XML在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

I. 引言

智能電網(wǎng)本質(zhì)是數(shù)字電網(wǎng)，它是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它以充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置、確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性、滿足環(huán)保約束、保證電能質(zhì)量、適應(yīng)電力市場化發(fā)展等為目的，實現(xiàn)對用戶可靠、經(jīng)濟、清潔、互動的電力供應(yīng)和增值服務(wù)。

我們目前使用的傳統(tǒng)交流電網(wǎng)最早1896年投入運行，100多年過去了，一些功能有限的技術(shù)仍然被采用。傳統(tǒng)電網(wǎng)越來越不能滿足現(xiàn)代電力需求。現(xiàn)代智能電網(wǎng)的驅(qū)動力大致有4個：

1) 提高電網(wǎng)運行的可靠性、效率和安全度。

2) 分布式發(fā)電，提供多樣化的電力來源。

3) 用電分析、數(shù)據(jù)挖掘與電量管理。

4) 綠色能源，可再生能源，引導(dǎo)環(huán)保經(jīng)濟。

美國2001年EPRI最早提出智能電網(wǎng)(Intelligrid)，并開始研究，歐洲2005年成立“智能電網(wǎng)(SmartGrids)歐洲技術(shù)論壇”，也將“SmartGrids”上升到戰(zhàn)略地位展開研究。2009年美國政府成立特別小組研究管理智能電網(wǎng)并加大投資力度。目前，“智能電網(wǎng)”被大家普遍接受和認可，可以說，智能電網(wǎng)是未來電網(wǎng)發(fā)展的方向。

IEC TC57技術(shù)委員會建立了一系列可以用作智能電網(wǎng)的系列標準. 這些標準包括描述變電站自動化架構(gòu)的IEC61850標準和描述公共信息模型(CIM)的IEC61968/61970。

I. XML在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

A. XML技術(shù)介紹

XML(可擴展標記語言)是一個開放的標準，是一種類似HTML的標記語言。與HTML用于展示數(shù)據(jù)不同，XML被設(shè)計為用于傳輸數(shù)據(jù)，它是自描述的。

XML的語法規(guī)范由W3C定義在XML1.0規(guī)范中，它是應(yīng)用程序之間的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畛Ｓ玫氖侄危蔀樵絹碓蕉嗟拇鎯兔枋鲂畔㈩I(lǐng)域的歡迎。

XML的特點：

1)XML在互聯(lián)網(wǎng)直接可用。

2)XML支持各種應(yīng)用。

3)易于編寫程序處理XML文檔。

4)XML文檔易讀，并合理地清晰。

5)XML設(shè)計能迅速進行。

6)XML文件易于創(chuàng)建。

目前XML已經(jīng)發(fā)展為一系列的技術(shù)(見圖1)，是一個在信息技術(shù)中無處不在的技術(shù)標準。

B. XML技術(shù)定義IEC61850標準

1 通信數(shù)據(jù)交換

IEC 61850標準是用于變電站自動化的設(shè)計標準，是在國際電工委員會 (IEC)的技術(shù)委員會57(57技術(shù)委員會)對電力系統(tǒng)的參考架構(gòu)。標準定義的抽象數(shù)據(jù)模型可以映射到一些列的通信協(xié)議，目前能映射成MMS(制造報文規(guī)范)，GOOSE，SMV，并即將擴展到WEB服務(wù)。這些協(xié)議可以運行在高速以太網(wǎng)交換機上以獲得4毫秒內(nèi)的繼電保護相應(yīng)時間。XML是構(gòu)成WEB服務(wù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，因此，XML可以用于通信數(shù)據(jù)交換。

2 SCL配置

IEC61850標準采用XML Schema描述，SCL(變電站配置語言)也采用XML格式，XML是IEC61850配置信息交換的基礎(chǔ)。IEC61850的特點包括：

1)數(shù)據(jù)建模，主要的過程對象或功能模塊被建模為不同的邏輯設(shè)備LD和邏輯節(jié)點LN。

2)報告計劃。

3)快速事件傳輸，定義通用變電站事件GSE用于快速傳輸，GSE細分為GOOSE和GSSE。

4)定值組。

5)采樣數(shù)據(jù)傳輸。

6)命令，各種操作控制命令。

7)數(shù)據(jù)存儲，變電站配置數(shù)據(jù)通過SCL存儲。

由于XML的信息獨立于平臺之間，從而使得配置數(shù)據(jù)能夠在不同廠商的智能電子設(shè)備(IED)間進行信息交換。這些XML格式的配置數(shù)據(jù)根據(jù)功能分為ICD、SSD、SCD、CID四個類型。

配置過程如下：

1)導(dǎo)入ICD數(shù)據(jù)到系統(tǒng)配置工具。

ICD是對IED的功能描述。通常由設(shè)備制造商提供，是符合標準定義的XML格式文件。

2)導(dǎo)入SSD數(shù)據(jù)到系統(tǒng)配置工具。

SSD包括變電站描述，以及所需要的數(shù)據(jù)類型模板和邏輯節(jié)點類型定義。

3)系統(tǒng)配置工具配置SCD。

SCD包括了IED的描述，變電站的描述以及通信系統(tǒng)的描述。

4)下裝CID數(shù)據(jù)到IED。

CID是IED最終的配置文件，其內(nèi)部的通信部分將會包含各個IED的IP地址等完整配置信息。.

IEC61968(針對分布式管理系統(tǒng)DMS)/IEC61970(針對能量管理系統(tǒng)EMS)的主要內(nèi)容是：

1) 通用信息模型CIM和CIM XML.

2) 應(yīng)用編程接口API，定義接口，是互操作的基礎(chǔ)。

3) XML消息標準

1 CIM XML

CIM是定義了應(yīng)用程序間配置信息與電網(wǎng)狀態(tài)的標準模型，與IEC61850有重合的地方，CIM模型與IEC61850模型的比較與融合是一個專門的課題。

CIM提供了異構(gòu)環(huán)境下不同資源描述與交互的手段，它是一個用于軟硬件資源建模的面向?qū)ο蟮哪Ｐ?。該模型的元素是模式、類、屬性和方法，而且還支持自定義擴展。目前的CIM是以UML模型的形式存在，因此在應(yīng)用軟件集成時可以根據(jù)需要演繹成XML模式(XML Schema)或RDF模式(RDF Schema)。

圖2CIM XML數(shù)據(jù)交換模型

RDF(Resource Description Framework資源描述框架)是W3C推薦的用XML展示個體以及個體之間關(guān)系的知識表示語言。RDF內(nèi)容包括模型、語義和模式。CIM XML就是RDF在CIM中的應(yīng)用，也就是XML技術(shù)在CIM中的應(yīng)用，這也是一個專門的研究課題。CIM XML的數(shù)據(jù)交換模型如圖2所示。

2 互操作

應(yīng)用編程接口API是各電力控制中心之間應(yīng)用程序接口的國際標準，可以實現(xiàn)各中心之間以及中心內(nèi)多種類異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和信息共享。CIM是API的語義部分，也是互操作的重要基礎(chǔ)?？梢?，互操作數(shù)據(jù)交換也采用的是XML格式。

Ⅲ. XML在智能電網(wǎng)的應(yīng)用實例

介紹幾個我們在智能電網(wǎng)實施過程中常見的幾種XML應(yīng)用。

A. IEC61850配置

IEC61850-6規(guī)定了實現(xiàn)設(shè)備互操作性的變電站配置描述語言(SCL),該語言用于根據(jù)IEC61850-5 和IEC61850-7 部分描述智能電子設(shè)備的配置和通信系統(tǒng)。系統(tǒng)配置器是一個獨立于智能電子設(shè)備的系統(tǒng)級工具，它必須能夠輸入或輸出按照IEC61850-6定義的SCL文件。

下面簡單介紹我們最新開發(fā)的可視化系統(tǒng)配置器VisualSCD。VisualSCD的核心是SCL模型樹，除了有其它系統(tǒng)配置器類似的XML解析模塊、SCL導(dǎo)入導(dǎo)出模塊、節(jié)點樹屬性表編輯模塊、SCL校驗?zāi)K，還包括XML Schema映射模塊、圖形編輯模塊、SVG模塊。下面詳細介紹后面幾個模塊：

1 XML Schema映射模塊

我們通過研究XML Schema技術(shù)，成功研發(fā)出XML Schema語義模型到程序內(nèi)存中SCL語法模型的自動映射算法，在系統(tǒng)配置器啟動的時候，快速地將IEC61850-6標準中八個XSD文件映射到內(nèi)存上并建立起SCL分層模型語法樹。在編輯SCL文檔時，只需要從語法樹中摘取相應(yīng)的節(jié)點，就可以根據(jù)語法節(jié)點建立起SCL模型樹中對應(yīng)的語義節(jié)點。

2 圖形編輯模塊

在廠站視圖中，可以通過畫圖操作添加刪除一次設(shè)備，也可以通過連線操作為一次設(shè)備建立連接。在IED視圖中，可以直觀的看到一次設(shè)備與IED關(guān)系，也可以通過連線操作為IED之間建立GOOSE連接等等。圖形化操作通過直觀可視化的方式提高了工具的易用性，是以后系統(tǒng)配置器的發(fā)展方向。

3 SVG模塊

廠站視圖中配置好的圖形是一張簡要的廠站單線圖，后臺系統(tǒng)需要這樣一張圖，因此VisualSCD提供了對矢量圖形SVG的支持，可以將廠站視圖導(dǎo)出為SVG圖形，后臺系統(tǒng)可以導(dǎo)入該圖形直接利用。這是以后變電站自動化系統(tǒng)統(tǒng)一模型的一部分。

圖3 VisualSCD框架結(jié)構(gòu)

廠站視圖中配置好的圖形是一張簡要的廠站單線圖，后臺系統(tǒng)需要這樣一張圖，因此VisualSCD提供了對矢量圖形SVG的支持，可以將廠站視圖導(dǎo)出為SVG圖形，后臺系統(tǒng)可以導(dǎo)入該圖形直接利用。這是以后變電站自動化系統(tǒng)統(tǒng)一模型的一部分。

B. 電力WEB

智能電網(wǎng)作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，有三個主要元素：

1)數(shù)字化的設(shè)備，包括數(shù)字式傳感器、智能電表等等

2)完備的數(shù)據(jù)收集體系和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合體系。

3)高級數(shù)據(jù)分析與可視化。

Web 是一個非常重要的數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式，并已成為通用實時平臺一個重要的組成部分。并且，隨著web 技術(shù)從信息領(lǐng)域進入應(yīng)用領(lǐng)域，web 平臺的從原來的以信息為中心逐步發(fā)展為以服務(wù)為中心，瀏覽器逐漸由原來的信息查詢界面成為應(yīng)用體系中成熟的用戶交互界面，B/S 架構(gòu)在分布式系統(tǒng)中也成為流行架構(gòu)。

當前國家電網(wǎng)公司明確要求各級EMSWEB 系統(tǒng)采用WEB 通用技術(shù)開發(fā)， 不允許使用自定義控件技術(shù)。以SVG+Ajax 技術(shù)為基礎(chǔ)的非控件方式是解決這個問題很好途徑，將Ajax( Asynchronous JavaScript and XML)模式引入到WEB 系統(tǒng)中，并結(jié)合Ajax、SVG(ScableVector Graphics)等多項技術(shù)，實現(xiàn)了異步交互機制，可以支持廠站圖的顯示和刷新(如圖4所示)。

圖4 AJAX+SVG數(shù)據(jù)流

結(jié) 論

XML技術(shù)由于其獨特的開放性在智能電網(wǎng)上大有可為，智能電網(wǎng)的實現(xiàn)離不開XML技術(shù)。

參考文獻

[1] “Common Information Model (CIM) for the Control Center Application Program Interface”, EPRI, Sep., 1998

[2]“CIM RDF Schema” Exported from Ccapi.mdl Version: CIMU08b, Leila Schneberger, http://www.cim-logic.com/cim-rdf/CIM-schemacimu08b.xml

[3]“Simplified RDF Syntax for Power System Model Exchange”, Arnold deVos, October 2000, http://www.langdale.com.au/DAF/PSModelExchange.pdf

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[5] “Resource Description Framework (RDF) Schema Specification”,W3C Candidate Recommendation, March 2000,http://www.w3.org/TR/rdf-schema/

[6]Kenneth B. Sall. XML Family of Specifications: A Practical Guide: Home,Addison Wesley Professional, May 31, 2002, ISBN-10: 0-201-70359-9.

[7]Erik T. Ray, Learning XML, 2nd Edition, Published by O""Reilly, September 2003,ISBN: 0-596-00420-6, p. 416.

[8]IEC61850. Communication Networks and Systems in Substations. 2004