《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于整合模式的EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第9期
王澤軍, 韓在峰
華北計算機系統(tǒng)工程研究所 自動化部, 北京100083
摘要: 針對IEC61970EMS系統(tǒng)與IEC61850變電站模型的差異,介紹了將兩個標(biāo)準(zhǔn)整合集成,以實現(xiàn)通信和信息交互方案。根據(jù)CORBA和Web Services各自存在的優(yōu)缺點,闡述了將CORBA與Web Services整合的設(shè)計思想,從而實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)更大范圍的應(yīng)用集成。
中圖分類號: TP311.5
文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2010)09-0145-04
The reserch and implementation of monitoring and controlling services for EMS/SAS system based on the integrated model
WANG Ze Jun, HAN Zai Feng
Automation Department, National Computer System Engineering Research Institute, Beijing 100083,China
Abstract: In view of the differences between IEC61970 EMS system and IEC61850 substation model, this article introduces the integration of two standards, which can achieve communication and information exchange. Due to the existence of respective advantages and disadvantages between CORBA and Web Services, this paper also describes the design ideas of integration of CORBA and Web Services, and thus which can make monitoring system to achieve a wider range of application integration.
Key words : IEC61850; IEC61970; Web Services; CORBA; EMS; SAS

    隨著基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)變電站SAS(Substation Automation System)的發(fā)展[1],面向信息點的調(diào)度主站EMS(Energy Management System)系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮淖冸娬局g的通信需求沖突逐步顯現(xiàn)出來,IEC61970EMS系統(tǒng)[2]與IEC61850變電站模型的差異,如何使其信息交互變得越來越重要。在EMS和SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)監(jiān)控應(yīng)用集成框架中,傳統(tǒng)模式存在體系結(jié)構(gòu)耦合過于緊密、整合困難、系統(tǒng)難以移植和擴展、成本過高等問題。Web Services為分布式系統(tǒng)提供了支持,其平臺和語言中立性利于跨平臺的互操作。而EJB/CORBA/DCOM組件技術(shù)提供的是緊耦合的遠程過程調(diào)用(RPC)機制,而且其協(xié)議屬于某個廠家或集團,并不完全開放,在基于Internet的分布式應(yīng)用上存在一定的局限性;XML.Web Services提供的是松耦合機制,而且所基于的協(xié)議得到了業(yè)界的廣泛支持,是充分開放的。針對以上問題,本文提出一種基于IEC61970 標(biāo)準(zhǔn)與IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)集成、Web Services/CORBA整合的EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)將促進電力企業(yè)在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)應(yīng)用集成。
1 基于整合的改進模式
    傳統(tǒng)的實現(xiàn)模式中,應(yīng)用軟件和SCADA硬件之間為緊耦合,從而導(dǎo)致應(yīng)用整合、系統(tǒng)移植擴展非常困難,成本增加。網(wǎng)絡(luò)控制中心的控制系統(tǒng)(EMS/DMS)和變電站自動化系統(tǒng)(SAS)被用于監(jiān)控電力系統(tǒng)設(shè)備。當(dāng)這些系統(tǒng)關(guān)注同樣的物理對象時,它們在所提供信息的詳細度、性能要求以及在控制中所承擔(dān)責(zé)任范圍等方面存在差異。為了電力系統(tǒng)的應(yīng)用更好地集成,變電站間(IEC61850) 和控制中心間( IEC61970)數(shù)據(jù)相互交換的標(biāo)準(zhǔn)集成勢在必行。
    利用IEC61970和IEC61850標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建數(shù)據(jù)模型、系統(tǒng)和服務(wù)的抽象描述、標(biāo)準(zhǔn)接口的描述等,運用UML統(tǒng)一建模語言表述面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)構(gòu)架和設(shè)計。電力管理系統(tǒng)(EMS)結(jié)合IEC61970-303、IEC61970-404、IEC61970-407等標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)[2],而變電站自動化系統(tǒng)(SAS)結(jié)合IEC61850-5、IEC61850-7-2、IEC61850-7-3、IEC61850-7-4等標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)[1]。為了管理涉及傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)信息,可以對IEC61970-303的CIM模型描述進行擴展。一些IEC標(biāo)準(zhǔn)中描述的服務(wù)可以重新設(shè)計,以便能夠適合具體的數(shù)據(jù)模型。改進的系統(tǒng)不是直接與SCADA系統(tǒng)通信,而是只與Web Services/CORBA系統(tǒng)通信,這樣就可以降低系統(tǒng)管理和更新的復(fù)雜度及成本。系統(tǒng)直接用TCP/IP進行通信,也降低了系統(tǒng)的成本。改進實現(xiàn)模型如圖1所示。

2 基于IEC61970和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的整合模型實現(xiàn)
    基于UML(Unified Modeling Language) 的表示方式是IEC61970 的一個完整的部分, 以描述它的數(shù)據(jù)模型。IEC61850沒有用任何正式的建模語言, 而只是依賴文本的描述, 即將模型核對的工作交由人工完成。因此,首先必須開發(fā)IEC61850 的UML 模型, 這樣就建立了基于兩個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對象語意的模型映射。該UML模型是IEC61850 到IEC61970 數(shù)據(jù)表示方式的雙向的映射基礎(chǔ)。IEC61970 中的CIM/XML是一種用XML 表述CIM 模型的語言,而IEC61850中SCL在第六部分被標(biāo)準(zhǔn)化為一個XML模式(XML Schema),它只對IEC61850 的一部分進行了建模。為了表征物理層設(shè)備裝置,必須對數(shù)據(jù)庫進行設(shè)計。管理EMS/SAS的相關(guān)數(shù)據(jù)可以采用高速數(shù)據(jù)采集HSDA(High-Speed Data Acquisition)接口服務(wù),儲存與EMS相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)可以采用時間序列數(shù)據(jù)訪問TSDA(Time Sequence Data Access)接口服務(wù)。在基于IEC的抽象描述基礎(chǔ)上,定義監(jiān)控功能所要求的服務(wù)以及設(shè)計監(jiān)控服務(wù),以解決抽象服務(wù)與數(shù)據(jù)模型之間的適應(yīng)性問題。
    IEC61970標(biāo)準(zhǔn)中定義了基本的變電站一次設(shè)備模型,設(shè)備維護業(yè)務(wù)流程在IEC61968中定義,對二次設(shè)備模型定義的僅有SCADA包中的RemoteUnit和保護包中的ProtectionEquipment,IED在IEC61850中的概念在IEC 1970中屬于RemoteUnit的一種,RemoteUnit在IEC 61850中卻不存在,這正是因兩個標(biāo)準(zhǔn)不一致而導(dǎo)致模型難以協(xié)調(diào)。IED是變電站中的直接信息來源,其范疇?wèi)?yīng)該包括RTU、Substation control system等,也包括Protect包中的ProtectEquipment。IEC61970由公共信息模型(CIM)提出對象數(shù)據(jù)模型,其描述電力系統(tǒng)運行管理中的各種實體及其關(guān)系,用來做電力企業(yè)應(yīng)用集成的公共語義。IEC 61850只提供變電站自動化系統(tǒng)的所有實體對象和控制信息描述,并沒有提出對象數(shù)據(jù)模型。為了提高系統(tǒng)應(yīng)用的協(xié)同工作,IEC61850的對象數(shù)據(jù)模型必須在CIM下進行定義和整合[3],圖2為IEC61850狀態(tài)監(jiān)測模型向CIM模型的適配過程。實現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)模型的基本協(xié)調(diào),需通過以下步驟:(1)解除二次設(shè)備在IEC61970中分散不一的與其他設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系; (2)把這些二次設(shè)備抽象形成IED類,并歸為一種設(shè)備類(Equipment),建立繼承關(guān)系;(3)根據(jù)實際配置情況構(gòu)建一次設(shè)備與二次設(shè)備的對應(yīng)關(guān)聯(lián)。

    整合的CIM數(shù)據(jù)模型總體表述變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)備裝置,邏輯節(jié)點定義繼承采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)??梢酝ㄟ^把CIM模型中電力系統(tǒng)實體與IEC61850的邏輯節(jié)點容器結(jié)合起來,從而使IEC61970也可以管理傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)。圖3為CIM模型中PowerSystemResource實體和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中LocalNodeContainer數(shù)據(jù)模型之間連接對應(yīng)關(guān)系。

    為了表征變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備裝置,可以用LNode定義具體實體??梢杂蒊EC61850-7-3和IEC 61850-7-4提供的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)類信息設(shè)計新的實體,新的實體包含:斷路器、開關(guān)刀閘、測控裝置、發(fā)電機等設(shè)備信息。圖4為新實體各部分之間關(guān)系。

3 基于Web Service和CORBA的Web整合實現(xiàn)
    在EMS/SAS監(jiān)控系統(tǒng)中,訪問CORBA構(gòu)建的服務(wù)器時,要求客戶端必須安裝對象請求代理(ORB)環(huán)境,而訪問Web Services服務(wù)器的客戶端無需安裝任何組件執(zhí)行系統(tǒng),采用解析簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)消息即可,SOAP通過超文本傳送協(xié)議(HTTP)傳輸XML文件。所以基于EJB/CORBA/DCOM組件技術(shù)還應(yīng)該結(jié)合Web Services技術(shù)增強網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。通過CORBA服務(wù)器和Web Services 客戶端間用Web Services 作為代理,如圖5所示,可以實現(xiàn)CORBA CIS服務(wù)器和Web Services CIS服務(wù)器的集成。

    代理的一端從Web Services客戶端接收SOAP消息;另一端則通過ORB總線連接CORBA服務(wù)器。對于Web Services客戶端,代理相當(dāng)于Web Services服務(wù)器;對于CORBA服務(wù)器,代理相當(dāng)于CORBA客戶端,其工作過程如圖6所示。

    對象管理組織(OMG)使用接口定義語言(IDL),利用類似Java語言類似語法定義IEC61970中的CIS,直接對應(yīng)OMG CORBA組件模型[4],則Java、 CORBA、Web Services之間需要進行數(shù)據(jù)映射。下面以DAF(Data Access Facility)中DAFQuery包為例說明其之間的映射關(guān)系[5]。DAFQuery包最重要的組成部分是Resource QueryService服務(wù)接口,Resource QueryService定義了用作基本資源查詢的4個公共方法:get_values()、get_extent_values()、get_related_values和get_descendent_values。下面介紹利用Java和CORBA實現(xiàn)get_values()、get_extent_values()的方法。
    get_values()方法IDL原型:
    ResourceDescription get_values(in ResourceID resource, in PropertySequence properties)
    raises(UnknownResource,QueryError);
    Java原型:
    Public ResourceDescription get_values(ResourceID resource,ResourceID[]properties)
    throws QueryError,UnknownResource;
    異常處理:如果數(shù)據(jù)提供方?jīng)]有找到resource表示的資源實例或者properties表示的屬性序列中的任一屬性,拋出UnknownResource異常;如果查詢失敗,拋出QueryError異常。
    get_extent_values()方法IDL原型:
    ResourceDescriptionIterator get_extent_values(in PropertySequence properties, in ClassID class_id)
raises(UnknownResource,QueryError);
  Java原型:
  Public ResourceDescriptionIterator get_extent_values(ResourceID[]properties, ResourceID class_id)
  throws QueryError,UnknownResource;
    異常處理:如果數(shù)據(jù)提供方?jīng)]有找到class_id表示的資源類或者properties表示的屬性序列中的任一屬性,則拋出UnknownResource異常;如果查詢失敗,則拋出QueryError異常。
     IEC61970和IEC61850定義了各自的數(shù)據(jù)模型和通信接口標(biāo)準(zhǔn),但它們之間并沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信接口標(biāo)準(zhǔn)。針對IEC61970EMS系統(tǒng)與IEC61850變電站模型之間的差異,本文采用整合的方法,利用各自的優(yōu)勢,將IEC61970和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來,通過整合CIM數(shù)據(jù)模型,總體表述變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)備裝置,而邏輯節(jié)點定義繼承采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。可以通過把CIM模型中電力系統(tǒng)實體與IEC61850的邏輯節(jié)點容器結(jié)合起來,從而使IEC61970也可以管理傳統(tǒng)變電站的自動化系統(tǒng)。針對CORBA和Web Services各自的優(yōu)點,以公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)(CORBA)CIS服務(wù)器為基礎(chǔ),實現(xiàn)了CORBA和Web Services的集成。
參考文獻
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