 |
Реализация CIM - моделей в задачах автоматизации энергетических объектов
|
|
|
|
Идея использования СИМ технологии для моделирования энергетических объектов, в том числе и систем была впервые выдвинута в Американском научно - исследовательском институте энергетики (Energy Power Research Institute -EPRI) в начале 90-х и была реализована в группе проектов под общим названием CCAPI. Основная задача проектов состояла во-первых в обеспечении интеграции приложений различных изготовителей в рыночных условиях и, во-вторых, обеспечить независимость потребителя приложений от его разработчика.
Для расширения сферы применимости этих документов и обеспечения единой международной системы унификации Международная Энергетическая Комиссия (МЭК) организовала в рамках 57 Технического комитета (ТК57) несколько рабочих групп для:
стандартизации информационных моделей, структур и интерфейсов доступа к измерительным устройствам подстанций непосредственно, а не через удаленное терминальное устройство. Эти стандарты определяют базовую архитектуру, основанную на модели клиент сервер, аналогично стандарту TASE.2, в которой клиент начинает транзакции, обрабатываемые сервером. Однако в этих стандартах измерительные и преобразующие устройства ("полевые") смоделированы непосредственно как классы со своими свойствами и ассоциациями. Это позволяет клиенту взаимодействовать с полевым устройством (точнее с его моделью) непосредственно для получения как измеренных величин, так и данных о состоянии или свойствах полевого устройства. Общие услуги, необходимые всем устройствам подстанции смоделированы как сервер-классы и определены Абстрактном Интерфейсе Сервиса Связи (Abstract Communication Service Interface - ACSI) в стандарте 61850-7. Полевые устройства наследуют свойства классов, определенных в ACSI как объекты этих классов.Так, если ACSI описание имеет своим свойством измеренную величину, то обратившись из хост-компъютера к полевому устройству как к объекту мы прочтем эту величину непосредственно. Стандартные представления этих услуг с различными коммуникационными протоколами описаны в стандартах 61850-8 для информационной шины станции и 61850-9 для информационной шины процесса таким образом, чтобы обеспечить согласованные сервисные функции для всех полевых устройств, независимо от коммуникационных протоколов.
|
|
|
Следующей группой являются стандарты представления данных и системных интерфейсов для управления распределительными электрическими сетями. Стандарты 61968 определяют требования, архитектуру интеграции и интерфейсы для основных элементов системы управления распределением (DMS) и других связанных внешних IT систем. Интерфейсы определены для каждого класса приложений, идентифицированных в МЭК 61968-1 "Базовая Модель Интерфейса (Interface Reference Model - IRM)". Для определения объектов реального мира в СИМ -представлении использован UML.
Последней и наиболее полной с точки зрения описания объектов реального мира в электроэнергетике является группа стандартов для построения EMS API. Все стандарты этой группы - 61970- построены на базе СИМ - представления электроэнергетической системы Эти стандарты также построены на базе СИМ -представления, которое обеспечивает абстрактную модель для полной энергосистемы, используя нотацию UML. CIM определяет семантику для API. Другие части этого стандарта определяют синтаксис для API.
Таким образом группы стандартов МЭК позволяют построить единую концептуальную систему представления данных и интерфейсов с использованием СИМ как единого языка представления данных и описания интерфейса. Следует отметить, что использование методов представления данных внутри каждого приложения ни в коей мере не является ограничением. СИМ представление является единым языком описания данных и, соответственно, интерфейса только в общей интегрированной среде. Иначе говоря, CIM представляет собой общий язык для приложений при работе в единой большой системе (по аналогии можно сравнить с "эсперанто", но есть веские основания полагать, что с другой судьбой).
|
|
|
На рисунке 2 представлена макроархитектура системы. Подстанции 1 и частично 3 имеют устройства, которые описаны как объекты соответствующего СИМ - класса и поэтому доступ к ним может быть осуществлен через общую сетевую среду (проблема протоколов сознательно не рассматривается). Измерительная система подстанции 2 и частично подстанции 3 передают свои данные традиционным способом через RTU в ОИК соответствующего центра управления, который, в свою очередь, используя СИМ описание данных в соответствующем центре управления и переводит их в СИМ - описание архива хранения. При этом все системы территориально могут быть разнесены сколь угодно далеко, но они должны иметь общую среду передачи данных и общее СИМ - описание данных и интерфейсов.
Рисунок 2 - Концептуальная модель системы с шиной интеграции
СИМ-модель
Как уже отмечалось СИМ представление использует стандартное объектно-ориентированное визуальное представление, определяемое UML. Основными элементами СИМ - представления являются классы, ассоциации и пакеты.
Классы
Класс является основным элементом СИМ-модели. Класс представляет собой абстрактное описание некоторой объективно существующей сущности электроэнергетической системы. Примерами классов являются «трансформатор», «нагрузка», «линия переменного тока», «линия постоянного тока», «измерение» и т.д.. Принципиальное отличие понятия класс в СИМ от объектно-ориентированных языков программирования (C++,Java и др.) состоит в том, что в СИМ класс описывает только интерфейс и полностью независим как от платформы вычислительной техники, так и от реализации. Класс имеет атрибуты (свойства), описывающие его характерные особенности. Каждый атрибут имеет тип, определяющий его смысл. Типы могут примитивными -целое, плавающее, булев, строка, перечисление- и сложными, например напряжение, фаза, мощность и т.п в том числе другой класс. Атрибуты могут иметь область видимости, которая определяет право других классов читать и писать атрибуты. Допустимы четыре значения области видимости:
|
|
|
Открытый, т.е. доступный всем классам для чтения-записи;
Закрытый, т.е. с этот атрибут не виден никаким другим классам;
Защищенный, т.е. доступный только этому классу и его потокам (ассоциация ->наследование)
Реализационный. Атрибут этого типа является открытым, но только в пределах своего пакета (о пакетах -ниже).
Основными свойствами класса являются инкапсуляция, полиморфизм и ассоциации. Инкапсуляция означает сосредоточие всех свойств класса как его аттрибутов. Описание аттрибута класса вне класса или внутри другого класса недопустимо. Полиморфизм означает, что одно и тоже символьное имя аттрибута может использоваться в разных классах, но имя класса должно быть уникальным. Ассоциация означает возможность связи классов между собой,т.е.любая пара классов может быть связана ассоциацией, которая в свою очередь также является классом.
Ассоциации
Ассоциации представляют семантическую связь между двумя классами, с помощью которой один класс может получить информацию об аттрибутах и ассоциациях другого класс. Ассоциация имеет два конца ассоциации, каждый из которых присоединяется к одному из классов ассоциации. Конец ассоциации может быть помечен меткой, называемой «именем роли» или «ролью». В СИМ модели имя роли всегда всегда содержит имя класса, а в ряде случаев просто повторяет его. Конец ассоциации (роль) также обладает кратностью, которая показывает сколько объектов класса может участвовать в данной ассоциации. Наиболее часто встречающиеся кратности «0…1» и «1…n», где n = 1,2,3…. В нотации UML предусмотрено много различных ассоциаций, но СИМ -модель использует только следующие:
наследование,
агрегирование
двунаправленная ассоциация.
Наследование представляет собой тип ассоциации, при котором наследующий класс (класс-потомок) имеет открытый доступ ко всем свойствам наследуемого класса (класс-предок). Необходимо отметить, что наследование распространяется «вверх» по всему дереву предков. На рис.1 показан пример наследования из СИМ-модели.
|
|
|
Рисунок 3 - Схема наследования
Из рисунка видно, что классы являются абстрактным понятием, не имеющим в СИМ-модели прямых связей в части размещения(трансформатор, как и уровень напряжения наследует свойства системных ресурсов, а не подстанции.). Далее, имеется обобщенный класс - коммутатоционное оборудование, наследниками которого являются выключатель и разъединитель (другие типы коммутационного оборудования не приведены для упрощения). И, наконец, графически стрелка направлена от класса потомка к классу предку.
Агрегирование. Агрегирование есть тип ассоциации, который показывает, что один класс является частью другого (обмотка является частью трансформатора). При агрегировании один класс содержит или включает другой класс, но включаемый класс не является наследником включающего. Агрегирование утверждает только факт включения, но ничего не говорит о связи по свойствам. Пример агрегирования показан на рис. 2.
Рисунок 4 - Агрегирование
На рис. 4 показано, что в состав подстанции входят такие классы как уровень напряжения, коммутационное оборудование и секция оборудования, реле защиты, измерительные датчики и аппаратура для телеметрических измерений. На первый взгляд кажется, что класс «трансформатор» не входит в состав подстанции. Но трансформатор является «наследником» класса «оборудование», который агрегирован в класс «контейнер оборудования», следовательно, по определению наследования, трансформатор включен в класс «контейнер оборудования». С другой стороны, класс «подстанция» является «наследником» класса «контейнер оборудования» и, следовательно, наследует агрегирование трансформатора.
двунаправленная ассоциация. Двунаправленная ассоциация является наиболее общим случаем ассоциации, при которой классы оставаясь независимыми обязаны ссылаться друг на друга. При этом, если при наследовании и агрегировании «старший» класс является уникальнам, то ассоциативных классов может быть сколько угодно. При построении ассоциации важно выделить класс «куда» и класс «откуда» для правильного определения кратности. Обычно класс «куда» имеет кратность «1…n», а класс «откуда» - «0,1».На рис.3 приведен пример ассоциации с кратностью. В этом примере, как и в предыдущих для упрощения опущены имена ролей.
На рисунке.3 показано, что с одним источником измерений связано от 0 до n измеряемых величин, что каждому измерению соответствует от 1 до n измеряемых величин, что множеству измерений (0..n) соответствует множество пределов (0..n) и что одному типу измерения соответствует множество измерений. Разница между измерением и измеряемой величиной состоит в том, что из нескольких однотипных измеряемых величин будет выбрано (алгоритмически) одно измерение для дальнейшего использования.
|
|
|
Пакеты МЭК
В нотации UML СИМ представляет собой набор пакетов, каждый из которых содержит в себе некоторое уникальное множество классов, связанных между собой ассоциативными связями. Набор классов в пакете определяется как с точки зрения их связей между собой внутри пакета, так и с целью упрощения создания конкретных моделей, облегчения понимания и обозримости всей модели в целом. Каждое приложение может использовать информацию из любого сочетания пакетов. На рис. 4 показаны пакеты основного и наиболее развитого стандарта МЭК 61970. Стрелка между пакетами согласно нотации UML означает зависимость. По UML между двумя пакетами зависимость существует только тогда,когда существует какая-либо ассоциация между двумя любыми классами, входящими в эти пакеты. (Необходимо иметь в виду, что зависимость между классами определяется наличием ассоциации и что зависимости не являются транзитивными). Ниже приводится перечень всех пакетов и краткое описание основных в уже принятых стандартах:
диспетчерский управление энергетический автоматизация
Рисунок 5 - Двунаправленные ассоциации
СИМ пакеты системы производства и распределения (Ядро (Core)
Пакет содержит классы, являющиеся общими для всех приложений и являющиеся родительскими классами для множества классов в других пакетах. Сам пакет является независимым, но все остальные пакеты зависят от него.
Топология (Topology)
Этот пакет представляет собой расширение пакета Ядро, которое вместе с классом терминал (Terminal) моделирует связность системы, т.е. определяет связи между оборудованием на физическом уровне. Кроме того, этот пакет позволяет моделировать топологию, т.е. определяет способ подключения оборудования с помощью коммутационной аппаратуры на логическом уровне. Топология не зависит от других электрических характеристик.
Токопроводящие элементы (Wires)
Этот пакет представляет собой расширение пакетов Ядро и Топология, и моделирует информацию о электротехнических характеристиках линий передачи и распределительных сетей. Этот пакет используется сетевыми приложениями, такими как оценка состояния, потокораспределение и оптимальное потокораспределение.
Измерения (Meas)
Пакет Meas содержит элементы, которые описывают динамику обменов данными измерений между приложениями
Генераторы (Generation)
Пакет Generation делится на два подпакета: производство (Production) и динамика генераторов (GenerationDynamics)
Производство (Production)
Этот пакет предоставляет модели для различных типов генераторов. Он также моделирует информацию об издержках производства, и используется для экономичного распределения нагрузки по действующим станциям и определения необходимого количества резервного оборудования. Эта информация используется приложениями модулей планирования пуска/останова и экономического распределения нагрузки тепло- и гидро электростанций, прогноза нагрузки и автоматического управления генерацией.
Динамика генераторов(.Generation Dynamics)
Пакет предоставляет модели для первичных движителей, таких как турбины и бойлеры, которые необходимы для имитационного моделирования и обучения.Эта информация используется приложениями для моделирования работы динамических обучающих тренажеров.
Модель нагрузки (LoadModel)
Этот пакет предоставляет модели для потребителей электроэнергии и нагрузки системы в виде графиков и связанных с ними данных. Здесь также учитываются обстоятельства, влияющие на нагрузку, например, времена года и тип дня.Эта информация используется приложениями прогноза нагрузки и управления нагрузкой.
Вывод из работы (Outage)
Этот пакет является расширением пакетов Core и Wires, моделирующим информацию о текущей и планируемой конфигурации сети. Эти элементы являются опциональными для обычных сетевых приложений
Защита (Protection)
Этот пакет представляет собой расширение пакетов Яджро и Сетевое оборудование, моделирующее информацию для аппаратуры защиты, например, реле. Эти элементы используются приложениями-тренажерами и приложениями, определяющими месторасположение неисправности в сети распределения.
Область значений (Domain)
Этот пакет представляет собой словарь данных для параметров и единиц. Эти параметры и единицы определяют типы данных для атрибутов (свойств) и могут использоваться любыми классами любого другого пакета. Пакет содержит определения основных типов данных, включая единицы измерения и допустимые значения. Каждый тип данных включает в себя атрибут, значение и единицу измерения (опционально). Единица измерения определена как статическая переменная, изначально заданная в виде текстового описания единицы измерения. Допустимые значения описаны в документации для атрибутов с использованием синтаксических конструкций языка UML и заключены в фигурные скобки. Длины строк перечислены в документации, и определены как свойство «длина».
Планирование (Energy Sheduling)*
Финансы (Financial)*
Резервирование (Reservation)*(Supervisor Control And Data Asquition)*
*отмечены пакеты, находящиеся в разработке.
Рисунок 6 - Диаграмма классов МЭК 61970
Рисунок 7 - Диаграмма классов МЭК 61968
|
|
|
