基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力參數(shù)監(jiān)控模型設(shè)計

曾昌國，喬正洪

(重慶三峽水利電力(集團)公司 a.供電公司;b.信息中心，重慶 404000)

IEC61850是變電站自動化的最新國際標(biāo)準(zhǔn)［1－4］，它不僅是傳統(tǒng)意義上的通信協(xié)議，而且其實質(zhì)是一種變電站自動化功能建模方法。由于它采用抽象的功能建模和分析方法，引入了許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)思想、概念與支撐工具，因此，該標(biāo)準(zhǔn)龐大而復(fù)雜，對變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計的軟硬件水平提出了更高的要求。要全面實現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，實施中也存在一系列需要深入研究解決的問題。為此，本文對基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力參數(shù)監(jiān)控模型設(shè)計進行探討。

1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)涵

如圖1所示［5］，該標(biāo)準(zhǔn)共分為10個部分，分別給出了一致性測試、通信服務(wù)、通信語義、通信實現(xiàn)與配置描述語言等5類規(guī)范。Part－10對系統(tǒng)和設(shè)備一致性測試的方法、等級和環(huán)境以及設(shè)備要求等作了規(guī)定，以驗證系統(tǒng)和設(shè)備的一致性。對設(shè)備信息交互與過程作了約定:Part－7－2定義了規(guī)范各種功能服務(wù)的抽象通信服務(wù)接口ACSI;Partr－5對自動化功能提出了基本通信要求;Part－7－3定義了具備SAS/SCADA基本語義的公共數(shù)據(jù)類;Part－7－1/4定義了表征基本自動化功能的邏輯節(jié)點及兼容邏輯節(jié)點類，構(gòu)成了設(shè)備之間交互信息的語義約定;Part－9－2定義了向基于IEC 8802－3的過程總線的映射;Part－9－1定義了向串行單向多路點對點傳輸網(wǎng)絡(luò)的映射;Paer－8－1定義了向MMS的映射;Part－8－x/9－x定義了ACSI向具體的通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議映射的方法;Part－6定義了變電站配置描述語言SCL。由上述可知，IEC 61850不是一般意義下的通信協(xié)議，它蘊涵著全新的設(shè)計思想和方法。

2 功能服務(wù)、信息、通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

智能電子設(shè)備IED間的信息交互借助通信方式實現(xiàn)，其目標(biāo)是實現(xiàn)設(shè)備間的互操作，而實現(xiàn)互操作的最直接方法是制訂統(tǒng)一的通信協(xié)議和報文傳輸格式。規(guī)范功能服務(wù)就是從變電站自動化功能入手，規(guī)范各類自動化功能服務(wù)，借助服務(wù)模型與功能語義約定實現(xiàn)互操作。必須指出的是，IEC61850不是自動化功能的標(biāo)準(zhǔn)，僅僅是一個自動化功能的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，自動化功能的性能與內(nèi)容由應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。SAS的功能是自由分布的，借助信息化手段，可將有關(guān)功能從不同實體中準(zhǔn)確分離出來，結(jié)合通信服務(wù)模型構(gòu)成信息模型。變電站內(nèi)的信息直接在虛擬的信息模型之間進行交互，如圖2所示。關(guān)于變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850規(guī)定了與具體網(wǎng)綸無關(guān)的抽象通信服務(wù)接口，但是它沒有規(guī)定通信的具體實現(xiàn)形式，這是與以往通信協(xié)議不同的。因此針對不同的通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，可采取不同的通信映射方法，這不僅可以滿足不同自動化功能對通信過程、通信性能和可靠性的不同要求，而且為標(biāo)準(zhǔn)的不斷拓展預(yù)留了廣闊的空間，以方便規(guī)范數(shù)據(jù)的通信途徑［6］。

圖1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)涵蓋內(nèi)容

圖2 IED信息化的過程

3 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特征

與以往的變電站通信標(biāo)準(zhǔn)相比，其突出的技術(shù)特征表現(xiàn)在以下5個方面:

3.1 變電站功能層劃分

IEC61850按照SAS要求完成控制、監(jiān)視與保護的任務(wù)，從邏輯上將變電站的功能劃分為變電站層、間隔層和過程層，如圖3所示。變電站層功能劃分為過程相關(guān)功能與接口相關(guān)功能。前者功能借助邏輯接口8進行通信;后者是指變電站與工程師站、人機接口和遠方控制中心的通信。邏輯接口9用于實現(xiàn)變電站層內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換;接口7與接口10用于實現(xiàn)與遠方控制中心及工程師站的數(shù)據(jù)交換;接口1與接口6用于實現(xiàn)與間隔層間測控、保護的數(shù)據(jù)交換。

圖3 變電站的功能分成與邏輯接口

3.2 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息模型

該標(biāo)準(zhǔn)將IED視為客戶機/服務(wù)器運行方式，采用面向?qū)ο蟮慕７椒āＪ紫榷x若干語義模型類;然后將IED的自動化功能和相關(guān)信息抽象分解，借助語義模型類的繼承、重載或直接引用，生成特定的應(yīng)用實例;最后將其實例按照“類”的層次化形式構(gòu)成一個具有一致性和確定性的信息模型(即服務(wù)器)。信息模型的屬性包含邏輯設(shè)備(logic device，LD)、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性4個層次，其中數(shù)據(jù)屬性是模型中信息的最終承載者。信息模型實質(zhì)上是對IED間信息交互內(nèi)容和方式的約定，圖4為實現(xiàn)互操作的層次化結(jié)構(gòu)。

3.3 功能與通信解耦

數(shù)據(jù)交換由信息模型的功能服務(wù)實現(xiàn)。IEC61850定義的14類ACSI模型規(guī)范了信息模型的功能服務(wù)［7］。ACSI模型中的通信服務(wù)分為客戶機/服務(wù)器模式與發(fā)布者/訂閱者或?qū)Φ冉粨Q模式2種，通信方法如圖5所示。

圖4 層次化的信息模型結(jié)構(gòu)

圖5 ASCI通信方法

ACSI規(guī)范信息模型的功能服務(wù)獨立于具體網(wǎng)絡(luò)，通信功能最終經(jīng)過SCSM實現(xiàn)。ACSI向不同SCSM映射的過程，如圖6所示。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用ACSI和SCSM技術(shù)實現(xiàn)了功能與通信之間的解耦，可采用多種形式實現(xiàn)靈活的通信。

圖6 ASCI向不同SCSM的映射

3.4 變電站配置語言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)基于可擴展標(biāo)記語言XML定義了SCL語言以描述自動化設(shè)備的配置與功能信息，生成的是標(biāo)準(zhǔn)的XML文件。SCL配置文件包含變電站、IED和通信3個層次的對象模型。借助3個層次的對象模型，SCL配置文件可以準(zhǔn)確和完整地描述SAS的全部信息。借助特定功能服務(wù)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供了在線獲取設(shè)備信息的方法，如圖7所示。

3.5 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述方法，接收方收到的數(shù)據(jù)都帶有自我說明，它將面向?qū)ο蟮墓δ芊?wù)與數(shù)據(jù)自描述有機結(jié)合，實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述。

4 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計

4.1 建立實時應(yīng)用平臺

1)實時數(shù)據(jù)庫環(huán)境。它是實時自動化系統(tǒng)的開放式軟件平臺，用于提供人機交互式管理工具和應(yīng)用編程接口(API)，其優(yōu)勢在于采用了當(dāng)前最流行的面向?qū)ο蠹夹g(shù)與獨特的事件觸發(fā)機制，數(shù)據(jù)庫中的每一個點都包含了對象的屬性(點的屬性)及方法(點的計算引擎)，因此，通過讀該點就可全面了解該點所對應(yīng)實體的所有信息。由于前置系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)全部存儲在SSMA(掃描共享內(nèi)存)中，所以只有當(dāng)SSMA中的數(shù)據(jù)變化超過一定閾值時才觸發(fā)該點的計算引擎，有效地降低了對主機的配置要求。

2)面向?qū)ο蟮狞c類設(shè)計與實現(xiàn)。每個設(shè)備抽象為一個對象模板，它是多個相關(guān)屬性的有機組合，稱之為點類。建立變電站參數(shù)監(jiān)控模型就是將相關(guān)數(shù)據(jù)組織為一個點類，再將點類實例化，以完成變電站參數(shù)監(jiān)控主站模型的建立。

3)層次結(jié)構(gòu)模型。實時應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)庫是由點和子點組成的層次樹結(jié)構(gòu)。相關(guān)數(shù)據(jù)組織的點是實體數(shù)據(jù)屬性的集合，樹結(jié)構(gòu)最高節(jié)點是根節(jié)點，在其下的是各級子點。樹狀結(jié)構(gòu)滿足:模型起始于根節(jié)點;下級每個點必須與上級的一個僅且一個點相連接;一個點可有一個或多子點作為它的從屬點。

4.2 數(shù)據(jù)類型的映射

基于點類的建立，按照標(biāo)準(zhǔn)定義，首先要建立實時應(yīng)用平臺所支持的數(shù)據(jù)類型與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中基本數(shù)據(jù)類型的映射關(guān)系。按照基本數(shù)據(jù)類型與實時應(yīng)用平臺表的定義格式要求，建立公共數(shù)據(jù)屬性的表定義模板文本與公共數(shù)據(jù)類對應(yīng)的點類。表定義文本包含表的名稱、表的字段數(shù)量、每一個表字段的名稱及其對應(yīng)基本數(shù)據(jù)類犁的編碼。

4.3 建立監(jiān)控模型

為了滿足設(shè)備更新的技術(shù)改造需要，在此僅討論借助IED支持的MMS服務(wù)實現(xiàn)對監(jiān)控模型的動態(tài)建立。一個設(shè)備在接入現(xiàn)場后，基于底層通訊MMS可實現(xiàn)對設(shè)備的自我描述。在標(biāo)準(zhǔn)中，對每個IED設(shè)備保證了主站端可通過向設(shè)備IED設(shè)備請求其服務(wù)以獲取設(shè)備的模型構(gòu)成，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)定義的基本數(shù)據(jù)模型，主站端可自動建立其監(jiān)控模型。設(shè)備管理模塊是實現(xiàn)動態(tài)建模的核心組件，它負(fù)責(zé)組織管理模型的建立過程。在其定義了必要的信息結(jié)構(gòu)后，設(shè)備管理模塊可動態(tài)地建立設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)。

4.4 模型生成工具

實時應(yīng)用平臺提供的ActiveX控件可被各種編程語言使用，與編程語言無關(guān)，它可快速地建立實時應(yīng)用平臺環(huán)境與第三方應(yīng)用的連接，因此ActiveX控件提供的COM接口可實現(xiàn)對實時環(huán)境的操作與數(shù)據(jù)交互。ActiveX控件提供對數(shù)據(jù)庫及其配置的程序訪問接口，借助其接口可實現(xiàn)與實時應(yīng)用平臺的連接，建立變電站監(jiān)控主站的數(shù)據(jù)模型。

5 結(jié)束語

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)不同于以往通信協(xié)議，它僅僅規(guī)定了與具體網(wǎng)綸無關(guān)的抽象通信服務(wù)接口，并沒有規(guī)定通信的具體實現(xiàn)形式。本文將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為研究對象，深入分析了標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)涵與技術(shù)特征，探討了電力參數(shù)監(jiān)控模型的動態(tài)建立過程，研究了設(shè)備即插即用的功能設(shè)計框架。隨著變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字化變電站已經(jīng)成為變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的正確認(rèn)識和理解為電力參數(shù)監(jiān)控模型設(shè)計預(yù)留了廣闊的應(yīng)用空間。

［1］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 7－3:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Common data classes Ed1.0［S］.

［2］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 7－4:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes Ed1.0［S］.

［3］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 7－2:Basic communication structure for substation and feeder equipment－Abstract communication service interface(ACSI)Ed1.0［S］.

［4］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs Ed1.0［S］.

［5］關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)系列［EB/OL］.［2005－05－21］.http://www.zjbew.com/Article_Show.asp?ArticleID=768

［6］竇曉波，吳在軍，胡敏強，等.IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下合并單元的信息模型與映射實現(xiàn)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(2):80－86.

［7］竇曉波.基于IEC61850的新型數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的研究與實踐［D］.南京:東南大學(xué)，2006.