IEC61850与IEC61970的信息模型对比

IEC61850与IEC61970的信息模型对比2010-11-04张结,黄徳斌摘要源于对保护信息管理系统主站信息模型的选择，作者分析和比较了IEC61850及IEC61970的信息建模，提出传输信息模型和应用信息模型的概念，并论述IEC61850及IEC61970-CIM分别属于不同层次的信息模型。此论述不可避免地涉及到对无缝通讯体系的探讨，作者指出IEC61970的方法对控制中心具有普遍意义，但并不等于所给出的参考模型CIM能够覆盖所有的应用，在控制中心可能存在多种同等层次的应用信息模型。进而推测无缝通讯体系的协调工作也将不仅仅局限于信息模型结构的协调，更大的技术难点将表现在信息传输语义与应用语义之间的协调或映射上。关键词IEC61850，IEC61970，无缝通讯体系(seamlesscommunicationarchitecture)，信息模型(informationmodel)，语义(semantic)0引言与传统的国际标准相比，无论是IEC61850还是IEC61970都表现出一个新的特征，即对信息进行了建模，更确切地讲是给出了一种信息建模的方法。其中IEC61970的信息模型侧重于控制中心IEC61850的信息模型侧重于变电站。这种模型侧重点的不同，加上IECTC57关于无缝通讯体系(seamlesscommunicationarchitecture)框架的讨论，似乎在传递着一种信号，那就是：属于控制中心的系统应采用IEC61970，属于变电站的设备或系统应采用IEC61850。假如依据这种思路，对继电保护及故障信息管理系统(简称保护信息管理系统)各部分信息模型的选择将是：子站系统(变电站端)以IEC61850信息模型对智能装置进行建模，以屏蔽传统通讯协议和通讯语义的差异性变电站和控制中心之间的信息传输采用IEC61850通讯服务和信息模型，以符合无缝通讯体系的未来框架主站系统(控制中心端)采用IEC61970作为参考模型。但是研究表明，保护信息管理系统主站不仅需要进行故障分析和计算，即需要电网和一次设备参数同时也负责变电站智能装置的监视和控制，例如保护动作的监视、保护定值的设定和切换等，即存在大量的二次信息，由于IEC61970对二次装置模型的支持存在不足，在主站端仅仅依靠IEC61970-CIM给出的参考模型显然是不完备的。而主站端直接采用IEC61850信息模型，或依靠IEC61850作为IEC61970的补充，又与IEC61850作为通讯标准的用途，以及无缝通讯体系的框架形成矛盾。这种矛盾的根源，本文认为是对IEC61970及IEC61850差别的简单化，即IEC61850用于变电站，IEC61970用于控制中心或IEC61850优于二次信息建模，IEC61970优于电网和一次设备建模的认识，不足以成为保护信息管理系统主站模型选择的判断依据，还需要更加深入和全面的分析。这种分析不可避免地会涉及到另外两个相关论题：1、IEC61850在控制中心的性质2、无缝通讯体系的覆盖能力1信息建模关注焦点的变化与电力自动化中数学建模相比，信息建模的历史虽然不长，但焦点却发生着变化，初期侧重于信息的存储、检索，甚至一段时间内，信息建模被不精确地等同于数据库设计。例如早在四大网引进中调度系统曾采用的层次型数据库，事实上就是一种远动信息的信息模型。由于应用系统的需要，信息建模开始转向服务于信息应用，这时信息模型主要是体现信息的物理逻辑，包括信息的数据含意和信息之间的关系，焦点是对信息对象的分析和建立它们之间的关系，例如EMS系统中面向对象的信息模型。在本文中称这种服务于应用系统，体现物理逻辑的信息模型为应用信息模型(applicationinformationmodel)。随着分布式系统的发展开放成为趋势，所谓开放包含两个方面：数据通讯(dadacommunication)中信息交换的开放，和应用集成(applicationintegration)中功能调用的开放，如果成为公认标准，就是通讯标准和接口标准，例如IEC61850和IEC61970。开放标准所要求的信息语义的一致性和确定性依赖于统一的信息模型，虽然成为信息建模新的焦点，但在两种标准中仍存在差别：1、通讯标准中信息建模目的是取得信息传输语义的一致性和确定性，模型结构不仅代表了通讯中的抽象语法，还代表了信息语义的上下文结构。在本文中称这种服务于信息传输，体现信息语义上下文的信息模型为传输信息模型(communicationinformationmodel)。2、接口标准中信息建模目的是取得信息语义应用环境的一致性和确定性，信息模型代表的仍然是信息之间物理逻辑，因此仍然属于应用信息模型，只不过是经过了标准化。虽然电力自动化信息建模的方法多种多样，但信息模型的存储和检索却不再成为焦点，IT领域的成熟技术完全可以被直接用于各种模型的存储、检索，甚至模型转换。2IEC61850的信息建模IEC61850的名称是变电站通讯网络和系统(Communicationnetworksandsystemsinsubstations)，用于在变电站自动化相关设备及系统之间建立一致的通讯服务和信息传输语义，达到互操作性(interoperability)，其信息模型属于传输信息模型：1、模型语义IEC61850原文中有模型是对现实功能和设备基于通讯表示的一种抽象描述的表述，其语义约定以功能分解为参考，代表了信息的传输语义。2、互操作性条件IEC61850互操作性以变电站自动化相关设备之间的一致通讯为条件，只是要求信息传输过程中具有确定的一致的语义，与应用功能无关。3、以通讯服务为前提IEC61850通讯服务由抽象模型类中的面向对象方法构成，为了保证通讯服务的一致性，IEC61850采用了面向对象方法中封装技术，要求一切信息模型均由抽象模型类派生而来。4、建模过程IEC61850的信息建模过程是以通讯服务为前提的信息封装过程，不存在复杂的模型分析和构造，使用基于XML的SCL语言进行描述，包括信息与通讯服务的对应，和信息的裁减及扩充。5、配套技术通讯服务往往受到网络底层协议的制约，限制了通讯服务对技术发展的适应性，因此在IEC61850中以SCSM(特定通讯服务映射)实现ACSI(抽象通讯服务)向底层协议栈的映射，既保证了通讯服务的一致性和唯一性，也适应了通讯协议栈的不同和变化。可见IEC61850的信息建模是以通讯服务为中心的，虽然信息语义参考了功能的分解，但目的是寻求可以取得一致的语义约定，信息模型所体现的是通讯角度的信息表示，并非信息之间的物理逻辑，是一种传输信息模型。3IEC61970的信息建模IEC61970的名称是能量管理系统应用程序接口(EnergyManagementSystemApplicationProgramInterface：EMS-API)，用于提供统一的应用程序接口(API)和信息应用语义，以促进不同厂商独立开发的各种应用程序的集成，支持互操作性和即插即用，其信息模型CIM属于应用信息模型：1、模型语义IEC61970原文中有CIM是一个抽象模型，它表示了EMS信息模型中典型包含的电力企业的所有主要对象的表述，明确表示CIM用于EMS环境，CIM的信息语义用于EMS程序。2、互操作性条件IEC61970互操作性以应用程序接口(API)为条件，构建API的CIS(组件接口)以典型应用程序进行分组，与EMS应用直接相关。3、以反映模型关系为前提IEC61970CIM以能够反映信息模型的关系，例如关联、聚合、合成聚合、共享聚合等为前提，在信息建模中采用了面向对象的分析和构造技术，与面向对象的类服务并没有直接的联系。4、建模方法IEC61970建模过程事实上是对EMS应用环境的面向对象的分析过程和模型关系的构造过程，较为复杂，因此采用了功能强大的建模语言UML，重点在于模型的构造。5、配套技术应用程序接口往往受到操作系统、网络环境(如果API支持远程调用)的限制，所以IEC61970采用CIS(组件接口规范)，将API建立在CORBA，DCOM等组件平台的基础上，使API不依赖于特定的操作系统、网络环境，获得异构平台的支持。可见IEC61970CIM是针对EMS应用的，以建立信息对象之间的关系为中心，建模过程表现为对EMS应用环境的面向对象分析和构造，信息模型代表了信息之间的物理逻辑，是一种应用信息模型。4IEC61850和IEC61970在控制中心的性质由于IEC61850和IEC61970的信息模型分别属于传输信息模型和应用信息模型，在控制中心也具有不同的性质。4.1控制中心的控制中心是信息的集中地，电力系统的信息主要来源于变电站，IEC61850作为一种通讯标准，其信息模型用于表示所有的信息源具有突出的优势：1、IEC61850信息模型能够承载变电站的任何信息IEC61850信息模型语义与特定的应用不存在偶合，针对特定应用属于抽象语义，所以能够表示更大范围的信息对象，这种趋势在TC57的战略文件中已经有所表示。2、IEC61850可以负责各种环节的通讯IEC61850的通讯服务能够覆盖从过程层到间隔层、站控层的所有通讯环节，随着无缝通讯体系的完善，还将延伸到站与站、站与控制中心的通讯。由于IEC61850通讯服务所能承载的信息必须符合IEC61850信息模型，因此所有的信息源被表示成IEC61850信息模型也是有必要的。3、IEC61850通讯服务对未来通讯技术发展的适应性IEC61850的通讯服务不依赖于网络底层通讯协议栈，对未来通讯技术的发展具有适应性。4.2控制中心的应用程序接口控制中心各种功能的集成应用已经成为趋势，应用程序接口的规范是其必要条件，虽然IEC61970作为EMS应用程序接口具有针对性，但是它的两个重要组成部分：CIM和CIS并不存在直接的偶合，CIS所呈现出的技术思路作为普遍的应用程序接口具有适用性：1、CIS对底层组件平台的适应性CIS的存在使得应用程序接口API不依赖于操作系统、网络环境等。这种适应性事实上是由组件模型，例如EJB、CORBA、COM/DCOM提供的，CIS是一种在组件模型上实现API的方法，它规定了组件之间交换信息或访问数据的各种接口，例如事件、方法和性质。2、CIS能够用于规定各种应用程序接口CIS源于CCAPI(IEC61970的前身)的思想，在IEC61970中存在这样的表述：CIS的意图是规定组件作为一个即插即用组件工作所要使用的一些接口把一些典型的应用程序和组件看成是CCAPI项目的一部分，但是其意图并不是要定义这些组件本身可以自由地把组件接口的不同汇集包装到各个组件包里而不违背CCAPI的标准`。4.3控制中心的数据环境如前所述，IEC61970CIM是针对EMS应用的应用信息模型，因此作为EMS应用数据环境的参考模型有其优势，但是本文并不认为它能够覆盖控制中心的其它所有应用系统，即控制中心的数据环境应该以多种应用信息模型作为参考模型：1、CIM代表的是EMS关心的物理逻辑CIM的重点是体现电网信息之间的物理逻辑，无论模型类的继承关系还是模型类中的属性的设置，都以EMS应用为中心，其信息语义与EMS应用直接偶合。2、CIM对其它信息的描述能够不够例如对于保护相关信息，在CIM中虽然存在保护包，但显然是为DTS应用而设置的，并不能完整地体现保护装置内部的数据关系和功能联系。3、CIM的建模方法对其它应用也不一定适合CIM的建模过程是面向对象的分析和构造过程，重点在于建立信息之间的关联、聚合等关系，对于其它的应用例如保护信息管理系统，常规的信息表示可能并不需要如此复杂的建模过程而复杂的逻辑例如保护之间的配合逻辑，也不是关联、聚合关系所能够表示的。因此，本文认为针对不同的应用系统，应以不同的应用信息模型作为参考模型，提供信息调用的一致语义和应用相关的信息逻辑，同时以CIS构建组件模型基础上的API，从而支持应用系统和应用组件之间的互操作性和即插即用。5对无缝通讯体系的探讨依据本文的观点，对无缝通讯