張世棟，邵志敏，馮蘭新，孫　　勇

基于CIM的配電網設備狀態(tài)管控信息模型研究

張世棟1，邵志敏1，馮蘭新2，孫勇1

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.國網山東省電力公司泰安供電公司，山東泰安271000）

根據配電網設備狀態(tài)管控的實際需求，研究提出配電網設備狀態(tài)管控模型范圍及建模原則和方法?；贑IM15模型裁制出適用于配電網設備狀態(tài)管控的基礎模型，對基礎模型進行修正，補充物理設備及技術參數屬性，添加廠商及產品型號模型，擴展故障、缺陷模型，增加天氣等外部環(huán)境模型，形成標準、統(tǒng)一、規(guī)范、完整的設備狀態(tài)信息模型，為配電網設備狀態(tài)評估和數據挖掘分析奠定基礎。

配電網設備；狀態(tài)管控；故障分析；配電網信息模型

0　　引言

基于CIM模型的配電網模型數據、實時運行數據及歷史運行數據，結合運行過程中的故障、缺陷、試驗報告等信息，綜合天氣情況等外部數據，形成設備全壽命周期的全景數據，可以對配電網中的電力設備進行運行監(jiān)控、缺陷分析、故障診斷及早期預警。因此，通過構建配電網設備狀態(tài)管控平臺，將各業(yè)務系統(tǒng)的配電設備相關數據及已有設備故障、缺陷、試驗報告等數據接入平臺，根據設備狀態(tài)分析、設備劣化趨勢分析、家族缺陷分析等數據挖掘算法進行深入研究，實現配電網設備狀態(tài)評估、異常早期預警及家族性缺陷的識別，能準確定位故障原因，進行針對性改進，可有效降低配電網設備的故障發(fā)生率，減少設備的維修成本、延長設備壽命、提高配電網運行可靠性和經濟性［1-5］。

配電網各業(yè)務系統(tǒng)根據其需求定位，在不同時期由不同廠商進行建設，由于各業(yè)務系統(tǒng)所關注的數據重心不同，所采用的技術也不同，采用的信息模型更是不同。將各業(yè)務系統(tǒng)的數據接入到統(tǒng)一的平臺，如果只是通過數據庫抽取、轉換、歸并的方式，只能得到一個綜合的數據集合，缺少完整的設備狀態(tài)信息模型，不能很好地為配電網設備管控等高級應用提供支撐。一體化的設備監(jiān)測數據分析需要將各業(yè)務系統(tǒng)的數據規(guī)范化地整合到平臺中［6-8］，建立一個統(tǒng)一的配電網設備狀態(tài)管控信息模型（DCMM，Distribution Condition Monitoring Model）。

DCMM不僅要覆蓋各業(yè)務系統(tǒng)的數據范圍，更重要的是要建立各業(yè)務系統(tǒng)數據之間的關聯，同時為故障記錄、天氣狀況等建立模型并關聯到相關的業(yè)務數據模型，為設備狀態(tài)管控提供有效的數據支撐。

針對配電網設備狀態(tài)管控對數據一體化管理的實際需求，首先確定配電網設備狀態(tài)管控信息模型的建模范圍、原則及方法，在此基礎上描述信息模型的裁制過程、擴展內容，并說明如何支撐配電網的數據分析業(yè)務。

1DCMM建模范圍

配電網設備狀態(tài)管控需要對設備的全面數據進行分析，需要包括的數據包括：①物理設備數據，包括物理設備臺賬、地理坐標、廠家型號、狀態(tài)檢修等信息，主要通過生產管理系統(tǒng)（PMS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）來獲取；②運行設備數據，以運行角度來描述的設備及設備之間的拓撲結構，通過配網自動化系統(tǒng)（DAS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）來獲取；③電網實時數據，設備的運行電壓、電流、負荷等數據，通過配電自動化系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)等來獲取；④設備缺陷、故障、試驗報告等數據，通過人工導入或錄入；⑤外部環(huán)境數據，如天氣數據等，可定期獲取氣象采集點數據并自動導入。進行配電網設備狀態(tài)管控信息模型在建模時，需要覆蓋上述配電網設備狀態(tài)管控分析所需要的數據。

2DCMM組織

DCMM根據業(yè)務需要擴展的部分統(tǒng)一組織在DCMM包下，根據擴展類的類型分為幾個子包，分別組織同一類型的擴展類。

DCMMAsset擴展包下組織對物理設備進行擴展的子類型；DCMMPSR擴展包下組織對運行設備進行擴展的子類型；DCMMRecord擴展包下組織對故障、缺陷等記錄進行擴展的子類型。

DCMM模型最終以符合IEC 61970-501標準的CIM RDF Schema形式發(fā)布［9］，可供各應用程序解析使用。

3DCMM構建

IEC 61970、IEC 61968公共信息模型（CIM，Common Information Model）作為電力系統(tǒng)管理及其信息交換領域國際標準定義的信息模型，是DCMM裁制擴充的基礎［10］。確定配電網設備狀態(tài)管控信息模型的建模范圍后，首先裁制CIM模型形成UCMM的基礎模型。采用CIM建模導則，擴展建立配電網設備狀態(tài)管控需要的監(jiān)測點、物理設備及技術參數、試驗報告等抽象描述所需的類、屬性和關聯。建模語言采用與 CIM模型一致的統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）。本文采用UML類圖的方式描述DCMM需重點說明的部分。

3.1基礎模型構建

CIM模型在2003年發(fā)布的CIM10是第一個廣泛使用的穩(wěn)定版本，廣泛應用于EMS等系統(tǒng)中，之后經過不斷發(fā)展和升級，2013年發(fā)布了CIM16v17。CIM版本更新速度很快，在實際應用中也會帶來一些麻煩，一般新版本往往是不穩(wěn)定的，所以在實際應用中，采用穩(wěn)定的次新版本為基準，根據業(yè)務的需要適當地融入其他版本的部分模式，源自不同版本CIM及擴展的模式通過不同的命名空間來區(qū)分。

基于以上考慮，DCMM選擇CIM15v33作為基準版本。所有源自該基準版本的模式元素命名空間為：http：//iec.ch/TC57/2011/CIM-schema-cim15#，根據CIM14版本擴展的模式元素命名空間為http：//iec. ch/TC57/2009/CIM-schema-cim14#，業(yè)務需要擴展建立的模式元素命名空間為http：//yjy.sd.sgcc.com. cn/2015/DCMM。命名空間為模式組合提供了方便，DCMM可以根據配電網設備狀態(tài)管控的需要，結合不同版本CIM進行升級擴展。

圖1DCMM基礎模型

基礎模型包括運行設備、物理設備、位置、文檔、組織等。選取TC57 CIM中的電力系統(tǒng)資源（Power System Resource）、資產（Asset）、位置（Location）、文檔（Document）、組織（Organisation）這五個體系及其子類構成基礎模型。電力系統(tǒng)資源體系描述電力系統(tǒng)的邏輯構成、網絡拓撲等；資產是狀態(tài)管控的直接目標對象；位置用于描述資產等的具體位置、GIS坐標等；文檔用于表示缺陷、故障、試驗報告等記錄類的文檔；組織用來表示供電公司及各生產廠商。

3.2基礎模型修正

基礎模型中Power System Resource、Asset、Location三者之間有直接的關聯關系，Asset與Organisation之間通過中間的角色類 Asset Organisation Role來建立關聯，如圖2所示。

圖2　　基礎模型修正示例

采用該建模方式，可以解決同一資產多次關聯同一組織的情況，例如一個部門即是資產的所屬部門，也是維護部門，還是使用部門。但是這種建模方式在實際使用起來比較麻煩，查找資產的所屬部門必須通過兩次查詢，而且只能使用Asset Organisation Role的屬性取值來區(qū)分不同的關聯，語義表示不是很清晰。為此，DCMM在建模時將最常用的資產所屬部門采用直接的關聯 Asset-Erp Organisation（供電公司內部的公司和部門采用Erp Organisation及其子類型來表示，外部的公司采用Organisation來區(qū)分）來表示，仍保留原來的方式表示其他關聯及用來擴展。類似的情況還有Asset的自關聯表示資產的上下級關系；Organisation的自關聯表示組織的上下級關系；Document的自關聯表示文檔的上下級關系；Document-Asset的關聯表示缺陷等文檔類記錄與具體物理設備的關系；Document-Organisation的關聯表示文檔所屬的部門。

3.3物理設備擴展

物理設備在DCMM中都建模為Asset的子類，從建模角度上來講，設備的分類越細，在后續(xù)的設備狀態(tài)分析中就越方便，為此DCMM在CIM模型的基礎上進行了擴展，對物理設備進行了子類化處理，建立了變電站資產、開關柜資產、開關站資產、環(huán)網柜資產、箱式變電站資產、電纜分支箱資產、饋線資產、電纜資產、架空線資產、斷路器資產、電容器資產、隔離開關資產、FTU資產、熔斷器資產、負荷開關資產等資產的具體子類型。為了明確表示物理設備之間的上下級關系，采用Asset的From Asset關聯表示其上級物理設備。

對于物理設備的技術參數，CIM模型有一種通用的擴展方式，采用資產的Properties和Ratings關聯的方式，用User Attribute類來表示技術參數，見圖3。這種方式具有最大的靈活性，但在實際使用中隨意性太強，缺少語義的限制，并且取值類型都采用最寬泛的String類型，不利于后續(xù)的分析等應用使用。為此在DCMM建模時，對技術參數進行分類建模，對于一些電氣特性、資產明確具有、后續(xù)分析一定要使用的技術參數，直接作為資產類的屬性進行建模；對于一些統(tǒng)計類的技術參數，構建描述類并關聯到資產對象；對于一些只是解釋性的技術參數，以及后期的擴展技術參數，采用User Attribute的方式構建。

圖3　　技術參數模型

在實際使用中采用直接建立屬性的方式可以更方便地對技術參數進行訪問，語義也更加清晰，采用與屬性對應的取值類型，直接訪問屬性相較于關聯對象效率更高，同時減少大量UserAttribute對象在平臺中形成的碎片。

3.4饋線擴展

饋線在配電網中是比較重要的設備，在DCMM中，饋線設備用Circuit Asset類來表示。饋線由導線（Conductor Asset）組成，導線分為兩類，地面上的架空線（Overhead Conductor Asset）和地下的電纜（Cable Asset）。

與饋線相關的物理設備還有桿塔，分別用Pole（桿）和Tower（塔）來表示，為了描述導線的起始桿塔和終止桿塔，桿塔的基類結構件（Structure）建立與導線資產（ConductorAsset）的兩條關聯關系，分別表示導線的起始和終止位置。

圖4　　饋線模型

3.5故障、缺陷擴展

故障、缺陷都是文件的子類型，分別用Fault-Record、DefectRecord來表示，為了更明確地表示故障、缺陷所對應的物理設備，建立與Asset的直接關聯。

圖5　　故障與缺陷模型

3.6設備評價

設備評價是對設備根據一定的原則與標準進行評分，是開展設備健康狀態(tài)趨勢分析的基礎。在DCMM中設備評價（Asset Evaluation）是文檔類的一個子類，評價的設備通過文檔與資產的關聯來表示。

設備評價由一組詳細的評價記錄（Evaluation Record）來組成，評價記錄建模為活動記錄（Activity Record）的子類型，評價記錄的填報人、填報單位等通過活動記錄與人員、組織的關聯來表示。評價記錄關聯一組扣分記錄（Deduct Record），記錄評價記錄詳細的扣分原因等。

3.7天氣監(jiān)測擴展

天氣監(jiān)測數據屬于外部環(huán)境數據，其數據來源于氣象站（Weather Station）的定時監(jiān)測。由于配電網點多面廣，氣象站的位置相對固定，變電站、線路及設備根據地理坐標距離，關聯鄰近氣象站的監(jiān)測數據。

圖6　　設備評價模型

圖7　　天氣模型

天氣的監(jiān)測數據包括風速、風向、溫度、濕度、降水量、能見度、氣壓、陣風風速、陣風風向、極大風風速、極大風風向，分別建立Analog和Analog Value對象，并建立與Weather Station的關聯。

天氣監(jiān)測的數據只在模型數據中建立具體的天氣站及天氣站的監(jiān)測數據，詳細的時間序列天氣數據通過歷史數據訪問接口進行讀寫。

3.8型號廠商擴展

型號廠商在配電網設備狀態(tài)管控分析中也是比較重要的一部分，是進行家族性缺陷分析的基礎。

物理設備在設計時，會設定所需的物理設備型式 （Type Asset），型式可以進行分組 （Type Asset Catalogue）。型式是設計要求的一些技術參數集合，具體的物理設備型號必須符合型式的要求。

廠商（Manufacturer）制造一批產品的型號（Product Asset Model），在選擇具體的物理設備時，其型號必須符合型式的要求，具體的型號關聯到物理設備，為家族性缺陷分析提供支撐。

廠商是組織角色（Organisation Role）的子類型，是具體的組織扮演的一個角色，詳細的組織信息在關聯的組織（Organisation）中描述。將廠商建模為組織角色而不是直接建模為組織的子類型，是為了解決在現實情況中一個組織扮演多個角色的場景，例如一個組織即是供應商，同時也是維護商，還可能是電能消費者。采用此種建模方式可以減少重復組織對象的創(chuàng)建。

圖8　　設備型號模型

4　基于DCMM的數據支撐實現方式

DCMM模型從底層上對管控平臺的一些業(yè)務進行了約束，采用模式驅動開發(fā)方式建立了配電網設備狀態(tài)管控管控平臺，平臺模型架構如圖9所示。

配電網設備狀態(tài)管控平臺綜合應用各種數據管理技術構建實體數據存儲體系。采用分布式數據存儲、并行運算、服務分發(fā)與歸并等信息管理，以成熟的關系數據庫存儲結構化數據，以分布式文件系統(tǒng)存儲半結構化和非結構化數據，建立結構化數據到半結構化和非結構化數據的關聯，使半結構化和非結構化數據能夠以高效率在較小的集群系統(tǒng)中得到處理。DCMM模型從頂層對平臺業(yè)務進行了語義約束，將各個業(yè)務系統(tǒng)的模型進行了整合，建立了各業(yè)務系統(tǒng)數據的關聯，將各業(yè)務系統(tǒng)獨立的數據整合為一體化的完整性數據，在數據接入過程中對數據進行規(guī)范化，打通了各業(yè)務系統(tǒng)之間的壁壘，為數據挖掘和數據分析提供有效的支撐。

4.1模型映射

由于當前主流的存儲系統(tǒng)仍是關系型數據庫，而DCMM模型是采用面向對象的方式構建，所以需要建立面向對象與關系型數據庫之間的映射關系。

IEC 61970 CIS接口也是采用面向對象方式［11］，在通過CIS接口進行數據訪問時，需要通過面向對象—關系的映射算法在面向對象及關系型數據庫之間進行轉換。當通過CIS接口讀取數據時，將關系型數據庫中的數據轉換為對象數據；當通過CIS接口寫入數據時，將對象轉換為關系型數據庫中的數據［12-15］。

4.2視圖定義

CIM模型構建了一個網狀態(tài)的對象關系，而在實際業(yè)務使用時，是采用類似于樹形層次結構進行訪問，需要根據DCMM模型構建樹形定義，以樹形層次結構的方式對外提供數據。

圖9　　配電網設備狀態(tài)管控管控平臺邏輯結構

DCMM模型是不斷擴展和修改的，如何動態(tài)地定義樹形層次結構并可以動態(tài)進行樹形展示是需要關注的關鍵點。

4.3數據融合

各業(yè)務系統(tǒng)的數據是互相隔離的，對同一數據有各自不同的標識和命名規(guī)則，但都對應到DCMM模型中的同一類型。在接入管控平臺時不僅僅是直接將各業(yè)務系統(tǒng)的數據匯總，還需要對這些相同的數據進行篩選、分析、匹配，合并為一個對象持久化到管控平臺。DCMM基于信息模型管理和消息載荷定義支持特定應用的Web服務，服務支持新一代OPC UA數據訪問接口，為保證數據安全性，數據訪問原則上不直接提供數據庫表，而通過數據訪問接口服務提供。

4.4標準化發(fā)布

規(guī)范化的DCMM模型只是平臺的基礎，平臺要對外進行規(guī)范化的數據發(fā)布，還需要標準化的模型、實時、歷史、事件數據發(fā)布機制，利用標準化的IEC 61970 CIS服務接口對外發(fā)布數據。

DCMM模型作為平臺的底層約束，從語義環(huán)節(jié)保證了信息的有效性。通過DCMM模型的規(guī)范化，各業(yè)務系統(tǒng)的數據整合到管控平臺后，形成一體化的數據，為故障的聯動分析等提供了有效的支撐，同時在數據整合的過程中對源數據進行修正完善，進一步提高了數據的質量，為后續(xù)的數據挖掘和應用分析掃清了障礙。

5　　結語

通過將配電網設備狀態(tài)管控相關的模型抽象建立DCMM，并基于DCMM構建管控平臺，將各業(yè)務系統(tǒng)分散的數據整合為一體化統(tǒng)一的全景數據，可以更好地挖掘已有數據的內在價值。基于DCMM模型，結合標準化的CIS接口構建的管控平臺，初步實現了數據的規(guī)范性、去冗余，對已有的數據進行了有效的整合，為設備狀態(tài)評估、故障分析與預警等算法提供了有效的支撐數據。

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Information Model for Power Distribution Equipment Status Management and Control

ZHANG Shidong1，SHAO Zhimin1，FENG Lanxin2，SUN Yong1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.State Grid Taian Power Supply Company，Taian 271000，China）

According to the actual demand to the management of the power distribution equipment，the scope，principles and method to the control model of power distribution equipment status are studied.Based on CIM 15，the basic model is p roposed，physical devices and technical parameters are added to this model.Combing additional models，such as manufacturer and product model，extended fault model，weather model and so on，the standard equipment state information model is established in this paper，which will become the basis for the distribution network equipment status assessment and data mining analysis.

power distribution equipment；status management and control；fault analysis；power distribution information model

TM642

A

1007－9904（2016）06－0027－06

2015-12-23

張世棟（1983），男，工程師，主要從事電力信息系統(tǒng)建設工作；張林利（1979），男，工程師，主要從事配電網建設工作；邵志敏（1984），男，工程師，主要從事配電自動化工作；馮蘭新（1988），男，工程師，主要從事配電網狀態(tài)檢修工作；孫勇（1969），男，工程師，主要從事配電網狀態(tài)監(jiān)測及分析工作。