張鐵峰，李 佳，顧建煒，張衛(wèi)華

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.杭州供電公司 浙江 杭州 310009）

CIM與IEC61850模型協(xié)調(diào)研究

張鐵峰1，李 佳1，顧建煒2，張衛(wèi)華1

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.杭州供電公司 浙江 杭州 310009）

由于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和調(diào)度中心分別遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，二者在進(jìn)行信息交互時(shí)模型不統(tǒng)一，信息難以共享。為此對(duì)CIM和IEC61850進(jìn)行了比較，并分析二者模型的主要差異。結(jié)合國內(nèi)外CIM和IEC61850模型協(xié)調(diào)研究的最新成果，探討了當(dāng)前主要應(yīng)用的直接統(tǒng)一模型、無縫通信體系、公共語義模型、模型映射和本體語義模型共5種協(xié)調(diào)方案，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，給出各自的優(yōu)勢(shì)與不足。最后指出公共語義模型的建立是協(xié)調(diào)問題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，應(yīng)首先解決。

IEC61850；IEC61970；CIM；模型協(xié)調(diào)；智能電網(wǎng)

IEC TC57為變電站與調(diào)度中心以及配電管理分別制定了IEC61850、IEC61970和IEC61968系列國際標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)度中心遵循IEC61970/61968標(biāo)準(zhǔn)，使用公共信息模型 （Common Information Model，CIM）描述電網(wǎng)模型，采用組件接口規(guī)范（Component Interface Specification，CIS）實(shí)現(xiàn)互操作。由于兩種標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和制定體系不同，造成標(biāo)準(zhǔn)間存在一定的差異，這種差異導(dǎo)致調(diào)度中心與變電站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，二者之間的信息不能充分地交互。并且隨著IEC61850第二版的發(fā)布，IEC61850已經(jīng)擴(kuò)展到配電自動(dòng)化、分布式能源等公共事業(yè)通信領(lǐng)域[2-3]，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展維護(hù)也在進(jìn)行中，因此實(shí)現(xiàn)CIM與IEC61850模型協(xié)調(diào)將是未來調(diào)度中心和變電站以及配電自動(dòng)化之間信息共享和互操作的基礎(chǔ)，也成為國內(nèi)外當(dāng)前亟需解決的主要問題之一[4]。

模型協(xié)調(diào)問題已引起國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視，從統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、模型語義、工程應(yīng)用、無縫銜接等不同的角度提出了各自的解決方案，主要有直接統(tǒng)一模型、公共語義模型、模型映射、無縫通信體系、本體語義模型等。 這些方案各有優(yōu)勢(shì)和不足，本文在簡(jiǎn)要介紹CIM和IEC61850模型后，對(duì)二者的模型進(jìn)行比較，并列舉二者的主要差異。進(jìn)一步總結(jié)分析國內(nèi)外模型協(xié)調(diào)的方案，分析其優(yōu)勢(shì)和不足，找出解決問題的關(guān)鍵。

1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與CIM關(guān)系

在電力系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)是指從IEC61850數(shù)據(jù)到CIM對(duì)象的語義或數(shù)據(jù)意義的整合，因此是相同數(shù)據(jù)在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的表示。IEC61850涵蓋了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)電力工程控制應(yīng)用，同時(shí)CIM使跨IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享成為可能。 許多應(yīng)用程序都可以單獨(dú)使用IEC61850或CIM，但若要實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能則要將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)融合。CIM和IEC61850在電力系統(tǒng)通信和控制需求整體架構(gòu)中互為補(bǔ)充[5]。當(dāng)前，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都不應(yīng)獨(dú)立發(fā)展，都要考慮另一標(biāo)準(zhǔn)。例如CIM中狀態(tài)維修對(duì)象的制定應(yīng)考慮已經(jīng)定義在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中用于維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象。出于安全原因，CIM環(huán)境將不適合擴(kuò)展到實(shí)時(shí)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的環(huán)境。由此，配電CIM對(duì)象的非操作數(shù)據(jù)應(yīng)該充分利用現(xiàn)有的IEC61850的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象，以及那些將擴(kuò)展到IEC61850對(duì)象庫的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象。CIM和IEC61850之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 CIM與IEC61850模型之間的關(guān)系

2 IEC61850模型與CIM的比較

2.1 模型相似點(diǎn)

CIM和IEC61850模型在數(shù)據(jù)模型定義方面非常相近，如變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（Substation Automation System，SAS），它們都是對(duì)同一對(duì)象或功能進(jìn)行描述，只是建模方法稍有差異。在SCL中，層次的劃分非常清晰，分為變電站層、間隔層和過程層。SCL中把主變直接劃分到變電站層。在CIM中，變電站包含了電壓等級(jí)和間隔，通常作為設(shè)備容器。由于主變壓器有相應(yīng)的附屬設(shè)備，一般情況下，CIM建模時(shí)會(huì)把主變看做主變間隔，主變間隔與變電站直接建立聯(lián)系。從整體上看，SCL與CIM雖然描述的方式不同，但是對(duì)于變電站模型，很多地方確極其相似。

2.2 模型的差異

IEC61970/61968采用抽象模型CIM描述電力系統(tǒng)所有的主要對(duì)象。IEC61850則用變電站配置語言對(duì)自身的對(duì)象進(jìn)行描述。CIM和IEC61850模型的根本區(qū)別在于[6]：CIM主要對(duì)變電站內(nèi)的一次設(shè)備模型進(jìn)行描述，而對(duì)變電站內(nèi)實(shí)際功能模型的描述很少。IEC61850主要對(duì)二次智能電子設(shè)備進(jìn)行描述，也可以對(duì)變電站內(nèi)一次設(shè)備模型描述，然而對(duì)一次設(shè)備的描述與CIM比較而言要簡(jiǎn)單的多。模型差異主要來自類、關(guān)系和屬性3個(gè)方面。下面給出了模型之間在這3方面的不同之處。

類型差異主要包括導(dǎo)電設(shè)備類差異、量測(cè)體系差異、對(duì)象標(biāo)識(shí)方式差異、時(shí)標(biāo)差異、單位類型差異以及品質(zhì)對(duì)象差異。

關(guān)系差異表現(xiàn)在CIM中，類與類之間的關(guān)系是雙向的、網(wǎng)狀的。IEC61850中類與類之間的關(guān)系是單向的、樹型的。與層次化模型相比，網(wǎng)狀模型的校驗(yàn)比較困難。

屬性差異表現(xiàn)在SCL中的tConducting Equipment包含 name、desc、virtual屬性 ， 比 CIM 中定義的ConductingEquipment子類中的屬性少很多。同樣，在PowerTransformer等其他類中，SCL類包含的屬性都比CIM類少，這導(dǎo)致在模型轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)丟失很多信息。

3 協(xié)調(diào)方案

IEC61970標(biāo)準(zhǔn)主要用于調(diào)度中心，使用CIM對(duì)電力系統(tǒng)中的主要對(duì)象進(jìn)行描述，而IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要用于變電站。二者的模型基本上是獨(dú)立的、互不相同的。IEC TC57成立 WG19的初衷就是IEC61970和IEC61850的模型協(xié)調(diào)，及負(fù)責(zé) TC57范圍內(nèi)互操作性的長期戰(zhàn)略研究。在CIM和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，以ABB公司為首的研究機(jī)構(gòu)就對(duì)CIM和IEC61850模型協(xié)調(diào)問題予以重視，并進(jìn)行了長期的研究?，F(xiàn)在二者的協(xié)調(diào)問題已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注，協(xié)調(diào)相關(guān)的一些調(diào)查已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)化工作組以及由EPRI發(fā)起的項(xiàng)目中進(jìn)行。

針對(duì)模型協(xié)調(diào)問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都給出了自己的解決方案，這些方案主要分為直接統(tǒng)一模型、無縫通信體系、公共語義模型、模型映射以及本體語義模型等。

3.1 直接統(tǒng)一模型

直接統(tǒng)一模型的思想在于，整合IEC TC 57公共信息模型與IEC61850變電站配置描述語言信息模型，為電力系統(tǒng)建立一個(gè)統(tǒng)一的信息模型。此方案實(shí)現(xiàn)了模型的統(tǒng)一，為電網(wǎng)中的一切活動(dòng)提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重大意義。

2006年，ABB公司較早提出了將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并的思想，通過比較IEC61850模型和CIM的差異，認(rèn)為二者的合并可以實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，其他研究機(jī)構(gòu)提出了基于CIM擴(kuò)展，使其完全兼容IEC61850模型的思想，該思想的提出為后來其他機(jī)構(gòu)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2009年9月，廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院提出了基于CIM與IEC61850變電站配置描述語言信息模型整合的方案，構(gòu)建整個(gè)電力系統(tǒng)統(tǒng)一的公共信息模型?；贑IM直接統(tǒng)一模型方案的示意如圖2所示。此外，理論上也可以基于IEC61850建立統(tǒng)一模型，但可行性較差，無實(shí)踐支持。

圖2 基于CIM擴(kuò)展的直接統(tǒng)一模型方案

直接統(tǒng)一模型需要大幅度修改現(xiàn)有的模型，工作量大，短期內(nèi)很難完成，且變電站端和調(diào)度端對(duì)模型的需求和側(cè)重點(diǎn)不同，建立統(tǒng)一的信息模型還有待實(shí)踐驗(yàn)證。

3.2 無縫通信體系

IEC61850-7-1第一版的附錄D中，提出了無縫通信將來可能使用代理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并提到3種可能的實(shí)現(xiàn)方式：1）通過代理使控制中心直接訪問變電站物理設(shè)備。2）在代理內(nèi)，控制中心的數(shù)據(jù)集由邏輯設(shè)備定義。3）在代理內(nèi)定義新的邏輯節(jié)點(diǎn)類和數(shù)據(jù)類，提供變電站的控制中心視圖。

2007年前后，西南交通大學(xué)綜合了第2、3種實(shí)現(xiàn)方式的特點(diǎn)對(duì)此方案進(jìn)行了深入研究，提出建立IEC61850＋通信標(biāo)準(zhǔn)的方案，并驗(yàn)證了無縫通信方案的可行性。

2008-2010年，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院也對(duì)此方案進(jìn)行了研究，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換和代理技術(shù)，給出了幾種可供選擇的無縫通信實(shí)現(xiàn)方案，如綜合模型映射、協(xié)議轉(zhuǎn)換，且成功應(yīng)用在國內(nèi)的一些數(shù)字化變電站中[7]。

2013年，國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司提出了一種新的無縫通信體系方案。文章中提到一種用于無縫通信的新流程：首先在子站端生成相應(yīng)的SCD文件，該文件在子站端通過特定的校驗(yàn)工具檢驗(yàn)，以保證語法、層次結(jié)構(gòu)、對(duì)象模型的準(zhǔn)確性。在主站端，可以定期或人工主動(dòng)方式把子站生成的SCD文件調(diào)到主站，然后通過文件解析工具解析SCD文件中的模型信息，最后對(duì)主站端能量管理系統(tǒng)（Energy Management System， EMS）數(shù)據(jù)庫中相關(guān)記錄進(jìn)行操作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)主站系統(tǒng)的免維護(hù)。

3.3 公共語義模型

公共語義模型的思想在于，利用統(tǒng)一建模語言在CIM基礎(chǔ)上建立包含IEC61850模型的新對(duì)象體系，在新的模型中，二者可以互相理解語義級(jí)別的內(nèi)容。具體轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。此方案在語義方面有較高精確度，并且有較高的可行性。

圖3 公共語義模型解決方案

2003年至2007年，ABB研究小組做了一項(xiàng)工作，將所有的IEC61850模型轉(zhuǎn)換為UML[8]，模型間的語義就用此形式語言表達(dá)，同時(shí)開發(fā)了一個(gè)用于兩個(gè)模型間雙向翻譯配置文件的工具。ABB研究小組發(fā)現(xiàn)，CIM和IEC61850模型間類型的不匹配是自動(dòng)協(xié)調(diào)過程的主要障礙。

2009年10月，EPRI的報(bào)告中提到：在智能電網(wǎng)的若干領(lǐng)域中，一個(gè)用于應(yīng)用級(jí)通信的公共語義模型是必要的。報(bào)告建議要統(tǒng)一CIM和IEC61850模型。文中提到公共語義模型的好處，由于變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)采用IEC61850信息模型，該數(shù)據(jù)應(yīng)使用相同的信息模型向控制中心報(bào)告。這將簡(jiǎn)化從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的模型和CIM數(shù)據(jù)模型之間的協(xié)調(diào)工作。

2010年 6月，EPRI委托 Xtensible Solutions和SISCO公司完成了一份報(bào)告[9]，該報(bào)告研究的主要內(nèi)容是建立整個(gè)電力系統(tǒng)的統(tǒng)一語義模型，為了支撐智能電網(wǎng)的發(fā)展，必須保證CIM和IEC61850模型間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。目前，EPRI對(duì)UML公共語義模型的定義已經(jīng)初步完成，且驗(yàn)證了一些實(shí)例以支持方案的可行性。

該方案也存在一些問題，UML本體語義模型缺少支持其領(lǐng)域建模要求的機(jī)制；在語言體系結(jié)構(gòu)、語義等方面存在理論缺陷；此方案開發(fā)的工具需要用戶進(jìn)行手動(dòng)翻譯，使得模型協(xié)調(diào)的工程量較大。

3.4 模型映射

模型映射方案的思想在于，對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)盡量小幅度修改的前提下，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)系統(tǒng)模型映射到另一個(gè)系統(tǒng)的等效模型，主要是兩個(gè)文件之間的映射，即把SCD文件映射為等效的CIM/XML或CIM/E文件[10]。模型映射方案的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)改動(dòng)小，各類系統(tǒng)均得到保留，通過實(shí)踐證明此方案切實(shí)可行。

2003年，模型映射的研究工作在ABB公司開展，他們建立了基于UML的模型映射工具原型系統(tǒng)。

2006年左右，國家電力公司繼電保護(hù)研究所從理論上對(duì)模型映射進(jìn)行了研究，基于XML文件規(guī)范了IEC61850模型到CIM的映射規(guī)則。

2009-2010年，該方案也在國網(wǎng)電科院中開展，他們給出了實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并且應(yīng)用于實(shí)踐[11]。此外山東大學(xué)在2010年對(duì)模型映射研究也提出了自己的建設(shè)方案。

不足之處：修改和補(bǔ)充不能從根本上解決問題，對(duì)整個(gè)智能電網(wǎng)建設(shè)的意義有限。

3.5 本體語義模型

本體語義模型的思想在于：使自身模型保持不變的基礎(chǔ)上，使用本體建模語言建立語義信息模型，最后通過本體映射實(shí)現(xiàn)模型間的映射關(guān)系，最終完成兩者之間的信息共享，以達(dá)到模型間的協(xié)調(diào)。具體方案如圖4所示。使用本體語義模型進(jìn)行模型協(xié)調(diào)的突出優(yōu)勢(shì)是：無需對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)作出修改，切實(shí)可行，從根本上解決了模型不匹配的問題。然而，由于兩個(gè)模型之間的關(guān)系并不是總有明確的定義，在轉(zhuǎn)換為本體模型的過程中可能需要手動(dòng)完成，這使得模型協(xié)調(diào)的實(shí)施變得繁瑣。

圖4 本體語義模型協(xié)調(diào)方案

2006年，EPRI發(fā)表了一篇關(guān)于OWL的報(bào)告。報(bào)告提出Web本體語言 （Web Ontology Language，OWL）比UML的語義精確度更高，表達(dá)更準(zhǔn)確，建議使用Web本體語言表達(dá)語義對(duì)應(yīng)關(guān)系。此報(bào)告給我們提供了一種新的方法-本體技術(shù)。報(bào)告中提到建議UML和OWL結(jié)合使用，同時(shí)也介紹了結(jié)合使用UML和OWL的具體方法。

2012年-2013年，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)基于OWL本體的模型協(xié)調(diào)問題展開了深入研究[12-14]。其主要方法是采用Protégé構(gòu)建IEC61850和CIM的本體模型，再利用本體映射技術(shù)完成已有本體模型的映射，目的是為了獲得CIM與IEC61850模型之間的映射規(guī)則。

4 方案比較

CIM和IEC61850模型協(xié)調(diào)已成為國內(nèi)外智能電網(wǎng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，根據(jù)第3部分所述協(xié)調(diào)方案，給出各方案的優(yōu)勢(shì)和不足如表1所示。綜合分析[15]可知它們之間存在的關(guān)系如表2所示。其中A∈B表示B包括A。由表2可見，公共語義是所有協(xié)調(diào)方案的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，其建立無論對(duì)于應(yīng)用哪個(gè)方案，都應(yīng)需要首先要解決。

表1 各方案的比較

表2 模型協(xié)調(diào)方案間的關(guān)系

5 結(jié) 論

隨著智能電網(wǎng)的加速發(fā)展，模型協(xié)調(diào)工作成為必然，各種協(xié)調(diào)解決方案更是層出不窮，本文在介紹IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)二者的模型進(jìn)行了比較，并列舉了二者的主要差異。總結(jié)了國內(nèi)外對(duì)CIM和IEC61850模型協(xié)調(diào)的研究方案，對(duì)當(dāng)前主要的研究機(jī)構(gòu)給出的協(xié)調(diào)方案—直接統(tǒng)一模型、無縫通信體系、公共語義模型、模型映射、本體語義模型方案進(jìn)行了詳細(xì)比較。結(jié)果表明，建立公共語義模型是未來模型協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作。

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Research on the harmonization of CIM and IEC61850 model

ZHANG Tie-feng1， LI Jia1， GU Jian-wei2， ZHANG Wei-hua1
（1.School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University， Baoding 071003， China；2.Hangzhou Power Supply Company， Hangzhou 310009， China）

Since the substation automation system and the dispatching center follow IEC61850 standard and IEC61970 standard respectively，the two models are not unified and the information is difficult to be shared.Therefore，this paper compares IEC61850 and CIM，and analyzes the main differences between the two models.Based on the recent researches on the harmonization of CIM and 61850 models，this paper discusses 5 kinds of existing harmonization solutions， including the direct and unified model，seamless communication， public semantic model， model mapping and ontology semantic model.Then，this paper gives a detailed analysis and comparison and lists their advantages and disadvantages.Finally，the results show that establishing the public semantic model is the basis and key to solve the problem.

IEC61850；IEC61970；CIM；model harmonization；smart grid

TN91

A

1674－6236（2017）12-0006-05

2016-08-16稿件編號(hào)：201608107

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211HZ1352TZ）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2014MS101）

張鐵峰（1974—），男，內(nèi)蒙古涼城人，副教授，博士后。研究方向：信息安全、配電網(wǎng)信息處理與決策支持。