基于整合改进的EMS/SAS模式实现变电站自动化系统的设备装置的设计
随着基于iec61850标准变电站sas（substation automation system）的发展，面向信息点的调度主站ems（energy management system）系统和面向对象的变电站之间的通信需求冲突逐步显现出来，iec61970ems系统与iec61850变电站模型的差异，如何使其信息交互变得越来越重要。在ems和scada（supervisory control and data acquisition）监控应用集成框架中，传统模式存在体系结构耦合过于紧密、整合困难、系统难以移植和扩展、成本过高等问题。web services为分布式系统提供了支持，其平台和语言中立性利于跨平台的互操作。而ejb/corba/dcom组件技术提供的是紧耦合的远程过程调用（rpc）机制，而且其协议属于某个厂家或集团，并不完全开放，在基于internet的分布式应用上存在一定的局限性；xml.web services提供的是松耦合机制，而且所基于的协议得到了业界的广泛支持，是充分开放的。针对以上问题，本文提出一种基于iec61970 标准与iec61850 标准集成、web services/corba整合的ems/sas监控系统，该系统将促进电力企业在更大范围内实现应用集成。
1 、基于整合的改进模式
传统的实现模式中，应用软件和scada硬件之间为紧耦合，从而导致应用整合、系统移植扩展非常困难，成本增加。网络控制中心的控制系统（ems/dms）和变电站自动化系统（sas）被用于监控电力系统设备。当这些系统关注同样的物理对象时，它们在所提供信息的详细度、性能要求以及在控制中所承担责任范围等方面存在差异。为了电力系统的应用更好地集成，变电站间（iec61850） 和控制中心间（ iec61970）数据相互交换的标准集成势在必行。
利用iec61970和iec61850标准，构建数据模型、系统和服务的抽象描述、标准接口的描述等，运用uml统一建模语言表述面向对象的系统构架和设计。电力管理系统（ems）结合iec61970-303、iec61970-404、iec61970-407等标准实现，而变电站自动化系统（sas）结合iec61850-5、iec61850-7-2、iec61850-7-3、iec61850-7-4等标准实现。为了管理涉及传统变电站自动化系统设备的相关信息，可以对iec61970-303的cim模型描述进行扩展。一些iec标准中描述的服务可以重新设计，以便能够适合具体的数据模型。改进的系统不是直接与scada系统通信，而是只与web services/corba系统通信，这样就可以降低系统管理和更新的复杂度及成本。系统直接用tcp/ip进行通信，也降低了系统的成本。改进实现模型如图1所示。
2 、基于iec61970和iec61850标准的整合模型实现
基于uml（unified modeling language） 的表示方式是iec61970 的一个完整的部分， 以描述它的数据模型。iec61850没有用任何正式的建模语言， 而只是依赖文本的描述， 即将模型核对的工作交由人工完成。因此，首先必须开发iec61850 的uml 模型， 这样就建立了基于两个标准的数据对象语意的模型映射。该uml模型是iec61850 到iec61970 数据表示方式的双向的映射基础。iec61970 中的cim/xml是一种用xml 表述cim 模型的语言，而iec61850中scl在第六部分被标准化为一个xml模式（xml schema），它只对iec61850 的一部分进行了建模。为了表征物理层设备装置，必须对数据库进行设计。管理ems/sas的相关数据可以采用高速数据采集hsda（high-speed data acquisition）接口服务，储存与ems相关的历史数据可以采用时间序列数据访问tsda（time sequence data access）接口服务。在基于iec的抽象描述基础上，定义监控功能所要求的服务以及设计监控服务，以解决抽象服务与数据模型之间的适应性问题。
iec61970标准中定义了基本的变电站一次设备模型，设备维护业务流程在iec61968中定义，对二次设备模型定义的仅有scada包中的remoteunit和保护包中的protectionequipment，ied在iec61850中的概念在iec 1970中属于remoteunit的一种，remoteunit在iec 61850中却不存在，这正是因两个标准不一致而导致模型难以协调。ied是变电站中的直接信息来源，其范畴应该包括rtu、substation control system等，也包括protect包中的protectequipment。iec61970由公共信息模型（cim）提出对象数据模型，其描述电力系统运行管理中的各种实体及其关系，用来做电力企业应用集成的公共语义。iec 61850只提供变电站自动化系统的所有实体对象和控制信息描述，并没有提出对象数据模型。为了提高系统应用的协同工作，iec61850的对象数据模型必须在cim下进行定义和整合，图2为iec61850状态监测模型向cim模型的适配过程。实现变电站设备状态模型的基本协调，需通过以下步骤：（1）解除二次设备在iec61970中分散不一的与其他设备的关联关系； （2）把这些二次设备抽象形成ied类，并归为一种设备类（equipment），建立继承关系；（3）根据实际配置情况构建一次设备与二次设备的对应关联。
整合的cim数据模型总体表述变电站自动化系统的设备装置，逻辑节点定义继承采用iec 61850标准。可以通过把cim模型中电力系统实体与iec61850的逻辑节点容器结合起来，从而使iec61970也可以管理传统变电站自动化系统。图3为cim模型中powersystemresource实体和iec61850标准中localnodecontainer数据模型之间连接对应关系。
为了表征变电站自动化系统设备装置，可以用lnode定义具体实体。可以由iec61850-7-3和iec 61850-7-4提供的逻辑节点和数据类信息设计新的实体，新的实体包含：断路器、开关刀闸、测控装置、发电机等设备信息。图4为新实体各部分之间关系。
3 、基于web service和corba的web整合实现
在ems/sas监控系统中，访问corba构建的服务器时，要求客户端必须安装对象请求代理（orb）环境，而访问web services服务器的客户端无需安装任何组件执行系统，采用解析简单对象访问协议（soap）消息即可，soap通过超文本传送协议（http）传输xml文件。所以基于ejb/corba/dcom组件技术还应该结合web services技术增强网络传输功能。通过corba服务器和web services 客户端间用web services 作为代理，如图5所示，可以实现corba cis服务器和web services cis服务器的集成。
代理的一端从web services客户端接收soap消息；另一端则通过orb总线连接corba服务器。对于web services客户端，代理相当于web services服务器；对于corba服务器，代理相当于corba客户端，其工作过程如图6所示。
对象管理组织（omg）使用接口定义语言（idl），利用类似java语言类似语法定义iec61970中的cis，直接对应omg corba组件模型，则java、 corba、web services之间需要进行数据映射。下面以daf（data access facility）中dafquery包为例说明其之间的映射关系。dafquery包最重要的组成部分是resource queryservice服务接口，resource queryservice定义了用作基本资源查询的4个公共方法：get_values（）、get_extent_values（）、get_related_values和get_descendent_values。下面介绍利用java和corba实现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;
异常处理：如果数据提供方没有找到resource表示的资源实例或者properties表示的属性序列中的任一属性，抛出unknownresource异常；如果查询失败，抛出queryerror异常。
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;
异常处理：如果数据提供方没有找到class_id表示的资源类或者properties表示的属性序列中的任一属性，则抛出unknownresource异常；如果查询失败，则抛出queryerror异常。
iec61970和iec61850定义了各自的数据模型和通信接口标准，但它们之间并没有统一的数据模型和通信接口标准。针对iec61970ems系统与iec61850变电站模型之间的差异，本文采用整合的方法，利用各自的优势，将iec61970和iec61850标准结合起来，通过整合cim数据模型，总体表述变电站自动化系统的设备装置，而逻辑节点定义继承采用iec61850标准。可以通过把cim模型中电力系统实体与iec61850的逻辑节点容器结合起来，从而使iec61970也可以管理传统变电站的自动化系统。针对corba和web services各自的优点，以公共对象请求代理体系结构（corba）cis服务器为基础，实现了corba和web services的集成。
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1 、基于整合的改进模式
传统的实现模式中，应用软件和scada硬件之间为紧耦合，从而导致应用整合、系统移植扩展非常困难，成本增加。网络控制中心的控制系统（ems/dms）和变电站自动化系统（sas）被用于监控电力系统设备。当这些系统关注同样的物理对象时，它们在所提供信息的详细度、性能要求以及在控制中所承担责任范围等方面存在差异。为了电力系统的应用更好地集成，变电站间（iec61850） 和控制中心间（ iec61970）数据相互交换的标准集成势在必行。
利用iec61970和iec61850标准，构建数据模型、系统和服务的抽象描述、标准接口的描述等，运用uml统一建模语言表述面向对象的系统构架和设计。电力管理系统（ems）结合iec61970-303、iec61970-404、iec61970-407等标准实现，而变电站自动化系统（sas）结合iec61850-5、iec61850-7-2、iec61850-7-3、iec61850-7-4等标准实现。为了管理涉及传统变电站自动化系统设备的相关信息，可以对iec61970-303的cim模型描述进行扩展。一些iec标准中描述的服务可以重新设计，以便能够适合具体的数据模型。改进的系统不是直接与scada系统通信，而是只与web services/corba系统通信，这样就可以降低系统管理和更新的复杂度及成本。系统直接用tcp/ip进行通信，也降低了系统的成本。改进实现模型如图1所示。
2 、基于iec61970和iec61850标准的整合模型实现
基于uml（unified modeling language） 的表示方式是iec61970 的一个完整的部分， 以描述它的数据模型。iec61850没有用任何正式的建模语言， 而只是依赖文本的描述， 即将模型核对的工作交由人工完成。因此，首先必须开发iec61850 的uml 模型， 这样就建立了基于两个标准的数据对象语意的模型映射。该uml模型是iec61850 到iec61970 数据表示方式的双向的映射基础。iec61970 中的cim/xml是一种用xml 表述cim 模型的语言，而iec61850中scl在第六部分被标准化为一个xml模式（xml schema），它只对iec61850 的一部分进行了建模。为了表征物理层设备装置，必须对数据库进行设计。管理ems/sas的相关数据可以采用高速数据采集hsda（high-speed data acquisition）接口服务，储存与ems相关的历史数据可以采用时间序列数据访问tsda（time sequence data access）接口服务。在基于iec的抽象描述基础上，定义监控功能所要求的服务以及设计监控服务，以解决抽象服务与数据模型之间的适应性问题。
iec61970标准中定义了基本的变电站一次设备模型，设备维护业务流程在iec61968中定义，对二次设备模型定义的仅有scada包中的remoteunit和保护包中的protectionequipment，ied在iec61850中的概念在iec 1970中属于remoteunit的一种，remoteunit在iec 61850中却不存在，这正是因两个标准不一致而导致模型难以协调。ied是变电站中的直接信息来源，其范畴应该包括rtu、substation control system等，也包括protect包中的protectequipment。iec61970由公共信息模型（cim）提出对象数据模型，其描述电力系统运行管理中的各种实体及其关系，用来做电力企业应用集成的公共语义。iec 61850只提供变电站自动化系统的所有实体对象和控制信息描述，并没有提出对象数据模型。为了提高系统应用的协同工作，iec61850的对象数据模型必须在cim下进行定义和整合，图2为iec61850状态监测模型向cim模型的适配过程。实现变电站设备状态模型的基本协调，需通过以下步骤：（1）解除二次设备在iec61970中分散不一的与其他设备的关联关系； （2）把这些二次设备抽象形成ied类，并归为一种设备类（equipment），建立继承关系；（3）根据实际配置情况构建一次设备与二次设备的对应关联。
整合的cim数据模型总体表述变电站自动化系统的设备装置，逻辑节点定义继承采用iec 61850标准。可以通过把cim模型中电力系统实体与iec61850的逻辑节点容器结合起来，从而使iec61970也可以管理传统变电站自动化系统。图3为cim模型中powersystemresource实体和iec61850标准中localnodecontainer数据模型之间连接对应关系。
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throws queryerror，unknownresource;
异常处理：如果数据提供方没有找到resource表示的资源实例或者properties表示的属性序列中的任一属性，抛出unknownresource异常；如果查询失败，抛出queryerror异常。
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;
异常处理：如果数据提供方没有找到class_id表示的资源类或者properties表示的属性序列中的任一属性，则抛出unknownresource异常；如果查询失败，则抛出queryerror异常。
iec61970和iec61850定义了各自的数据模型和通信接口标准，但它们之间并没有统一的数据模型和通信接口标准。针对iec61970ems系统与iec61850变电站模型之间的差异，本文采用整合的方法，利用各自的优势，将iec61970和iec61850标准结合起来，通过整合cim数据模型，总体表述变电站自动化系统的设备装置，而逻辑节点定义继承采用iec61850标准。可以通过把cim模型中电力系统实体与iec61850的逻辑节点容器结合起来，从而使iec61970也可以管理传统变电站的自动化系统。针对corba和web services各自的优点，以公共对象请求代理体系结构（corba）cis服务器为基础，实现了corba和web services的集成。
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