（计算机系统结构专业论文）基于iec61850的智能控制系统的研究与设计.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 在变电站自动化系统( s a s ) 的发展过程中，由于各个变电站之间缺乏 统一的通信标准，不同厂商制造的电子设备间的互操作性较差，从而造成了 变电站运行维护的困难。为了解决这一问题，i e ct c 5 7 制定了i e c6 1 8 5 0 标 准，以实现设备的互操作性。本文在学习i e c6 1 8 5 0 标准的背景、目的和文 档体系的基础上，分析了变电站网络及通信系统的技术特点，对变电站自动 化系统中的装雹模型和报文通信协议做了较深入的研究；采用功能分解、数 据流和层次建模的方法对变电站智能控制系统中过程层智能控制单元和间 隔层控制单元进行了信息模型的构建；配置了所构建信息模型的s c l 文件； 基于l i n u x 系统平台对信息模型进行了软件设计，并通过g o o s e 报文的传 输实现了信息模型间的实时通信，提高了装置间的互操作性。 关键词：i e c6 1 8 5 0 ，变电站自动化系统，g o o s e 报文，智能电子设备 a b s t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) ，m o s to f t h ee l e c t r o n i cd e v i c e sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sh a v eap o o ri n t e r o p e r a b i l i t y f o rl a c k i n go fau n i f i e dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，a n di tm a k e sm o r ed i f f i c u l tt o t h eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h es u b s t a t i o n i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ， t h ei e c618 5 0c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n ds y s t e mi ns u b s t a t i o n si sp r o p o s e db y i e ct c 5 7 t h i st h e s i ss t u d i e st h eb a c k g r o u n do fi e c618 5 0s t a n d a r ds e r i e sa n d t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ed o c u m e n t s a f t e rm a k i n gam o r ei n d e p t hs t u d yo ft h e d e v i c em o d e la n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fm e s s a g e si nt h es t a n d a r d ，t h i s t h e s i sc o n s t r u c t st h ei n f o r m a t i o nm o d e lo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i ti np r o c e s s l e v e la n dt h ec o n t r o lu n i ti n b a yl e v e l o ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi n s u b s t a t i o nu s i n gt h em e t h o do ff u n c t i o nd e c o m p o s i n g ，t h ed a t af l o wa n dt h e h i e r a r c h i c a lm o d e l i n g t h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n f o r m a t i o n m o d e l sh a sb e e nr e a l i z e dt h r o u g ht h et r a n s m i s s i o no fg o o s em e s s a g e ，a n dt h e i n t e r o p e r a b i l i t yo ft h ed e v i c eh a sb e e ni m p r o v e d k e yw o r d s ：i e c6 18 5 0 ，s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，g o o s em e s s a g e ， i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e 华北电力人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论l 1 1 选题背景及意义l 1 2i e c6 1 8 5 0 标准研究及应用现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 论文的主要工作4 第二章基于ie c6 1 8 5 0 的变电站自动化系统5 2 1i e c6 1 8 5 0 标准文档结构5 2 2i e c6 1 8 5 0 标准技术特点7 2 2 1 自动化变电站的分层结构8 2 2 2 面向对象的结构化信息模型9 2 2 3 抽象通信服务接口a c s i 1 l 2 2 4 特定通信服务映射s c s m 。1 2 2 2 5 变电站配置描述语言s c l 1 3 2 3 服务模型及服务映射1 4 2 3 1 通信服务模型1 4 2 3 2 服务映射l5 2 4 本章小结。16 第三章变电站智能控制系统的建模与配置1 7 3 1 变电站智能化系统的研究1 7 3 2 变电站智能控制系统建模与配置流程1 7 3 3 信息模型的构建与实现1 9 3 3 1 系统功能建模1 9 3 3 2 构建i e d 信息模型2 l 3 3 3s c l 文件的配置2 5 3 3 3 1s c l 文件配置流程2 5 3 3 3 2s s d 文件的编写2 6 3 3 3 3i c d 文件的生成2 6 3 3 3 4s c l 文件的生成2 8 3 3 4 信息模型的具体实现2 9 3 4 本章小结3 l 第四章l in u x 系统下6 0 0 s e 报文传输的实现3 2 4 1g o o s e 报文的通信特点3 2 4 2g o o s e 报文的研究3 2 4 2 1g o o s e 报文编码3 2 4 2 2g o o s e 通信映射3 3 4 2 3g o o s e 报文通信方案3 4 华北电力大学硕七学位论文 4 2 4g o o s e 控制块的定义3 5 4 3 变电站智能控制系统中g o o s e 报文传输的具体实现3 6 4 3 1 通信服务与协议栈的映射3 6 4 3 2g o o s e 报文传输的实现3 9 4 4 结果测试和性能分析4 l 4 4 1 测试环境的搭建4 1 4 4 2 实时性测试4 2 4 4 3 性能分析4 3 4 5 本章小结4 3 第五章总结与展望4 4 参考文献4 5 致谢4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 9 5 j 1 1 选题背景及意义 随着通信技术尤其是高速以太网技术发展迅速，同时随着智能化电气设 备的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化智能设备的出现， 促进了现有的基于各厂商内部规约及专用总线的变电站自动化系统逐步向 数字化变电站方向发展。 为适应数字化变电站的迅速发展，1 9 9 4 年国际电工委员会第5 7 技术委 员会( i e c t c 5 7 ) 在听取了各国委员会提出的建议后，以公共通信体系u c a 2 0 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，建立了世界 范围的统一标准i e c6 1 8 5 0 。i e c6 1 8 5 0 标准参考和吸收了己有的许多相关标 准，其中主要有：i e c 8 7 0 5 1 0 1 远动通信协议标准；i e c8 7 0 5 1 0 3 继电保护 信息接口标准；由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系。在我 国采用该标准将大大提高变电站自动化系统技术水平、提高变电站自动化系 统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现完全的互操作性。 通信系统是数字化变电站自动化系统的基础，它的可靠性与信息传输的 快速性决定了系统的适用性。为建立数字化变电站自动化系统站内通信网络 的开放性、兼容性，一种最好的途径就是采用标准的通信协议以实现各装置 间的无缝通信，最终实现变电站的数字一体化。i e c6 1 8 5 0 是全面规范变电 站自动化通信体系的最新国际电工委员会标准，它以完整的分层通信体系， 采用面向对象的方法，使构建真正意义上的综合自动化系统成为可能，因此 是迄今为止最为完善的变电站自动化的通信标准，它代表了变电站综合自动 化系统的发展方向。 根据i e c6 1 8 5 0 的定义，互操作性是指来自同一厂家或不同厂家的l e d 之间交换信息和正确使用信息协调操作的能力。i e c6 1 8 5 0 体现了完善的互 操作性支持和对通信技术发展的适应性，体现出了无缝通信的特性。i e c 6 1 8 5 0 标准从系统项目管理、功能要求、装置模型、通信配置语言、通信结 构、通信服务映射等方面对整个变电站综合自动化系统的通信进行了规范， 使二次设备的结构由以特定功能为主向更高的灵活性变化，逻辑节点间按照 特定的规则进行数据交换并完成各自的功能，从而增强了设备的互操作性。 目i j 二次设备一般以完成特定的功能为目的、面向过程的丌发思路，按 照软硬件满足功能需要的方式进行开发设计，绝大多数装置不符合i e c6 1 8 5 0 华北电力人学硕十学位论文 标准的要求，对新的过程层智能设备缺乏支持，难以实现互操作性，以装置 采用的软硬件电路来完全满足i e c6 1 8 5 0 的要求相对比较困难。而i e c6 1 8 5 0 标准是目前电力系统变电站综合自动化系统的最新标准，是一种开放性的标 准，并在不断补充和完善中，成为变电站综合自动化系统的唯一国际标准。 符合i e c6 1 8 5 0 标准的智能控制系统由于基于相同通信服务模式，结构基本 相同，其互操作性大大增强，研究符合i e c6 1 8 5 0 标准的继电保护和测控装 置具有很高的现实意义。 i e c6 18 5 0 标准作为变电站自动化的通信标准，并没有对智能控制系统 的结构做出具体的要求，也未对系统内部逻辑节点的组合方式做出具体要 求。系统可以逻辑节点组合的方式来体现具体功能，所以设计一种开放式、 通用的智能控制装置将为变电站综合自动化系统带来很高的灵活性，可以增 强组件的组合灵活性。 1 2le c6 18 5 0 标准研究及应用现状 1 2 1 国外研究现状 从1 9 9 4 年开始，i e c t c 5 7 委员会提出了制定变电站自动化系统通信标 准的建议，在广泛听取和采纳各国家委员会提出的制定关于功能体系、通信 结构和一般要求的标准、制定关于在单元( 间隔) 层和变电站层之内和之间的 通信标准、制定关于过程层和单元( 间隔) 层之内和之间的通信标准、制定关 于继电保护信息接口配套标准的建议，制定了继电保护设备信息接口配套标 准i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 ( d l t 6 6 7 ) 。委员会以公共通信体系u c a 2 0 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，建立了世界范围的统一 标准i e c6 1 8 5 0 。 2 0 0 1 年1 月，a b b 、s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u c a 用户协会进 行的跳闸命令的网络传输测试实验，并予当年5 月在加拿大u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议上进行展示。实验结果证明了通用对象的变电站事件( g o o s e ，g e n e r i c o b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o ne v e n t ) 适合在网络上传输断路器跳闸命令，并验证 了使用变电站配置语言( s c l ，s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ) 配置来自不 同厂商设备的g o o s e 的能力。此次演示活动被认为是i e c6 1 8 5 0 成为全球 标准过程中的一个重要里程碑。 2 0 0 2 年1 月在美国，由a b b 和s i e m e n s 参加采样值的网络传输测试【2 】。 此次演示前，这两个公司在2 0 0 0 年c i g r e 会议上就己宣布共同支持i e c 2 华北电力人学硕十学位论文 6 1 8 5 0 9 ，并于2 0 0 1 年1 1 月在k e m a 通过了一致性测试。实验结果证明：按 照i e c6 1 8 5 0 9 1 以点对多点连接到电子式电流电压互感器的方式是可行 的，这种方式将被a b b 和s i e m e n s 所支持；支持i e c6 1 8 5 0 9 1 的应用连 接到以太网交换机上是实现过程总线解决方案的第一步【3 】。 2 0 0 2 年9 月，a b b ，s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u t i l i t yi n i t i a t i v e 会 议进行采样值和跳闸命令经同一网络传输测试。该实验验证了采样值和跳闸 命令经同一网络传输的可行性。 在i e c6 1 8 5 0 标准正式发布后，国外就有完全符合i e c6 1 8 5 0 标准的设 备出现，国外无论在i e c6 1 8 5 0 标准的研究和应用上都已非常成熟，产品也 逐渐走向多样化。就目前状况而言，国外无论是标准的研究还是标准的实际 应用均远远领先于国内业界。 1 2 2 国内研究现状 相对国外情况，国内也有专门部门在全面跟踪和研究i e c6 1 8 5 0 标准的 最新动向，中国电力企业联合会成立专门工作组，组织了国内大的制造商和 研究机构对该标准进行跟踪、研究和消化，目的是将i e c6 1 8 5 0 标准转化为 我国电力行业标准，提高我国电力技术水平和产品的可靠性。 国内己经发表了许多关于i e c6 1 8 5 0 标准的文献，它们大多叙述了i e c 6 1 8 5 0 标准的内容、特点；分析了i e c6 1 8 5 0 标准的技术特征；对i e c6 1 8 5 0 标准的信息模型进行了分析；提出了i e c6 1 8 5 0 标准的应用和一致性测试建 议，但目前还没有一个成熟的工程开发方法【4 1 。 2 0 0 5 年5 月至2 0 0 6 年1 2 月，国家电网调度通信中心先后组织国内外厂 家和研究机构进行了6 次互操作性试验，实验内容分为六个方面p 6 】。 1 、对服务器、客户端应用关联、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据集 等服务进行测试和互操作试验。 2 、按给定数据模型( 单母线线路间隔) 建模，生成i c d 文件，并进行交换 和检测，试验还对报告( 缓存报告和非缓存报告) 和控制进行试验。 3 、按给定数据模型建模，重点检查对模型理解的一致性，i c d 文件的合 法性和系统配置工具的一致性；对服务，包括文件的读、删除和读文件属性 值，定值组控制、替代、同志及对时间服务进行试验，通信模式上采用一对 多模式。 4 、对a c s i 服务中的g o o s e 及传输功能进行试验，使用g o o s e 完成 测控设备间隔间逻辑闭锁功能；验证变电站“四遥”功能；使用系统配置器 验证s c l 文件的一致性，验证系统配置器的互操作性。 华北电力大学硕士学位论文 5 、继续验证变电站“四遥”功能，考查监控系统功能。使用系统配置 器验证i c d 文件的一致性，验证系统配置器的互操作性。 6 、面向变电站实际功能进行试验，包括监控系统、g o o s e 间隔间逻辑 闭锁等功能，要求使用实际系统进行测试。在这次试验中，国内单位和国外 公司成功实现了互操作，完成了变电站自动化系统的主要功能的测试。 这六次次互操作试验的成功，为国内企业研发和生产具有自主知识产权 的产品和系统奠定了基础。 1 3 论文的主要工作 论文在对i e c6 1 8 5 0 标准进行理解的前提下，尝试设计智能控制系统， 与间隔层设备进行模拟通信，以完全满足i e c6 1 8 5 0 标准的要求。论文的主 要主要工作包含以下内容： 1 、通过系统研究i e c6 1 8 5 0 标准和相关标准体系，分析i e c6 1 8 5 0 标准 的技术特点，对基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站智能控制系统的功能通信要求、装 置模型和报文通信协议进行了明确的定位。 2 、根据i e c6 1 8 5 0 标准的要求及建模方法，采用功能分解和层次化建模 的方法对变电站智能控制系统中过程层智能单元和间隔层控制单元进行了 信息建模，并用面向对象设计和编程方法实现了信息模型的类。 3 、对所构建的信息模型进行了s c l 文件的配置，在智能控制系统l e d 中实现了分层数据模型的具体描述和编码。 4 、在l i n u x 系统平台下实现了智能控制系统的关键通信机制g o o s e 报文的传输。针对g o o s e 报文的高实时性要求，将g o o s e 报文直接映射 到数据链路层，通过与l i n u x 内核程序接口的方法，进行了g o o s e 报文的 底层封装，实现了低延时的控制装置间的通信。 4 第二章基于ie c6 18 5 0 的变电站自动化系统 f 2 1 le c6 18 5 0 标准文档结构 i e c6 1 8 5 0 采用功能分解、数据流和信息建模的方法制定标准。功能分 解是为了理解分布功能组件间的逻辑关系，并用描述功能、子功能和功能接 口的逻辑节点表示。数据流是为了理解通信接口，通信接口应支持分布功能 的组件间交换信息和功能性能要求。信息建模用于定义信息交换的抽象语义 和语法，并用数据对象类和类型、属性、抽象对象方法( 服务) 和他们之间 的关系。 i e c6 1 8 5 0 从总体结构上共包含1 0 部分，所包含的系列文档如图2 1 所 示： p a a 8 基本原则 r t 1 术语 p m 2 一般性要求 r 吐3 系统和工程管理 p m 4 功能和装置模型的通信要求 p m 5 与变电站有关的i e d 的通信 p m 6 配置描述语言 变电站和馈线设备的基 融t 7 本通信结构 s c s m a s c s mb1 s c s m xs c s m y i i s t a c k as t a c kb j s t a c k xs t a c k y 一致性测试 p m l 0 图2 - 1 i e c6 1 8 5 0 所包含的文档系列 r i t 9 i e c6 1 8 5 0 标准各个部分的具体名称和内容如下： l 、i e c6 18 5 0 1 ：概论 介绍了标准的适用范围和目的，定义了变电站内l e d 之间的通信和相关 系统要求，并论述了制定一个适用标准的途径和如何对待通信技术革新等问 题。 华北电力人学硕十学位论文 2 、i e c6 1 8 5 0 2 ：术语 给出了i e c6 1 8 5 0 文档中涉及的关于变电站自动化系统特定术语及其定 义。 3 、i e c6 1 8 5 0 3 ：总体要求 详细说明系统通信网络的总体要求，重点是质量要求( 可靠性、可用性、 可维护性、安全性，可携带性、数据完整性以及总的网络要求) ，还涉及了环 境条件( 温度、湿度、大气压力、机械震动、电磁干扰等) 和供电要求的指导 方针，并根据其它标准和规范对相关的特定要求提出了建议。 4 、i e c6 1 8 5 0 4 ：系统和项目管理 描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所用的专用工 具调度要求。主要包括：工程要求仁参数分类、工程工具、文件：系统寿命 周期仁产品版本、停产、停产后的支持；质量保证仁责任、测试设备、型式 试验、系统测试、工厂验收、现场验收。 5 、i e c6 1 8 5 0 5 ：功能和设备模型的通信要求 规范了变电站自动化系统所完成功能的通信要求和装置模型。主要包 括：基本要求、逻辑节点的分析、逻辑通信链路、通信信息片的概念、逻辑 节点和相关的通信信息片、性能、功能等方面的要求。 6 、i e c6 1 8 5 0 6 ：与变电站有关的l e d 的通信配置描述语言 规定了描述系统工程的过程、与通信有关的l e d 配置和参数、通信系统 配置开关间隔( 功能) 结构、逻辑节点对一次系统的分配以及它们之间关系的 文件格式。目的是在不同制造商的l e d 管理工具和系统管理工具间以某种兼 容的方式交换l e d 性能描述和变电站自动化系统描述。 7 、i e c6 1 8 5 0 7 1 ：变电站和馈线设备的基本通信结构原理和模型 提供了有关基本建模和描述方法的信息，解释了i e c6 1 8 5 0 7 2 、正c 6 1 8 5 0 7 3 和i e c6 1 8 5 0 7 4 的详细要求，以及i e c6 1 8 5 0 8 x 和9 x 中具体 的通信协议。 8 、i e c6 1 8 5 0 7 2 - 变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服 务接口 主要从三个方面进行描述了抽象通信服务接口：抽象通信服务接口、抽 象通信服务的规范、设备数据库结构的模型。 9 、i e c6 1 8 5 0 7 3 ：变电站和馈线设备的基本通信结构公用数据类 定义了和变电站应用有关的公共属性和公共数据类，这些公共数据类用 于标准的7 4 部分。 1 0 、i e c6 1 8 5 0 7 4 ：变电站和馈线设备的基本通信结构兼容逻辑节 6 华北电力人学硕+ 学位论文 点类和数据类 规定了l e d 之间通信用的兼容逻辑节点名称和可能包含的所有数据名 称。所定义的名称用于建立分层对象引用，供i e d 内部以及i e d 之间通信使 用。 1 l 、i e c6 1 8 5 0 8 ：特定通信服务映射( s c s m ，s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o n s e r v i c em a p p i n g ) i e c i s 0 8 8 0 2 3 上映射到制造报文规范( m m s ) 说明了在局域网上交换数据的方法，将a c s 工映射到m m s 的服务和协 议的方法。 1 2 、i e c6 18 5 0 9 1 ：特定通信服务映射串行单向多分支点对点连接 的采样值传输 定义了通过合并单元使用电子式电流互感器、电子式电压互感器数字接 口的保护装置与合并单元之间点对点通信方法。 1 3 、i e c6 1 8 5 0 9 2 - 特定通信服务映射i e c i s 0 8 8 0 2 3 的采样值传 输 定义了在局域网过程总线上完成s c s m 中采样值传输的方法，定义了局 域网过程总线电子式电流互感器、电子式电压互感器、合并单元、保护装置、 间隔控制器及间隔测量装置之间的采样值传输方法。 1 4 、i e c6 18 5 0 1 0 ：一致性测试 包含了一致性测试规则、质量保证和测试、一致性测试所需要的文件、 有关设备的一致性测试及测试手段、测试设备的要求和有效性证明。 2 2ie c6 18 5 0 标准技术特点 i e c6 1 8 5 0 标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际 标准，该系列标准具有一系列特点和优点：分层的智能电子设备和变电站自 动化系统；根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息和其他信息 传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射以适应网 络技术的迅猛发展的要求；采用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描 述以适应应用功能的需要和发展，满足应用开放互操作性要求：快速传输变 化值；采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性；定义 传输元数据，扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等。并制定了变电 站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准【7 j 。 该标准的核心内容可归纳为信息建模、抽象服务和具体映射三部分。 1 i e c6 l8 5 0 定义了二十多种公共数据类型( c d c ) ，近一百种兼容逻 辑节点( c p l n ) 和三百多种兼容数据类型( c p d c ) ，用来表示变电站的具 7 华北电力人学硕+ 学位论文 体信息【8 , 9 1 。 2 定义了抽象通信服务接口( a c s i ) ，描述了服务器和客户端间的通信， 包括实时数据交换、事件报告、设备的自我描述、文件传输等【l 引。a c s i 使 整个标准向通信开放，独立于某个具体通信网络。 3 定义了特定通信服务映射( s c s m ) ，将a c s i 映射到特定的通信网络 协议，如制造报文协议( m m s ) ，t c p i p ，各种现场总线，串行线等等。将 这三部分有机地结合起来，就完善地解决了面向对象自我描述问题，显著降 低了数据管理费用并简化了数据维护。用i e c6 1 8 5 0 能进行变电站功能的扩 展( 通过派生新的兼容逻辑节点、兼容数据对象) ，并能适应通信网络技术 的飞速发展( 通过增加新的s c s m ) ，具有极大的灵活性和复用性。 2 2 1 自动化变电站的分层结构 变电站自动化系统的功能是控制和监视，以及一次设备和电网的继电保 护和监视。i e c6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的这三大功能，从逻 辑上将变电站功能划分为变电站层、间隔层和过程层，并定义了层与层之间 的接口【1 1 1 。如图2 2 所示。 远方控制中心技术服务 变电站层 间隔层 过程层 图2 - 2变电站自动化系统功能层和逻辑接口 图2 2 中各接口的定义如下： ：间隔层和变电站层之间保护数据交换； ：间隔层和远方保护之间保护数据交换： 8 华北电力人学硕十学位论文 ：间隔层内数据交换； ：过程层和间隔层之间电压互感器和电流互感器瞬时数据交换； ：过程层和间隔层之间控制数据交换； ：间隔层和变电站层之间控制数据交换； ：变电站层与远方工程师工作站之间数据交换； ：间隔层之间直接数据交换，特别是快速功能( 例如联锁) ； ：变电站层内交换数据； ：变电站层和远方控制中心之间控制数据交换。 变电站自动化系统设备可物理地安装在不同功能( 站、间隔、过程) 层。 其中，过程层功能主要完成开关量i o 、模拟量采样和控制命令的发送 等与一次设备相关的功能，这些功能通过逻辑接口和与间隔层通信。 间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线 路保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过逻辑接口实现 间隔层内通信，通过逻辑接口和与过程层通信，即与各种远方i o 、智 能传感器和控制器通信。 变电站层的功能主要就是关于变电站整体设备操作的，变电站层的功能 分为两类： l 、与过程层相关的功能：主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间 隔或全站的一次设备发生作用的功能，如母线保护或全站范围内的逻辑闭锁 等，变电站层通过逻辑接口完成通信功能。 2 、与接口相关的功能：主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面 的通信，通过逻辑接口、完成通信功能。 i e c6 1 8 5 0 标准的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同。在现 有系统中，过程层的功能都是在间隔层设备中实现的，没有独立的逻辑接口 和接口。随着光电流、电压互感器的使用，变电站自动化的发展趋势是 将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去。可见，i e c6 1 8 5 0 是个面向未 来的开放的标准。 2 2 2 面向对象的结构化信息模型 结构化信息模型是实现i e c6 1 8 5 0 标准的核心。i e c6 1 8 5 0 标准的一个 显著特点就是采用面向对象的方法描述变电站及设备信息，它为变电站设 备、通信体系及服务建立了基于对象的结构化信息模型。 在变电站自动化系统中，功能是指由应用功能完成的任务。通常功能与 其他功能交换数据，由智能电子设备( i e d ) 实现功能。i e c6 1 8 5 0 标准将变 9 华北电力人学硕十学位论文 电站自动化功能分为六大类【l2 1 。将应用功能分解为许多部分，常驻在不同的 l e d 中，彼此间进行通信，并和其他功能进行通信。功能分解的最小实体为 逻辑节点，它们被用于逻辑设备间的通信，再将这些逻辑设备合理地分配到 专用设备( 1 e d ) 。逻辑节点( l n ) 作为交换数据的最小功能单位，承载着变 电站自动化系统( s a s ) 的通信功能。 基于l e d 的功能，这些逻辑节点包含带有专用数据属性的数据，按照定 义好的规则和性能要求，由专用服务交换由数据和数据属性所代表的信息。 i e c6 1 8 5 0 7 4 中定义了1 3 个逻辑节点组，包含了9 0 多种逻辑节点类， 涵盖了保护、控制和测量设备以及一次设备等变电站设备的几乎所有信息， 基本满足目前变电站的功能描述。如果出现标准中没有与某个自动化功能对 应的逻辑节点类的情况时，还需要按照标准规定的专用命名方法扩充新的逻 辑节点。i e c6 1 8 5 0 标准按功能分解成逻辑节点，目的是将设备之间的通信 转变成逻辑节点之问的通信【13 1 。 结构化信息模型将实际的自动化功能虚拟成抽象的通信服务，由属性和 功能服务封装而成。 属性规范了变电站内交互信息的内容和语义，是访问和操作信息模型的 实体。在自动化变电站中，每个l e d 包含一个或多个服务器，每个服务器本 身又包含一个或多个逻辑设备( l d ) ，逻辑设备包含多个逻辑节点( l n ) ， 逻辑节点包含一个或多个数据对象( d o ) 。数据对象则是由数据属性( d a ) 构成的公用数据类( c d c ) 的命名实例，数据属性包括数据属性值和功能约 束( f c ) 等，如图2 3 所示。 图2 - 3数据模型分层结构 华北电力大学硕十学位论文 功能服务规范了变电站内信息交互的对象和方式，在下一节中将会详细 介绍。 j 2 2 3 抽象通信服务接口a c s i 抽象通信服务接口( a c s i ) 从通信中分离出应用过程并提供特殊通信服 务用以变电站内通信，采用虚拟的观点去描述和表示设备的全部行为。a c s i 定义了与实际所用的通信协议无关的应用，定义了相关通信服务、通信对象 以及参数。a c s i 提供如下6 种服务模型：连接服务模型、变量访问服务模 型、数据传输服务模型、设备控制服务模型、文件传输服务模型、时钟同步 服务模型f l4 1 。这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问， 包括请求、响应及服务过程。服务过程描述了某个具体服务请求如何被服务 器所响应以及采取什么动作在什么时候以什么方式响应。任何设备、控制器， 甚至s c a d a 系统、维护系统或者工程系统都可以使用a c s i 服务实现设备 间的互操作。接收服务请求和发出请求服务的设备之间独立。服务接口采用 抽象建模技术。抽象意味着该定义着重描述所提供的服务，而与设备间交换 的具体报文( 如何实现服务) 无关。如图2 4 所示。 a c s i 客户端应用 通信服务 响应确认 s c s m a c s i 服务器端应用 l 服务器对象l i 服务器对象i i 如逻辑节点l l 如逻辑节点l m r 磊焉卜 s c s m 通信栈 图2 - 4 应用层内部关系( 客户服务器) 在图2 4 中，客户端信息通过a c s i ，经过s c s m 映射到相应通信栈或 协议子集。在服务器侧，信息从通信栈或协议子集通过s c s m 和a c s i 接口 到达应用层。 a c s i 中的抽象概念可以归纳为两个方面： 1 a c s i 仅仅建模了通信网络可视且可访问的实际设备( 例如断路器) 或功能，抽象出各种层次结构的类模型和它们的行为。 2 a c s i 从设备信息交换角度进行抽象，并且仅仅定义了概念上的互操 华北电力大学硕士学位论文 作。标准关心的是描述通信服务的具体原理，而有关设备问交换的具体报文 及编码并未与服务同时定义，这些在特定的通信服务映射中指定( i e c 6 1 8 5 0 8 一x ，i e c6 1 8 5 0 9 x ) ，这样就实现了通信服务和具体采用的技术的独 立【14 1 。 2 2 4 特定通信服务映射s c s m s c s m 作为中间层提供抽象应用层所不支持的功能并将抽象应用层的抽 象服务映射为实际的服务。无论是变电站层和间隔层间的变电站总线还是间 隔层和过程层i a j 的过程总线，i e c6 1 8 5 0 都提供了相应的特殊通信服务映射。 s c s m 弥补了a c s i 提供的功能与所采用的应用层提供的功能之间的差距。 a c s i 本身没有协议数据单元( p d u ) ，也就是说，a c s i 与具体传输格 式( 方式) 无关，而是通过s c s m 映射到下层( 应用层) 协议数据单元。不 同的网络应用层协议和通信栈与不同的s c s m l 一s c s m n 相对应【”】。映射过 程中，客户服务通过a c s i 由s c s m 映射到所采用的通信栈或协议子集；在 服务器侧，通信栈或协议子集通过s c s m 与a c s i 接口。a c s i 与通信协议无 关的特性，以及s c s m 的采用，很容易适应变电站内采用不同类型通信网络 的要求。 a c s i 经由s c s m 到应用层的映射过程举例如图2 5 所示。 a c s i 接口 ，一s c s m 协议数据单元 图2 - 5a c s i 、s c s m 与应用层的映射关系 a c s i 经由s c s m 映射到应用层可被分为三种情况： 1 a c s i 服务或对象与应用层协议服务或对象直接映射。 2 s c s m 需加入一些功能。例如，如果不同的a c s i 服务映射到同一应 用层服务时，s c s m 需要通过一些附加信息区分不同的a c s i 服务。如果一 个a c s i 服务映射到一系列应用层服务，s c s m 需要通过一个状态机构产生 华北电力大学硕士学位论文 映射顺序。 3 特定映射所不支持的服务和对象。针对这种情况，则需要对应用层 服务进行相应扩展以满足实用需求。 2 2 5 变电站配置描述语言s c l i e c6 1 8 5 0 系列标准的目的是为来自不同厂家的l e d 产品提供互操作性， 所讨论的焦点是为变电站通信管理提供一套能够满足互操作性要求的变电 站通信系统。l e d 的信息模型采用面向对象技术来建立，当构建完较为完备 的信息模型后，信息模型的语义描述工作由s c l 文件来完成。它通过对设备 配置信息的描述，使通信系统配置数据可在l e d 配置工具和不同制造商提供 的系统配置工具间相互交换，从而满足自动化变电站中设备的互操作性要求 【1 6 】 o 变电站配置描述语言( s c l ) 基于x m l l 0 和x m ls c h e m a ，所有符合标准 的产品都使用s c l 进行自我描述。利用s c l 可以建立变电站对象模型，主 要包括变电站功能对象模型、产品对象模型和通信系统对象模型。 s c l 作为变电站配置的专用描述语言，在语法上遵循x m l 的语法规定， 在语义上尽可能包含变电站配置所涉及的各类对象。s c l 文件的根元素是 s c l 。s c l 包含5 个子元素：h e a d e r ，s u b s t a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，l e d ， d a t a t y p e ，t e m p l a t e s 。每个子元素下配置相应的该部分的模型信息。 1 、h e a d e r 部分：包含s c l 文件的版本信息和修订信息、文件书写工具 标识以及名称映射信息，用来描述文件自身的信息。 2 、s u b s t a t i o n 部分：即变电站模型，包含变电站的功能结构、其主元件和 电气连接以及相应的功能节点，主要用在s s d 文件和s c d 文件中。 3 、c o m m u n i c a t i o n 部分：即通信模型，定义子网中i e d 接人点的相关通 信信息，包括设备的网络地址和各层物理地址。 4 、i e d 部分：即i e d 模型，描述了l e d 的配置清况及其所包含的逻辑 装置、逻辑节点、数据对象和所具备的通信服务能力，涵盖了功能和通信两 方面的内容。 5 、d a t a t y p e t e m p l a t e s 部分：即可实例化的逻辑节点类定义模型，详细 定义了在文件中出现的逻辑节点类型以及该逻辑节点所包含的数据对象和 数据属性。 华北电力大学硕十学位论文 2 。3 服务模型及服务映射 2 3 1 通信服务模型 在分布式变电站自动化系统中，智能电子设备( i e d ) 共同协助完成自 动化功能的应用场合越来越多，例如间隔层设备之间的防误闭锁、分布式母 线保护等，这些功能得以完成的重要前提条件是众多l e d 之间数据通信的可 靠性和实时性。为了保证i e d 间通信的可靠性和实时性，i e c6 1 8 5 0 中定义 了通用变电站事件( g s e ) 模型，该模型基于自动分布的概念，提供了在全 系统范围内快速可靠地输入、输出数据值的功能。 通用变电站事件( g s e ) 分为2 种不同的控制类和报文结构【1 7 j ：一种是 面向通用对象的变电站事件( g o o s e ) ，支持由数据集组织的公共数据交换； 另一种是通用变电站状态事件( g s s e ) ，用于传输状念位变位信息( 双比特) 。 g s s e 报文一般只用于传输保护跳闸、闭锁等状态变位信息，内容比较 单一。g o o s e 报文的核心内容可由用户灵活、自由定义，不仅可传输状态 信息，而且可传输模拟量信息，甚至可传输时间同步信息等，故其应用范围 更广。 g o o s e g s s e 报文传输服务的抽象模型采用发布者订阅者通信结构， 与点对点通信结构和客户服务器通信结构相比，发布者订阅者通信结构是 一个数据源( 即发布者) 向多个接收者( 即订阅者) 发送数据的最佳解决方案，尤 其适合于数据流量大且实时性要求高的数据通信。发布者订阅者模型如图 2 7 所示，发布者将数据值写入发送侧的当地缓冲区，接收者从接收侧的当 地缓冲区读数据。通信系统负责刷新订户的当地缓冲区。发布方的通用变电 站事件控制类用以控制这个过程。如图2 - 6 所示。 华北电力人学硕十学位论文 抽象通信服务接口抽象通信服务接口 r 1 订阅者发布者 获取数据值请求数据对敛 、 属性值 获取数据值响应 s e nd g 0 0 s e m e 5s a g e 属性值 ( 特i：通f 蒯i i 务l映射)。 本地芨透 属性值 请求订阅信盖 _， | i