数字化变电站中的通信网关概要

数字化变电站中的通信网关王德文,朱永利,邸剑,翟学明(华北电力高校计算机科学与技术学院,河北省保定市071003摘要:在数字化变电站的建设和改造过程中,基于IEC61850的变电站自动化系统与现有系统之间必定存在一个过渡期。为了解决新系统与现有系统的兼容问题,提出了一种数字化变电站中常规智能电子设备的接入方案,设计了一种IEC61850通信网关,包括配置工具、协议转换器、数据采集过滤器、IEC61850和过程限制对象链接与嵌入(OPC客户/服务器等软件模块。另外,基于上述方法开发了一个原型系统,通过测试验证了所采纳方案的可行性。关键词:数字化变电站;IEC61850;变电站自动化系统;智能电子设备;通信网关中图分类号:TM764;TM73收稿日期:2008207225;修回日期:2008209216。国家自然科学基金资助项目(60574037。0引言数字化变电站是遵循IEC61850标准采纳电子式互感器、智能化开关等智能化的一次设备和网络化的二次设备分层构建,实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站,已经在国内外成为变电站自动化技术的发展方向[122]。国外基于IEC61850,多个数字化,取得了肯定的阅历,并先后进行了多次IEC61850的互操作试验,取得了重大进展[3]。从总体上看,国内数字化变电站系统的应用和实施尚处于探究、起步阶段,能够满意要求、可推广应用的智能一次设备很少,光电互感器、智能开关设备、合并单元、状态检测和通信网络技术的推广应用还需攻克一些技术难题[4]。因此,在相对成熟的变电站层和间隔层,推广IEC61850标准的实施,实现不同厂家智能电子设备(IED之间的互联和互操作应是数字化变电站在现阶段实现的目标。虽然基于IEC61850的变电层和间隔层IED正在逐步推出,但是,现有的变电站自动化系统仍旧在运用不遵循IEC61850的各种常规IED和协议,实现这些现有IED和协议到IEC61850的整体替换代价很大,今后较长时间内将是非IEC61850系统和IEC61850系统共存的过渡时期[528]。在这个过渡阶段,如何推动IEC61850系统的实际应用,又能保障现有系统到IEC61850系统的平稳过渡,是迫切须要解决的一个难题。常规IED,IEC61850,IED纳入,IED之间的,IEC61850设备61850平稳过渡的问题,可以满意过渡期内数字化变电站建设和改造的实际工程须要。1数字化变电站中常规IED的接入方案数字化变电站自动化系统的主要功能有限制、监视、设备及其馈线爱护,以及系统配置、通信管理、软件管理等维护功能,IEC61850从逻辑上将系统的功能安排在3个层次上,即变电站层、间隔层和过程层。在数字化变电站中,要求数据采集与监控(SCADA系统支持IEC61850,继电爱护装置和间隔测控单元必需是遵循IEC61850的IED,这样才可以实现间隔层与变电站层之间、间隔层与过程层之间、间隔内部与间隔之间爱护和限制数据的交换。在以IEC61850为基础的数字化变电站的建设、改造过程中,须要解决IEC61850的IED与IEC6087025装置的互联和互通问题。本文在变电站层和间隔层采纳通信网关的方法对非IEC61850IED、远程终端单元(RTU和SCADA系统进行封装,实现现有系统与IEC61850系统的连接,如图1所示。通信网关的应用可以分为2种状况:1常规爱护测控装置与IEC60870252101/103等传统协议在变电站自动化系统中已经得到了广泛的应用。在间隔层采纳间隔网关对常规的爱护和测—35—第33卷第4期2009年2月25日Vol.33No.4Feb.25,2009控装置进行封装,将IEC60870252101/103等传统协议转换为IEC61850通信协议,将其变成一个能够供应IEC61850服务的IED,这样,就能够在IEC61850体系下实现主机或IED之间干脆、快速、精确、自由的信息交换。图1数字化变电站中常规IED的接入方案Fig.1ConnectionschemeforconventionalIEDindigitalsubstation2调度中心与变电站之间的信息传输采纳IEC60870252101/104等传统电力远动协议兼容目前的调度自动化系统,网关将IEC61850IEC61850设备干脆依据IEC61850的技术体系来设计与开发,不须要考虑对现有非IEC61850设备和协议的支持,一旦条件成熟,很简单将常规开关、互感器干脆更换为智能开关和光电互感器,无须变更IEC61850的通信网络和体系结构。因此,通信网关无疑是解决现有系统到IEC61850系统之间平稳过渡这一难题的一个切实可行的方法。2IEC61850通信网关的设计本文所设计的IEC61850通信网关的软件结构包括通信子层、应用服务子层和高级应用子层,其核心部分为配置工具、协议转换器、数据采集过滤器、IEC61850和过程限制对象链接与嵌入(OPC客户/服务器等,如图2所示。IEC61850通信网关具备的基本功能为:1供应基于变电站配置描述语言(SCL的配置与建模工具;2供应多种与新旧系统的通信接口,并供应数据存储与集中过滤的实力;3供应IEC6087025与IEC61850之间的数据和协议转换;4供应制造报文规范(MMS、OPC等服务,实现广泛的IEC61850互操作。图2IEC61850通信网关的软件结构Fig.2SoftwarearchitectureofcommunicationgatewaybasedonIEC618502.L61850IEC,IED配置工具,使其IED和系统配置工具之间相互交换,实现IEC61850设备之间的互操作。其次,IEC61850通信网关作为封装IEC6087025传统设备的IED,必需考虑IEC61850与IEC6087025之间的映射问题。IEC6087025标准体系的数据模型都是面对信号的,对IED的信息描述都是信号点表形式,从逻辑上讲是一种线性和平面的结构,无法表达数据之间的关联性。另外,由于没有像IEC61850那样对变电站自动化系统的各种实际对象进行建模和描述,各个厂商依据各自不同的理解进行设计,所实现的通信协议又有所差别,相应的版本许多。针对这种状况,IEC61850通信网关必需能够敏捷封装不同厂商所实现的IEC6087025IED,并实现IEC6087025的线性模型与IEC61850的面对对象模型之间的自动生成和转换,才具有工程好用价值,这一问题的解决同样须要借助于配置工具。IEC61850通信网关的配置工具除了供应对IEC61850数据模型的配置功能以外,还供应对IEC6087025协议数据模型的描述功能,以及两者之间映射规则的描述和配置服务。本文在以下几个方面对IEC61850配置工具的参考模型进行了扩展:—45—2009,33(41引入2个新的SCL文档模式文件IEC61850所供应的SCLSchema文件为SCL.xsd,其中包含变电站、IED、通信系统和数据类型模板4个组件部分,分别对应以下4个文件[9210]:SCL_Substationxsd;SCL_IEDxsd;SCL_Communicationxsd;SCL_DataTypeTemplatesxsd。本文在对IEC6087025的应用服务数据单元(ASDU结构进行分析的基础上,依据表1所给出的IEC6087025的ASDU到IEC61850的映射规则,采纳XMLSchema技术对IEC6087025的ASDU及其映射规则进行描述,生成ASDU模式文件(ASDUxsd和映射规则模式文件(Mappingxsd。表1IEC6087025ASDU与IEC61850的映射规则Table1RulesofmapbetweenIEC6087025ASDUandIEC61850IEC608705ASDUIEC61850类型标识符隐含定义可变结构限定词隐含定义传送缘由包含缘由/服务参数发信方地址关联/服务参数(发信方ASDU公共地址、功能类型(仅限IEC60870252103、信息序号逻辑设备、逻辑节点、数据、性(信息元素集(2引入2IEC618504个文件:①IED功能描述文件(ICD———IEDcapabilitydescription,用于IED配置工具与系统配置工具之间交换数据;②系统规格描述文件(SSD,用于描述变电站的单线图及其所须要的逻辑节点;③变电站配置描述文件(SCD,用于描述IED与变电站限制中心如何进行连接;④配置IED描述文件(CID———configuredIEDdescription,绑定了详细功能并可供参数进行配置的描述文件。本文在已有的4个配置描述文件的基础上引入了以下文件:①配置ASDU描述文件(CAD———configuredASDUdescription,用来描述IEC6087025ASDU的配置实例;②配置映射规则描述文件(CMD———configuredmappingdescription,用来描述IEC6087025ASDU与IEC61850映射规则实例。图3给出了经过扩展的SCL配置工具的信息流参考模型。可以看出:IED功能描述及其出厂信息通过IED配置器生成ICD,并与SSD作为系统配置器的输入源,两者互为补充,由系统配置器解析成SCD,IED配置工具采纳IED模式文件、ASDU模式文件和映射规则模式文件对SCD进行XML与SCL的语法验证,生成CID、CAD与CMD,随后将三者装入IEC61850网关,完成配置的过程。图3网关配置工具的信息流参考模型Fig.3Referencemodelforinformationflowofgatewayconfigurationtool本文所设计的IED配置工具由人机界面、XML文档的解析、SCL文档的生成、SCL文档的导入/导出、SCL文档的传输与IEC6087025与IEC61850之间的模型转换等部分构成,并供应一个可视化的编辑环境,用树形控件组织SCL,SCL,方,本配置工具还是一个工程,可以将传统IED的IEC6087025特定实现协议及其信息点表自动生成IEC61850的数据模型。下面以保定自动化所某IEC60870252104协议接口单元为例描述IEC61850模型的生成过程。1该协议接口单元采纳的是天津电网IEC60870252104远动协议标准,依据其ASDU的定义与现场供应的遥测、遥信和遥控点表,运用配置工具生成ASDU描述文件;2运用配置工具生成IEC60870252104与IEC61850的映射规则描述文件;3配置工具依据ASDU描述文件和映射规则描述文件自动生成IEC61850IED描述文件;4启动通信网关装入最终生成的全部描述文件,起先协议转换。采纳配置工具进行工程组态的方法,可以实现模型与程序的分别及传统IED的IEC61850模型的自动生成,较好地解决了由于IEC6087025版本众多所带来的工程实践困难的问题。2.2数据的采集过滤和协议转换IEC61850通信网关作为IEC61850系统与IEC6087025系统之间的接口,供应多种与新旧系统的通信接口,包括串口通信、TCP/UDP、OSI协议—55—・研制与开发・王德文,等数字化变电站中的通信网关栈与MMS等。数据采集过滤器充当IEC6087025的主站系统,利用通信接口收集所连接的常规继电爱护装置、间隔测控单元或RTU等设备传送来的继电爱护故障信息和SCADA监控信息,包括状态变位、测量值、电能累积量、事务依次记录、故障录波、扰动记录等数据,同时,将所接收的继电爱护故障信息管理主站以及具有SCADA监控功能的就地和远动主站所发出的限制、呼唤、升降、对时吩咐、继电爱护设备的投退吩咐等下发给所连接的常规间隔设备。另外,本地或远方主站大多数状况下无须获得IED的全部数据,通信网关还应具备数据过滤的功能,供应虚拟访问限制视图。协议转换器利用配置工具所生成的配置和描述文件,建立的IEC61850与IEC6087025的数据和服务模型,在IEC6087025间隔设备与IEC61850主机或IED之间、IEC61850主机或IED与常规远方限制中心之间,完成IEC6087025与IEC61850的协议转换。2.3IEC61850和OPC客户/服务器通信网关对外是一个IEC61850一方面充当IEC61850务,向61850,面作为客他隔层的IEC61850设备(服务器进行数据通信。虽然通信网关不行能实现IEC61850的全部功能与服务,但一些基本的抽象通信服务接口(ACSI模型必需支持,包括服务器模型、关联模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型、数据集模型、报告模型和限制模型,以满意系统数据通信的基本需求,而其他的取代模型、定值组限制模型、日志模型、GSSE和GOOSE作为可选模型,依据用户的要求进行定制开发。考虑到基于Windows平台的常规SCADA系统监控软件一般支持开放数据访问接口OPC,通信网关还应供应OPC数据访问服务,将MMS的虚拟制造设备、域和出名变量等对象映射为OPC的服务器、数据组和数据项对象,以解决实时数据库对IEC61850的支持。3原型系统本文采纳所设计的IEC61850通信网关构建了一个原型系统,由IEC61850通信网关、SCADA系统客户端、IEC60870252104协议接口单元构成,采纳100Mbit/s以太网连接,如图4所示。图4原型系统结构Fig.4Structureofaprototypesystem通信网关作为主站与IEC60870252104协议接口单元(子站建立连接,定时呼唤遥测和遥信数据,接收遥测告警和遥信变位等数据,并下发遥控的选择和执行吩咐。测试表明,遥测和遥信等上传数据完整,告警数据响应快速,遥控吩咐执行正确。通信网关将IEC60870252104的协议报文转化为IEC61850的抽象通信服务,为SCADA系统客户端供应IEC61850的实时数据通信服务,主要包括关联、读服务器书目、读逻辑设备书目、读逻辑节点书目、读数据书目、读数据定义、带值选择、执行和报告等,基本满意了SCADA系统监测和限制的须要。在测试过程中,61850与25,,,造成端到端延时有所增加。上述问题须要在今后的工作中接着进行深化的探讨。4结语数字化变电站技术的发展将会是一个长期的过程。在以IEC61850为基础的数字变电站的建设和改造过程中,须要解决IEC61850与IEC6087025设备间的互联互通问题。本文设计了一种基于IEC61850的通信网关,将常规IEC6087025设备纳入IEC61850的通信体系,从而实现各类主机与设备之间的信息交换和互操作,并开发了原型系统,通过测试验证了方案的可行性,初步解决了非IEC61850系统向IEC61850系统平稳过渡的问题,可以满意过渡期内数字化变电站建设和改造的实际工程须要。参考文献[1]李九虎,郑玉平,古世东,等.电子式互感器在数字化变电站的应用.电力系统自动化,2007,31(7:94298.LIJiuhu,ZHENGYuping,GUShidong,etal.Applicationofelectronicinstrumenttransformerindigitalsubstation.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(7:94298.[2]张沛超,高翔.数字化变电站系统结构.电网技术,2006,30(24:73277.ZHANGPeichao,GAOXiang.Systemarchitectureofdigitized—65—substation.PowerSystemsTechnology,2006,30(24:73277.[3]辛耀中,王永福,任雁铭.中国IEC61850研发及互操作试验情况综述.电力系统自动化,2007,31(12:126.XINYaozhong,WANGYongfu,RENYanming,etal.Surveyonresearch,developmentandinteroperabilitytestofIEC61850inChina.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(12:126.[4]孙一民,李延新,黎强.分阶段实现数字化变电站系统的工程方案.电力系统自动化,2007,31(5:90293.SUNYimin,LIYanxin,LIQing.Agradingsolutionforbuildingdigitalstation.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(5:90293.[5]朱炳铨,任雁铭,姜健宁,等.变电站自动化系统实现IEC61850的过渡期策略.电力系统自动化,2005,29(23:54257.ZHUBingquan,RENYanming,JIANGJianning,etal.StrategyforimplementationofIEC61850insubstationautomationsystemduringtransitional.AutomationofElectricPowerSystems,2005,29(23:54257.[6]王德文,朱永利,邸剑.利用IEC61850/MMS的电力远动实时数据交换新方法.中国电机工程学报,2008,28(1:65270.WANGDewen,ZHUYongli,DIJian.Anewapproachtoexchangereal2timedataofpowertelemonitoringsystemsbyusingIEC61850/MMS.ProceedingsoftheCSEE,2008,28(1:65270.[7]BRODTW,DINGESR,SCHINNELG,etal.ApplicationofIEC61850formodelingofcontrolcenterviewofasubstationandforthecommunicationbetweensubstationandcontrolcenters[R].ReporttotheIECTC57SPAG,2002.[8]易永辉,曹一家,郭创新,等.基于XMLSchema技术的IEC61850通用网关设计.电力系统自动化,2007,31(2:60264.YIYonghui,CAOYijia,GUOChuangxin,etal.DesignofIEC61850generalgatewaybasedonXMLschema.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(2:60264.[9]王丽华,张青山,张马龙,等.IEC61850建模工具的设计与实现.电力系统自动化,2008,32(4:73276.WANGLihua,ZHANGQingshan,ZHANGMalong,etal.DesignandimplementationofmodelingtoolbasedonIEC61850.AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(4:73276.[10]IEC6185026Communicationnetworksandsystemsinsubstations:Part6configurationdescriptionlanguageforcommunicationinelectricalsubstationsrelatedtoIEDs.2003.王德文(1973—,男,通信作者,博士探讨生,主要探讨方向:电力系统自动化和计算机网络。E2mail:wdewen@朱永利(1963—,男,博士生导师,教授,主要探讨方向:电力系统自动化、。邸剑(1968—,男,高级工程师,:计算ResearchonGNZ,IJian,ZHAIXuemingUniversity,Baoding071003,ChinaAbstract:Inthesubstationconstruction,thereisboundtobeatransitionalperiodbetweenthenewIEC618502basedsubstationautomationsystems(SASandtheoldones.Tosolvethecompatibilityproblembetweenthenewandoldsystems,aschemeforconnectingtheconventionalintelligentelectronicdevicestodigitalsubstationsisproposed,andacommunicationgatewaybasedonIEC61850isdesignedwhichincludestheconfigurationtool,protocolconverter,datacollectingfilterandIEC61850andOPCserver.Moreover,aprototypesystembasedontheabovemethodsisdevelopedandputthroughtesting,demonstratingthevalidityoftheproposedscheme.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.60574037.Keywords:digitalsubstation;IEC61850;substationautomationsystem;intelligentelectronicdevice;communicationgateway(上接第39页continuedfrompage39StudyontheRelationBetweenElectricityFuturesandSpotPricesBasedonVARModelHEChuan