СИМ модели и оперативно-информационные комплексы электроэнергетических систем

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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)*

SCADA (Supervisor Control And Data Asquition)*

*отмечены пакеты, находящиеся в разработке.

Рисунок 6 - Диаграмма классов МЭК 61970

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7 - Диаграмма классов МЭК 61968

СИМ пакеты для системы распределения (МЭК 61968)

МЭК 61968 построен, к сожалению, существенно иначе и менее удачно с точки зрения понимания и возможностей применения, чем МЭК 61970. Авторы пытаясь охватить все аспекты «существования» системы управления создали на внешнем уровне (top level) четыре пакета - контейнера никак неагрегированные между собой. Для создания единой системы уже выполнено интегрирование этого стандарта с 61970. Основными пакетами МЭК 61968 являются следующие:

Средства (Assets, дословно активы). Этот пакет является контейнером еще для четырех пакетов, описывающих активы объектов. Активы могут включать другие активы и входить с ними в ассоциации. Активы также могут иметь ассоциацию с классом «ресурсы энергетической системы». В состав пакета - контейнера входят следующие неагрегированные пакеты:

Базовые средства, т.е. классы общие для всех пакетов;

Поддержка и инспекция средств;

Линейное оборудование(средства) - линии, растяжки, опоры, кабели и т.п.

Узловое (дословно точечное) оборудование - выключатели, панели, измерительное оборудование.

Ядро 2. Этот пакет содежит основные функции, необходимые для управления распределенными системами.Авторы документа обращают внимание в спецификации, что этот пакет создавался параллельно с 61970 и ориентирован на 61968 -11. В случае использования классов пакета «Ядро» можно работать непосредственно с СИМ - представлением

Потребители (Consumer). Этот пакет представляется наиболее интересным в этом стандарте. Он содержит классы, описывающие пользователей электроэнергии, счета пользователей, тарифы, расчеты, связь с ERP партнерами и т.д. В МЭК 61970 эти сущности вообще не рассматривались.

Документация (Documentation). Пакет документации содержит 5 подпакетов, содержащих инструкции и описания для различных объектов как, например, порядок работы, право допуска, хранение документов. Пакет очень полезен как основа для создания системы хранения и доступа к документации, возможно с сохранением классов, но с добавлением атрибутов, учитывающих особенности национальной системы и законодательства (естественно, что такая работа должна выполняться, по меньшей мере, на уровне отраслевого стандарта). Основными пакетами, входящими в состав этого контейнера являются:

Пакет классов, описывающих основные наборы документов;

Пакет классов, описывающих «наследуемую» документацию, т.е. документацию, поступающую с оборудованием;

Пакет классов, описывающих документацию по выполнению и регистрации отключений;

Пакет классов, описывающих документацию по управлению нагрузкой;

Пакет классов, описывающих документацию по правилам допуска к выполнению тех или иных работ;

Информационная модель МЭК 61850

Информационная модель МЭК 61850 создана на основе и, практически, в полном соответствии с работами EPRI в этом направлении - CASM15 (Common Application System Model (Обощенная модель прикладной системы)) и GOMSFE92 (Generic Object Models for Substation & Feeder Equipment (Создание объектных моделей для подстанций и оборудования фидеров)). Эти документы создавались в 2000-2001г.г. и в их основу положена идеология объектно-ориентированного программирования, принятая в те годы всеми ведущими разработчиками систем автоматизации подстанций.

Система автоматизации представлена как «матрешка», на верхнем уровне которой находится объект «Сервер» (рисунок 6), в состав которого входят логические устройства (LD). LD, в свою очередь, имеют в своем составе логические узлы(LN), которые включают в себя описание данных и,далее, их атрибуты. С точки зрения UML это классическая схема последовательного агрегирования, но ни логическое устройство, ни логический узел не являются классами и даже пакетами, хотя в ряде мест графически все напоминает СИМ модель. Так логические узлы сгруппированы в 13 групп, каждая из которых состоит из нескольких сущностей и всего таких сущностей 92, из которых 38 это оборудование различного рода защит (В МЭК 61970 пакет «Защита» и связанные с ним). Единственный механизм наследования - наследование имени атетрибута и описание объекта для навигации.

Элементы этой модели имеют следующий смысл:

Сервер(Server) - это объект, обеспечивающий обмен данными как внутри подстанции, так и вне ее. Сервер имеет имя и адрес.

Логическое устройство (Logical Device) представляет собой виртуальное отображений физического устройства. Аттрибутами логического устройства являются такие как наименование устройства, производитель, год выпуска, дата последнего ремонта и т.п. Каждое логическое устройство имеет свой индивидуальный индификатор и его адрес есть адрес сервера и,через разделитель, идентификатор устройства.

Логический узел (Logical Node) получается в результате декомпозиции логического устройства на отдельные функциональные элементы, каждый из которых представляет собой элементарное устройство( для современных решений - интеллектуальное электронное устройство -IED) IED имеет свой адрес внутри логического устройства, т.е. к нему можно обратиться непосредственно. Обмен между логическими узлами внутри логического устройства решается производителем физического устройства.

Данные(DATA) - список данных, необходимых для выполнения логическим узлом своих функций. Эти данные имеют определенную струтуру и однозначно определенную семантику.

Аттрибуты данных (DataAttribute) - значения данных, которыми обмениваются сервера по определенным протоколам

Из этого описания видно, что описанные элементы схемы, строго говоря, не являются классами в СИМ модели, т.к. нет однозначности в их описании и поведении. Унификация модели достигается за счет унификации структуры данных, одинаковой для всех логических узлов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Базовая концептуальная модель МЭК 61850-7