变电站通信标准系列iec61850的解读

变电站通信标准系列iec61850的解读

80年代末，以微型计算机监控技术为主的自动装置（sas）在国内外得到了迅速发展，并出现了无人寿权墙。但是随着SAS的大量使用和推广,人们发现该系统暴露出许多弊端,例如:各厂家SAS体系结构不统一,设备间通信协议和接口自成体系,给同一厂家不同期产品维护带来困难,使得不同厂家设备间的互操作性不易实现;间隔层的网络通信技术不统一,采用Canbus,Lonworks等现场总线、以太网、串行总线网络技术,这样在通信链路和协议上造成不同厂家设备间互操作性差、兼容性差。这些问题给SAS的设计、集成、测试、后期维护、升级带来了很大的困难。根据技术发展的需要,国际电工委员会第57技术委员会(IECTC57)制定了变电站通信网络和系统标准系列——IEC61850,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2000年SPAG会议上被确定为无缝远动通信系统传输协议的基础。本文介绍了IEC61850的主要内容,同时,探讨了基于可扩展标识语言(XML)的IEC60870-5-101和IEC61850的远动协议转换方法,为变电站自动化系统的互操作性、可扩展性和高可靠性要求的实现提供了依据。1iec61850标准1.1分布式控制接口IEC61850将变电站系统明确地划分为变电站层、间隔层和过程层3层,给不同层间定义了清晰的接口。在变电站层,与远动控制中心通信有接口,与间隔层通信有接口;间隔层内部有数据交换接口,间隔区之间有数据交换接口;过程层与间隔层之间有交换采样数据和控制数据有接口。这种分层通过抽象通信服务接口(ACSI)建立一个应用层上的抽象模型,描述了各接口间的数据交换,给出了各种对象的统一逻辑模型。间隔层装有智能电子装置(IED),IED之间通过以太网通信建立逻辑联系,根据分配的任务,由IED完成诸如控制、保护、计量、记录等功能。过程层由智能传感器、控制电路等构成的二次智能电子设备组成,反映一次设备的状态、信号,实现一次设备控制。IEC61850建议变电站间隔层采用工业以太网技术,保证各层间能够高速地传输信息。1.2iec61850的主要特点1.2.1分层模式系统层次化IEC61850提出了变电站内信息分层的概念,无论从逻辑概念上还是从物理概念上,都将变电站的通信体系分为变电站层、间隔层和过程层3个层次。IEC61850的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同,现有系统中过程层的功能都是在间隔层设备中实现的,而不是由智能传感器等电子设备来实现。随着光电流、电压互感器的使用,现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能放下到过程层。可见IEC61850是面向未来的开放式标准。1.2.2逻辑设备及数据对象IEC61850采用面向对象的建模技术,定义了基于客户机–服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点,逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言,IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过ACSI和服务器通信访问数据对象,如图1所示。1.2.3形势发展的要求IEC61850对于信息均采用面向对象自我描述的方法。由于技术的不断发展,变电站内的应用功能不断涌现,需要传输新的信息,采用面向对象自我描述方法就可以适应这种形势发展的要求。面向对象的数据自我描述在数据源就对数据进行自我描述,传输到接受方的数据都带有自我说明,不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。因为数据本身带有说明,这就不受预先定义的限制进行传输,简化了数据管理和维护工作。IEC61850提供了80多种逻辑节点名字代码和350多种数据对象代码,23个公共数据类,涵盖了变电站所有功能和数据对象,提供了扩展新的逻辑节点的方法,并规定了由一套数据对象代码组成的方法,这些方法有机地结合在一起,完全解决了面向对象自我描述的问题。1.2.4acsi新技术电力系统信息传输的主要特点是信息传输有轻重缓急之分,并且应能实现时间同步。IEC61850总结了电力生产过程的特点和要求,归纳出电力系统所必需的信息传输网络服务,设计出ACSI,它独立于具体的网络应用层协议(例如目前采用的MMS),和采用的网络(例如现在采用的IP)无关。客户服务通过ACSI,由特殊通信服务映射(SCSM)来映射到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SCSM和ACSI接口。IEC61850使用ACSI和SCSM技术,解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾,即当网络技术发展时只要改动SCSM,而不需要修改ACSI。2通信模型和通信网络2.1ied数据的执行IEC61850建立了一套统一的功能逻辑和通信模型。IEC61850的系统逻辑模型如图2所示。它认为变电站的功能是分层分布的,从逻辑上讲,系统功能由分布位于逻辑设备(logicaldevice,LD)上的逻辑节点(logicalnode,LN)共同协调完成,LN之间由逻辑连接(logicalconnection,LC)相连接,通信信息片(PICOM)明确地描述出LN之间的交换信息和通信要求(包括数据、类型、性能、逻辑连接等)。多个LN之间交互作用完成某个逻辑功能。IED中的LN通过IED内部的服务器接口被其他LN访问。过程层的数字式设备向间隔层IED传送数据,并接受控制命令操作一次设备。IEC61850将逻辑节点划分为保护、监视控制、物理装置、系统和装置安全、一次设备相关节点、有关系统服务节点等六大类,约80种,涵盖了变电站的所有功能。2.2工业联网规范及应用现有SAS的通信方式较多,有串行总线、现场总线技术、工业以太网等,性能各不相同,其中以现场总线技术应用较为成熟。IEC61850推荐在间隔层采用工业以太网技术,IAONA,IDA,ODVA等组织已推出适应于现场自动控制的工业以太网规范,均在物理层和数据链路采用基于CSMA/CD的IEEE802.3协议,在网络和传输层采用TCP/IP,将应用层协议加以改进可提高传输的可靠性,提供10Mbps,100Mbps的速率,较好地保证了传输的可靠性、实时性。变电站层和间隔层之间采用ACSI,间隔层和过程层采用单点到多点的单向传输。为了改善传输性能,IEC61850根据变电站的不同需求和紧急程度,将报文分为7类:即快速报文、中速报文、低速报文、生数据报文、文件、时间同步报文和存取控制的命令报文,级别由高到低,并为它们IP报文设置不同的优先级来减少数据传输的冲突和碰撞。3等同标准dl/t334—基于XML的远动协议转换目前,在我国电力系统远动数据传输中使用较为广泛的是与IEC60870-5-101等同的标准DL/T634—1997。在新的网络化国际规约陆续出台的今天,如何将采用旧通信规约的远动系统纳入新型网络化远动系统体系结构中,在保持原有系统结构和设备不变的情况下与最新的国际标准接轨,是实现电力系统远动信息网络化传输的重要环节。3.1模型构建逻辑节点IECTC57在2002年的无缝远动通信体系会议上对IEC60870-5-101向IEC61850的过渡提出了如图3所示的方法。即在传统RTU外增加一个网关来实现转换。经网关转换后,变电站与控制中心以及其他变电站之间才能通过高速广域网进行连接。IEC61850中定义的逻辑节点是功能信息的载体,它标识了相应的变电站功能。变电站内所有需要进行通信的设备应为其相应功能建立逻辑节点,该逻辑节点中包含此功能的数据信息。在网关中构建逻辑节点,不需要考虑逻辑节点彼此间的关联问题。IEC61850中逻辑节点关联的目的在于实现不同设备功能之间的配合,而对于网关来说,它只是单个设备。在网关中构建变电站内不同功能的逻辑节点,采用IEC61850中规定的抽象通信服务,再通过特殊服务映射来映射到相应的协议栈,那么,从控制中心看来,网关完全采用了IEC61850的结构体系。网关等同于一个采用IEC61850通信规约的IED,同样拥有即插即用的能力,易于实现同调度中心以及其他变电站的互联。3.2基于前后数据的映射关系XML是万维网联盟(W3C)制定的用于描述数据文档中数据组织和安排结构的语言。它定义了利用简单、易懂的标签对数据机进行标记所采用的一般语法,提供了计算机文档的一种标准格式。XML是一种元标记语言,不提供适用于所有领域中所有用户的固定的标签和元素,但它允许开发者和编写者根据需要定义自己的元素,同时强调数据本身的描述和数据内容的组织存放结构,可被不同的使用者按照自身的需要从中提取相关数据,用于不同的目的。IEC60870-5-101中的信息体是一组预先定义好的信息,它是具有不同品质、时标的测量值、累计值、状态值或是控制命令等数据信息的载体。IEC60870-5-101通过应用服务数据单元中的公共地址和信息体地址来区分不同的信息体元素,信息体的地址由远动工程师预先分配,带有随意性。IEC61850的数据属性则包含在不同逻辑节点的数据对象中。对于不同的变电站,其需要建立的逻辑节点对象的类型、个数不尽相同。两种协议的转换,首先要解决的就是建立数据地址和逻辑节点数据属性之间的映射关系。应用XML文档存储IEC60870-5-101中信息体数据与IEC61850中数据属性的对应关系,符合IEC61850数据结构的层次性,当变电站配置发生变化时,只需更改其相应的XML文档。同时XML文档与平台、具体编程语言无关,并且与Internet具有良好的结合性,对文档的处理和浏览相当简单和方便,有利于变电站信息的管理。DOM(documentobjectmodel),SAX(simpleAPIforXML)和XSLT(XSLtransformations)等XML编程接口提供的API,可以非常方便地实现对文档的导航和增加、修改、删除元素或修改文档内容等操作。在建立XML映射关系文档之前,首先要确定XML文档所采用的语义和语法,即用XML-Schema来定义XML文档中采用的元素、标记属性和实体以及元素之间的逻辑关系。制定了这个Schema,对于采用IEC60870-5-101的变电站,在向IEC61850转换过程中,数据对应XML文档的结构得到保证,而且文档开发也变得更加容易。3.3调用dv软件MSXML是微软提供的一种XML语法解析器,它是一个COM对象库,封装了所有XML解析需要的对象。COM是一种以二进制格式出现的和语言无关的可重用对象,可以用任何编程语言如VB,VC,DELPHI,C++Builder以及脚本语言等对它进行调用。MSXML调用DOM对XML文档进行解析,在内存中生成一个描述该文档的DOM树,DOM树主要包括Document对象、Text对象、Element和Attr对象。在得到对象树以后,一般通过nodeF