基于CIM和SOA的主动配电网信息集成

吴 善，王泽仁

(1.国网江苏省电力有限公司徐州检修分公司，江苏 徐州 221000；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211167)

0 引言

随着大量分布式电源(distributed generation，DG)、储能系统(energy storage system，ESS)及电动汽车(electric vehicle，EV)等新型电力设备的接入，主动配电网(active distribution network，ADN)作为智能配电网未来的一种发展模式已经受到越来越多的关注和重视[1-2]。ADN的概念于2008年国际大电网会议(CIGRE)由配电系统和分布式发电技术专委会(system and distributed generation technology committee， SC6)提出。主动配电网中大量DG，ESS及EV等柔性负荷，为用户提供与电力企业间的双向互动服务，使得配电网从传统的单向单电源供电、被动控制变成了双向多电源供电、主动控制。

配电网集成了多套自动化系统，例如配电管理系统(DMS)、停电管理系统(OMS)、地理信息系统(GIS)、生产管理系统(PMS)、营销系统(CS)、95598系统、用电信息采集系统、电能质量监控、综合可视化平台等。各个应用系统之间存在着不同的操作系统、应用软件、系统软件相互交织，给构建企业信息集成环境造成了极大的不便。配电网本身的数据规模和类型已经相当巨大和复杂，而主动配电网区别于传统配电网的最大特点之一表现在接入的微电网、储能单元、分布式发电单元、电动汽车以及用户和电网之间的双向互动，这些需求又将产生海量数据，使得不同系统间的信息交互愈发困难。因此亟须采用一种标准的电网公共信息模型(common information model， CIM)和基于面向服务的架构(service-oriented architecture， SOA)来解决各应用之间的数据交互和信息集成问题，为主动配电网的高级应用开发提供标准、开放的平台，实现各类系统和应用之间的“即插即用”[3-6]。

下面根据我国主动配电网的结构特点和应用要求，基于公共信息模型（CIM）、组件接口规范(CIS)、面向服务的架构(SOA)及电力GIS系统设计了主动配电网信息集成平台。在江苏方天电力技术有限公司电力GIS平台上进行应用，并对电动汽车充电预约流程进行升级改造，实现电网可视化。

1 主动配电网信息集成需求

根据我国配电网各业务功能的特点，电力企业开发了多套不同的应用系统。随着电网规模和信息量的不断扩大，原有的信息表现方式将难以完整、直观、便捷地向有关部门传递配电网各类丰富的生产业务信息。为消除信息孤岛，扩大配电网信息的覆盖面，2011年国家电网公司建立了国网公司企业公共信息模型(SG-CIM)；2012年国家科技部启动了包含主动配电网间歇式能源等课题的研究发展计划；2019年提出利用泛在电力物联网建立智慧信息服务系统；2020年国家提出大力发展以大数据和云计算等为核心的新基建。

随着主动配电网的兴起，分布式电源、储能及电动汽车等新型电力设备大量接入配电网，配电网中数据产生和需求巨大，如配电网相关区域的天气信息、电动汽车充电站选址信息以及双向智能电表中用户采集信息等都将产生海量数据。要实现电网信息集成和数据共享，构建数字化电网、信息化企业，必须遵循IEC 61970/968标准，运用SOA架构将与配电网相关的系统进行整合，把配电网设备数据和用户数据、电网图形和地理图形集成在一起，全面实行信息共享与业务集成，这对提升主动配电网管理水平、提高电能质量、保障配电网安全运行等方面都具有重要意义。

2 主动配电网信息集成平台

2.1 信息集成平台构成

2.1.1 基于CIM的数据集成

IEC 61968，IEC 61970和IEC 61850公共信息模型是智能电网的核心标准之一[7-8]，统一的数据模型解决了各个应用系统之间所交换的信息都必须具有共同的含义的问题，使各个应用系统可以在任何领域进行集成。CIM在这三个不同的IEC标准系列中进行标准化，IEC 61970标准主要提供了能量管理系统应用程序接口(EMS-API)，IEC 61968 通过配电信息交换建模所需的对象，对IEC 61970上的基础数据模型和更多的对象进行了扩展。IEC 61850则提供了变电站智能电气装置(IED)之间的标准接口和交互规范。国家电网公司也根据IEC标准建立了SG-CIM标准。

现如今CIM应用已远远超过原来设计的接口标准的概念，其核心应用得到了扩展和延伸，不仅作为一种接口标准对公共事业公司内部或各系统之间语义交换进行定义，更在统一接口、结构模型、市场通信和数据交换等方面发挥着重要的作用。文献[9]对储能、电动汽车及智能配电台区公共信息模型进行了描述，为主动配电网信息集成奠定了基础。

2.1.2 基于SOA的业务服务集成

基于面向服务的架构(SOA)可以促进在不同的软件间进行服务合成，是企业应用集成方面比较先进和成熟的技术。目前已经将IEC 61968改为完全符合面向服务的架构，使得电力企业可以按照模块化的方式来添加新服务或更新现有服务，形成统一业务集成平台。从而实现配电网生产服务管理数据共享、流程互通，支撑业务融合，实现各个功能模块平台的统一化、数据库的一致性和数据共享，使得各部门的服务业务可以在公司层面统一设计、统一维护，提高业务的集成度。

企业服务总线(enterprise service bus， ESB)架构是IEC 61968标准提出的，同时，ESB是完全依据SOA架构的服务总线要求设计的，是一种松耦合的服务和应用之间的集成方式，是SOA的具体实现方式之一，它是目前信息集成的理想解决方案。SOA/ESB的出现为电力企业体系架构提供了更加灵活的构建方式。它独立于实现服务的不同计算机平台、操作系统、数据库管理平台，使得在构建各种业务服务时可以使用统一的交互方式，这为电力企业业务的扩展打下了基础，解决了企业部门间的信息交互，消除了信息孤岛，实现了信息共享。

2.1.3 数据交互

组件接口规范(CIS)是一种信息交互数据的标准接口规范，CIM解决了数据模型之间的描述问题，而CIS提供了一个标准规范的接口来传输信息。通过标准化的方式使那些组件或应用程序使用这些接口，实现他们所希望的与其他组件和应用程序之间进行的数据交换，或者获得公共可用数据。主动配电网中存在着大量的信息交互，有些数据耦合紧密，如配电网调度和保护等数据，这些数据对实时性要求高，需采用高速数据访问(HSDA)；有些数据较分散，如分布式电源等设备的状态监测信息、气象信息及设备运行、用户营销信息等数据，这些数据对实时性要求较低，可以采用通用数据访问(GDA)。与主动配电网结合紧密的各个应用系统对应不同类型的数据，选用不同的数据交互规范来进行共享。要根据设计的不同的应用开发所需的不同系统数据来使用相应接口，方便和其他系统进行应用集成。

主动配电网自动化系统与其他系统的数据交互方式应通过基于消息机制的总线，具有正、反向物理隔离装置，实现信息交互的双向流动，中间件服务应遵循IEC 61968标准，采用SOA技术，各个应用系统之间数据交互架构如图1所示。

图1 数据交互架构

2.1.4 基于GIS的电网可视化

地理信息系统(geographic information system，GIS)在配电网中具有重要的应用价值，如资产管理、设备检修、电网规划等。地理信息具有真实、直观的特点，是主动配电网信息集成及可视化的重要组成部分。通过增设ESB设计出如图2所示的基于SOA的电力GIS集成架构。电力GIS平台不仅为主动配电网提供了一个基于地理信息的运行管理平台，更使各个应用系统在此基础上形成集成统一。地理标记语言(GML)可以作为一个公共的地理空间数据转换格式标准，亦可作为地理数据实时传输协议，进行互操作。电网GIS中的电网模型融合了IEC 61970/968中的CIM建模技术，数据接口也要基于CIM数据模型。以电网资源的空间结构及位置信息和图形可视化为核心，利用CIM XML来描述电网拓扑结构与数据模型，是实现主动配电网高级应用开发的重要工具之一。

图2 电力GIS集成架构

2.2 信息集成平台架构

基于公共信息模型(CIM)、面向服务的架构(SOA)、组件接口规范(CIS)及电力GIS系统设计了主动配电网信息集成平台。一体化信息集成平台是一个分层多框架平台体系，其构成如图3所示，在层次上从下到上依次分为集成总线层、应用服务层及语义模型层。

图3 信息集成平台架构

(1) 集成总线层分为数据集成层和应用集成层。数据集成层以扩展的CIM模型和数据仓库为核心，结合主动配电网应用系统的具体数据形成了基于IEC 61970/968的数据集成框架。应用集成层以主动配电网各种管理服务的连接、转换及流程管理为核心，结合业务应用实现了主动配电网的各种应用业务逻辑。

(2) 应用服务层以ESB技术为核心，结合配电网中的各种流程管理服务及应用形成了基于SOA的基础框架。应用服务层分别面向跨越安全I/II区和安全III/IV区的主动配电网实时和生产相关的应用系统之间的信息交换。

(3) 语义模型层基于IEC 61970/968 CIM模型及SG-CIM模型为主动配电网提供标准交互模型，是信息平台的基础。

三层之间以通信链路作为纽带，提供可用的有线和无线的通道，实现信息双向互动。主要采用的通信信道有光纤专网、GPRS/CDMA无线公网及230 MHz无线专网等。

3 主动配电网信息集成平台高级应用开发

3.1 配电抢修

传统的配电抢修采用的是被动的抢修方式，主要通过电力用户95598系统进行报修，不能准确地对相关故障进行描述并且容易重复报修，严重影响了抢修效率。主动配电网抢修工作对于信息的准确性和集成度具有很高要求。在传统的配电抢修中运检抢修人员只能由抢修指挥中心单向指挥，无法承接配网调度中心指令；而基于一体化信息集成平台，将配网调度系统、95598系统、配电抢修系统等多个自动化系统集成起来(见图4)，实现运检抢修人员与指挥中心、配网调度之间的双向沟通，避免了信息重叠，提高抢修准确度。抢修指挥中心承接、合并95598系统的报修工单，同时监视配电统一抢修队伍、抢修车等抢修力量，实时跟踪现场抢修情况。抢修队伍按照抢修指挥中心指令，限时到达现场，查找、隔离故障点，将故障情况汇报抢修指挥中心及配网调度，经过调度中心许可后指挥中心恢复送电，同时95598系统对报修客户进行回访，地市公司开展抢修事后评估工作。

图4 配电抢修集成架构

3.2 故障定位与可视化展示

根据设计的主动抢修流程，在江苏方天电力技术有限公司电力GIS平台现场试运行，通过故障定位功能和航拍图对故障点、计划停电点、抢修班组、物资点、保供电设备、指挥中心进行全局展示，能对当日的抢修任务、抢修资源、计划停电、影响损失等4个维度的信息进行实时统计，便于指挥人员全面掌控抢修态势，支撑指挥决策。实现在GIS上可视化展示停电信息、抢修资源、抢修任务信息，提供抢修状态、电源名称、报修时间、故障地址、故障描述、所属站线、故障来源等信息的查看，可大幅提高抢修运行人员工作效率，实现电网可视化。

4 结论

主动配电网被视为解决日益突出的环境、经济、可靠性等问题的有效途径，是智能配电网未来的发展趋势。基于公共信息模型(CIM)、组件接口规范(CIS)、面向服务的架构(SOA)及电力GIS系统设计了主动配电网信息集成平台，并对配电主动抢修规范进行了升级改造，有效消除信息系统孤岛，动态分享配电、用电、抢修各环节数据，为主动配电网的一体化规划和运行打下了基础，也为电网的可靠运行提供保障。