XML在智能电网中的应用

I. 引言

智能电网本质是数字电网，它是以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

我们目前使用的传统交流电网最早1896年投入运行，100多年过去了，一些功能有限的技术仍然被采用。传统电网越来越不能满足现代电力需求。现代智能电网的驱动力大致有4个：

1) 提高电网运行的可靠性、效率和安全度。

2) 分布式发电，提供多样化的电力来源。

3) 用电分析、数据挖掘与电量管理。

4) 绿色能源，可再生能源，引导环保经济。

美国2001年EPRI最早提出智能电网(Intelligrid)，并开始研究，欧洲2005年成立“智能电网(SmartGrids)欧洲技术论坛”，也将“SmartGrids”上升到战略地位展开研究。2009年美国政府成立特别小组研究管理智能电网并加大投资力度。目前，“智能电网”被大家普遍接受和认可，可以说，智能电网是未来电网发展的方向。

IEC TC57技术委员会建立了一系列可以用作智能电网的系列标准. 这些标准包括描述变电站自动化架构的IEC61850标准和描述公共信息模型(CIM)的IEC61968/61970。

I. XML在智能电网中的应用

A. XML技术介绍

XML(可扩展标记语言)是一个开放的标准，是一种类似HTML的标记语言。与HTML用于展示数据不同，XML被设计为用于传输数据，它是自描述的。

XML的语法规范由W3C定义在XML1.0规范中，它是应用程序之间的各种数据传输的最常用的手段，正成为越来越多的存储和描述信息领域的欢迎。

XML的特点：

1)XML在互联网直接可用。

2)XML支持各种应用。

3)易于编写程序处理XML文档。

4)XML文档易读，并合理地清晰。

5)XML设计能迅速进行。

6)XML文件易于创建。

目前XML已经发展为一系列的技术(见图1)，是一个在信息技术中无处不在的技术标准。

B. XML技术定义IEC61850标准

1 通信数据交换

IEC 61850标准是用于变电站自动化的设计标准，是在国际电工委员会 (IEC)的技术委员会57(57技术委员会)对电力系统的参考架构。标准定义的抽象数据模型可以映射到一些列的通信协议，目前能映射成MMS(制造报文规范)，GOOSE，SMV，并即将扩展到WEB服务。这些协议可以运行在高速以太网交换机上以获得4毫秒内的继电保护相应时间。XML是构成WEB服务的重要技术基础，因此，XML可以用于通信数据交换。

2 SCL配置

IEC61850标准采用XML Schema描述，SCL(变电站配置语言)也采用XML格式，XML是IEC61850配置信息交换的基础。IEC61850的特点包括：

1)数据建模，主要的过程对象或功能模块被建模为不同的逻辑设备LD和逻辑节点LN。

2)报告计划。

3)快速事件传输，定义通用变电站事件GSE用于快速传输，GSE细分为GOOSE和GSSE。

4)定值组。

5)采样数据传输。

6)命令，各种操作控制命令。

7)数据存储，变电站配置数据通过SCL存储。

由于XML的信息独立于平台之间，从而使得配置数据能够在不同厂商的智能电子设备(IED)间进行信息交换。这些XML格式的配置数据根据功能分为ICD、SSD、SCD、CID四个类型。

配置过程如下：

1)导入ICD数据到系统配置工具。

ICD是对IED的功能描述。通常由设备制造商提供，是符合标准定义的XML格式文件。

2)导入SSD数据到系统配置工具。

SSD包括变电站描述，以及所需要的数据类型模板和逻辑节点类型定义。

3)系统配置工具配置SCD。

SCD包括了IED的描述，变电站的描述以及通信系统的描述。

4)下装CID数据到IED。

CID是IED最终的配置文件，其内部的通信部分将会包含各个IED的IP地址等完整配置信息。.

IEC61968(针对分布式管理系统DMS)/IEC61970(针对能量管理系统EMS)的主要内容是：

1) 通用信息模型CIM和CIM XML.

2) 应用编程接口API，定义接口，是互操作的基础。

3) XML消息标准

1 CIM XML

CIM是定义了应用程序间配置信息与电网状态的标准模型，与IEC61850有重合的地方，CIM模型与IEC61850模型的比较与融合是一个专门的课题。

CIM提供了异构环境下不同资源描述与交互的手段，它是一个用于软硬件资源建模的面向对象的模型。该模型的元素是模式、类、属性和方法，而且还支持自定义扩展。目前的CIM是以UML模型的形式存在，因此在应用软件集成时可以根据需要演绎成XML模式(XML Schema)或RDF模式(RDF Schema)。

图2CIM XML数据交换模型

RDF(Resource Description Framework资源描述框架)是W3C推荐的用XML展示个体以及个体之间关系的知识表示语言。RDF内容包括模型、语义和模式。CIM XML就是RDF在CIM中的应用，也就是XML技术在CIM中的应用，这也是一个专门的研究课题。CIM XML的数据交换模型如图2所示。

2 互操作

应用编程接口API是各电力控制中心之间应用程序接口的国际标准，可以实现各中心之间以及中心内多种类异构系统之间的数据交换和信息共享。CIM是API的语义部分，也是互操作的重要基础。可见，互操作数据交换也采用的是XML格式。

Ⅲ. XML在智能电网的应用实例

介绍几个我们在智能电网实施过程中常见的几种XML应用。

A. IEC61850配置

IEC61850-6规定了实现设备互操作性的变电站配置描述语言(SCL),该语言用于根据IEC61850-5 和IEC61850-7 部分描述智能电子设备的配置和通信系统。系统配置器是一个独立于智能电子设备的系统级工具，它必须能够输入或输出按照IEC61850-6定义的SCL文件。

下面简单介绍我们最新开发的可视化系统配置器VisualSCD。VisualSCD的核心是SCL模型树，除了有其它系统配置器类似的XML解析模块、SCL导入导出模块、节点树属性表编辑模块、SCL校验模块，还包括XML Schema映射模块、图形编辑模块、SVG模块。下面详细介绍后面几个模块：

1 XML Schema映射模块

我们通过研究XML Schema技术，成功研发出XML Schema语义模型到程序内存中SCL语法模型的自动映射算法，在系统配置器启动的时候，快速地将IEC61850-6标准中八个XSD文件映射到内存上并建立起SCL分层模型语法树。在编辑SCL文档时，只需要从语法树中摘取相应的节点，就可以根据语法节点建立起SCL模型树中对应的语义节点。

2 图形编辑模块

在厂站视图中，可以通过画图操作添加删除一次设备，也可以通过连线操作为一次设备建立连接。在IED视图中，可以直观的看到一次设备与IED关系，也可以通过连线操作为IED之间建立GOOSE连接等等。图形化操作通过直观可视化的方式提高了工具的易用性，是以后系统配置器的发展方向。

3 SVG模块

厂站视图中配置好的图形是一张简要的厂站单线图，后台系统需要这样一张图，因此VisualSCD提供了对矢量图形SVG的支持，可以将厂站视图导出为SVG图形，后台系统可以导入该图形直接利用。这是以后变电站自动化系统统一模型的一部分。

图3 VisualSCD框架结构

厂站视图中配置好的图形是一张简要的厂站单线图，后台系统需要这样一张图，因此VisualSCD提供了对矢量图形SVG的支持，可以将厂站视图导出为SVG图形，后台系统可以导入该图形直接利用。这是以后变电站自动化系统统一模型的一部分。

B. 电力WEB

智能电网作为一个复杂系统，有三个主要元素：

1)数字化的设备，包括数字式传感器、智能电表等等

2)完备的数据收集体系和系统的数据整合体系。

3)高级数据分析与可视化。

Web 是一个非常重要的数据表现方式，并已成为通用实时平台一个重要的组成部分。并且，随着web 技术从信息领域进入应用领域，web 平台的从原来的以信息为中心逐步发展为以服务为中心，浏览器逐渐由原来的信息查询界面成为应用体系中成熟的用户交互界面，B/S 架构在分布式系统中也成为流行架构。

当前国家电网公司明确要求各级EMSWEB 系统采用WEB 通用技术开发， 不允许使用自定义控件技术。以SVG+Ajax 技术为基础的非控件方式是解决这个问题很好途径，将Ajax( Asynchronous JavaScript and XML)模式引入到WEB 系统中，并结合Ajax、SVG(ScableVector Graphics)等多项技术，实现了异步交互机制，可以支持厂站图的显示和刷新(如图4所示)。

图4 AJAX+SVG数据流

结 论

XML技术由于其独特的开放性在智能电网上大有可为，智能电网的实现离不开XML技术。

参考文献

[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

[4] “Extensible Markup Language (XML) 1.0”, W3C Recommendation,Feb.1998, http://www.w3.org/TR/REC-xml

[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 OReilly, September 2003,ISBN: 0-596-00420-6, p. 416.

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