Zur semantischen Interoperabilität in der Energiebranche: CIM IEC 61970.

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1 Vera ¨nderungen der Ener-
gieerzeugung und -verteilung
Die Energiebranche befindet sich seit eini-
gen Jahren in einem starken, sich beschleu-
nigenden Wandel, der im Wesentlichen auf
zwei Beweggru ¨nde zuru ¨ckzufu ¨hren ist.
Zum einen werden die endlichen Ressour-
cen wie Kohle und ?l, deren Verbrennung
nach wie vor den Großteil der Energie zur
Stromerzeugung liefern, knapper und da-
mit teurer, so dass die Energieversorger
bemu ¨ht sind, dem Preisdruck auszuwei-
chen, indem sie Alternativen zu diesen
Ressourcen zur Energieumwandlung su-
chen [EURi01, 1ff.]. Dies zeigt sich vor
allem in den erneuerbaren Energien wie
Windkraft-, Solar, Wasser, Biogas- und
Geothermieanlagen. Zum anderen wurde
nicht zuletzt durch Vorgaben der Europa ¨i-
schen Union der energiewirtschaftliche
Markt geo ¨ffnet [EURi03, 1ff.]. Die Markt-
o ¨ffnung wurde durch das „Herauslo ¨sen“
der Netze aus den Unternehmen ermo ¨g-
licht (Unbundling), die bis dahin ha ¨ufig so-
wohl die Anlagen zur Stromerzeugung als
auch die Netze zur Stromweiterleitung
und den Vertrieb des Stroms an den End-
kunden umfassten. Durch die Umstruktu-
rierungen ist nun ein Marktumfeld entstan-
den, das es den Nachfragern des Produkts
Strom ermo ¨glicht, aus den Angeboten vie-
ler Stromanbieter zu wa ¨hlen. Daru ¨ber
hinaus wird die Abkehr von CO2-emittie-
renden hin zu nachhaltigeren Methoden
zur Stromerzeugung im Angesicht globaler
Vera ¨nderungen des Klimas als dringendes
Ziel angesehen, wie es z. B. auch im Kyo-
to-Protokoll formuliert worden ist.
Diese Entwicklungen
Auswirkungen auf die Energieversorger.
Eine Herausforderung besteht darin, die
Stromqualita ¨t auf einem hohen Niveau zu
halten, d. h. fu ¨r Stabilita ¨t von Spannung
und vor allem Frequenz zu sorgen. Dieses
Problem vergro ¨ßert sich, je mehr dezentra-
le Anlagen in das Niederspannungsnetz
einspeisen, wie es z. B. bei Windkraft-,
Photovoltaik und Biomasseanlagen der Fall
ist.
Weiterhin stellen sich auch an bisherige
IT-Systeme der Energiewirtschaft neue
haben massive
WIRTSCHAFTSINFORMATIK 49 (2007) 4, S. 1–9
Die Autoren
Mathias Uslar
Fabian Gru ¨ning
Dipl.-Inform. Mathias Uslar
OFFIS – Institut fu ¨r Informatik
Bereich Betriebliches
Informationsmanagement,
Escherweg 2
26121 Oldenburg
0441 9722-128
uslar@offis.de
Dipl.-Inform. Fabian Gru ¨ning
Universita ¨t Oldenburg
Abteilung Informationssysteme
26111 Oldenburg
0441 9722-209,
fabian.gruening@informatik.
uni-oldenburg.de
Eingereicht am 2007-02-12,
nach zwei ?berarbeitungen
angenommen am 2006-05-14
durch Prof. Dr. Udo Winand
Zur semantischen Interoperabilit?t in der
Energiebranche: CIM IEC 61970
Kernpunkte
Dieser Beitrag stellt das Common Information Model CIM der IEC (International Electrotech-
nical Commission) vor, welches als Norm 61970 gepflegt wird. Neben den Rahmenbedin-
gungen fu ¨r das „heutige“ CIM am Markt werden die historische Entwicklung des CIM, seine
Anwendungsgebiete und Serialisierungsformate sowie zuku ¨nftige Forschungs- und Einsatz-
aspekte des CIM in der Energiewirtschaft vorgestellt. Die dabei fokussierten Anwendungs-
fa ¨lle betreffen die Punkte:
& Nachrichtenbasierte Kopplung von Informationssystemen,
& Austausch von Stromnetzdarstellungen mit minimalem Datenoverhead,
& Datenqualita ¨tssicherung mittels ontologiebasierter Metadatenannotierung sowie
& Integration heterogener Standards im Energiebereich.
Der Beitrag stellt fu ¨r die einzelnen Anwendungsfa ¨lle Lo ¨sungen vor, die mittels des CIM ein
verbessertes Informationsmanagement ermo ¨glichen.
Stichworte: CIM, RDF, OWL, EAI, Differenzmodelle, Metadaten, Energiebranche
WI – Innovatives Produkt
Erschienen als:
Zur semantischen Interoperabilität in der Energiebranche: CIM IEC 61970
Mathias Uslar, Fabian Grüning
In: Wirtschaftsinformatik, 49(4), Vieweg Verlag,S.295-303, 9/2007

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Herausforderungen hinsichtlich der Inter-
operabilita ¨t innerhalb und zwischen den
Unternehmen z. B. der Austausch von
Netzzusta ¨nden zwischen ?bertragungs-
netzbetreibern (?NB) sowie die Modellie-
rung der neuen Komponenten im Energie-
markt.
Auf technischer Seite wird aufgrund der
Vielzahl der Anlagen zur Stromerzeugung
eine Kommunikationsinfrastruktur, die bis
in die Niederspannungsebene reicht, beno ¨-
tigt. Auf dieser Ebene befinden sich die
neu einzubindenden dezentralen Anlagen,
die zur Netzintegration ebenfalls angesteu-
ert werden mu ¨ssen. Dieser Aspekt der
Feldebenenkommunikation muss in der
Normung umfassend abgedeckt werden.
Zur Sicherstellung der Versorgungssicher-
heit und fu ¨r die Zukunftssicherheit der
Investitionen muss die Infrastruktur eine
hohe Ausfallsicherheit gewa ¨hrleisten und
skalierbar sein. Auf organisatorischer Seite
mu ¨ssen die Systeme eines Unternehmens
kompatibel zu denen der u ¨brigen Markt-
teilnehmer werden, um Strom als Gut
handeln zu ko ¨nnen. Eine Kompatibilita ¨t
zwischen Systemen eines einzigen Unter-
nehmens ist no ¨tig, um Umstrukturierun-
gen zu ermo ¨glichen, bei denen Datenhal-
tungen zusammengefu ¨hrt oder aufgespal-
ten werden, um so die Anforderungen des
Unbundlings zu erfu ¨llen [XiYX02, 192].
Im Rahmen dieses Beitrages werden vor
allem die technischen Implikationen der
genannten Vera ¨nderungen vorgestellt und
Auswirkungen auf die IT-Infrastruktur
speziell auf der Ebene von B2BI (Business-
to-Business-Integration) und A2A-Kopp-
lung (Application-to-Application) disku-
tiert [Zhao00, 106ff.], [Zhou, 66f.]. Es
werden neben den Grundlagen einer Do-
ma ¨nenontologie und eines Datenmodells
fu ¨r den Bereich der Stromwirtschaft, dem
Common Information Model CIM (IEC
61970-Familie), daher auch Anwendungen
in den Bereichen EAI (Enterprise Applica-
tion Integration), Austausch von Topolo-
giedaten sowie Metadatenverwaltung auf
Basis des CIM vorgestellt. Der Beitrag
schließt mit einer Darstellung zum aktuel-
len Stand der Nutzung des Common
Information Model (CIM) in der Praxis
sowie notwendigen ?nderungen fu ¨r einen
verbesserten Praxistransfer wie etwa der
Integration verschiedener Standards unter
Aspekten der semantischen Interoperabi-
lita ¨t.
2 Das CIM – eine Doma ¨nen-
ontologie fu ¨r den Energiemarkt
2.1
Common Information Model
Hintergrund und Aufbau des
Das CIM wurde Mitte der 90er Jahre am
EPRI Institut (Electric Power Research
Institute) in den USA entwickelt [Podm99,
3016]. Das EPRI ist ein unabha ¨ngiges Ener-
gieinstitut, das sich durch die Versorger fi-
nanziert. Das CIM stellt eine so genannte
Doma ¨nenontologie dar, d. h. ein Daten-
modell, welches Objekte fu ¨r den Bereich
der Energiewirtschaft sowie deren Relatio-
nen untereinander repra ¨sentiert und geeig-
net zur Verfu ¨gung stellt. Eine Ontologie ist
in diesem Kontext nach Gruber [Grub93,
199f.] eine explizite formale Spezifikation
einer gemeinsamen
(Begriffsbildung). Dabei werden durch das
CIM Konzepte sowie ein Vokabular fu ¨r
den Einsatz in verschiedenen Bereichen der
IT-Landschaftvon
unternehmen (EVU) bereitgestellt.
Ende der 90er Jahre ging die Verantwort-
lichkeit fu ¨r das CIM in die Ha ¨nde der IEC
(International Electrotechnical Commis-
sion) u ¨ber, die seitdem das CIM pflegt und
in eine internationale Norm [IEC03] u ¨ber-
fu ¨hrt hat. Aktuell wird das CIM als UML-
Modell (Unified Modeling Language) ge-
pflegt und zur freien Verfu ¨gung durch die
Normungsgruppen bereit gestellt. Es exis-
tieren verschiedene Serialisierungen (d. h.
Formate zum Austausch von Daten) des
CIM, welche im weiteren Beitrag vor-
gestellt werden. Das UML-Modell unter-
gliedert sich in Pakete, die unterschiedliche
Detaillierungsgrade aufweisen. So liegt der
Kern des CIM auf der Ebene der physika-
lischen Netze und nicht auf der betriebs-
wirtschaftlich relevanter Objekte und damit
auf einer Abstraktionsebene, die weit ent-
fernt vonObjektrepra ¨sentierungen
wertscho ¨pfende Prozesse ist. Das CIM um-
fasst Objekte und Relationen, die unter-
schiedlich detaillierten Paketen bzw. Ebe-
nen zugeordnet werden ko ¨nnen. Enthalten
sind beispielsweise Objekte zurDarstellung
von Stromnetztopologien wie Transforma-
tor,Leitungen, Leistungsschalter,
spannwerksbereiche und Lastkurven, aber
auch betriebswirtschaftliche Objekte wie
Vertra ¨ge, Kunden oder Fa ¨hrpla ¨ne. Bild 1
zeigt einen Ausschnitt aus dem UML-Mo-
dell des CIM im Bereich Netztopologie,
um ein Gefu ¨hl fu ¨r die Art der Modellierung
und der Hierarchie im CIM zu vermitteln.
Das Modell untergliedert sich in logische
und physikalische Ebenen, die miteinander
Konzeptualisierung
Energieversorgungs-
fu ¨r
Um-
verknu ¨pft werden. Dabei werden einzelnen
Relationen Kardinalita ¨ten zugewiesen, die
der Konsistenzsicherung dienen. Eine de-
taillierte Beschreibung der einzelnen Pake-
te des CIM findet sich in [Usla06a, 137ff.],
aus Gru ¨nden des Umfangs wird auf eine
Darstellung der einzelnen Paketinhalte ver-
zichtet.
Das CIM ist in seiner Breite und Tiefe
das am besten detaillierte Datenmodell im
EVU- und Multi-Utilities-Bereich und ge-
genu ¨ber seinemeinzigen
MultiSpeak [Mult03] wesentlich sta ¨rker
verbreitet. Neben dem CIM als Doma ¨nen-
ontologie bzw. PIM (Platform-Indepen-
dent Model in Sinne der Model Driven
Architecture MDA)
noch in der Schwester-Norm IEC 61968
typische Austauschprozesse und Daten-
strukturen fu ¨r spezifische Systeme wie
etwa Geoinformationssysteme (GIS), Cus-
tomer Support Systeme (CSS) oder Distri-
bution Management Systeme (DMS) defi-
niert. Diese Datenstrukturen bilden auf
Basis der CIM/XML-Serialisierungen von
fachlichen Objekten (Payloads) und somit
ein PSM (Platform-Specific Model) gema ¨ß
dem Konzept der MDA.
Zusammenfassend bietet das CIM eine
semantisch starke Beschreibung der Kon-
zepte, die in der Doma ¨ne der Energiebran-
che sowohl technisch als auch betriebswirt-
schaftlich relevant sind. An der Erstellung
wirken weltweit Unternehmen mit, so dass
sichergestellt ist, ein gemeinsames Ver-
sta ¨ndnis u ¨ber die Bedeutung von Konzep-
ten im Energiebereich zu erlangen. Das
CIM ist international genormt und hat sei-
ne Praxistauglichkeit bereits durch den
Einsatz in den USA und in China bewie-
sen. Es la ¨sst sich auf verschiedene Arten se-
rialisieren, um einen Datenaustausch auf
unterschiedlichen technischen Ebenen vom
„Eingebetteten System bis zum EAI-Ser-
ver“ zu ermo ¨glichen und so zu einem inte-
grativen Faktor bezu ¨glich der Kommuni-
kationsanforderungen in der Energiebran-
che zu werden.
Der folgende Abschnitt diskutiert die ver-
schiedenen Serialisierungen des CIM auf Ba-
sis des UML-Modells, die durch die IEC an-
geboten und in unterschiedlichen Anwen-
dungszusammenha ¨ngen verwendet werden.
Mitbewerber
werdenzusa ¨tzlich
2.2
InformationModel
SerialisierungendesCommon
Das CIM wurde zuna ¨chst eher als Thesau-
rus/Glossar und Vokabular denn als um-
fangreiches Datenmodell gesehen [Podm99,
3016]. Anfangs stand daher lediglich die
Begriffsbildung im Vordergrund. Spa ¨ter
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2 Mathias Uslar, Fabian Gru ¨ning

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wurde das CIM zu einem datenbankorien-
tierten Datenmodell weiterentwickelt. Es
entstand ein erstes E-R-Diagramm auf Au-
toCAD-Basis, danach eine Microsoft Ac-
cess-Datenbank, die das CIM darstellte
[Usla06a, 136], [WiSu06, 3]. Das CIM wur-
de schnell zu umfangreich, da viele ver-
schiedene Pakete fu ¨r verschiedene Klassen
von Anwendungssystemen
DMS sowie SCADA (Supervisory Control
and Data Acquisition), etc.) zur Verfu ¨gung
standen und la ¨ngst nicht alle in einer ein-
zigen Datenbank genutzt werden konnten.
Ferner spielte das Problem der Granulari-
(GIS,CSS,
ta ¨t der einzelnen Pakete eine Rolle. Unter-
schiedliche Detaillierungsgrade wu ¨rden bei
einer „CIM-Datenbank“ dazu fu ¨hren, dass
einige Anwendungsgebiete von einzelnen
Applikationen u ¨berhaupt nicht genutzt,
aber dennoch fu ¨r eine Kompatibilita ¨t und
Konformita ¨t implementiert werden mu ¨ss-
ten. Die IEC ging daher einen anderen
Weg und beschloss, das CIM als Ontologie
in UML-Form und nicht mehr als reines
Datenbankschema fu ¨r den Bereich der
Energieversorgung zu etablieren.
Durch die Verwendung eines Plugins fu ¨r
das verwendete UML-Werkzeug ist es
mo ¨glich, das CIM im XMI (XML Metadata
Interchange) Format zu exportieren und
weiterzuverarbeiten. Auf Basis des XMI
entstanden - getrieben durch die Anforde-
rungen der Anwender - weitere Serialisie-
rungen, welche im Folgenden vorgestellt
werden.
2.2.1
Interchange
XMI – XML Metadata
Der XMI Export der UML-Darstellung in
eine XML-Darstellung des Datenmodells
ist die Basisserialisierung des CIM, welche
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Bild 1 Ausschnitt aus dem CIM-Modell zur Netztopologie
Zur semantischen Interoperabilita ¨t in der Energiebranche: CIM IEC 619703

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auch stets durch die IEC mit einer neuen
Version des CIM zur Verfu ¨gung gestellt
wird. Die aktuelle Version (Mai 2007) ist
dabei das CIM 11rev0. Der Export ist
lediglich mit Werkzeugen mo ¨glich, die
die Version 1.3 der UML unterstu ¨tzen.
Auf Basis des XMI setzen Konverter auf
[Usla06b, 67], welche mittels integrierter
Parser das Datenmodell in eine andere
Form u ¨berfu ¨hren.
2.2.2
Language
XML – Extensible Markup
Die XML-Schemata fu ¨r das CIM werden
zur Definition oder Erstellung von eigenen
Nachrichtentypen fu ¨r EAI und B2B-Inte-
gration genutzt [DaUt04, 4]. Die Norm
IEC 61968 definiert verschiedene Anwen-
dungsfa ¨lle, abstrakte Schnittstellen und
Szenarien, die spezifische Objekte des
CIM umfassen. Fu ¨r diese Anwendungsfa ¨lle
werden Nachrichten durch die IEC vor-
definiert, die „Out-of-the-box“ eingesetzt
werden ko ¨nnen. Natu ¨rlich muss auch im
EAI-Bereich ein Anpassen der Nachrich-
ten mo ¨glich sein. Dafu ¨r existieren Werk-
zeuge wie etwa das quelloffene CIMTool
von Langdale Consultants oder die kom-
merzielle Lo ¨sung MDIWorkbench von
Xtensible Solutions [Usla06b, 68].
Basierend auf den Objekten des CIM
werden die ausgetauschten Nachrichten
mittels eines Werkzeugs erst semantisch
definiert (etwa u ¨ber Use-case-Diagramme
in UML-Werkzeugen oder Templates) und
dann Objekte gema ¨ß diesem Bauplan aus
dem XMI generiert. Bild 2 stellt diesen
Prozess dar. Dadurch ko ¨nnen angepasste
Nachrichten erstellt werden, die den Be-
du ¨rfnissen der Nutzer entsprechen und
eine vollsta ¨ndige CIM-Objektsemantik
umfassen. Anschließend wird der standar-
disierte Nachrichtenkopf der IEC fu ¨r das
Routing der Nachricht eingebunden. Die
Lo ¨sung ist dann fertig fu ¨r das Deployment.
Insgesamt dient die XML-Serialisierung
somit der Erstellung von kleinen Objekt-
strukturen mit CIM-Semantik. Fu ¨r ho ¨-
herwertige Konstrukte mit komplexeren
Zusammenha ¨ngen sind andere Serialisie-
rungen erforderlich, die nicht so „zer-
brechlich“ sind wie die Baumstrukturen
der XML-Instanzen.
2.2.3
Framework
RDF – Resource Description
Differenzierte Daten komplexer Strom-
netze mu ¨ssen zwischen einzelnen ?bertra-
gungsnetzbetreibern ausgetauscht werden,
um globale Anforderungen an die existie-
renden Verbundnetze zu erfu ¨llen. Unter
einem Stromnetz wird in dem Kontext die-
ses Beitrags die Erfassung und Darstellung
der physischen Objekte, ihrer Attribute
sowie weiterer dynamischer Informationen
wie Schalterstellungen oder Messwerte ver-
standen. Beim Austausch der Serialisierun-
gen dieser Netze fallen enorme Datenmen-
gen an (XML-Dokumente mit einer Gro ¨ße
von mehreren hundert Megabytes), ebenso
mu ¨ssen die Netze schnell auf ihre Gu ¨ltig-
keit durch den Empfa ¨nger u ¨berpru ¨ft wer-
den [UsDa06, 197], [IEC04a]. In den USA,
speziell in Kalifornien, existieren seit den
60er Jahren [Silb01, 1f.] Vorschriften fu ¨r
den Austausch von Daten zwischen den
einzelnen ?bertragungsnetzbetreibern. Die
NERC(North American
Council) legte das CIM als Austauschmo-
dell fu ¨r Stromnetztopologien fest [deRo01,
52], als Serialisierungsformat kommt dabei
RDF (Resource Description Framework)
in der XML-Form zum Einsatz [IEC04b].
Durch die Verwendung von RDF lassen
sich die Graphstrukturen der Stromnetz-
topologien einfacher als mit den Baum-
strukturen eines XML-Dokuments darstel-
len. Die in RDF-Graphen verknu ¨pften
Elementewerden
[deWZ01, 35] verarbeitet. Dabei werden
spezielle Profile fu ¨r die unterschiedlichen
Detaillierungsgrade eines modernen SCA-
DA definiert [McMo04, 230]. Diese Profile
legen fest, welche Objekte in einer Topolo-
gieserialisierung enthalten
bzw. du ¨rfen [deVo00].
Reliability
mit RDF-Parsern
sein mu ¨ssen
2.2.4
Language
OWL – Web Ontology
Die Verwendung von UML zeigt einige
Nachteile bei der Erstellung von fo ¨derier-
ten Ontologien fu ¨r das CIM. So ist es
schwierig, Modelle mehrerer Unternehmen
zusammenzufu ¨hren, Pakete des CIM ge-
trennt zu warten und weiterzuentwickeln,
das CIM mit anderen Industriestandards
zu verbinden und durch Dritte ohne IT –
oder Doma ¨nenvorwissen erweitern zu las-
sen. Zusa ¨tzlich besteht ein großes Problem
bei der Formulierung von semantischen
Bedingungen im Modell, beispielsweise
muss eine 345 kV Hochspannungsleitung
einer Umspannstation auch wieder an
einem 345 kV Anschluss eines anderen
Umspannwerks enden. Solche fu ¨r Men-
schen einfache, fu ¨r Systeme jedoch kom-
plexe Konsistenzbedingungen sind im Da-
tenmodell nicht auszudru ¨cken.
Die IEC setzt daher nach den guten Er-
fahrungen bei der Nutzung von RDF auf
dessen Weiterentwicklung
Ontology Language). Zusa ¨tzlich besteht
durch die Serialisierung des CIM mit
OWL die Mo ¨glichkeit, eine semantische
Integration mit anderen Standards zu errei-
chen, etwa u ¨ber Abbildungs- (Mapping)
oder Anpassungskonzepte (Alignment).
OWL(Web
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Bild 2
CIM
Erstellung von CIM-Nachrichten fu ¨r die nachrichtenbasierte Kopplung mittels
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Im Folgenden werden die kurz vor-
gestellten Serialisierungsformate durch drei
Anwendungsfa ¨lleEAI,
Stromnetzmodellen und Metadatenmana-
gement beschrieben. Neben diesen vor-
gestellten existieren noch zahlreiche An-
wendungen, die das CIM nutzen (vgl.
[LiSc00, 243ff.], [Li00], [ShCH02, 216ff.],
[Zhao00]).
Austausch von
3 Anwendungsgebiete fu ¨r
das Common Information Model
EAI - Enterprise Application Integration
Die Integration von heterogenen Anwen-
dungen, wie sie beispielsweise bei einem
EVU zu finden sind, bringt offensichtlich
eine Reihe von zu lo ¨senden Problemen mit
sich. Wie wird es ermo ¨glicht, monolithi-
sche Legacy-Anwendungen
FORTRAN-Anwendung mit einem mo-
derneren Client/Server System auf Net Ba-
sis zu koppeln? Wie kann man den
Anforderungen des informatorischen Un-
bundlings begegnen und beinah beliebige
Systeme Dritter mit Daten versorgen, ohne
dabei bestimmte Marktteilnehmer wegen
fehlender Kompatibilita ¨t zu diskriminie-
ren?
Eine Lo ¨sung fu ¨r diese Probleme ist das
Konzept der Enterprise Application Inte-
gration, kurz EAI. EAI ist definiert als Mi-
schung von Konzepten, Technologien und
Werkzeugen, die in ihrer Gesamtheit die
Integration von heterogenen Anwendun-
gen unterstu ¨tzen [Hamm05, 29f.]. Oftmals
wird dabei eine nachrichtenbasierte Kopp-
lung mit der Nutzung von Web Services
eingesetzt, um die Integration eigensta ¨ndi-
ger Anwendungen zu erreichen.
Fu ¨r dieDefinition
getauschten Nachrichten im XML-Format
zwischen Systemen und Komponenten
werden entsprechende Schemata durch die
IEC zur Verfu ¨gung gestellt. Die vordefi-
nierten Nachrichten des IEC 61968 Stan-
dards werden direkt innerhalb der Nor-
mung festgelegt [Robi02b]. Um kompa-
tible und standardisierte Schnittstellen zu
erhalten, lassen sich durch die Umsetzung
eines MDA-Ansatzes auf Basis des CIM
mittels Codetransformationen aus dem
UML-Modell u ¨ber das XMI auch benut-
zerdefinierte, eigene
CIM-kompatibler Semantik erzeugen.
Das CIM als UML-Modell ermo ¨glicht
den Export von XML-Schemata, die auch
die spezifischen Vererbungen und Ab-
ha ¨ngigkeiten des CIM widerspiegeln. Aus
wieeine
derdabeiaus-
Nachrichtenmit
der XMI-Serialisierung lassen sich durch
Transformationen u ¨ber
Frameworks oder spezialisierte Tools auf
Basis derselben fachlichen Modelle direkt
die verschiedenen im Prozess beno ¨tigten
Codeobjekte erzeugen.
Dabei kann es sich beispielsweise um
Code zur Erzeugung CIM-kompatibler
Datenbanktabellen fu ¨r eine SQL-basierte
Datenbank in Form von DDLs (Data Defi-
nition Language) handeln oder aber um
einen Ausschnitt aus dem CIM, der eine
einzelne Nachricht fu ¨r einen Schritt eines
EAI-Prozesses darstellt. Es ko ¨nnen so auf
Basis der fachlichen
OWL) direkt aus dem Modell Nachrich-
tenschemata erzeugt werden, die immer
standardkompatibel sind und direkt in
einem orchestrierten Prozess auf einer
EAI-Plattform eingesetzt werden ko ¨nnen.
Durch verschiedene Validierungstools (vgl.
[Usla06b, 66f.]) lassen sich die erzeugten
Nachrichten auch bezu ¨glich der Standard-
schemata der IEC validieren.
Innerhalb einer service-orientierten An-
wendungslandschaft eines Energieversor-
gers lassen sich unter Verwendung der
Konzepte des CIM die beno ¨tigten Objekte
vollsta ¨ndigsemantisch
Fehlen bestimmte Attribute oder Objekte,
lassen sich diese einfach in einem projekt-
spezifischen UML-Modell integrieren, ein
Export in XMI durchfu ¨hren und durch
Tools die gewu ¨nschte Nachricht generie-
ren. Sind nur zusa ¨tzliche Objekte no ¨tig,
lassen sich diese durch die Namespace-Me-
chanismen in XML sehr schnell mittels
Werkzeugen wie Altova Mission Kit in die
Nachricht einpflegen.
Durch die Mo ¨glichkeit der schnellen
Codegenerierung bietet das CIM in EAI/
B2B-Integrationsprojekten
versorger einen in der Praxis spu ¨rbaren
Fortschritt im Bereich der semantischen
IntegrationundStandardisierung.
CIM-Nachrichten ko ¨nnen zur fachlichen
Kopplung der heterogenen Systeme im
Energiemarkt eingesetzt werden und so die
Probleme des Unbundling, welches die
Trennung existierender Systeme aber auch
die standardisierte Kommunikation mit
neuen Dritten erzwingt, lo ¨sen.
Codegenerator-
Abbildungen(in
standardisieren.
fu ¨rEnergie-
Die
Austausch von Stromnetzmodellen
Auf Basis des CIM ko ¨nnen Netztopolo-
gien serialisiert werden. Die durch die
Serialisierung entstehenden Instanzmodelle
sind zwischen den Marktteilnehmern aus-
tauschbar und durch Parser und Profile
validierbar. Dies fu ¨hrt dazu, dass die be-
reits im Beitrag genannten Anwendungs-
systeme wie SCADA, DMS oder Netz-
zustandsvorhersage u ¨bergreifend den CIM
Standard implementieren ko ¨nnen und in-
ner- und außerhalb des Marktes ein ge-
meinsames Datenformat etabliert werden
kann [UsDa06, 197f.].
Ein solches Modell wurde in Kalifornien
(USA) eingefu ¨hrt und ist dort auch gesetz-
lich als Format zum Austausch fu ¨r die dor-
tigen ISO (Independent System Operator)
vorgeschrieben [deVo00], [IEC04b]. Auf-
grund der Gro ¨ße und Ha ¨ufigkeit der aus-
getauschten Daten ist es mit existierenden
Parsern jedoch zeitaufwa ¨ndig, bei kleine-
ren Schalta ¨nderungen oder Ausbauten des
Netzes aus Sicherheits- und Netzvertra ¨g-
lichkeitsgru ¨nden stets die gesamte Topolo-
gie eines großen Umspannwerkbereiches
erneut auszutauschen und zu verarbeiten.
Ein solcher Umspannwerksbereich umfasst
meist mehrere Umspanner, dutzende von
Leitungen und dutzende von Erzeugern
und Verbrauchern, die u ¨berwacht werden
mu ¨ssen.
Eine Lo ¨sung zur Reduktion des ab-
soluten Datenverkehrs ist die Nutzung
eines Differenzmodells, bei dessen Ver-
wendung ein so genanntes Diffgramm ge-
neriert wird, welches die ?nderungen an
der aktuellen Standardtopologie umfasst
(a ¨hnlich[BeCo06]).
wird anschließend zwischen den Systemen
der Marktteilnehmer (hier meist ?bertra-
gungsnetzbetreiber) ausgetauscht und ver-
arbeitet [Britt06]. Im konkreten Beispiel in
Bild 3 kann man die unterschiedlichen ?ste
des XML-Baumes, die Forward- und die
Reverse-Differences
Core Metadaten erkennen. Das Beispiel
zeigtdrei typische
Stromnetzes, ein Statement a ¨ndert den
Normzustand eines Trennschalters, ein
weiteres setzt das untere Spannungslimit
einer Leitung ho ¨her, ein drittes erho ¨ht
einen beliebigen Grenzwert in Form einer
Fließkommazahl. Dieses Diffgramm kann
auf eine Topologie, wie im folgenden Ab-
schnitt erla ¨utert, angewendet werden. Es
wird ein RDF-basierendes Mechanismus
implementiert.
Das Vorgehen ermo ¨glicht ?ndern, Ein-
fu ¨gen und Lo ¨schen von Knoten im RDF-
Graphen. Kombiniert man dieses Modell
mit Versionierungsmechanismen und Zeit-
stempeln, ist es mo ¨glich, unter Verwen-
dung einer Art von Tagebuchfunktion
?nderungen zu protokollieren und auf
Basis einer Standardtopologie bis zu einem
definierten Zeitpunkt nachzufahren. Dies
senkt die Menge der ausgetauschten Daten
(inkl.XML-Overhead)
Marktteilnehmern, ohne jedoch die Anfor-
DiesesDiffgramm
sowie die Dublin
?nderungen eines
zwischenden
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Zur semantischen Interoperabilita ¨t in der Energiebranche: CIM IEC 619705

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derungen an eine gu ¨ltige Darstellung zu
verletzen. Der Bedarf nach einer standardi-
sierten, schnellen und maschinenlesbaren
Methode zur ?bertragung von Informa-
tionen u ¨ber Stromnetze zwischen ?bertra-
gungsnetzbetreibern kann so gedeckt wer-
den.
Dabei erweist sich die RDF-Serialisie-
rung des CIM als sehr nu ¨tzlich. Fakten
u ¨ber das Stromnetz werden als Tripel ge-
speichert und miteinander verknu ¨pft. Eine
Persistierung in Tripelspeichern ist mo ¨g-
lich, die Differenzmodelle lassen sich wie
normale RDF-Daten behandeln. Ein Vor-
teil ist die starke Semantik gegenu ¨ber der
zerbrechlichen XML-Baumdarstellung. Es
ko ¨nnen sich RDF-IDs zwischen den Syste-
men der Teilnehmer beliebig unterschei-
den, solange innerhalb des Dokumentes
die einzelnen Objekte korrekt referenziert
werden. Dies alles fu ¨hrt zu einer robusten
Lo ¨sung zur Serialisierung von Netztopolo-
gien mit Realweltanforderungen, die mit
minimalem Datenoverhead umgesetzt wer-
den ko ¨nnen.
Metadatenmanagement
In einer Vielzahl von Anwendungsfa ¨llen ist
es no ¨tig, u ¨ber die eigentlichen Daten
hinaus, die relevant fu ¨r die u ¨blichen Ge-
scha ¨ftsprozesse sind wie z. B. Kunden-
oder Anlagedaten, Metadaten zu verwal-
ten, die Informationen u ¨ber die Daten in
der Datenhaltung enthalten. Beispielsweise
ko ¨nnen Aussagen u ¨ber die Glaubwu ¨rdig-
keit hinsichtlich der Qualita ¨t oder der Ver-
trauenswu ¨rdigkeit der Quellen der Daten
getroffen werden [Gru ¨n06, 501ff.]. Viele
Datenschemata, die z. Zt. in den Unterneh-
men existieren, bauen auf Datenmodellen
in relationalen Datenbankmanagementsys-
temen auf und lassen keine flexible Anpas-
sung fu ¨r Anwendungsfa ¨lle zu, die nicht
zur Zeit der Erstellung der Datenschemata
bekannt waren. Die RDF-Darstellung eig-
net sich fu ¨r diese Aufgabe viel besser, da al-
le Entita ¨ten auch u ¨ber die lokale Datenhal-
tung hinaus eindeutig referenzierbar und
damit annotierbar sind, indem Aussagen
u ¨ber die Entita ¨ten getroffen werden. Im
Folgenden wird eine Methode erla ¨utert, die
es ermo ¨glicht, Daten aus bestehenden Da-
tenbankmanagementsystemen auf CIM ab-
zubilden und zugleich eine Flexibilita ¨t des
Datenschemas zu realisieren, um unter an-
derem dem genannten Anwendungsfall zu
genu ¨gen.
Die Grundlage der Abbildung der Sche-
mata bildet eine Abbildungsanweisung, die
in D2RQ [BCGM07a] geschrieben wird
und in RDF serialisiert ist. Die Vorschrift
bildet die Spalten der Tabellen des relatio-
nalen Datenbankschemas auf die Konzepte
und Eigenschaften der Zielontologie, hier
CIM, ab. D2R Server [BCGM07b] ist ein
WIRTSCHAFTSINFORMATIK 49 (2007) 4, S. 1–9
Bild 3Diffgramm mit der ?nderung einzelner Objekte in einem Stromnetz
6 Mathias Uslar, Fabian Gru ¨ning

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Dienst, der die Abbildungsvorschrift ver-
wendet, um Anfragen, die in der RDF Ab-
fragesprache SPARQL (SPARQL Protocol
and RDF Query Language) [SPAR06] ge-
stellt werden, in SQL-Abfragen (Structu-
red Query Language) umzuwandeln, an
die relationalen Datenbank-management-
systeme zu schicken und die Ergebnisse als
RDF aufzubreiten, die als Antwort zu-
ru ¨ckgeliefert werden. Diese Antwort ist
damit strukturell CIM konform.
D2RQ und D2R Server dienen als Abs-
traktionsebene, die es ermo ¨glicht, Legacy
Datenbankmanagementsysteme
auf den relationalen Datenmodell in aktuel-
le Systeme einzubinden, die auf Basis von
Ontologien arbeiten. Die Vorteile, die da-
raus erwachsen, sind das geteilte Versta ¨nd-
nis, das durch die gemeinsame Erstellung
einer Ontologie erreicht wird, die niedrige-
re Kommunikationshu ¨rde und die ho ¨here
Flexibilita ¨t bei ?nderungen der Daten-
strukturen durch die Anpassung an eigene
oder neue Bedu ¨rfnisse oder Annotation
der Daten und Schemata. Somit ist es mo ¨g-
lich, die Softwaresysteme eines Unterneh-
mens mit minimalem Aufwand und mini-
maler Fehleranfa ¨lligkeit auf den aktuellen
Stand der Technik zu bringen und die
Daten der Altsysteme fu ¨r die etablierten
Gescha ¨ftsprozesse weiter zur Verfu ¨gung
zu haben.
Zur Verwaltung der Metadaten wird
zusa ¨tzlich ein nativer RDF-Speicher beno ¨-
tigt. Es gibt verschiedene dieser Speicher,
als Beispiel sei exemplarisch das Projekt
SESAME [KaBr07] genannt. Ein Beispiel
fu ¨r eine Annotation einer Entita ¨t, die in
einem solchen nativen RDF-Speicher abge-
legt wird, ist in Bild 4 zu sehen.
Hier wird eine Aussage u ¨ber die Glaub-
wu ¨rdigkeit des Zustandes der Datenhal-
tung getroffen, derer nach eine Windkraft-
anlage, die die interne Bezeichnung „X“
hat, 76 Ausfallstunden hat (graue Ellipse).
Die Windkraftanlage ist eine Entita ¨t, die
zusa ¨tzlich zur internen Bezeichnung auch
eine RDF-spezifische Bezeichnung, die
sog. URI (Uniform Resource Identifier),
hat, die verwendet werden kann, um wei-
tere Aussagen u ¨ber diese Entita ¨t zu treffen.
Da die URI auch u ¨ber die lokale Datenhal-
tung hinaus eindeutig ist, ko ¨nnen auch
Aussagen außerhalb der Datenhaltung u ¨ber
diese Windkraftanlage getroffen und dieser
Anlage zugeordnet werden. Damit ist es
mo ¨glich, die Metadatenhaltung von der der
u ¨brigen Daten zu trennen.
In diesem Beispiel besteht die Annotation
(„eineAnnotation“) darin, dass die Angabe
der Ausfallstunden („hatAusfallstunden“)
als unglaubwu ¨rdig bewertet wird, weil die
basierend
Sensorenausgefallen sind („SensorAusgefal-
lenWertUnglaubwu ¨rdig“). Diese Annotati-
on kann ohne die Vera ¨nderung des Daten-
schemas erfolgen, so dass auch andere Meta-
daten, die z. B. in
sinnvoll werden, die zur Zeit der Erstellung
des Systems nicht bekannt oder relevant wa-
ren, einfachhinzugefu ¨gtwerdenko ¨nnen.
Der aktuelle Stand der Technik macht es
mo ¨glich, hohe Flexibilita ¨t in den Datenhal-
tungskomponenten der Unternehmen zu
erreichen, indem sowohl die Daten als auch
deren Schemata anpassbar und annotierbar
sind. Damit kann die Datenhaltung schnell
auf a ¨ußere Einflu ¨sse (z. B. vera ¨nderte Ge-
setzeslage mit Auflagen zur verpflichten-
den Dokumentation bestimmter Ereignis-
se, neue Kommunikationspartner mit eige-
nen Anforderungen) reagieren, die zur Zeit
der Erstellung des Systems noch nicht
absehbar waren. Es erho ¨ht sich die Reak-
tionsfa ¨higkeit des Unternehmens, so dass
eine bessere Positionierung am Markt
mo ¨glich ist.
Gescha ¨ftsprozessen
4 Ausblick und Zusammen-
fassung
Das CIM erfu ¨llt aktuell alle wesentlichen
Anforderungen, die die IT-Landschaft eines
Energieversorgers
stellt. Es ist innerhalb einer nachrichtenba-
sierten Architektur direkt als fachlicher
Standard fu ¨r die Anwendungsintegration
einsetzbar. Durch die umfangreiche Werk-
zeugunterstu ¨tzung (Quelloffene und aus-
gereifte kommerzielle Werkzeuge) und die
Nutzung von Methoden der modellgetrie-
benen Entwicklung ko ¨nnen viele relevante
Codeobjekte im Bereich EAI direkt er-
zeugt werden, ohne dass umfangreiche
Mehrfacharbeiten oder manuelle Anpas-
sungen no ¨tig werden. Die XML-Nachrich-
ten des CIM lassen sich u ¨ber Web Services
innerhalb eines SOAP Umschlags (Simple
Object Access Protocol) austauschen, ein
spezieller EAI-Nachrichtenkopf fu ¨r die
Nachrichten wurde durch die IEC defi-
niert. Dennoch ist das CIM bislang nur in
den USA und in China verbreitet und dort
in verschiedenen Bereichen bereits gesetz-
lich vorgeschrieben [WiSu06, 3f.].
Zu einer weiteren Verbreitung des CIM
ko ¨nnen vor allem neue Anwendungsgebie-
te und Formate beitragen. Ein Ansatz, das
CIM als Basis fu ¨r die semantische Integra-
tion zu nutzen, ist das OWL-Modell des
CIM. Werden andere Standards in OWL
modelliert, so lassen sich u ¨ber Anpassung
die verschiedenen Konzepte und die ver-
waltetenDatenintegrieren
108ff.], [MiTa04,617ff.].
anein Datenmodell
[Wach01,
WIRTSCHAFTSINFORMATIK 49 (2007) 4, S. 1–9
Bild 4Beispiel einer Datenannotation
Zur semantischen Interoperabilita ¨t in der Energiebranche: CIM IEC 619707

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Neben den vor allem im Integrations-
bereichgenutzten
Nachrichten existieren noch RDF-Schema-
ta fu ¨r das CIM, welche besonders bei der
Darstellung von Stromnetztopologien ge-
nutzt werden und dort wegen der besseren
Ausdrucksmo ¨glichkeiten von RDF Vortei-
le bieten. Es existieren Werkzeuge zur gra-
phischen Modellierung von Stromnetzto-
pologien und der Erzeugung von Diff-
grammen, weiterhin sind Standards fu ¨r die
Darstellung der CIM/XML Topologie-
daten mittels SVG (Scalable Vector Gra-
phics) und GML (Geography Markup
Language) bereits in der ersten Phase der
Normung.
Ineinemweiteren
haben wir die Mo ¨glichkeit des in RDF for-
mulierten CIM aufgezeigt, Metadaten zu
annotieren, um Aussagen u ¨ber z. B. die
Glaubwu ¨rdigkeit oder Qualita ¨t der Daten
zu machen. RDF ermo ¨glicht es, die Daten-
haltung eines Unternehmens flexibel zu ge-
stalten, da keine Anpassung der Daten-
schemata no ¨tig ist, falls Daten gespeichert
werden sollen, die zur Zeit der Erstellung
der Datenschemata nicht bekannt waren.
Dies ist z. B. no ¨tig, wenn Gescha ¨ftsprozes-
se angepasst oder neu erstellt werden oder
sich die Gesetzeslage a ¨ndert.
Die IEC arbeitet an einer Harmonisie-
rung des CIM mit anderen Standards im
Bereich der Energieversorgung (beispiels-
weise Feldebenenkommunikation auf Basis
des IEC 61850 Standards [BrBu03, 25ff.],
[KoPF04, 2ff.], [KFPK04, 3f.]), dabei dient
das CIM als Basis fu ¨r eine semantische In-
tegration. Weitere Initiativen betreffen die
Nutzung des CIM als Core Component
bei der Einfu ¨hrung der UN/CEFACT Mo-
deling Methodology (UMM) [HoHN04]
und eine Anpassung an existierende Stan-
dards im Bereich der kaufma ¨nnischen Da-
tenhaltung bei Energieversorgern. Diese
Standards u ¨berlappen sich semantisch teil-
weise mit dem CIM, so dass eine Integra-
tion angestrebt werden sollte. Im Rahmen
einer solchen Integration kann das CIM
auch zu einem Modell fu ¨r den Multi-Utility
Bereich speziell im Bereich der Gasversor-
gung ausgebaut werden [WiSu06, 6].
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programinterface
programinterface
WIRTSCHAFTSINFORMATIK 49 (2007) 4, S. 1–9
Abstract
Towards semantic interoperability in the utility domain: CIM IEC 61970
This contribution provides an introduction to the Common Information Model CIM which is
an international standard maintained by the International Electrotechnical Commission IEC.
Today’s market requirements towards the model are discussed, furthermore, we give an in-
troduction to the history of the CIM, its serializations and scope of application. The contribu-
tion concludes with an overview of future use of the CIM for both science and commerce.
Briefly, we focus on:
& Message-based loose coupling of information systems,
& Exchange of power grid topologies with minimal communication and data overhead,
& Data quality assurance using ontology-based meta annotations and
& Integration of heterogeneous standards in the utility domain.
The contribution presents solutions to the use cases providing a better information manage-
ment for the utility utilizing the Common Information Model.
Keywords: CIM, RDF, OWL, EAI, Difference Models, Metadata Annotation, Utilities Do-
main
8 Mathias Uslar, Fabian Gru ¨ning

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