（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850控制模型的电力操作防误设计与实现.pdf

w i mm ed e v e l 叩m 钮t0 fe t h e m c tl i s c di ns d b s 佃孔t o m a t i o n ，t h eo p c 髓t i o no f s u b s t a t i o n sw i ub ct h ea o c c 豁p r o c e s sb 弱e do ni n t e m c t m c r c f o r e ，t h e 卸t i m a l o p c m t i m e 鹬u r e s 谢u t l l m t o 圮g i l h t i o 璐o f a c c e 镐b c h a v i o 墙，i l u d i n g t h e j u d g m 钮to f 鲫仃o l o b j 嘣 t oa c c e s sp r i 、，i l e g e t a 蚰唔t h cs b s t a t i s 丽t c h i n go p e 枷豁r 璐e a r c ho 何c c t ，t h ec o n t r o l m o d c lo f c 6 1 8 5 0s t a n d a r d 舔r e 辩a - c hg u n d w o f k 姐dc l e c 岫c 锄t i - m a l o 删i 伽嬲 r c s e a r c ho b j e c ：t i _ y e ，n l i st h c s i sd e s i 粤塔t h eo i 圮期t i 彻b c h a v i o r s 扭t cm 瓤艏n ew h i c hm t st h e n d so fe l e 吲c 勰t i m a l o p e f a t i 柚dm i s s 叫埘a t i 蚰p 毋c v 蜘t i g 蛐d e rt h cc 她咖s t a n c c0 f n e t w 0 i l 【w h a t sm o ，i t sf i i n c t i i st 髂姗b a d t h ea n b e d d e ds y s t 锄t h ew o r l 【c a nb c s u m m a r i z c da sf b u 0 w s ： ( 1 ) b ys t u d y 沁m c 6 1 8 5 0d e e p l y ，蛐d 删柚d i n gi t sk e yp o i n 协锄dg e n 吼ii d e 髂，胍d 趾a l y z i n gm 如u f a c t u r i n gm c 鸽a g es p c c i 丘c 砒i 卸ds u b s t a t i 彻。o 哪u n i 酬0 n sm o d e lb 髂e d 伽m ( 强1 8 5 0 ，i ti sb c l i e v c dt h a tt h cs u b s t a t i 伽邪t 伽a t i 蚰s v s t 锄b a s c d m c 6 1 8 5 0 p r e s e n t s f o u rd i 撇c t e r i s t i 锵痂f o 珊a t i l e v e l i n 岛u n i 6 e do m c c t 捌c n t e dd 砒am o d e l i n g d a d ao m e c ts e m d 嚣c f i p t i ，柚da b s 仃a c t 咖m u n i 础s 辩r v i c e si n t e 由c c d ，柚dt h e c 0 n t r 0 1 m o d e l0 fs u b s t a t i 卸t o m a t i b a s e d 册m c 6 1 8 5 0i s 观a 1 ) z c d ( 2 ) b y 柚a l y z i n gt h cm c c h a l l i s mo f 鲫b s t a t i 粗t i - m a l o p e 妇岫d c rt h ed f 咖s t a n c c o fn e m o r k ，a 础t h o do ft e l 。c o m r o l 柚t i - m a i o p e m t i 伽i sp r o p o s e da 伽r d i n gt ot h e 彻i c c p t i o fc 0 呲r 0 1 一m o d c lb e h a v i o r - s t a t em a c h i l i ei i lm c 6 1 8 5 0 n 啪r e a l i z c st h cf i l n c t i s i m i l 盯t o c i l 砌tm i a o m p u t e rm a l o p c m t j 伽p 托v t i n gs y s t 咖卸d m i s s - o p e 船t i o np r c v e n t i n g f i l n c t i o n a n dt l l e nt h ec o m m u n i c a t i 彻s e r v i c ei nc o n t i d lm o d e li sm a p p c dt ot h ea p p l i c a t i o n l a y c rp f o 细：0 1m m sp d u 1 1 l e r c f o 坨，n 圮p b l e mo fc l e c 喇c 觚t i m 山p 蹦撕u n d c rt h e d r 啪s t 柚o fn 咖o t ki st e h c dt h r e t i c m l y ( 3 ) t h i sp a p 盱g i v e sr c s e a r c h i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f 伽b e d d e dm u l t i - t 嬲ks o f t w a 坨 b 够c do nc o n 打0 lo 巧c c im o d e ls 协t em a c h i n cb c h a v i o ri nm c6 1 8 5 0 t h er c a l i z a i j 蛐 s i 妒墒c 勰a n dt h em c t h o do fb u i l d i n gm o d e lo fc o n t r o lo b j e ds t a t em a c h i n cb c h a v i o ra 他 a l s o 卸a l y z c d ；o m n b i n i n g 诵t hb c h a v i o r 两t e i j 咖o fs u b s 协t i s i t c h j l i go p e r a t i 伽卸d a p p l i c a t i d 啪锄d so fac c l e 辐c o n 昀lb 弱e d 伽e t h e m e t ，笛w c u 鹤t h ec h a 船c t e f i s t i 璐o f m u l t i u s e rv i s i t i n gm u l t i - o b j c c ts j m u l t 柚c o u s l yi na o c 懿o p e 船t i 彻，t h i sp a p c rp r i 珥赋st h c i m p l e m e n 诅t i m o d c lo fr e a lt i m e 觚dm u l t i t a s k 廿n b c d d e dk e m c lo f “m 虹o lo b j e c ts t a t c m a c h i n eb c h a v i o r ( 4 ) b y 柚a l y z i n ga p p l i c a t i a r c a 锄dm u l t i t 嚣km 柚a g c m e n to f 肛c 0 s - i io p e m t i n g s y s t e m ，ai m p l e m t a t i o nm e t h o do fs o f 附a 邛f o re n h a n c e ds e c i l f i t ys t a t em a c l l i n eo fs b d b a s c d 彻o p 啪t i l l gs y s t c m s i i i sj n 灯o d u c c d ，a n di 乜f c 础i l i t yo fd c s i 咖g 雒d i m p l e m t a t i 衄i n 曲g i l i e e r i n gi sa n a l y z e dt h r o u g hap r ；i c t i c a lc x 锄p l e i 哂rw o r d s ：a n n - m a l o p e 姻n o n 皿c 6 1 8 s 0 ；尬d ；c 蛐t m i m o d d ；h 稍o r - s t a 钯 m a c h j n e m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：罗锨日期：2 矿哆年f 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 罗 矽多 日期：川年f 月、7 日 日期：z 一7 年 月，7 日 钦武 ， 1 1 引言 第一章绪论 社会经济的高速发展和科学技术的现代化对城市供电的质量和可靠性要求越来越 高。电力系统自动化的飞速发展及电网技术的日新月异要求变电站的自动化水平不断提 高。因此，微机防误作为变电站的二次部分，对供电的可靠性和变电站的自动化起着举 足轻重的作用。 早期的防误闭锁，不管是机械闭锁，程序锁，还是电磁锁，都只是作为变电站防止 误操作、以确保人身及设备的安全和减少经济损失的一种简单的手段。9 0 年代，微机防 误闭锁的出现给防误闭锁注入了新的活力，但仍存在一些问题( 如防空程问题) 一直未 能得到有效解决。 1 1 1 微机防误现状与不足 1 1 1 1 微机防误现状 目前，我国各供电单位广泛使用的仍是微机防误闭锁装置。微机闭锁一般以微机模 拟盘为核心设备，在微机模拟盘上的工控机内预先储存了所有设备的操作规则，微机模 拟盘上所有的模拟元件都有一对接点与工控机相连。当运行人员模拟操作时，工控机就 根据预先储存的规则对每一项操作进行判断，生成正确的操作票，预演结束后通过微机 模拟盘上的传输插座将操作票的内容输入到电脑钥匙中，到现场将电脑钥匙插入相应的 编码锁内进行操作；如果走错间隔则禁止操作“，。 1 1 1 2 微机防误不足 所谓空程序就是指在倒闸操作过程中打开锁之后未进行实际操作，就进行下一次操 作内容的开锁和操作而导致的误操作事故。原电力部在高压电气设备防误闭锁装置技 术条件中提出了对防空程的要求。由此引发了十多年来无休无止的争论和持不同观点 的厂家和产品派系。 鉴于上述情况，2 0 0 0 年1 2 月1 日，国家电力公司发输电部在广东珠海召开了防止 误操作事故若干问题研讨会，在这次会议上，专家就微机防误装置的防空程序问题达成 共识： 微机闭锁装置的防空程序功能问题已经提出多年，作为电力行业用户，从保证安全 的理想要求出发，希望既要功能齐全，又要减少闭锁装置的复杂程序来降低故障率，但 是从微机闭锁装置发展的近十年实践看，功能性与可靠性始终是一对矛盾，今后也难以 摆脱这样的矛盾，只不过程度不同而已。过于追求功能完善，必然要以增加装置的复杂 程度和降低装置的可靠程度为代价。因此，对于微机闭锁装置的防空程序问题，应当由 直接使用的用户根据实际情况判断和选择，国家电力公司不宜作强制性规定。可以相信， 通过这种会议，基本上可以结束多年以来关于防空程序的争论，而将注意力转移到五防 装置的可靠性方面来。 这种结论，与其说是为了终止防空程问题的争论，不如说是对当前交电站自动化程 度下无法从根本上解决防空程问题的承认。 1 1 2 网络通信环境下的变电站自动化系统现状 随着信息技术在电力系统中的广泛应用，变电站自动化程度的逐步提高，现在变电 站设备与设备、一次与二次、远方与就地之间，不再是独立的或者是简单的电缆连接， 而是通过先进的通讯技术形成统一的网络，从而实现变电站的信息共享和资源共享m 。 在这种情况下，变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标准化，是实现可靠快速通 信的保证。 目前变电站自动化系统通信规约的情况是：一个普通的变电站使用的产品可能是南 瑞、东方电子、许继、四方、a b b 、g e ；采用的规约可能是c d t 、6 0 8 7 0 _ 5 1 0 1 ，1 0 2 ，1 0 3 ， 1 0 4 ，t a s e 2 。几乎每个产品供应商都有一套自己的标准，每个电网里运行的规约就可能 达到上百种u - 。 为了能够在各种自动化系统内部准确、快速地收集、处理并传送从发电厂、变电站 到最终用户接口的各种实时信息，国际电工委员会第57 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 制定了 变电站通信阿络和系统标准系列i e c 6 1 8 5 0 m - 。该标准具有信息分层、面向对象数 据统一建模、采用映射的方法和具体网络独立等特点，在2 0 0 0 年s p a g 会议上被确定为无 缝远动通信系统传输协议的基础一w 。 1 2i e c 6 1 8 5 0 标准的发展 早在2 0 世纪9 0 年代初，i e c 意识到不同厂家的保护设备需要一个统一的信息接口， 实现设备的互操作性。为此，i e ct c 5 7 和i e ct c 5 9 成立了一个联合工作组，制定了“继 电保护设备信息接口标准”，即i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 标准阱。美国电科院e p r i 在1 9 9 0 年开 始了公共通信体系u c a ( u t i l i t yc o 咖u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ) 标准制定工作，其目 的在于提供一个具有广泛适应性的、功能强大的通信协议，使各种智能电子装置i e d 能 够通过使用该协议实现互操作。 为适应变电站自动化技术的迅速发展，有必要制定一个更通用、全面的，能够覆盖 整个变电站通信网络和系统的标准。1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e c t c 5 7 ) 成立了3 个工作组l o ，1 1 ，1 2 ( w g l 0 l l 1 2 ) ，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。工作组成员 分别来自欧洲、北美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、电厂、操作运行及电力 企业的技术背景，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。3 个工作组有 2 明确的分工，第1 0 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求；第1 1 工作组负责站级数据通信总线的定义；第1 2 工作组负责过程级数据通信协议的定义“w 。 i e c 以公共通信体系u c a 2 o 的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结果纳入i e c 标准，建立世界范围的统一标准i e c 6 1 8 5 0 。除了u c a 2 o 以外，w g l 0 1 1 1 2 ，3 个工作 组参考和吸收了己有的许多相关标准。其中主要有：i e c 6 0 8 7 0 5 一l o l 远动通信协议标准、 i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 5 继电保护信息接口标准、i s 0 i e c 9 5 0 6 制造商信息规范删s ( m a n u f a c t u r em e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 洲。 1 9 9 9 年3 月，提出了委员会草案版本。而后，相继提出委员会投票草案c d v 版本 ( c o 咖i t t e ed r a f tf o rv o t i n g ) 、国际标准最终草案f d i s 版本( f i n a ld r a f t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) ，并定于从2 0 0 4 年开始陆续推出i e c 6 1 8 5 0 国际标准正式版 o 1 3 引入m c 6 1 8 5 0 后的变电站自动化系统 i e c 6 1 8 5 0 引入变电站自动化系统，带来的影响： ( 1 ) 不同生产商提供的设备之间自由交换信息 全球范围内的互操作性是系统的基本属性，不同厂商的设备或同一厂商不同时期的 设备，可以自由组合，实现系统功能。 ( 2 ) 系统独立于飞速发展的通信技术 尽管要求通信系统的长期稳定性，但通信技术不断发展，人们更倾向于采用新出现 的、性能更强的通信手段。i e c 6 1 8 5 0 标准保证任何技术革新不会影响应用。系统通信是 独立于系统应用，使现有通信技术易于应用到系统中。 通信的现有发展状况是七层0 s i i s 0 模型，i e c 6 1 8 5 0 实现应用的方式与通信协议是 分离的，这使i e c 6 1 8 5 0 标准能够跟随通信技术的发展。例如，当前协议采用 删s t c p i p e t h e r n e t ，物理层采用光纤。若以后改为采用无线物理层或者千兆物理层 连接，基于i e c 6 1 8 5 0 标准的系统，对象模型和相关的服务不会变化，只有采用的映射 改变了，这样保证了投资在应用层的资金。 ( 3 ) 支持不同的和变化的系统原则 装置实现功能，不同的国家，不同的用户，不同的生产商有不同的分配原则。既有 倾向于把多项功能高度集中到一个箱子中( 集中) ，也有倾向于使用不同的专用设备实现 不同的功能( 分布) 。 i e c 6 1 8 5 0 标准支持功能的自由分配，例如可以自由的应甩不同的 控制和保护功能分配原则。 ( 4 ) 扩展和更改 应用领域系统技术现状决定了现有的系统结构形式多样，且可能发生变化：应用领 域系统技术水平不断提高导致了新功能的不断出现。 不同生产商提供的工具和设备都采用标准描述，系统生命周期内，系统可以自由扩 3 展、自由更改。 ( 5 ) 系统集成概念 系统设备不依赖于选定的提供商，不同生产商提供的产品之间不存在兼容与否的问 题。 随着电子技术和i t 技术的飞速发展，同一生产商不断推出的升级换代产品，新老 产品之间也不存在兼容问题。 变电站自动化( s a s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ) 标准化的目的是制定一个满足性自鲁和价 格要求的通信标准，并能够支持将来技术的发展。对变电站内不同应用提供开放的可互 操作的功能和对信息交换进行规范。从全局利益出发，在智能电子装置( i e d ) 制造厂和 用户之间就在这些装置问能够自由交换信息达成一致。 标准支持变电站运行功能，因此该标准考虑了运行要求。标准的目的既不是对在变 电站运行的功能进行标准化，也不是对变电站自动化系统的映射分配进行标准化。对运 行功能进行识别和摧述是为了定义运行功能对通信协议要求的影响( 即被交换的数据总 量、交换时间约束等) 。通信协议标准最大限度地使用现有的标准和共厨接受的通信原 理”。 i e c 6 1 8 5 0 标准对间隔功能进行抽象，采用信息分层、面相对象的数据对象统一建模、 数据自描述和抽象服务映射等方法将应用和通信分离，是将变电站自动化系统交为开放 式系统的一个可行的实现方法。国外一些实验项目已经成功地证明了这一点。i e c 6 1 8 5 0 对现在和将来变电站自动化技术发展方向都产生重大的影响。 1 4 本文所做的工作 本文以变电站倒闸操作为研究对象，以i e c 6 1 8 5 0 标准中变电站的控制模型为研究 基础，提出了网络环境下遥控操作防误闭锁的有效解决方案，能很好地实现防空程以及 与当前微机防误系统类似的防误功能，并在嵌入式系统上进行了实验。 主要工作归纳为以下： ( 1 ) 深入研究i e c 6 1 8 5 0 标准，了解其主旨及总体思路的基础上，分析基于i e c 6 1 8 5 0 标准的制造业报文规范、变电站通信模型、及变电站自动化系统控制模型。 ( 2 ) 分析网络环境下变电站防误操作机理，依据i e c6 1 8 5 0 标准中对控制模型的 规范，提出了网络环境下遥控操作防误闭锁的有效解决方案，并将控制模型中的通信服 务映射到网络应用层协议删s 协议数据单元( p d u ) 。此法能很好地实现防空程以及与 当前微机防误系统类似的防误功能。 ( 3 ) 根据i e c 6 1 8 5 0 控制模型行为状态机，结合网络环境下变电站开关操作行为规 范和访问控制的应用需求，以及访问操作的多用户对多对象的特点，扩展弘c 0 s i i 操 作系统的功能，提出了控制对象行为状态机的实时多任务内核的实现模式。 4 ( 4 ) 分析i lc 0 s i i 操作系统的适用性和及其多任务管理方式，针对增强安全型状 态机，设计基于l ic 0 s i i 操作系统内核的软件实现方法，并对其进行仿真。 5 第二章基于c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统 及其控制模型 2 1 引言 随着微处理器技术的发展，变电站中基于微处理器的智能电子装置i e d 的应用越 来越广泛。 智能电子装置具有如下特点： ( 1 ) 优点是可以采用单个具有复杂功能的i e d 取代保护、测量、控制、事件和故 障记录等多个装置，从而降低设备空间、简化接线、降低投运与维护成本； ( 2 ) i 印的另一个显著特点就是其通信能力，使变电站的信息集成成为可能。 i e d 通信面临的最大问题在于不同厂商、或者是同一厂商在不同时期的智能电子装 置所采用的通信规约与用户接口( 为了实时数据采集、数据存档、变电站控制和故障记 录提取的需要) 可能都不相同，因此i e d 通信过程中必须引入必要的规约转换器、数据 集中器，增加了硬件、软件、培训、工程等费用。目前在我国的变电站的微机保护装置 中就存在这种情况，而且矛盾突出。 随着信息技术的发展，全球范围的统一信息平台是发展的趋势，“即插即用”的装 置将取代目前专有技术、专有规约的装置，系统集成的概念将引入变电站自动化系统。 i e c 6 1 8 5 0 标准作为变电站通信网络与系统的最新国际标准，就是在这样的背景下提 出的，该标准将是未来变电站自动化系统和智能设备功能、信息、通信设计的主要依据。 未来实现各种智能电子装置均采用统一的信息标准和接口标准，智能电子装置之问 以及智能电予装置跟自动化系统之间不必经过规约转换，就能够实现直接通信。 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准的重要概念、常用定义和缩写 2 2 1 两个重要概念 ( 1 ) h t e m p e r a b i l i t y 互操作性 同一个生产商或不同生产商制造的两个或多个智能电子设备i e d 之间能够交换信 息，能够使用这些信息正确地执行特定功能称之为互操作性。 ( 2 ) i i l t e r c h 锄g c a b j l i t y 互换性 在不改变系统内的其它元件的前提下，一个制造商生产的装置能够代替另一个制造 商的装置，称之为互换性。 6 2 2 2 常用定义和缩写 ( 1 ) d ：i n t e l l i g 蛐te l e c t r o n i cd c v i c e 智能电子设备 一个或多个处理器协调工作的装置，能够从外部源接收数据控制，能够向外部源 发送数据控制，如电子多功能表记、数字式继电保护和控制器等。 ( 2 ) f u n c t i 叫功能 简单地说，功能就是由变电站自动化系统完成的任务，如保护，监视和控制等功能。 通常，功能之间交换数据，具体交换数据的细节取决于所考虑的功能。i e d 实现功能。 功能可能分为许多子功能，这些子功能可能位于不同的i e d 内，子功能之间并和其它 功能彼此通信( 分布功能) 。这些子功能就是逻辑节点m 。 本文中，功能的分解或分解的粒度仅受通信行为制约。 ( 3 ) l n ：k g i c a ln o d e 逻辑节点 交换数据的功能的最小单元，一个l n 代表一个物理设备内的某个功能。一个l n 执 行一些特定的操作，一个l n 是由它的数据和方式定义的对象。与一次设备相关的l n 不 是一次设备本身，而是它的智能部分或者是在二次系统中的映射，如本地或远方的i o ， 智能传感器和传动装置等w 。 ( 4 ) p i c o m ：p i e c co fi n f o 蛐a t i 蚰蠡d r u n i c a t i 鲫通信信息片 交换的数据被称为p i c 伽，该定义来自于c i g r e3 4 0 3 工作组。p i c 伽用于描述在 一个给定的逻辑连接上，按照给定的通讯属性，两个逻辑节点间交换的信息。p i c 伽包 括交换信息的内容和通讯要求属性m 。 几点说明： p i c 0 m 并不代表数据在通信网络中传输的实际结构和格式： p i c 例定义中描述的两点间的连接是指在逻辑上点对点，并不是实际物理连接的要 求，实际的物理连接可以是一发多收或者是广播的； p i c 伽的形象例子： 距离保护可能发出的信息：启动或跳闸命令、动作状况指示、故障参数。 ( 5 ) a c s i ：a b s t r a dc 【珊衄u n i c 龇i 咖s e i i n t e 由c c 抽象通信服务接口 i e d 的虚拟接口，提供抽象通信服务，例如，连接、变量访问、非请求数据传输、 设备控制和文件传输服务，独立于任何实际使用的通信协议和通信框架。 ( 6 ) s c s m ：s p a d f i cc ( 脚m u i i i t i 衄s c r v i c em a p p i n g 特殊通信服务映射 s c s m 是一个标准过程，提供从a c s i 服务和对象到特定的协议集或特定的通信框架 的具体映射。 为达到互操作性目的，使用的通信框架的数量应尽量少，即使用s c 洲的数量尽量 少。特定应用区域如站总线和过程总线可能形成多个映射。但对于每一个选定的协议栈 来说，规定只能有一个s c s m 和一个通信框架。 7 一个具体的s c s m 既要详细描述抽象服务的实例到应用协议的指定的单一服务，也 要详细描述用于实现a c s i 中指定服务的应用协议的服务序列。另外，s c s m 要详细描述 从a c s i 对象到应用协议所支持的对象的映射。 ( 7 ) p d ：p h y s i c a ld c v i c c 物理设备 本标准中同i e d 。 ( 8 ) l d ：i j 0 9 i c a ld c v i c c 逻辑设备 逻辑设备是一种虚拟设备，出于通信目的，集合相关逻辑节点和数据集。另外，逻 辑设备通常包含经常访问的信息列表，如变量列表。 按照i e c6 1 8 5 0 定义，一个实际的i 即可以根据实际应用需要映射为一个或多个逻 辑设备。即有关逻辑设备的定义不是标准i e c6 1 8 5 0 的范围，在实际应用中可以根据需 求定义逻辑设备。 ( 9 ) l c ：l o 西c a lc o 衄e d i o n 逻辑连接p c ：p h y s i c a lc 0 衄e d i o n 物理连接 逻辑连接指两个l n 之间的( 功能和或子功能) 虚拟连接，虚拟连接供p i c 伽数据交 换。物理连接指物理装置i e d 之间的通信链接。任何一个逻辑连接都要影射到某一个物 理连接，一个物理连接可能容纳多个逻辑连接。 功能、物理设备即i e d 、逻辑节点以及它们之间的物理连接和逻辑连接的关系如图 2 1 。 图2 1 功能、i 印和逻辑节点的关系 2 3i e c 6 1 8 5 0 标准的概述 纵观i e c 6 1 8 5 0 标准，其基本思路主要包括三个方面的内容：功能分解、数据流和信 息建模。 ( 1 ) 功能分解的目的 为了理解分部功能组件间的逻辑关系； 用逻辑节点的形式描述功能、子功能和功能接口。 ( 2 ) 数据流的用途 理解通信接口：支持分布功能的组件间信息交换和功能性能要求。 ( 3 ) 信息建模的用途 8 用于定义信息交换的抽象语义和语法； 用数据对象类和类型、属性、抽象对象方法( 服务) 和它们之间关系表示。 2 3 1 功能分解，即功能与逻辑节点之间的关系 变电站自动化系统的功能包括控制、监视和保护一次设备和电网，以及自身监视等， 如：距离保护功能，母线保护功能等。其它功能( 指系统功能) 都和系统本身相关，例如 通信监视。 i e c 6 1 8 5 0 标准不是对功能进行标准化，分配到i e d 和控制层的功能不是固定的。它 和可用性要求、性能要求、价格约束、技术水平和公司策略等密切相关。即标准支持功 能的自由分配。 为了实现功能自由分配到i e d ，且不周生产商的装置实现的功能之间具有操作性， 将功能分为许多部分，即逻辑节点l n ，l n 之间彼此通信，本标准对l n 之间的通信性能 进行了标准化，实现了l n 之间的互操作性，从而由逻辑节点组成的功能之问实现了互 操作性。 位于不同物理设备的两个或多个逻辑节点所完成的功能，称之为分布功能；反之， 称之为集中功能。 变电站功能分为3 个层次：变电站层功能、间隔层功能和过程层功能。图2 2 是各 个层次功能内部及之闻的通信接口。 三卜乞一 矗压设备_ - 7 ：一 囝2 2 变电站自动化系统接口 图2 2 中各接口的意义： 接口1 ：间隔层和变电站层之间交换保护数据； 接口2 ：间隔层和远方保护之间交换保护数据( 超出本标准范田) ； 接口3 ：间隔层内交换数据； 9 接口4 ：过程层和间隔层之间c t 和v t 瞬时数据交换； 接口5 ：过程层和间隔层之间交换控制数据； 接口6 ：问隔层和变电站层之间交换控制数据； 接口7 ：变电站层和远方工程师站之间交换数据： 接口8 ：间隔层之间交换数据，特别是快速功能，如联锁： 接口9 ：变电站层之间交换数据： 接口l o ：变电站层和远方工程师站之间交换控制数据( 超出本标准范围) 。 几点说明： ( 1 ) 该接口划分是逻辑上的，并非物理接口； ( 2 ) i e c 6 1 8 5 0 规范了逻辑接口，没有规范物理接口： ( 3 ) 同时也没有规定逻辑接口向物理接口映射的方式； ( 4 ) 接口序号在下文中将直接引用。 2 3 2 数据流 由于功能性的要求应当独立于变电站的类型，因此，有必要确定不同类型和规模的 变电站的数据流( 总线负载) 。同时，数据流的分析必须针对正常情况和极端情况分别展 开。 根据数据流统计情况及所采用的总线性能情况，逻辑接口映射到物理接口的方式有 多种方式， i_ l 图2 3 逻辑接口到物理接口映射一 。逻辑接口 物理接口 图2 4 逻辑接口到物理接口映射二 逻辑接口 物理接口 通常，站总线覆盖逻辑接口1 。3 ，6 ，9 ，过程总线可以覆盖逻辑接口4 ，5 。逻辑接 口8 可被映射到任何一种或同时映射到两种总线，如图2 3 和图2 4 。逻辑接口8 的映 射将很大程度上影响通信系统的选择。如果通信总线的性能满足要求，将所有逻辑接口 都映射到一个通信总线上也是可能的。 2 。3 3 数据建模 为了满足互操作性要求，逻辑节点必须能够解释并处理接收的数据( 语法和语义) 和 采用的通信服务，即要求逻辑节点内的数据得到标准化。 i e c 6 1 8 5 0 标准规范了逻辑节点数据对象和它们在逻辑节点内的标识。正是因为逻辑 节点的数据及通信行为得到了标准化，才保证了由l n 组成的i e d 、功能之间的通信，从 而实现了i e d 之闻的互操作性。 i e c 6 1 8 5 0 标准，将应用数据和服务分三个层次建模： 第一层：抽象通信服务接口a c s i 在该层次内，规定了模型和访问变电站自动化特定对象模型元素的服务。a c s i 服务 不仅提供了读和写对象值，还提供了用于其它操作的服务，如用于控制一次设备的服务。 第二层：公共数据类c d c 在该层次内，定义了公共数据类。c d c 是由一个或多个属性组成的结构化信息类型。 第三层中定义的数据类是根据实际应用需要定义的c d c 的特例。 第三层：兼容逻辑节点类和数据类 在该层次内，定义了兼容对象模型，规范了逻辑节点类和数据类。兼容逻辑节点类 和数据类的标识和意义( 语义) 都包含在本层内，不需要额外的规范。 图2 5 从下至上反映了数据建模从第一层到第三层之间的关系。 c p 州b k o b j e c h o b j e c b 岫0 b j e c 缸b - | e do n e n g i n e e r i 吣 n e wd 协c h 站嚣 圈2 5 数据建模三个层次的关系 1 l 2 4 制造业报文规范m m s 2 4 1m m s 基本概念 制造业报文规范( m a n u f a c t u r i n g s s a g es p e c i f i c a t i o n ，删s ) ”1 为网络上实时 处理和监控系统信息交换的国际标准，由国际标准化组织和国际电工委员会工业自动化 技术委员会t c l 8 4 工作组负责制定和发展。它适合于在不同的设备、应用、发展商和领 域内提供通用信息服务，例如：删s 提供的读( r e a d ) 服务允许网络上的设备，应用或计 算机从另外一个设备、应用或计算机内读取所需的变量，而不管这个变量是在可编程逻 辑控制器、机器人、远方终端设备或智能电子设备内。姗s 已经广泛应用在制造、石油 化工、电力工业和太空探索等领域c 一。 为了适应不同场合的应用需求，姗s 定义和规范了众多的信息模型及其服务，例如： 虚拟制造设备( d ) 、域( d 0 l l l a i n ) 、程序( p r o g r 鲫i n v o a t i o n ) 、变量( v a r i a b l e ) 、日志 ( j o u r 舱1 ) 、文件( f i l e ) 、事件( e v e n t ) 、信号( s e m a p h o r e ) 、操作站( 0 p e r a t o rs t a t i o n ) 等，应该说是一个非常庞大的协议集。而i e c 6 1 8 5 0 在映射到m l l s 时，只是采用了其中 的一部分模型及服务，即i e c 6 1 8 5 0 采用了删s 的一个协议子集。以下根据在i e c 6 1 8 5 0 中用到斓s 信息模型及其服务，分剐进行介绍。 ( 1 ) v m d 虚拟制造设备 v 帅可以看作是删s 其他对象的容器，因为诸如变量、域、日志、文件都被包含在 v 粕中，它提供状态( s t a t u s ) ，主动报告状态( u n s o l i c i t e ds t a t u s ) 、识别( i d e n t i f y ) 等服务，也提供获取名称列表( g e tn 鲫el i 乳) 和更改名称( r e n 硼e ) 服务来获得、管理 和维护定义在v 泐内的对象。i e c 6 1 8 6 0 中的服务器类( s e r v e rc 1 a s s ) 映射到删s 的v 肋。 在s e r v e rc l a s s 中用到的与v 帅有关的服务主要有：毗s ：g e tn 鲫el i s t ( 获取d 中 的对象列表) 和i e c 6 1 8 5 0 g e ts e r v e rd i r e c t o r y ( 读服务器目录) 。 ( 2 ) d 锄a i n 域 d o i n a i n 是嘲s 用来管理v m d 内执行模式的对象，它代表v 帅设备内的一些资源，这 种资源可以是连续的无类型数据块，通常指的是内存区。i e c 6 1 8 5 0 中的逻辑设备类 ( l o g i c a ld e v i c ec l a s s ) 映射到m m s 的d o 啊i n 。在i e c 6 1 8 5 0 中的逻辑设备中用到的与 域有关的服务主要有：姗s ：g e tn 钏el i s t ( 获取d o 尬i n 中的对象列表) 和i e c 6 1 8 5 0 ： g e tl o g i c a ld e v i c ed i r e c t o r y ( 读逻辑设备目录) 。 ( 3 ) n a m e dv a r i a b l e 命名变量 腓s 提供了丰富而灵活的基于网络上的变量信息交换框架。姗s 的v a r i a b l e 既可以是 简单类型的，如整型、布尔型、浮点型、字符串等；也可以是复杂类型的，例如数组和 结构。i e c 6 1 8 5 0 中的逻辑节点类( l o g i c a ln o d ec l a s s ) 、数据类( d 8 t ac 1 a s s ) 、报告 控制块( r c b ) 、日志控制块( l c b ) 、设置组控制块( s g c b ) 、c o n t r o l 等都映射到删s 的n 鲫e d 1 2 v a r i a b l e 。 ( 4 ) n 锄e d l f i a b l el j s t 命名变量列表 为了成组地访问v a r i a b l e ，姗s 定义了命名变量列表( n 硼e dv a r i a b l el i s t ) 的对象 来提供快捷的访问方式。删s 的客户端可以通过读写一个n 鲫e dv a r i a b l el i s t 来访问 n a m e dv a r i a b l e 里的多个v a r i a b l e 。由于n 锄e dv a r i a b l el i s t 中的各个v a r i a b l e 各不 相干，因此，客户端在接收到服务器端的读写响应时，必须作相关的访河成功与否检查。 i e c 6 1 8 5 0 中的数据设置类( d a t as e tc i a s s ) 映射到删s 的n 锄e dv a r i a b l el i s t 。 ( 5 ) j o 哪! 日志 j o u r n a l 是删s 中定义的个命名对象，代表一个基于时标的记录、日志或数据。 j o u r n a l 中的每个条目可以包含一个事件的状态、v 8 r i a b l e 的值或者字符串数据。应用 j o u r n a l 可以实时记录事件的发生、数据的变化等，从而便于日后离线的数据、事件查 看和分析。j o u r n a l 的服务是建立、读取、删除和清除( 全部或部分) 。i e c 6 1 8 5 0 中的记 录类( l o gc 1 a s s ) 映射到删s 的j o u r 锄1 。 ( 6 ) f i l e 文件 m m s 中f i l e 提供了一组简单的传输、改名和删除v 胁内的文件等服务。文件目录服务 能获得有效文件的列表。i e c 6 1 8 5 0 中的文件类( f i l ec l a s s ) 映射到删s 的f i l e 。 ( 7 ) c c m t e 姒上下文 删s 中的c o n t e x t 模型提供了一组服务机制，用来管理网络上的2 个删s 节点之间建立 和终止应用关联，并且处理协议通信中的错误。i e c6 1 8 5 0 中的关联模型( a s s o c i 8 t i o n ) 映射到删s 的c o n t e x t 。 2 4 2m m s 的通信服务流程分析 图2 6 嗍s 客体模型及嘲雌服务的信息流程 删s 将网络上通信的两个节点之间的关系定义为网络应用和设备阃的客户服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 关系m l 。服务器s e r v e r 是一个包含v 岫及其v a r i a b l e 的应用或设备。客 户c 1 i e n t 是一个网络化应用( 或设备) 询问来自s e r v e r 的数据和向s e r v e r 发出命令。因此 可以说，c l i e n t 是一个执行姗s 服务请求到s e r v e r 的网络实体；s e r v e r 是一个响应c 1 i e n t 的删s 请求的网络实体。删s 的c l i e n t s e r v e r 互相交互是通过在网络上发送接收请求、 指示、响应和确认服务源语来实现的。其中s e r v e r 被定义为实现特定的删s 服务，起v 舳 作用的通信实体，它包括一个或者多个d ，c 1 i e n t 可通过请求原语获取s e r v e r 提供的 服务，如图2 6 所示。c l i e n t 可以是应用进程，例如监控进程、采集进程等。s e r v e r 可 以代表一种实际制造设备或者一类实际制造设备，也就是采用“通用的v m d 一。 姗s 的通信服务流程可以划分成2 种类型，带确认的服务类型和不带确认的服务类 型。 ( 1 ) 带确认的服务 删s 的确认服务流程见图2 7 ，包括： c 1 i e n t 发送一个请求； s e r v e r 接收到一个指示； s e r v e r 执行相关动作； 如果动作执行成功s e r v e r 发送肯定回答，如果出错发送否定回答； 廷独1 i e n t 收到确认肯定或否定回答。 ， 7 图2 7 带确认的服务 ( 2 ) 非确认的服务 一个由s e r v e r 发送的不确认服务仅由请求和指示服务原语( 信息报告、主动状态) ， 见图2 8 。