基于iec61850的新型远动通信建模与分析

基于iec61850的新型远动通信建模与分析

0基于多agent技术的电力远动通信国际电工委员会制定的iec61850标准是世界上第一个完整、高度网络化的电气工程自动系统。远动系统未来的发展趋势是变电站内以及变电站到调度中心之间均采用IEC61850标准实现无缝通信,从而满足整个调度自动化系统的互操作性和开放性要求。目前几乎所有基于IEC61850标准的研究都是围绕该标准的特点及其在变电站自动化系统中的应用而展开的,而关于将该标准扩展到电力远动通信系统以实现调度自动化系统无缝通信的报道却很少。Agent作为一种新的软件抽象机制能够使开发人员较好地理解和开发复杂的分布式软件系统,基于Agent和多Agent的系统所具有的自主性、异步并行性及通信交互性等特性能较好地解决基于广域网的电力远动信息传输中的分布性和异构性问题,为保证网络各节点的服务质量以及提高整个远动通信系统的灵活性提供有力支持。目前,多Agent技术虽然已在电力系统得到了广泛应用,但却较少应用于远动通信中。本文对采用国际标准IEC61850构建新型电力远动系统进行了深入研究,建立了基于IEC61850的新型电力远动系统网络结构,在分析其主要通信实体功能的基础上,提出了一种基于多Agent的系统分析和建模方法,并给出了主要Agent类的模板结构及其实现方法,最后通过实验室原型系统的开发和测试验证了该方案的可行性和有效性。1基于同步数字系列电力通信专网的远程定位方案设计为了使现有变电站系统的网络结构及功能分配向完全遵循IEC61850标准的变电站自动化系统平滑过渡,新型远动系统必须既要满足现有系统要求又能符合未来发展趋势。本文建立的遵循IEC61850标准的新型远动系统网络结构如图1所示。该系统可基于同步数字系列(synchronousdigitalhierarchy,SDH)电力通信专网,利用光纤网络的高带宽、高传输速率及高可靠性等特点将多个调度中心和多个变电站的远程终端设备(remoteterminalunit,RTU)及智能电子设备(intelligentelectronicdevice,IED)通过广域网相连。变电站的通信代理网关和遵循IEC61850标准并具有网络接口的IED都可作为独立的网络节点而被分配IP地址,它们可直接向站控层的局域网或控制中心通信服务器传送信息,这种变电站IED直接上网的方法与原来的专线电路交换完全不同,前者消除了通信“瓶颈”问题,极大地提高了数据传输速度。2新远动信息传输系统的建模2.1远动通信功能目前很少甚至没有基于IEC61850标准的、成熟的IEDs产品和变电站自动化系统,而关于该标准在电力远动通信中的应用也未见报道。因此,本文将从基于广域网的远动系统网络结构中选择一个有代表性的、小范围的电力调度自动化系统,即1个调度中心与1个变电站内多个完成不同任务的IEDs,并研究它们之间的信息传输。这种以点带面的研究方式可以暂不考虑包含多个调度中心的大区域电网结构下的复杂网络问题,而着重研究未来的IED如何以IEC61850标准为基础建立设备模型并实现远动通信。在图1所示的新型远动系统网络结构中,系统的主要实体是调度中心端的通信主机和各种IEDs,系统的主要任务是在厂站IEDs与调度中心之间传输远动信息。新标准下可直接上网的IED的远动通信功能的特点和要求为:(1)作为变电站IED的外围辅助设备,统一的配置器应提供遵循IEC61850的人机界面来帮助工程师根据设备功能对其进行预配置,并生成用变电站配置描述语言描述的、扩展名为.SCL的IED设备预配置文件。同时,IED应具有对自身预配置描述文档的解析功能。(2)IED内部的数据采集模块应提供数据访问接口,以建立各种IEDs具体的实例化设备数据模型,为远动通信提供各类型报文的数据源。(3)远动信息种类繁多,各类信息的报文长度和实时性要求不尽相同,IED的远动通信部分需要有灵活的通信控制策略和调度机制来满足各种不同的需求。(4)IED应具有能在特定情况下实现人工干预远动通信过程的良好人机交互界面。(5)IED可作为网络中独立的通信实体被分配IP地址,便于调度中心对其进行灵活管理或实现即插即用。调度端对应的远动通信服务器应具有以下功能和特点:(1)具有符合调度人员操作习惯的变电站设备数据访问、通信控制以及网络拓扑结构显示等功能的人机界面。(2)具有与变电站IED设备一致的远动信息传输和访问方式以及通信控制策略和机制。(3)能对传输过来的设备自描述文档进行解析并采用相应的数据库技术进行设备信息的存储、管理和维护等。2.2网络拓扑结构方面的主要突破结合Agent、多Agent技术的特点,构造驻留在IED、RTU内部和调度中心通信主机中的、实现基于IEC61850标准的远动信息传输的软件多Agent系统。该软件与传统的变电站通信软件相比,在系统结构、功能分配以及通用性和可移植性方面有了较大突破。从系统构成、网络拓扑结构以及实现功能方面考虑,为上述多Agent系统定义了两类Agents,即IED＿Agent和Dispatching＿Agent。不同的IEDs根据其功能特性由IED＿Agent类产生不同的IED＿Agent对象,同时根据调度端通信管理的需要,由Dispatching＿Agent生成1个或多个Dispatching＿Agent对象。调度中心与变电站内部IED之间的远动信息传输及设备管理可通过Dispatching＿Agent对象与多个IED＿Agent对象之间的交互和管理来完成,如图2所示。系统功能的实现和性能的提高主要依赖于2类Agent自身的结构、特性以及它们之间交互的结果。2.3ied滩头模型2.3.1模型创建和原理不同类型的IEDs除了内部的过程数据采集模块接口方式、过程数据量和数据值不同外,与IEC61850标准相结合时在底层通信协议的选择上还具有较大的灵活性。各种服务的具体参数不是在IEC61850-7-2定义的抽象通信服务接口(abstractcommunicationserviceinterface,ACSI)中定义,而是在特定通信服务映射部分定义。IEC61850标准仅提供了ACSI服务的概念模型和信息模型,由于电力远动系统对于实时性能要求相对较低,可以考虑为ACSI单独定义一套具体的应用编程接口,这样可以使信息模型、信息交换模型与通信协议栈真正地分离,允许各种IEDs在ACSI的映射方式以及与所映射协议相关的通信控制机制上有所不同,因此可由开发者根据具体情况来选择和实现。由于各种IEDs的建模思想和方法都是基于IEC61850的,因此在设备配置、SCL文档解析、用户操作界面、消息处理、ACSI事件监视和事件触发等方面可以采用相同的模块来完成,以提高软件的可重用性。本文将IED＿Agent类模板的内部结构分成两大部分:Agent基(Agent＿Base)和Agent基因(Agent＿Gene)。Agent基是实现IEDs共性的部分,不同的IED＿Agent对象可以继承同一个Agent基而基本上不需做任何改变。Agent基因是与具体IED设备的硬件构造和采用的映射协议相关的IED个性部分,不同的IED＿Agent对象的Agent基因差别较大,相同的Agent基与不同的Agent基因构成了不同的IED＿Agent对象。IED＿Agent类模板用巴科斯范式可表示为式中IED＿Aid是每个IED＿Agent对象在整个多Agent系统中的唯一标识符。IED＿Agent模板结构见图3。2.3.2服务器实例化模块(1)SCL文档解析模块。由于SCL以XML1.0为基础,因此SCL文档解析模块主要实现类似于XML核心解析器的功能。由于IEC61850提供了定义SCL文档语法的XML模式的Schema描述,因此该解析过程需要增加IEC61850-6词汇表,并利用该Schema实现严格的语义检查、验证以及自动提示纠错功能。经SCL文档解析后可得到按照ACSI中所定义的设备逻辑结构(如服务器-逻辑设备-逻辑节点-数据对象-数据属性)组织的树形结构模型(类似于XML解析器中的文档对象模型)的应用程序接口(applicationprogramminginterface,API)。因此该模块相当于IED＿Agent的语言包装机制。(2)服务器实例化模块。SCL文档解析后生成的逻辑结构代表了IED设备内部各项功能的参数名称,要得到各项参数的具体参数值,需要将其与对应的过程数据相关联,因此服务器实例化模块要利用SCL文档解析模块提供的逻辑结构访问API和设备内过程数据采集模块所提供的过程数据访问接口,以实现设备逻辑结构与具体过程数据的对应,并在内存中形成设备通信服务器实例,该模块的执行结果为IED＿Agent构造了内部数据库。(3)ACSI事件监视模块。服务器除提供对运行参数的各种访问操作以外,在设备状态发生变化时还要完成将相应数据对象及其属性值形成数据集和报告并发送以及传输文件等服务。因此,服务器实例化后将启动ACSI事件监视模块,该模块对已与过程数据相关联的具有“触发选项(TrgOp)”数据属性值(如数据变化(dchg)、品质变化(qchg)、数据刷新(dupd)等)的数据对象进行周期性扫描,发现符合条件的便启动ACSI事件触发模块。该模块属于IED＿Agent内部的感知模块,它负责感知外界环境(主要是IED所连接的变电站过程层设备的动态运行参数)的变化。(4)ACSI事件触发模块。当ACSI事件监视模块提供了数据或状态发生变化的消息时,ACSI事件触发模块将根据一定的远动信息形成条件和传输要求,通过其报告控制块和记录控制块将发生变化的数据对象及其属性值生成记录、非缓存报告或缓存报告等并启动决策控制模块进一步确定通信服务的选择和控制。该模块包含了IED＿Agent关于远动通信方面的规则库和条件推理机制。(5)人机界面和消息处理模块。人机界面不仅要提供启动IED的远动通信服务并了解和控制通信过程,还应提供实现IED网络配置(包括人工设定IED的特定网络名称、IP地址及端口号等)和管理功能的界面,这部分信息可作为IED＿Agent的网络标识和属性,用于多Agent系统对每个Agent的管理。消息处理模块针对不同用户界面完成不同任务,例如对于通信控制界面中输入的用户命令或参数,需要将其与基于ACSI的IED远动通信服务模型进行映射,将接收到的消息与设备实例化服务器中具体的数据对象及其属性和访问方式(如读数据值(GetDatavalue)、写数据值(SetDatavalue)、读数据目录(GetDataDirectory)等)一一对应;对于IED网络配置和管理界面,需要将接收到的信息处理为对应IED＿Agent的属性表。该模块是IED＿Agent与用户交互的人机界面和消息处理部分。2.3.3通信映射模块(1)提供数据访问接口。数据访问接口不是IED＿Agent的软件部分,而是IED设备所实际配备的、通过现场总线或以太网接口等方式与变电站过程层设备相连并进行现场数据采集的硬件板块提供给IED＿Agent的设备过程参数访问接口。不同设备的数据采集板卡在功能和数据访问接口方面也不同。(2)完成决策控制和ACSI通信映射。ACSI是独立于具体协议栈的抽象接口层,其通信服务必须映射到具体的底层协议。根据IEC61850标准,ACSI可以映射到制造报文规范或其它协议。由于每种协议的应用层接口不同,ACSI通信服务向其映射的方式不同,使得协议本身的通信机制和提供的控制方法也不同,ACSI通信映射模块可以根据这些特点完成将基于ACSI的远动通信服务模型向所选择的具体协议栈的相应通信服务的映射。IED远动通信在发生如下通信需求时启动:1)ACSI事件触发模块提供了有关数据或状态变化的消息。2)调度中心Dispatching＿Agent发出数据请求或发布命令。3)作为用户的变电站工程师通过人机接口进行通信操作或控制等。决策控制模块针对各种通信请求和各类型信息传输的特点和要求,采用不同的处理机制实现通信过程的灵活性和智能性,并负责整个Agent的协调运行。该模块包含知识库和策略库。知识库存放IED＿Agent通信过程中所需要的符合实时性、准确性、完整性要求的知识以及专家经验提供的各种远动通信知识,这些知识分为动作型和启发型2种,前者负责将通信请求信息直接映射为ACSI通信服务,后者对得到的复杂信息进行推理判断,分析出需要采用的算法、策略、活动规划和将要执行的动作等。策略库与ACSI所映射的具体协议平台相关,它包括协议中的各种通信机制和控制策略等。提高多Agent系统整体性能的关键在于IED＿Agent模板中的ACSI远动通信服务模型与具体应用层协议的有效映射以及所采用的策略和控制机制,因此该部分被视为整个IED＿Agent的分析、计算、推理的核心模块,也是Agent的心智部分。(3)执行通信操作。通信执行模块完成具体的通信操作并实现与Dispatching＿Agent的交互。它根据ACSI通信服务向具体协议通信服务的映射关系及决策控制模块提供的通信控制策略来完成可靠、快速的通信功能,因此该模块是IED＿Agent通信模块的执行部件。IED＿Agent内部各功能模块之间保持低耦合度能提高模块之间的并行性,使整个Agent和整个通信系统有较高的执行效率。2.4西普顿资源模型2.4.1各类ied设备应用程序存储及运行接口在整个远动系统中,调度中心通信机除了与变电站IED之间按照一致的远动通信方式进行信息传输外,还需要考虑存储变电站各类IED设备的相关信息以及为调度中心其它应用程序提供数据访问接口。通信机在整个多Agent远动通信系统中负责各种IED＿Agent对象的通信服务启动及信息维护等,是多Agent系统的管理者,因此运行在通信机上的Dispatching＿Agent具有如图4所示的模板结构。2.4.2acsi远动通信的运行模式(1)SCL文档解析模块。由IED配置器生成的变电站IEDs自描述文档通过文件传输方式传给调度中心,调度中心通过SCL文档解析模块对该文档进行解析后,一方面得到关于变电站及IED的类型、功能等静态信息并将其存储到相关数据库中;另一方面得到ACSI远动通信服务的名称和参数信息并形成ACSI通信服务列表,为调度中心启动远动通信提供相应信息。(2)人机接口和消息处理模块。调度中心通信机的人机接口采用分层方式对复杂功能和图形进行分解,并提供独立于IEC61850标准所定义的设备逻辑结构和服务模型的、符合常规远动通信操作习惯并便于调度员理解的用户输入和显示方式。针对用户输入的各种操作命令,需要将其转化为对ACSI的报告和记录的控制命令以及对数据对象和其属性值的访问,这些工作同样由消息处理模块来完成。(3)通信控制、ACSI通信映射及通信执行模块。在基于IEC61850的ACSI远动通信模型中,调度中心与变电站IED分别作为客户和服务器进行通信,因此Dispatching＿Agent与IED＿Agent在ACSI所映射的具体协议栈、映射方式、采用的通信控制策略以及通信执行方法等方面都是对应的。通信执行模块与调度端实时数据库相连,将远动通信访问到的设备动态运行参数存入实时数据库中。(4)Agent管理模块。Dispatching＿Agent不仅需要与各种IED＿Agent进行交互以完成远动信息的传输,作为整个多Agent系统的管理者,它还要负责对系统中的多个IED＿Agent进行管理,包括每个IED＿Agent的注册、注销、生命周期管理以及信息维护等,这些任务是由其内部的管理模块来完成的。3相关实时性技术的相关板目前国内外专家学者在理论上对多Agent系统的研究较多,但在实现Agent方面尚无规范可循,笔者针对所建立的模型探索了多Agent系统实现方法。由于所建立的Agent类模板的内核以IEC61850标准为基础,该标准的最主要特点就是采用了面向对象技