CIM模型介绍

系统集成框架方案
1引言
电网自动化系统发展迄今已经经历三代：20世纪70年代基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统可以称为第一代，80年代基于通用计算机的EMS系统称为第二代，90年代基于RISC/UNIX的开放式分布式EMS/DMS系统称为第三代，第三代系统已经发展了近10年。

形成了EMS、调度生产管理、电费计量、配电网自动化、电力市场技术支持等，这些系统是根据实际生产和管理的需要而提出来的。

随着自动化技术的发展，有关生产厂家推出了各种与用户需求相适应的系统，这些系统已经和正在电力生产和管理中发挥作用。

实际情况是在同一个电力局，往往并存好几个由不同厂家生产的计算机系统。

这些系统可能采用不同的计算机平台、不同的数据库技术、不同的通信规约和不同的信息表达界面支持工具，完成各自定义的功能，然而系统与系统之间不能很好的互联，离真正的开放系统还有相当大的距离，主要表现在：•网络协议互不兼容
由于各个电力应用程序往往是由不同的开发商分别研制开发的，大多数采用各自的通讯协议，互不兼容。

这样使得各个系统通信问题复杂化，下一级系统要无条件地满足上一级系统要求，就要做大量而频繁地协议转换工作，很难实现各个子系统地相互通信。

•管理信息不能互通
在同一级的系统中，这些分离的子系统分别负责系统中的不同的功能内容，它们互相之间几乎没有信息交换，这给全系统综合应用造成了很大的局限性。

例如，前置机线路出现故障时，只能通过前置机画面监视，很难将信息反映到一些电力的高级应用上，从而使之发生错误，影响生产。

•缺乏对整个网络的综合管理
各个子系统在物理上互相连接，在功能上相互依赖。

但目前缺乏对整个电力应用的综合管理系统，不能实现在较高的层次上的电力系统综合应用，从而使电力应用的水平受到制约。

例如，数据库格式不统一，各个子系统按照自己的数据格式进行数据处理，造成数据库资源浪费。

•管理内容庞杂、操作界面多样
不同时期建立、不同厂商开发、未遵循统一标准的各种各样的子系统必然拥有形式多种多样的操作界面、具有千差万别的管理功能。

这种局面给电力应用系统的集中和一体化管理带来了极大的不便。

如果基于现有的系统来进行集成，则会形成以下的一个蜘蛛网图系统，随着系统的越来越多，各个系统间的关联，也会越来越复杂，只要其中一个系统发生变化，别的系统也必须跟着更改系统。

向对象技术、数据库技术、JA V A技术、中间件技术、多代理技术、厂站自动化技术、安全防护技术、电力市场运营技术等已经具备，新一代自动化系统将在新的世纪正式启动。

新配电网自动化系统的软件结构如图一所示，系统将各部件封装成对象，依次插在这个“接口体系”上，任何一个系统的变化，只要它遵循接口体系，则另外的系统就不需要有任何变化。

在用以上方式实现的系统中，可以集成不同厂家、运行于不同的计算机平台、采用不同语言实现的各种应用对象，并且这些应用对象可以很方便地拆卸和更换地。

集成系统是个松耦合地系统，它改变了以往系统以数据库为中心，所有数据由某一数据库管理系统管理地局面，数
据可能分散在各个应用对象中，数据访问代理为客户提供数据访问地透明性，保证系统中各应用对象地“即插即用”。

本文以下部分所描述的电网集成系统完全基于各种国际标准，其中：
下图表征电力系统整体数据通信协议体系，该体系分为5个层次，涉及4个标准，相互无缝连接，比较简明。

主站侧各应用系统应遵从IEC 61970系列标准（CIM/CIS）；各系统之间的通信应通过电力企业综合总线（UIB）标准IEC61968系列；厂站内的站级通信总线和间隔级通信总线都应采用基于以太网的IEC61850系列标准；主站和厂站之间的通信可采用IEC61850＋系列标准。

IEC61970 CIM/CIS
IEC 61968
IEC61850＋ 或
IEC 60870.6
TASE.2
IEC 61850
IEC 61850
映射层、公共应用接入层。

核心是公共信息模型，以IEC61970系列的CIM为基础，吸收WG14定义的配电网络模型、WG10－12定义的变电站模型、WG07的定义的控制中心模型和发电厂模型、AH－WG05定义的电力市场模型等，统一描述，综合而成。

公共通信映射的概念来自IEC61850系列的抽象通信映射，其根本目的是使统一的应用层数据帧能够映射到多种底层协议栈，对于专用实时数据通信，可通过极其简单的帧影射到底层的MMS、TCP/IP，以及W AN、LAN、专线；而对于非实时的信息交换，可通过XML文本文件的方式直接加载到底层和通过CORBA等中间件加载到底层；若需要在应用层进行安全加密，可插入相应功能模块。

公共应用接入层提供标准的应用程序接口（API），对于典型的客户/浏览器、浏览器/服务器结构的应用提供请求、应答服务原语；对于对等通信的基于连接方式，提供Open/Close、Read/Write基本服务原语，对于无连接方式（广播），提供Send/Receive服务原语；对于大批量的数据库访问，提供GetDB/PutDB服务原语。

对象数据库、通讯中间件技术、WEB 技术、国际标准等，为电力企业的配电自动化提供符合国际标准（CIM 、CIS 、UIB 等）的统一的支撑平台，在安全的前提下进行同类产品的集成。

2
介绍电网集成系统
信息模型
应用信息交换和数据访问
组件执行系统
应用程序与组件
组件执行服务：- 命名- 事件- 事务- 永久化- 安全
- 设备商业对象支持服务
2.1
IEC 61970
IEC （International Electrotechnical Commission ，国际电工技术委员会）建立电气领域和电工领域的标准以帮助解决这些领域中的问题。

IEC 61970系列现在由第57技术委员会第13工作小组负责准备。

该小组接受EPRI CCAPI Task Force （美国电力研究所控制中心应用程序接口小组）的工作成果。

EPRI CCAPI Task Force 的主要任务是建立标准的需求和草案，这些标准有利于：由不同的开发商开发的能量管理系统（Energy Management System ）的各个部分之间的集成；EMS 系统和电力系统领域内的其他系统的集成，例如发电管理系统（Generation Management System ）和配电管理系统（Distribution Management System ）的集成。

EPRI CCAPI Task Force 小组原来的方法是将服务集成化，但是最近两年方法已经转变为标准化组件接口。

所以，在最近提出的标准草案中，标准的内容主要是应用程序接口，这些接口使得各个应用程序无需知道别的应用程序的内部结构就可以访问公共数据和交换信息。

通用信息模型（Common Information Model ，CIM ）描述了这些应用程序接口的语义（semantics ），组件接口描述（Component Interface Specifications ，CIS ）描述了交换信息的内容。

IEC 61970系列的各个部分：
☐ IEC 61970-1，EMSAPI – Part 1：导则和总的需求； ☐ IEC 61970-2，EMSAPI – Part 2：术语；
☐ IEC 61970-301，EMSAPI – Part 301：通用信息模型的基础部分； ☐ IEC 61970-302，EMSAPI – Part 302：通用信息模型的财政、能量调度和备用调度部分； ☐ IEC 61970-303，EMSAPI – Part 303：通用信息模型的SCADA （Supervisory Control and
Data Acquisition ）部分；
☐ IEC 61970-401，EMSAPI – Part 401：组件接口描述框架；
☐IEC 61970-402，EMSAPI – Part 402：通用数据访问方法；
☐IEC 61970-501，EMSAPI – Part 501：通用信息模型的资源描述方法，CIM RDF （Resource Description Facility）Schema。

IEC 61970系列是个正在准备的标准，并没有正式发布，它的每个部分都在经常的修改中，并且会有新的部分被提出。

下图展示了EMS－API组件模型，其核心为组件执行系统或综合总线，相当于中间件，各类应用以三种方式之一接入：1、自然接入方式，应用程序完全按EMS－API设计，可以直接接入，适用于新开发的完全面向对象的应用系统；2、适配器方式，指将原应用系统通过API适配器接入，适应于已经部分采用面向对象技术的应用系统；3、整体封装方式，指对原传统应用系统不作任何修改，通过对其输入/输出进行EMS－API封装，从而实现接入，适用于传统应用系
发电控制、负荷预测、电能交换计划、计费结算、维修计划、历史数据管理、设备管理、通用用户界面、动态模拟、调度员模拟培训、配电网管理、电力市场运营等。

EMS－API参考模型基于组件技术，关键为方便分布计算环境的集成，重点是定义组件接口标准。

公用信息模型（CIM）是电力企业应用集成的重要工具，它包括公用类、属性、关系等，其类及对象是抽象的，可以用于许多应用，它是逻辑数据结构的灵魂，可定义信息交换模型。

EMS系统可能需要集成由不同厂家开发地应用，EMS－API提出了使用资源描述框架RDF 作为应用之间交换数据地统一数据模型，以利于系统集成地顺利进行。

RDF基于资源描述，结构松散，既能描述来自关系、层次以及面向对象数据库地结构化数据，又能描述来自WWW等
数据源地半结构化数据，而且与其他模型地转换相对简单。

在系统框架中，一切数据操作，包括数据读取、查询分解、结果合并等，均以资源描述为基础。

对于插入框架地具体应用而言，则根据不同情况按如下不同方式处理：
1、需要保留地应用软件，由封套完成现有地数据模型与RDF交换，保证数据以资源描述地形
式与框架或其他应用交互。

2、重新开发地系统，直接采用RDF作为数据模型，不需转换。

3、来自第三方地应用，由原开发方负责模型转换。

标准地数据访问服务包括三类：资源查询服务、资源标识服务和事件服务。

欲加入集成框架地任何应用对象，只要它需要向外界公开其全部或部分数据，就须实现以上三类数据访问服务。

而请求数据地客户方，也必须通过上述接口读取数据。

客户方在请求资源时，无需知道资源是由哪个或那些应用程序提供、资源如何标识，数据访问代理屏蔽了数据访问地细节，保证了应用程序“即插即用”地实现。

元数据仓库管理集成系统所需地各种数据字典，这些数据字典用于记载应用对象地注册信息，各应用对象可提供地公共资源地信息以及这些公共资源的模式信息，他们为应用数据对象的透明访问提供了基础。

元数据仓库作为对象请求代理ORB的一个对象，具有IDL描述的界面，该界面提供对数字字典的插入和查询功能。

元数据仓库界面有多种实现方式，可以借用商用数据库管理系统，如ORACLE、SYBASE 等，或采用现有的实时数据库管理系统。

通用可视化操作界面是集成框架的重要组成部分，它提供一系列图形制作、数据浏览和查询工具。

数据浏览和查询包括对集成系统中应用对象提供的公共数据及这些公共数据的模式的浏览和查询。

由于CIM采用面向对象的数据模型，因而通用可视化操作界面必须能够处理复杂的对象结构，实现基于复杂结构的查询。

它应能支持路径表达式、集合类型对象的查询和用户指定的联想查询。

图形制作工具是一个可扩展的工具包，除支持一般的图形制作外，还能根据需要添加新的作图工具，以便满足随时加入的新应用对象的需要。

作为集成框架的重要组成部分，通用可视化操作界面被封装成一个ORB对象，具有IDL描述的界面，该界面提供数据浏览及图形制作功能。

继承的应用软件必须加上封套，以实现标准的应用界面，标准的应用界面分为以下几个大类：
资源标识、量测值、告警事件、参数值修改事件、执行控制事件、数据存取工具、数据集文档。

不同应用软件的界面可以是以上各类界面的组合，但值得注意的是，凡是对外提供数据的应用必须实现资源标识和数据存取工具界面。

第三方软件的接入是集成信息系统需要解决的主要问题之一。

符合IEC61970标准接口的应用软件或加封套后符合标准的应用软件，必须在元数据仓库中登记，并定义其公用数据及模式，使其能被框架识别。

集成管理系统是一个松耦合地系统，其中地每个应用对象都是自治地，既可以从其他应用对象取得数据，也可以将一部分数据向其他对象开放，这种松耦合结构使得集成系统具有良好地可扩性，应用对象“插入”“卸出”方便。

集成系统中分散存放地数据应对访问数据地客户方透明，这种透明性是由数据访问代理实现地。

客户方地所有数据访问请求都交给数据访问代理。

它负责将请求分解，交给不同地应用对象处理，并将返回结果合并后交给客户。

数据访问代理必须实现IEC61970给出地三类标准数据访问服务，即资源查询服务、资源标识服务和
2.2IEC 61968
配电网管理系统框架结构所对应的国际标准为IEC 61968。

IEC61968标准族促进支持企业配电网管理的多种分布式软件应用系统的应用间集成。

与应用间集成相对，应用内集成针对的是同一应用系统中的程序，这些程序通常依靠嵌入底层运行环境的中间件相互通讯；而且应用内集成往往通过优化实现紧密的、实时的、同步的连接和交互应答或会话通讯模型。

与此相对，IEC 61968倾向于支持电力企业的应用间集成。

企业需要连接已建成的或新的（遗留的或购买的应用）不同的应用，这些应用由不同的运行环境支持。

因此，IEC61968涉及的是松耦合应用，这些应用在语言、操作系统、协议和管理工具有更多不同。

IEC61968倾向于支持需要在一个事件驱动基础上交换数据的应用。

IEC61968倾向于由在应用间代理消息的中间件服务实现，它将会补充企业数据仓库、数据库网关和操作存储而不是代替它们。

配电管理系统（DMS）由用于企业配电网管理的多种分布式应用部件构成。

这些能力包括供电设备的监视和控制、系统可靠性的管理、电压管理、需方管理、停电管理、工作管理、自动成图和设备管理。

我们将为接口参考模型（IRM）标示的每个应用类定义标准接口。

IEC61968使用统一建模语言（UML）定义符合标准的企业应用间基础结构的系统接口。

可扩展标记语言XML 是互联网专用的结构化文档交换的数据格式。

假设企业的停电管理系统（OMS）已经具备了向配电自动化系统（DAS）发送控制命令并从其中获得设备状态的能力。

当它满足企业的需求时，向DAS发出控制和获取数据的接口不需要改变。

但是，由于当配电设备改变状态时其他应用需要得到通知，DAS将通过中间件服务发布设备状态变化信息。

发布事件的另一好处是事件可以被事件历史应用记录在数据存储器中，该数据可以后来被用于生成多种类型的报表。

由于这些系统当中交换的许多信息对管理决策支持有用，数据仓库应用也被连接到IEC61968中间件服务上以便它可以接收发布的信息。

IEC61968要求一个符合IEC61968的企业应用间基础结构应满足：
1.应当允许部件交换任意复杂的信息。

2.应当能用多种形式的分布组件技术（比如：CORBA, DCOM，消息代理，面向消息中间件，关
系数据库，面向对象数据库或者其他）实现。

3.应当提供信息交换模型工具，用户可以使用该工具描述被交换的信息。

该工具提交给用户
事项模型和与模型相关的部件，并且允许将新的交换添加到旧的交换中，这样可以建立起一个为企业特殊需要裁制的广泛共同的交换模型，而不是独立模型的集合。

4.应当允许系统管理员独立于其他部件部署发布者部件以及/或者订阅者部件。

今天DMS应用的每个开发者可能有自己的应用体系结构、自己的API和自己的使应用与自己的其他产品接口的机制。

这些现存的应用作为服务的客户有非常重要的作用。

但是企业不能要求一个开发者把它的所有现存应用重建为符合框架的新版本。

甚至新的应用也不一定是符合框架的，而是使用已有的卖主特定的体系结构和应用接口。

因此，在实施IEC61968标准族的早期阶段不符合框架的部件可能将占到多数。

随着IEC61968更加广泛的被接受，符合框架的部件将更加广泛的可用。

2.3
如何实现接口
下图显示了当产生网络变化事件时各个系统之间进行数据交换的情况。

配电网计划、构造、维护和操作
发输电管理，企业资源管理（ERP），
物供和基本服务
对应DMS的外部系统
DMS功能
下图显示了如何进行辨识应用间数据交换的过程，这个过程一般61968都会给出所有的结果。

但如果需要在两个间进行特定的数据交换，而61968没有参考，则必须按照以下步骤来进行设计：
1、根据业务过程画出USE CASE（用例交互图）
2、根据用例交互图来演化出需要进行交换的类信息模型（扩展CIM）。

3、根据交互的数据量大小及实时性要求等条件来决定部件接口模型（CIS），有些用IDL
表示，有些用UML描述。

4、根据现场实际情况定义CIS中的具体内容。

下图为企业实施DMS时如果遵循61968、61970所需要进行的过程。

1、首先企业需要确定一个集成框架，即企业所遵循的一个计算机系统是什么样的网络系
统，希望底层的网络协议，选用什么样的数据库，什么样的WEB服务器。

当然最重要的是使用什么样的中间件平台和XML语法。

如今主要的中间件平台是CORBA、C OM ＋和EJB，标准所推荐的中间件平台是C ORBA。

2、选择企业需要的USE CASE和集成方案。

61968、61970提供了一系列标准的USE CASE，
企业可以根据自己的需要合适的选择几个USE CASE作为自己阶段的互联目标。

接着开发以UML表示法表示的事件序列图表。

在用例的支持下，事件序列图表清楚表示了用于各部分间信息交换序列的每个消息类型。

3、根据这些USE C ASE和集成方案来确定如何利用61968、61970所定义的部件信息模型
（CIM）和接口参考模型（IRM）。

4、如果系统中有新的USE CASE，并需要扩展或修改C IM，则定义C IM并将它融入到原
有系统中。

5、根据这个USE CASE和集成方案并利用已经定义好的C IM来产生新的消息类型，更改
接口参考模型。

6、询问各个供应商能否实现这个模型。

这里分三种情况，一供应商原来就已经考虑这个模
型，则不需要修改。

二供应商不能实现这个模型，则必须修改接口来实现这个模型。

三供应商已没有能力实现这个模型，则需要在外面包装适配器使之能够实现这个模型。

7、测试并部署新模型。

3介绍CIM
国际电工技术委员会IEC定义的两个系列标准IEC61968[38]和IEC61970[24, 25, 26, 27, 28]分别描述了配电管理系统和能量管理系统的应用程序接口。

两个系列标准共同定义了一种电力系统通用信息模型CIM(Common Information Model)。

通用信息模型CIM是电力企业应用集成的重要工具，它包括公用类、属性、关系等，其类(Class)及对象(Object)是抽象的，可以用于许多电力系统应用，它是逻辑数据结构的灵魂，可定义信息交换模型。

CIM已经被30多个电力企业所接受，29家开发商可以提供33种基于CIM的应用，CIM还被其它标准化组织所认可和引用[34]。

CIM提供了一个关于电力能量管理系统信息的全面逻辑视图，是一个代表电力企业所有主要对象的抽象模型，包括了这些对象的公有类和属性，以及它们之间的关系。

CIM提供了一个关于电力能量管理系统信息的全面逻辑视图，是一个代表电力企业所有主要对象的抽象模型，包括了这些对象的公有类和属性，以及它们之间的关系。

文献[25][26][27]详细描述了CIM的类以及类的属性和类之间的关系，需要指出的是：
●CIM不是数据库，而仅仅是数据模型(元数据)。

●遵从CIM意味着公用接口的数据表示符合CIM三方面的要求：语义－命名和数据的
意义，词法－数据类型，关系－根据与CIM其他部分的关系，可以找到与此相关的
数据。

●遵从CIM并不意味着数据库的结构与CIM的类图完全一致，也不意味着支持CIM的
所有方面。

为了建立一个能够进行开放的数据交换的EMS环境，第一步的工作就是参加信息交换的各个部分必须对共同的电力系统实体和他们之间的关系有一个多方约定的定义，这样各个部分才能进行有意义的信息交换。

CCAPI(Control Center Application Programming Interface)是美国的电力研究学院EPRI(Eletric Power Research Institute)的一个工程，旨在提供一种把各个独立厂商开发的应用程序组件合成到EMS中的方便性，而通用信息模型CIM正是EPRI CCPAI的一个奠基石。

CIM定义了一种表达电力系统资源以及它们的属性和关系的统一语法和语义。

随着世界各地电力专家的多年努力，CIM现在已经比较成熟，在EMS领域内获得了广泛的认可并且正在向DMS发展。

CIM是用UML(Unified Modeling Language)语言文档化了的一系列类图，包括了EMS中的传输网络分析、发电控制、SCADA及操作员培训模拟等。

UML定义CIM用了一种概要的方式，使得实现者不必限制在某种技术的范围之内。

下图是用UML表达的CIM类图的一个片段。

图中，CIM的基类是电力系统资源(PowerSystemResource)类，表达一个电力系统一般的组件。

在概念上，一个电力系统资源可以是一个设备（例如开关），也可以是包含设备的区域（例如变电所）。

在类的设计上，就是这些设备和包含设备的区域从电力系统资源类继承。

在整个CIM中，有两个内容层次：一个就是以电力系统资源类为中心，关注这些资源的本身的参数（例如电容的电导和电纳）、关联的参数（例如开关一端的电流）和所属关系，另一个是以Terminal （连接端）为中心，建立了传导设备的连接关系，从而形成了拓扑。

CIM Wires包的一个片段
从PowerSystemResource抽象类继承下来的子类分别代表不同的电力设备实体，比如线路、电容器、断路器、变压器以及变电所等。

类和类之间的关联也在图中表示出来，比如一个公司可以拥有多个电力系统设备，一个变电所有多个设备等。

CIM系统地定义了每个类的名字、属性和关联，建立了一个公共的数据字典，使得各个应用和系统能够很好地结合在一起。

为了更好地管理这个巨大的模型，CIM被分成多个包。

其中几个包的依赖关系如图4.2所示。

虚线代表依赖关系，虚线的尾处依赖于虚线的箭头处，比如SCADA包依赖于Meas包。

其中核心(Core)包包含了电力系统中大多数应用都会使用到的核心对象，几乎其它的每个包都要间接或直接依赖于这个包。

在这个包里，连接端(Terminal)类是一个非常重要的类。

每个传导设备包括若干个连接端。

这些连接端表示了这些传导设备空间上的连接信息。

在拓扑包中需要通过Terminal把传导设备和其他对象联系在一起，形成拓扑关系。

域(Domain)包和核心包是CIM中两个最基本的包。

在域包中，定义大量的基本数据类型用于其他的包的使用。

这些类型包括枚举类型、实数类型、整数类型、字符串类型和其他类型。

Wire包包含了输电网和配电网的电气特性信息。

拓扑(Topology)包通过传导设备的连接端连接情况，描述了网络的拓扑情况。

量包主要包含电力系统设备的量和这些量的值。

量(Measurement)类是量包中的核心类，表示各种量，这种量可以是通过测量得到的（例如通过采集获取的），也可以是通过计算得到的（例如是通过状态估计得到的），或者其他方法得到的（例如人工设置）。

电力系统资源类与量类的关联表示了该测量量是属于哪个电力系统资源的；连接端类与量类的关联表示了该量的空间位置。

量值(MeasurementValue)类描述一个量在各个不同时刻的状态。

根据不同的来源以及不同的时间，一个量对象可以关联着多个量值对象。

量包的类图如下图所示。