IEC61970 标准的扩展在调度控制中心集成化中的应用

1 引言

自从1967 年Dy-Liacco 博士提出调度控制中心功能的基本框架以来，众多学者和工程师不断为其添砖加瓦[1]。然而，不断发展的新功能不可能由同一厂家提供，如何有效集成不同厂家、不同控制中心众多复杂的应用功能已成为国内外控制中心信息工程师遇到的主要难题之一。IEC61970 标准化技术为解决该难题提供了途径[2]。

近年来，针对IEC61970 标准的研究和应用一直是国内外的研究热点。20 世纪90 年代初，美国电科院（EPRI）成立了课题组，研究和开发控制中心应用程序接口（ Control Center ApplicationProgram Interface，CCAPI），以期实现控制中心“即插式”应用。随后IEC TC57 WG13 工作组开始制订能量管理系统应用程序接口（EMS-API）标准，即IEC61970 标准，目前IEC 61970-301 的公共信息模型（Common Information Model，CIM）Base 部分已成为正式IEC 标准。迄今为止，国外已为其进行了5 次互操作实验，国内也完成了5 次互操作实验。这些工作使多厂家实现强强联合、协作开发控制中心众多复杂的应用功能成为可能[3,4]。

但IEC61970 作为一套规模庞大且技术复杂的系列标准尚处于研究和完善阶段。其中，CIM 需进行应用性扩展，组件接口规范（Component InterfaceSpecification，CIS）有待完善和进一步测试，基于SVG（Scalable Vector Graphics）的图形标准有待细化和测试。即使是已经正式发布的标准，也需在长期应用实践中得到验证并不断发展。

目前涉及IEC61970 标准的应用文献尚不多见。其中，美国EPRI 基于CCAPI 技术提出了开放电力市场中的安全应用功能及其结构[5]，将其开发的在线高级安全应用功能与ABB、SIEMENS 等多家开发商的专用EMS 系统进行集成，同时还提出了利用CIM 和企业集成总线（Utility Integration Bus，UIB）进行应用和数据集成的技术方案[6]；文献[7]

利用JAVA 编程开发了数据格式转换软件，将符合CIM/XML（eXtensible Markup Language）格式的电力系统模型转换为电网仿真软件包PSS/E 的输入文件；文献[8,9]对CIM 进行了扩展，前者将其应用于配电自动化系统中；后者将其应用于电力设备故障诊断和检修中。

清华大学作为国内EMS-API 工作组的主要成员单位之一，从1999 年开始全程参与了IEC61970标准的翻译、消化和互操作实验，对该标准进行了全面的研究和开发[10-13]，有关成果已在我国几家省地调中得到了应用。本文总结了清华大学在IEC61970 标准的应用研究方面的最新进展，重点介绍了标准的扩展和现场应用经验。

2 从专用API 到IEC61970

清华大学自20 世纪70 年代末起开展了电网控制中心高级应用软件的理论和应用研究，逐步开发出了能量管理系统（EMS）高级应用软件[14]、调度员培训仿真系统（DTS）[15]、全局无功电压优化控制系统[16]、在线电压稳定分析[17]、在线动态安全分析[18]、实时电力市场技术支持系统[19]等应用软件。

2003 年以前，清华大学的应用软件在现场应用时需编写专用API 接口，从国内外各厂家SCADA系统中获取实时数据断面。迄今为止已完成的现场专用接口见图1，这是一种1 对N 的私有接口模式。

2003 年以后，清华大学采用了IEC61970-CIM/CIS标准进行接口，图2 给出了新的接口模式示意图。在这种新模式下，接口采用标准的软总线方式，无需对每个厂家做私有接口，开放性好。基于图2 的标准接口模式，清华大学的应用软件在江苏省调、广东省调和金华地调等调度中心得到了成功应用。

3 CIM 的扩展

目前已公布的CIM 版本尚不能涵盖控制中心各种应用领域，为满足现场应用要求需进行扩展。CIM 扩展的基本原则是“尽可能少地修改标准”。

本节以外网等值模型和HVDC 模型的扩展为例介绍CIM 扩展的基本方法。

（1）外网等值模型的扩展

外网等值模型是我国各级电网调度中心的必备模型，特别对于地调辐射电网，若没有适用的外网等值模型，内网合环等模拟计算就不可能获得满意的精度，从而影响EMS/DTS 的应用效果。由于CIM侧重于对实际物理设备的建模，无法正确表达外网等值模型，因此，笔者在现有CIM 的框架下针对潮流和故障计算的需要对CIM 进行了扩展，见图3。

图3 中，对于实际交流线路（ACLineSegment），由于负序阻抗等于正序阻抗，因此CIM 中未设计交流线路的负序阻抗。但对于等值线路，负序阻抗往往不等于正序阻抗，因此从ACLineSegment 派生了一个子类，即等值交流线路类（ACLineSegmentEqu），新增了两个属性，即等值线路的负序阻抗r2 和x2。同理，从TransformerWinding 派生了一个子类，即等值变压器绕组类（TransformerWindingEqu），新增了两个属性，即等值绕组负序阻抗r2 和x2。派生的两个子类分别继承了父类的所有属性和关联，对CIM 的改动很少。

（2）HVDC 模型的扩展

    在CIM 模型的现行版本中，对高压直流输电系统的描述十分简单，仅有换流器类（RectifierInverter），作者对CIM 的HVDC 模型进行了扩展，使其能更详细地描述HVDC 及其控制，满足了当前我国对交直流混合电力系统潮流计算和运行控制的需要，扩展方法详见文献[20]。

4 现场应用

4.1 江苏省调应用

清华大学在江苏省调现有的OPEN2000 EMS系统基础上开发了基于“软分区”的全局分级电压优化控制系统（Automatic Voltage Control，AVC）[16]，于2003年11月投入闭环控制。该系统以发电机无功出力和无功补偿设备为控制对象，在提高电网电压安全性和质量的同时使网损降到最小。已实现的主要功能包括：控制灵敏度计算、在线软分区、基于“软分区”的二级电压控制、基于最优潮流的三级电压控制、在线电压稳定评估等。

为实现清华AVC和南瑞OPEN2000 EMS之间的标准化集成，在开发中遵循了IEC61970标准。江苏电网的拓扑结构和参数在OPEN2000系统上维护，AVC系统将其以CIM/XML文档方式自动导入，实现了AVC系统的免维护。为提高效率，提出并实现了CIM部分模型的拆分和合并技术[12]，满足实时应用的要求。

以2003年某时刻断面为例，江苏省网的CIM规模和效率指标分别见表1和表2，表中的部分模型指某单个厂站的CIM模型，采用的计算机环境为：Alpha DS20服务器，Unix操作系统，1G内存，2×36G的硬盘，100Mb局域网。现场应用验证了IEC61970-CIM/XML导入导出程序的有效性和实用性。

4.2 金华地调应用

2004 年4 月，清华大学在浙江金华地调实现了基于IEC61970-CIM/CIS 的电网数据异构平台，图4给出了电网数据异构平台的整体框架。该平台的数据源自清华大学开发的EMS系统，以ACE/TAO1.3.6作为CORBA（Common Object Request BrokerArchitecture）中间件平台，已完成的开发工作包括：CIM 数据库、接口服务程序、GDA（General DataAccess）服务、基于XML 的CIM 导入/导出工具和基于CORBA 的企业集成总线，重点实现了CIM 中的Core、Topology、Wires 和Meas 4 个类包，为地理信息系统（GIS）、管理信息系统（MIS）、电量计费系统（TMR）和配电管理系统（DMS）等应用功能提供了标准的电网模型、参数、实时数据和状态估计结果等访问服务。此外，还开发了满足CIS 标准的在线潮流组件（OLF），为整个数据平台提供了标准的在线潮流计算服务。

图4 中，各种应用功能可运行在基于不同软硬件平台的异构环境中。其中，实时应用可通过CIS接口访问CIM 数据库，而离线应用可通过导出的CIM/XML 文件实现对电网数据的访问。CIM 服务器采用的计算机环境为：SUN Enterprise 220R 服务器，Solaris 操作系统，双CPU，2G 内存，2×36G硬盘，100Mb 局域网。

以2004年某时刻断面为例，金华地网CIM规模和效率指标分别见表3和表4。表4给出了利用平台提供的CIS接口完成相应操作的响应时间。其中，完成一次基于局域网的在线潮流计算服务的总时间（包括组件接口访问和潮流计算）只需3s，满足现场在线应用的要求。

4.3 广东省调应用

2004 年5 月，清华大学为广东省调开发了在线外网等值系统，在我国不同调度中心之间实现了基于广域网和IEC61970 的电力系统模型的在线互操作。

图5 给出了在线外网等值系统与其它系统的关系。当广东省网的在线运行方式发生变化时，该系统通过局域网，按照CIM/XML格式从省调SD-6000EMS 系统中导入广东电网实时模型。然后利用清华大学开发的在线外网等值软件即时为省调管辖的21 个地调自动生成外网等值模型，最后通过电力调度数据网（SPDnet），利用CIS 组件接口将等值模型（含等值网拓扑、等值网参数和等值网潮流等）自动远传到各地调EMS 系统中，作为各地调EMS系统的外网模型，较好地解决了地调EMS/DTS 模拟操作时外部电网模型不准确的问题。

图6 给出了系统结构示意图。图中，以深圳地调为例，广域网采用2Mb 带宽的专网，传输路径为广州至深圳（穿越两个CISCO 防火墙和一个路由器）。为减轻省调系统的网络负担，服务器（PC 机，2.0G/512M/80G，Linux 操作系统）安装在深圳地调，客户端（DS20 Alpha 服务器，256M 内存，10G 硬盘，UNIX 操作系统）安装在广东省调，以ACE/TAO1.3.6作为CORBA 中间件平台，构成基于广域网的异构分布式计算系统。

以2004 年某时刻断面为例，广东省网CIM 规模见表5，全模型导入的效率指标见表6，仅当电网的物理模型发生变化时才需从SD-6000 系统导入全网模型，因此满足工程要求。

笔者以深圳地调为例测试了广域网CIS 服务的效率，CIM 规模和效率指标见表7 和表8。由于通常只传输部分模型（不含等值网的拓扑结构），只有当等值网拓扑结构变化时才需传输全模型，由表8 可知，效率满足工程要求。

5 结论

在江苏省调全局电压优化控制系统、金华地调电网数据异构平台和广东省调在线外网等值系统中的现场应用表明，通过CIM 的扩展和模型拆分合并技术的使用，IEC61970-CIM/XML 导入导出服务、基于局域网的CIS 服务和基于广域网的CIS 服务已经可以在实际电网调度中心应用，其开放性、正确性和效率达到了预期目标。为多厂家实现强强联合、协作开发控制中心众多复杂应用功能奠定了基础，同时也为未来多控制中心分布式协调计算提供了基础设施，必将成为调度控制中心集成化的核心技术。所获得的实践经验归纳如下：

（1）标准的研究和制订是一个长期的过程，需要通过应用实践来促进标准的不断完善和发展，而不是等到标准完善后才进行研究应用。

（2）IEC61970 标准只是控制中心应用的公共子集，需要通过扩展才能满足现场应用要求。

（3）IEC61970 标准只规定对外的接口，并不规定内部具体的实现技术，需要通过拆分合并等优化技术才能满足实时性要求。

（4）当前国内很多电网公司都在考虑开展IEC61970 标准相关的研发工作，考虑到标准的现状，笔者建议至少吸纳两家研究单位参与项目研究，便于进行互操作和项目成果的验证。

摘自：《电网技术》