问时间，不易混淆出错，使数据库维护变得更为简单快捷，增强了系统运行的稳定性。

图3 基于分类的JENA法处理CIM数据

3）方便总结系统运行规律。为了维护系统的安全稳定，在很多时候需要将运行结果数据进行比较研究，总结其规律，从而应用于分析系统的状态和故障等功能。将这部分结果数据作为一个区单独进行处理，在不同的节点以及开关等操作下互不影响，最大限度地发挥了对历史数据研究的效应。

4）结合了传统映射法和基于 RDF的 JENA法两者优点。可以很好的在关系型数据库中表达CIM模型，从而解决了面向关系或层次的数据库如何存取面向对象的CIM数据模型问题，为下一步系统的数据共享，建立统一数据接口以及构建综合电力系一体化平台打下基础。

4 结语

为了在电力系统中更为简便快捷地导入导出CIM数据模型，本文对基于RDF的JENA法进行了数据分类，对系统所产数据梳理清晰后，根据其不同的性质进行分类管理。这种改进方法结合传统映射法与基于RDF的JENA法两者的优点，通过在实验室中小比例供配电管理系统的验证对比，结果表明本方法可行有效，具有数据处理简单快捷、减轻网络负担、增大数据传输速率等优点。

[1]潘毅, 周京阳, 李强, 米为民, 樊涛. 基于公共信息模型的电力系统模型的拆分与合并[J]. 电力系统自动化, 2003, (15): 45-48.

[2]Draft IEC 61970: Energy Management System Application Program Interface (EMS-API): Part301 Common Information Model (CIM). 2003.

[3]樊荣. 基于 CIM-DAF的电力系统模型数据交互的研究[D]. 华中科技大学, 2007.

[4]Philip McCarthy. Introduction to Jena. 2004 http://www-128.ibm.com/developerworks /cn/ java/ j-jena/index.html.

[5]邓佑满, 钟德成, 张伯明, 莫光玲. 面向对象的EMS数据库设计[J]. 电力系统自动化, 1999, (7):24-27.

[6]汤磊, 张伯明, 徐春晖. 能量管理系统中实时数据和历史数据处理[J].中国电力, 2001, (S1): 63-66.

[7]潘凯岩, 徐臣, 王建勇. 基于分区方法的 EMS数据库实用化改进与应用[J]. 电力系统自动化, 2006,(24): 77-79.