基于IEC61970标准的EMS/WAMS统一信息模型构建

宋战慧 王 倩

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

基于IEC61970标准的EMS/WAMS统一信息模型构建

宋战慧 王 倩

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

针对目前能量管理系统（EMS）与广域测量系统（WAMS）之间没有一个统一的信息模型，不能集中动态监视与控制日益复杂的电力系统的现状，对IEC 61970标准的公共信息模型CIM进行了深入研究，并结合EMS与WAMS的各自特点及其在电力系统中的应用情况，构建了基于IEC61970标准CIM的EMS/WAMS的统一信息模型，并定义了主要的CIM类以及它们相应的属性信息。

电力系统；能量管理系统;数据采集与数据监控；IEC61970；CIM；广域测量系统

1 引言

随着电网规模的不断扩大，电力系统的调度和控制变得越来越复杂。为保证电网安全和优质运行，电网调度中心可能同时运行多个应用系统，能量管理系统（EMS）和广域测量系统（WAMS）作为其中两个必不可少的部分，在电网中得到广泛应用，但是由于历史原因，两个系统都是独立开发研制及应用的，所以在实际运行当中用户需要维护和掌握不同的系统，从而造成巨大的人力财力的浪费[3]。为了应对目前环境分布异构，信息孤岛众多的电力企业信息系统，国际电工委员会制定了 IEC61970标准，基于CIM建立统一的信息模型，使得不同系统之间能够信息交互、一体化集成，同一系统不同应用之间能够互联和互操作[10-12]。当前 EMS与WAMS系统还没有统一的信息模型，只是对各自的系统建立了信息模型，为应对日益复杂的电网，这两个系统的集成研究迫在眉睫。

2 构建EMS/WAMS统一信息模型的基础

2.1 能量管理系统的特点

能量管理系统是以 SCADA为数据基础、以各种应用软件为后台管理控制的高度信息化系统。简单可分三部分，即数据管理部分、能量管理部分、网络管理部分。三个部分相互作用已达到电力安全稳定控制[5]。现在的能量管理系统越来越复杂，功能也越来越强大，但其还是在传统的 SCADA之上的电力信息化系统，侧重于系统稳态运行情况的监测与静态安全控制；以SCADA/EMS及有关的应用软件为代表的调度监测系统实际上是在潮流水平上的电力系统稳态行为监测系统，不能达到实时动态监视与控制。

2.2 广域测量系统的特点

广域测量系统主要源自电力系统时间上同步和空间上广域的要求，利用全球定位系统同步时钟进行广域电力系统状态测量，可以实时动态观测系统的变化，能及时有效的控制复杂电力系统运行状态。WAMS主要由位于厂站端的PMU、通信系统和位于调度中心的控制系统组成。文献[4]中提出了多种WAMS结构，其中主站位于省调度中心，子站为各功角监测点，子站由相角和功角测量装置、时间同步装置、通信系统和工控机组成看，图1为其最基本结构。为了保证实时性，主站与子站之间的通信采用专用的微波通道。特点：可以监测到同步发电机功率角、母线电压相角等一系列重要状态变量。改善系统暂态稳定的预测及控制，当系统受到扰动时，相量测量装置可以为励磁、调速、电容器的接入等提供反馈控制量，以便进行更有效的控制。发生故障时，调度中心可根据各个点实时相角，判断出那台机组可能失稳并采取相应的对策，或者在当地根据实时相角进行控制，如切机、切负荷、解列等，以防止事故进一步扩大。WAMS的应用可以为状态估计、动态监视、稳定的预测与控制等提供在线的、实时的、准确的系统运行参数，为分析计算提供有力的数据基础[8]。

图1 WAMS的基本结构

2.3 EMS/WAMS的并存性

广域电力系统的运行分析与控制都是以状态测量为基础的，它能在毫秒级的时间尺度上对电力系统进行同步测量，基于PMU的WAMS技术使得在更精细的时间尺度上对电力系统进行同步观测，以及利用这些数据对电力系统进行全新的分析[9]。从理论上讲，WAMS系统可以完全取代SCADA，但在现有技术条件下还不现实。由于目前的SCADA技术己经相当成熟，并积累了相当丰富的运行经验，而 WAMS则是一个全新的系统，技术上存在很多不足；建立完备的WAMS系统可能需要大量的资金投入，完全抛弃SCADA系统意味着浪费其系统先前的投入；所以在以后的相当长的时间内两者还得并存。

3 基于IEC61970标准的EMS/WAMS统一信息模型

3.1 IEC61970标准概述

IEC61970标准是在保护用户资源要求、系统集成要求、电力市场要求以及新技术的推动下产生而发展起来的。IEC61970标准系列分导则、术语、CIM和两种级别的CIS共5个部分[7]。其中CIM是标准的主要部分，定义了覆盖各个应用面向对象的电力系统模型，是IEC61970标准的灵魂。为方便起见，CIM被划分为13个类包，290多个类。包括：域包、核心包、电缆包、测量包、拓扑包、负荷包、储运损耗包、保护包、发电包、财政包、预测包和能量安排包、SCADA包等。它不但提供了EMS信息的一个综合逻辑视图，还定义了电力工业主要对象的类、属性及对象间的关系。

3.2 电力系统集成化应用

电网调度自动化系统水平的重要标志是标准化。传统调度自动化系统在操作系统、网络和图形管理方面采用IEEE（美国电气电子工程师协会）的可移植性操作系统接口、TCP/IP协议和开放基金协会的 Motif 等标准，然而在支撑平台和应用软件方面还没有统一标准化，系统异构和互联十分困难。目前把遵循IEC 61970标准作为调度自动化集成研究的主要任务，调度自动化信息集成系统首次在应用层实现标准化[5]。通过CIM标准可以建立不同系统的统一信息模型，为系统集成做好模型统一标准。

4 EMS/WAMS统一信息模型的建立

4.1 构建CIM模型的方法

面向对象型建模有以下几个方面：

（1）搜集相关的信息需求，选择对象，建立对象类在这一步要详细了解系统所涉及的各种实体，弄清他们之间的关系、各种约束条件和特别要求。确定对象的基本原则有以下方面：

1）一般的客观实体可看作一个对象类，例如互感器、发电机、电厂及电网公司等。

2）如果客观实体的某一部分属性经常被单独使用，则也可以看作一个对象类，如发电厂中的发电机、变压器等实体。

3）如果几个实体经常合在一起被操作和使用，则看作一个组合复杂对象类。例如断路器、隔离刀闸属于开关类的子类。

4）其他需要或补充的对象类。

（2）画出对象关系图

在确定了基本对象，建立了相应的类以后，紧接着要画其对象关系图。主要包括以下工作：

1）确定对象类之间的关系（简单关联，聚合，泛化）。

2）根据确定的对象类和关系，画出各个独立的对象关系图。对象类之间的关系也要标明。

3）进行正确性检查与修改，对画出的对象关系图进行正确性与一致性检查；对同类关系和冗余关系进行合并或撤销；检查对象关系图是否完整。不满足的应进一步修改。

4.2 建立统一信息模型

通过对SCADA系统和WAMS的特点比较，以及对WAMS的结构和工作原理的了解，并结合CIM建模的方法规范，采用基于CIM标准对EMS/WAMS系统建立统一信息模型。由于IEC 61970-303描述的是 SCADA系统的 CIM 模型。它包含了用于SCADA系统的建模实体、监视控制部分支持操作员对设备的控制，数据采集部分则从不同数据源采集遥测数据等。WAMS的信息模型需要包含以下内容：WAMS本身的结构信息、各类测量装置（包括时间同步装置、相角测量装置等）、WAMS获得的各类量测数据信息、尤其是 PMU获得的相角信息。SCADA包中的某些CIM类和属性，对于WAMS系统也是适用的，所以在原来 SCADA的建模基础上添加 WAMS的重要的类就可以完成统一信息模型的构建。具体类及其之间的关联关系如图2所示。

图2 EMS/WAMS统一信息模型对象关系图

4.3 EMS/WAMS统一信息模型关键类的信息描述

SCADA系统包的相关类及其描述信息在 IEC 61970-303部分有详细的介绍。下面只对部分 RTU被代替的PMU相关类进行简单描述。

Time synchronization device类指的是时间同步装置相应的类，它的设计是为了表示各个测量值的同步信息，如基准相位以及基准参考点的信息等。实现全网同步监测系统的最关键技术是高精度绝对时间的获得。高精度时间的获得不仅是采用相量形式描述系统行为的基础，也是不同地点观测数据之间同步性的基本保证，所以有关时间同步的信息描述非常重要。它的固有属性是绝对时间、时间的偏移量、基准站的地址，同时它也从PowersystemResource继承属性。它的关联关系是每个相角测量必对应某一个时间点。

Phase measurement device类是相角测量装置类，它从发电机组侧或者各关键母线等处获得对应量的相角信息。它只是继承 PowersystemResource的属性。固有关联是一个相角测量装置可以给一个或多个模拟量输入提供模拟信号；一个相角测量装置信号连接一个特定端子，同时它也继承了PowersystemResource的关联。

PMU类是相量测量单元类，它的固有属性是PMU的安装地址，测量类型，传输协议，控制中心地址等。同时继承PowersystemResource的属性。固有关联是每个 PMU包含于一个或多个扫描块，同时继承PowersystemResource关联。

5 结论

本文通过对目前EMS与WAMS两个系统的特点分析，并在深入研究 IEC61970标准下建立两者的统一公共信息模型，并给出部分关键类的属性信息。目的是为了使两个系统信息集成，可以使得不同系统之间数据交换，同一系统不同应用之间互联互操作，这样不但可以降低系统集成成本和保护用户资源，同时也可以提高电力系统安全稳定控制力，为两者下一步一体化集成做好准备。

[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] 汪华.基于公共信息模型的电网建模[J].电网技术,2008, 32(2):186-188.

[4] 鞠 平,郑世宇,徐 群等.广域测量系统的研究综述[J].电力系统自动化,2004,24(7):39-40.

[5] 黎作明.基于新一代能量管理系统的IEC 61970标准的应用[J].广东电力,2009,22(4):30-34.

[6] 林庆红,刘学松,姜正豪.新一代能量管理系统设计[J].电力系统自动化,1999,23(17):45-47.

[7] 张慎明,刘国定.IEC 61970标准系列简介[J].电力系统自动化,2002,26(14):1-6.

[8] 洪建燕,程宁.广域相量测量系统的原理及运用[J].江西电力职业技术学院学报,2008,21(2):34-35.

[9] 常乃超,兰洲,甘德强.等广域测量系统在电力系统分析及控制中的应用综述[J].电网技术,2005,29(10):46-52.

[10] 潘凯岩,寇强,郑涛, 覃智君.基于公共信息模型的 EMS/DMS/DTS一体化设计[J].电网技术,2004,28(18): 62-65.

[11] 毛安家,郭志忠.与SCADA互补的WAMS中PMU的配置及数据处理方法[J].电网技术,2005,29(8)71-74.

[12] 孙宏斌,张伯明. EMS/DTS一体化系统设计[J].中国电力,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

宋战慧（1986-），男，硕士研究生，籍贯陕西研究方向为电力系统调度及其自动化、继电保护。

王 倩（1962-），女，教授，籍贯重庆市，研究方向为电力系统调度及自动化。