（电力电子与电力传动专业论文）变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现.pdf

ii a b s t r a c t substation is one of the most important part of the power system. with the development of novel electronic transducers and intelligent switchgears, the parallel wiring link between the process and the bay level in substation automation system will be replaced by serial optical cable, and this is a technology renovation of the substation automation, it is called as process bus communication in iec 61850. this dissertation deals with the transmission of the sampled values and trip signals of the process bus, which are the two very demanding kinds of data transfer. the significant achievements are as follows: on the base of in- depth analysis of sampled value and goose model, the internal meaning of the object- oriented modeling defined in this standard is investigated and the sampled value model is constructed and mapped in a specific way. as a result, the intrinsic unified relationship between the abstract model and concrete mapping is revealed, and a favorable theoretic basis is supplied to realize the digital transmission of sampled values and goose message. from the message communication delay composition and the time demand of communication delay of the sampled value message and goose message in iec 61850, we get that the sampled value message and goose message is real- time message, not like the log and file transmission message. we analyze and point out that the process bus communication is in a real- time message and non real- time message coexist environment, and we point out that ied must have the capability of process both real- time task and non real- time task, then we proposed a structure model that is composed of hard real- time kernel and non real- time kernel in the way of that the non real- time kernel is scheduled by the hard real- time kernel as the lowest priority task and the non real- time kernel is responsible for the non real- time tasks scheduling and management, at last, we analyze the advantages of this structure model. we analyze the work principle of hard real- time kernel- rtai and its kernel module mechanism, on the base of which we design and program the network adapter chip (rtl8139) driver according to ieee 802.1q protocol and the protocol stack between the server and client according to the goose message in iec 61850. we do process level communication experiments on hard real- time kernel rtai to realize network synchronized switching and network disturbance/fault record retrieval operation, we design the communication model and treatment process and program real- time kernel module code and non real- time task (on the base of general linux) code. keyword: iec 61850, process level communication, real- time system, rtai 湘潭大学 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。除了文中特别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： 日期： 年 月 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。本人授权湘潭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。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 1 页 共 68 页 第一章 绪论 1 . 1 引言 变电站是电力系统的重要组成部分。 变电站自动化技术发展到今天， 分层分布式的系统结构和面向间隔（ bay）设计已成为主流1。通信技术 是变电站自动化的关键2，现场总线和工业以太网的应用提升了变电站 自动化技术水平。以实现互操作性为首要目标的 iec 61850 是迄今为止 最为完善的变电站自动化的通信标准，它代表了变电站自动化的未来发 展方向，其实施必将给变电站自动化水平带来巨大的推动作用3- 5，基于 iec 61850 研究未来变电站自动化系统的体系结构有着十分重要的意义。 1 . 2 问题的提出和选题意义 iec 61850 按照变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保 护三大功能，提出了信息分层的概念，无论从逻辑上还是物理概念上， 都将变电站的通信体系分为 3 层，即变电站层、间隔层和过程层，并且 定义了层与层之间的通信接口。图 1.1 是变电站自动化系统的分层接口 模型，这是 iec 61850 标准系列的基础。 变电站层设备 间隔保护间隔控制 传感器变压器开关 变电站层 间隔层 过程层 变电站总 线 过程层总 线 图 1 . 1 变电站自动化系统分层模型 随着过程层一次设备的智能化、数字化和集成化，采用数据和信息 的集中采集模式，并基于 iec 61850 建设过程层通讯网络，实现数据在 过程总线上统一传送，不同功能信息共享，这已经成为可能。在此基础 上，随着光纤通信技术的发展，可将过程层总线和站级总线合二为一 6- 17，采用扁平化的通信结构，在站内形成强大的高速公路，将各个 ied 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 2 页 共 68 页 连接起来，实现所有一次、二次设备信息在光纤信息网上交换，并对目 前监视、控制、保护和计量等功能进行优化组合和系统集成，从而形成 高度集成的变电站自动化系统， 这是变电站自动化系统的未来发展趋势。 其优势体现在：变电站电缆沟里总数以几十、几百公里计的各种规格电 缆，将被为数很少的几根通讯线所取代，大大节约变电站的新建或改造 费用；采用通讯连接后的接口标准化，使得变电站设备实现即插即用成 为可能，方便调试维护，变电站建设周期将大大缩短；采用数字化技术 后，整个变电站的信息容量将得到大幅度的提升，实现真正的状态检修 将成为可能，从而大大降低整个变电站的运营维护成本。 变电站过程总线上数据通信种类较多，且这些数据在不同运行方式 下有不同的传输响应速度和优先级要求，采样值和保护跳闸命令是其中 最为重要的两类信息。研究过程层总线上这两类信息的实时、可靠通信 和处理具有重要的意义。 1 . 3 研究背景和现状 iec 61850 标准针对变电站所有功能定义了比较详尽的逻辑节点 (1ogical node)和数据对象，并提供了完整的描述数据对象模型的方法和 面向对象的服务18- 31。这些抽象的通信服务、通信对象及参数通过特殊 通 信 服 务 映 射 (scsm) 可 映 射 到 底 层 应 用 程 序 ， 其 映 射 一 般 遵 循 mms+tcp/ip+iso/iec 88023 模式，而 sav 模型和 goose 模型的报 文传输映射实现比较特殊：应用层专门定义了协议数据单元(protocol data unit，pdu)，经过表示层编码后，不经 tcpip 协议，直接映射到 数据链路层和物理层，即传输层和网络层均空，且数据链路层采用 ieee 802.1p/ieee 802.1q 协议。这种映射方式的目的是避免通信堆栈造成传 输延时，从而保证报文传输的快速性，见图 1.2。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 3 页 共 68 页 application time critical services client/server services mms asn.1 iso session rfc 1006 tcp ip priority tagging ieee 802.1p/802.1q ethernet iso/iec 8802.3 acsi 61850- 7- 2 stack if 图 1 . 2 变电站通信协议栈映射 国内在跟踪 iec 61850 的制定方面十分积极32- 42，并对协议及其应 用进行了深入的分析，但是对过程总线通信的实时性的研究并不多。在 过程总线通信实时性研究中，实时消息受非实时消息阻塞问题是一个关 键性研究内容，国内外这方面的研究还很少。文献43中，杨奇逊院士 课题组对实时性要求很强的采样值模型和控制跳闸模型的报文传输采用 直接映射方法，在应用层专门定义协议数据单元，经过表示层编码后， 不经 tcp/ip 协议，直接映射到数据链路层和物理层，传输层和网络层皆 空，通过试验验证，取得了很好的效果。但是，该课题组却并没有对 ied 嵌入式系统对实时报文处理进行相关的研究。文献44提出基于优先级 标签在网络端节点内控制信息传输的信息综合传输方案，阐述了在网络 端节点的网络协议栈中引入优先级机制的具体实现方法，并且以一个典 型的变电站馈线间隔模型为例进行仿真验证，仿真结果表明了该方案的 有效性和可行性。但是，该方案仅仅考虑了处理实时报文的实时任务调 度方案，却并没有考虑实时任务和分时任务同时存在的实际情形，当没 有实时任务需要处理而仅需处理分时任务时，该方案并没有给出解决办 法（该方案中给出先到达先服务（first- come- first- served, fcfs）和静态 优先级队列（static priority queuing, spq）任务调度算法不适用于分时任 务调度） 。 通过上述的分析可知，分析采样值和控制跳闸命令报文传输模式以 及在 ied 中采取优越的架构以保障在实时报文和非实时报文混合传输下 sav 和 goose 报文的处理实时性以及分时任务的优良调度和管理是一 个值得深入研究并具有实际应用价值的课题。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 4 页 共 68 页 1 . 4 论文的主要工作 本文围绕过程总线上采样值和跳闸命令这两类最为重要的数据传输 处理展开研究，论文的主要内容和安排为： 在第二章中，深入研究采样值和 goose 报文传输模型的基础， 挖掘标准中面向对象建模的内涵，对应用进行具体的建模和特定通信服 务映射，揭示标准中抽象模型与特定映射之间的内在统一关联，为采样 值和 goose报文数字化传输的物理实现提供良好的理论基础。 在第三章中，从报文通信延迟构成以及 iec 61850 标准中采样值 报文和 goose 报文的通信延迟时间要求出发，得出采样值报文和 goose 报文是异于日志和文件传输等报文的实时报文。 分析并指出变电 站过程层通信是一个实时报文与非实时报文并存的环境，提出智能电子 设备 ied 具备处理实时任务和非实时任务的功能的必要性。分析了传统 前后台嵌入式系统以及通用 linux 等分时系统在处理实时任务方面的先 天性不足， 并在此基础上提出在 ied 中采用强实时内核加非实时内核 （非 实时内核作为实时内核的一个优先级最低的任务来进行调度，同时非实 时内核负责分时任务的调度和管理）架构，并分析了这种架构的优点。 分析了强实时内核 rtai 的工作原理以及内核模块机制，并在此基础上 设计和编写基于 ieee802.1q 协议的网络适配卡（rtl8139）驱动程序以 及符合 iec 61850 标准的 goose报文服务器与客户端的通信协议栈。 在第四章中，以实现网络同期倒闸和扰动/故障记录数据获取操 作为目标，在强实时内核 rtai 上进行了过程层通信实验，设计了通信 模式以及处理流程，并编写了相应的实时内核模块程序以及非实时（基 于通用 linux）任务处理代码。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 5 页 共 68 页 第二章 变电站过程层总线通信模型 2 . 1 变电站自动化系统接口模型 iec 61850 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保 护三大功能从逻辑上分为三层，即变电站层、间隔层和过程层，并且定 义了 3 层间的各种逻辑接口。iec 61850 给出的变电站系统接口模型如 图 2- 1 所示。 功能a功能b 1 07 9 保护控制 2 3 1 , 6 控制保护 2 3 1 , 6 8 过程接口传感器执行器 4 , 54 , 5 高压设备 变电站层 间隔层 过程层 远程控制技术服务 远程保护远程保护 图 2 - 1 变电站自动化系统接口模型 过程层主要完成开关量 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；过程层通过逻辑接口 4 和接口 5 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 4、5 与过程层 通信，通过逻辑接口 3 实现间隔层内部的通信功能。变电站层的功能分 为 2 类：一是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，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 8 完成通信功能；二是与接口相关的 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 1、6、7 完成通信功能。 iec 61850 的分层模式与现有的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，没有独立的逻辑 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 6 页 共 68 页 接口 4 和接口 5。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下放到过程层。可见 iec 61850 是面 向未来的开放式标准。 2 . 2 i e c 6 1 8 5 0 变电站过程层总线通信特点 由于变电站自动化系统是一个分层的、分布的多节点监控系统，内 部存在大量的数据和信息的通信。根据数据报文的通信延迟时间可对各 种报文进行分类。报文的通信延迟时间结构如图 2- 2 所示。 功能1 通信 处理 机 通信 处理 机 功能2 t1t2 ta + t + tb td 图 2 - 2 报文通信延迟构成 通信延迟 td由发送节点通信处理机协议打包延迟 t1、 报文等待延迟 ta、报文发送延迟 t、报文传播延迟 tb、接收节点通信处理机协议解包延 迟 t2 所构成。传输延迟由 ta、t 和 tb所构成，处理延迟由 t1 和 t2 所构 成。 iec 61850 作为 iec 制定无缝的变电站通信网络和系统的标准草案， iec 61850 不仅适用于变电站层计算机与间隔层智能设备之间的通信， 同样适用与有标准通信接口的一次设备与变电站其他设备间的通信。经 过对过程层设备与间隔层设备间交换数据的研究和分析，以及报文的通 信延迟时间，可以将其分为三类，并根据 iec 61850 确定了各自的传输 时间。 采样值数据 采样值是将电流、电压互感器二次输出的模拟值进行 a/d 转换后形 成的数字量，是保护、测控等功能的基础。其周期性地传送，每次传输 的数据量恒定，从而形成稳定的、可计算的网络流量。在 iec 61850 中 采样值被定义为原始数据报文，在网络中传输的时间一般为 310ms。 控制信息 控制信息包括间隔设备发给智能断路器的保护出口动作信息、跳闸、 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 7 页 共 68 页 合闸、闭锁等命令。这类信息属于事件驱动型，具有突发性的特点，在 一次设备发生故障时会大量出现，造成对网络基本负载的冲击。鉴于控 制信息的实时性要求较高，为满足最为苛刻的要求，最小传输时间应小 于 1/4 周期序列，因此定为 3ms，属于 iec 61850 中定义的快速报文。 文件传输 定值设置、配置文件、设备的诊断信息、新设备初始化信息等被归 纳为文件传输类信息。此类信息数据量大，但实时性要求较低，与 iec61850 中的文件传输类报文的特点相符， 传输时间等于或大于 1000ms 即可。此类信息的传输会对控制信息传输的实时性产生影响。 由上可见，包含采样值信息的报文和包含控制信息的报文属于 iec 61850 过程层报文中的实时报文，而与文件传输相关的报文属于非实时 报文。如何在实时报文与非实时报文混合传输的变电站过程层通信的环 境中，保障实时报文的实时传输和实时处理是一个关键性的技术难题。 对这两类实时报文进行研究，先要了解其在 iec 61850 中的模型以及报 文结构，下面两节将分别加以介绍和分析。 2 . 3 采样值传输模型及映射 为实现异构连接和分布式应用，一些开发商开始提供带有标准编程 接口和标准协议的分布式系统服务，实现这些服务的技术称为中间件技 术。中间件技术能够解决网络分布计算环境中多种异构数据资源的互联 共享问题，还可实现应用之间的互操作。中间件结构一般分为三类：点 对点、客户/服务器和发布者/订阅者。 点对点通信是最简单的形式。通信连接建立后，将会为双方交谈提 供适当的高带宽，但是这种通信结构不能满足用户要求在同一时间与多 个节点交谈。客户/服务器网络可实现一个服务器节点同时与多个客户节 点的连接。当信息集中在一个节点时，如数据库、集中文件服务器等， 采用客户/服务器通信结构可提供优质的通信性能。但是由于此通信结构 要求在分配信息给客户之前，必须首先将信息发送到服务器上去，故当 信息由多个节点产生时，客户/服务器通信结构因此会带来难以估计的延 迟而使通信效率很低。发布者/订阅者通信结构是复杂的分布式应用的首 要方法。它提供对节点的简单存取，只要告知需要什么信息（订阅） ，随 后系统便会按节点的需要把信息传送给它。这种通信结构允许从一个发 布者向多个订阅者发布同样的信息，且订阅同一主题的订阅者可以接受 多个发布者的信息，这种灵活性使得其易于实现复杂的多点对多点分布 式通信，并支持多节点之间直接而快速的通信。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 8 页 共 68 页 由于上述技术特点，对于传输量大、实时性要求高、要求信息共享 的采样值传输通信而言，采用发布者/订阅者通信结构是最佳选择。 采样值传输抽象模型（见图 2- 3）适用于数据集（dataset）的数 值交换，数据集对电流逻辑节点（tctr）和电压逻辑节点（tvtr）中 的数据对象（data object）及其属性（data attribute）进行信息集聚。 dataset 的 data 为公用数据类 sav（在 iec61850- 7- 3 中定义的采样 值） 。 抽象通信服务接口 订阅者 获取数据值请求 获取数据值响应 本地发送 请求订阅信息 响应订阅信息 新数据通知 设置采样值控制请求 设置采样值控制响应 抽象通信服务接口 sendsvmessage （特定通信服务映射） 发布者 本地发送 采样请求 接收 缓冲 区 发送 缓冲 区 数据集 控制 缓冲区采样值控制 （s v c ） 属性值 属性值 数据对象 属性值 图 2 - 3采样值传输抽象模型 从图 2- 3 可以看出缓冲型工作方式是发布者和订阅者之间报文传输通信 关系的重要特征，这意味着只有最近发布的数据保留在网络缓冲区内， 新的数据会完全覆盖先前的数据。发布者在发送端的缓冲区写入采样值 信息，订阅者在接收端的缓冲区读取采样值信息，通信系统负责更新接 收端缓冲区。订阅者通过采样计数器能够检测采样值数据包是否丢失。 当由于通信网络问题导致数据包丢失时，发布者并不重发，因为实时性 是采样值传输通信的关键。 采样值传输的通信过程由发布者的采样值控制（svc）模块控制， 此模块可选择多点传送采样值控制（msvcb）或单点传送采样值控制 （usvcb） ，它们对应了不同的传输方式，前者是广播/组播，后者是单 播。下面以多点传送采样值控制为例进行分析。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 9 页 共 68 页 发布者和订阅者之间可实现报文传输（sendmessage） 、控制块值读/ 设置和数据值读（getdatavalue）等服务。其中，报文传输服务即对应 采样值报文的快速、实时传输；控制块值读/设置服务对应于 svc 模块 中属性值的读/写操作；数据值读服务是对数据对象的属性值进行读取。 多路采样值用控制类来表示。多路采样值控制类定义如表 2- 1 所示。解 释如下： 表 2 - 1 m s v c b类定义 属性名 属性类型 数值/数字范围/解释 msvcbnam objectname msvcb实例的实例名 msvcbref objectreference msvcb实例的路径名 svena boolean 使 能 （ true ） / 禁 止 （ false ）， 缺 省 false msvid visible string 多 路 广 播 采 样 值 标 识 符 datset objectreference 数据集引用 confrev int32u 配置版本号 smprate int16u 采样率（0max） 服务 (1)sendmsvmessage (2) getmsvcbvalues (3) setmsvcbvalues 属性 msvcbnam 唯一标识 lln0 作用域内的 msvcb。 msvcbref lln0 内的 msvcb唯一路径名。 svena 采样值传输使能。当值为 true 时说明允许采样值传输， 否则为 false时，表示 msvcb停止发送采样值。 msvid 用于标识缓冲区内采样值报文信息。 datset 规定了数据集的路径名，其成员值在采样值报文中体现。 confrev msvcb配置改变次数的计数值，例如：dataset 成员 删除、重新排序等均会导致 confrev值递增。 smprate 规定了额定周期内采样次数。 服务 sendmsvmessage 采样值报文传输，报文具体格式在 scsm 中 定义。 getmsvcbvalues 订阅者利用此服务可读取 msvcb（表 2- 1） 的属性值，如 svenable、msvid、smprate 等。在实现此服务之前，订 阅者应首先提供 msvcbreference 和 functionalconstraint 等属性数值， 发布者才可能返回订阅者所需信息。参数 response+表明服务请求成功， 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 10 页 共 68 页 而参数 response- 表明服务请求失败。参数表如下所示。 表 2 - 2 g e t m s v c b v a l u e s服务定义 参数名 request msvcbreference functionalconstraint response+ svenable multicastsamplevalueid datasetreference configurationrevision samplerate response- serviceerror setmsvcbvalues 订阅者利用此服务可修改 msvcb 的属性值， 从而改变采样值报文传输特性，需要注意的是：在实现此服务改变采样 率等属性之前，应保证属性 svena 为 false，否则服务请求会失败。 以上三种服务与 msvcb 直接相关，只有 sendmsvmessage 服务要 求高实时性。 信息模型和面向对象的建模方法是 iec 61850 的核心，图 2- 4 形象 的揭示了标准中抽象信息模型中的内容及这些模型之间的关系。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 11 页 共 68 页 数据属性 服务器 逻辑设备 逻辑节点 数据 llno 有缓冲报告控制块 无缓冲报告控制块 记录控制块 定值组控制块 goose控制块 gsse控制块 多点传送采样值控制块 单点传送采样值控制块 记录 数据集 替代 控制 对时 文件 控制块 图 2 - 4 变电站信息模型和信息交换服务模型 图 2- 4 中左侧显示了服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数 据属性的逐层分布式结构，右侧控制块信息显示了信息模型中抽象服务 的结构化特征，例如采样值传输需要采用 msv/usv 控制块中相关服务， 但建立 msv/usv 的数据对象和数据属性则依赖于数据集的有序集合。 从图 2- 4 还可以看出，msv/usv 等控制块是与 lln0 直接作用的，而数 据集则与一般意义上的逻辑节点（包括逻辑节点 0）有关联。 “类”是任何面向对象系统中最重要的构造块，它是一组具有相同 属性、操作、关系和语义的对象的描述。从面向对象建模的角度看，在 7- 2 中规定的抽象信息模型（如逻辑设备、逻辑节点、数据集等）都可 视为“类” 。 从“类”的定义出发，结合表 2- 1，对标准中抽象模型的定义进行分 析，可以发现“类”的基本特征均能得到充分体现。 名称 每个类都必须有一个独一无二的名称（ name） ，类型分为两种：简单 名，表示单独的名称；路径名（path name） ，以类所在包的名称作为前 缀。从表 2- 1 可以看到相对应的名称分别是 msvcbnam和 msvcbref。 属性 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 12 页 共 68 页 属性（attribute）是已被命名的类的特性，这些特性为类的所有对象 共有，它描述了该特性的实例可以取值的范围。在表 2- 1 中，msvcb 具 有五个属性，如 svena，msvid 和 smprate 等。由于表 2- 1 的类是抽象 的，故其属性没有具体值。 操作 操作（operation）是服务的实现，该服务可由类的任何对象请求以 影响其行为，如果通过函数阐明操作的特征标记，则应包括返回类型。 表 2- 1 中 sendmsvmessage 等三种服务均可视为操作。 职责 职责（responsibility）是类的契约或责任，当创建一个类时，就声 明了这个类的所有对象具有相同种类的状态和行为。表 2- 1 中 msvcb 类的“职责”即为控制采样值报文传输性。 （注： “控制”和具体的实现 不同，后者需按照实际情况进行模型的具体构建和特定映射，这也是本 章研究的重点） 。 表 2- 2 的类模式不仅在 7- 2 的所有信息模型定义中均得到采用，在 iec 61850- 7- 4 的公用数据类中，也得到采用。提取表 2- 1 的类模式特征， 可得出标准中所有信息模型定义的抽象模板样式，如表 2- 2 所示。 表 2 - 3 a c s i类定义 abc 类 attribute name （ 属 性 名） attribute type（属性类 型） 值/值范围/解释 attribute1 1.n type1 attribute2 0.n services（服务） service1, sevice2 合并单元定义（图 2- 5）首次在 iec 60044- 8 中提出，它用于连接数 字化输出的电子式互感器与保护、测控设备，其主要功能是同步采集多 路（最多 12 路）ect/evt 输出的数字信号后并按照规定的格式发送给 保护、测控设备。 iec 61850- 9- 1 采用了上述合并单元定义，只是遵循 iec 61850- 9- 1 的合并单元所传输报文中，不仅包括通用（universal）数据集，而且还 包括状态指示（status indication）数据集。其中，前者包括 12 路电流、 电压值及其品质信息，后者主要反映开关状态输入及其品质的信息，对 应于通用输入输出过程节点（ggio）的数据对象内容。9- 1 仅支持报文 传输服务（表 2- 1 中的 sendmsvmessage） ，而不支持对 msvcb 控制块 属性的读和设置服务，也不支持订阅者对发布者的数据集及其数据对象 等进行读取。在这种情况下，采样值传输模型的具体构建可以简化，无 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 13 页 共 68 页 需讨论相关服务。 iec 61850- 9- 2 并未明确规定采样值传输模型中数据集的内容，即不 像 iec 61850- 9- 1 那样严格规定必须是 12 路电流、 电压信息， 故基于 iec 61850- 9- 2 的采样值传输配置方式十分灵活， 图 2- 6 是其中的一种。 图 2- 6 中，合并单元逻辑设备所在的 ied 同时采集变压器的高、低两侧电流和 电压信息， 故合并单元逻辑设备包含的逻辑节点除了 lphd 和 lln0 外， 还包括 24 个特定应用逻辑节点， 分别对应高压侧和低压侧的 3 相保护用 电流、测量用电流、电压和零序电流、电压等。 iec 61850- 9- 2 不仅支持 msvcb 类中的三种服务，而且支持对采样 值传输模型中的逻辑设备、数据集和数据对象等进行访问，例如通过对 某个特定应用的电流逻辑节点的数据对象 amp 读取， 就需要借助于服务 getdatavalues 实现，如果服务请求成功，将会返回 amp 的所有数据属 性值。针对实际应用要求，对相关模型具体构建时，应列出其所支持的 相 关 服 务 ， 如 表2- 3所 示 ， 它 支 持 读 逻 辑 设 备 目 录 服 务 getmergingunitdirectory 。 订 阅 者 利 用 此 服 务 ， 可 检 索 逻 辑 设 备 mergingunit 中全部逻辑节点的对象引用（objectreferrence）表，即逻 辑节点实例的路径名，从而可获取所有电流/电压逻辑节点名。 物理逻辑设备节点、电流/电压逻辑节点的具体构建过程中，也应根 据实际情况考虑是否支持相关服务。针对变压器差动保护和测量应用， 逻辑节点 0 除了要支持相关服务外，其属性 ds 与 msvcb 选择比较灵 活。如图 2- 7 所示，两个控制块（msvcb1 和 msvcb2）公用一个数据 集（ds1） ，其中 msvcb1 负责控制保护所需的采样值信息传输，而 msvcb2 负责控制所需的采样值信息传输。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 14 页 共 68 页 a相电流传感器输出二次变换（保护） b相电流传感器输出二次变换（保护） c相电流传感器输出二次变换（保护） a相电流传感器输出二次变换（测量） b相电流传感器输出二次变换（测量） c相电流传感器输出二次变换（测量） 中性点电流输出二次变换 a相电压传感器输出二次变换 b相电压传感器输出二次变换 c相电压传感器输出二次变换 中性点电压输出二次变换 母线电压输出二次变换 合并单元（merging unit） 电源时钟 数字输出 图 2 - 5 合并单元定义 ied merging unit交换机 变压器差动保 护 测量 ct 高压侧 低压侧 ct iec 61850- 9- 2 图 2 - 6 一种采样值传输配置方式 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 15 页 共 68 页 表 2 - 4 合并单元逻辑设备 逻辑设备属性名字 数值 ldname mergingunit ldref mergingunit logical node lphd lln0 phsal1tctr(高压侧 a 相保护电流) . phsa2tctr(高压侧 a 相保护电流) . 服务 getmergingunitdirectory msvcb1 datsetref=ds1 smvid=1 smprate=1200 phsa1tctr.amp phsa1tctr.artg phsb1tctr.amp phsc1tctr.amp phsa1tctr1.amp phsa2tctr1.amp . neuttvtr.vol bbtvtr.vol ln phsa1tctr amp artg ln phsb1tctr amp msvcb2 datsetref=ds1 smvid=2 smprate=4800 ln phsc1tctr amp ln phsa2tctr amp artg ln . . ln . . ln bbtvtr vol lln0 ds1 采样值 24点/周波 采样值 96点/周波 逻辑设备 mergingunitln lphd 图 2 - 7 一种合并单元及采样值信息变换模型 图 2- 7 中 ds1 中信息齐全，可同时满足差动保护和测量所需。在图 2- 7 中，采样值的数据集 ds1 与外界是虚线相连的，这是因为以上对逻 辑设备、逻辑节点等信息模型的具体构建仍是一种逻辑概念，并不影响 采样值传输的物理通信接口。以图 2- 7 为例，采样值传输的通信接口方 式有两个选择（图 2- 8） ，这可由实际情况决定。 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 16 页 共 68 页 采样值（24点/周波） 采样值（96点/周波） iec 61850- 9- 2 iec 61850- 9- 2 采样值（24点/周波） 采样值（96点/周波） iec 61850- 9- 2 msvcb1 ied msvcb2 msvcb1 ied msvcb2 接口方式1 接口方式2 图 2 - 8 采样值传输的通信接口方式 由于抽象信息模型比较依赖于具体的通信协议栈，为了实现具体的 应用进程之间的通信，iec 61850 采用了特定通信服务映射（scsm）的 方法，即采用当前已经成熟的、流行的国际通信标准作为 iec 61850 的 通信协议栈。按照变电站自动化系统功能的不同通信需求，iec 61850 共定义了四种类型的通信协议栈： 核心 acsi 服务。此服务基于客户/服务器通信结构，采用了制 造业报文规范（mms， manufacturing message specification）作为应用 层协议。 sav/goose 传输服务及 gse 管理服务。sav/goose 传输服务 用于快速、可靠的传输采样值信息和保护及控制信息，sav 报文和 goose 报文的应用层协议数据单元（pdu, protocol data unit）专门定 义。gse 管理服务是对 goose/gsse 控制块的引用（getgoreferrence） 等进行读取。 gsse 报文传输服务。此服务用于传输状态变化信息，它是基于 mms 的信息报告（ information report）实现的，gsse 与 goose 的区别 和联系在下一节中深入分析。 时钟同步。采用了简单网络时间协议（sntp, simple network time protocol）作为应用专规（a- profile） 。 上述四种服务的 scsm，除了 sav 报文传输服务在 iec 61850- 9- x 单独定义外，其他的均在 iec 61850- 8- 1 中定义。 开放系统互联（osi）模型是由国际标准化组织（iso）开发的一种 计算机通信体系结构。 osi 定义了一种基于通信功能分层概念上的模型， 包含七层。其中，高三层（应用层、表示层和会话层）称作 a- profile， 低四层（传输层、网络层、数据链路层和物理层）称作 t- profile。 iec 61850 所定义的 scsm 大多采用了上述专规， 如核心 acsi 服务 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 17 页 共 68 页 的通信协议栈映射到 mms，a- profile 依旧映射到 iso/osi 互联模型的 高三层，而 t- profile 则直接映射到 tcp/ip 协议集。这样映射的一个主 要原因是：tcp/ip 作为互联网上通信标准，应用领域非常广泛，有助于 推广 iec 61850 的应用。 sav/goose 报文传输服务的 scsm 比较特殊：为保证报文传输的高 实时性，避免在通信堆栈造成延时，应用层的 pdu 经表示层编码后直接 映射到底层（数据链路层和物理层） ，传输层和网络层均空。以下介绍对 应上面中的模型构建的映射方式， 并重点分析 sav 报文传输服务的映射。 . 信息模型的映射 公用数据类 sav 模拟值（analog value）定义如表 2- 4，它与品质（quality） 、单位定 义（unit）等都是公用数据类型（common data attribute type）定义，公 用数据类型是为了定义供数据类而定义的。 表 2 - 5 模拟值类型定义 属性名 属性类型 值/值域 i int32 整数值 f float32 浮点值 从表 2- 4 可以看出，模拟值可用基本类型 interger（属性 i）或 floating point（属性 f）来表示。i和 f之间换算公式为 f * 10units.multiplier = (i * scalefactor) + offset 其中，units 和 multiplier 均是公用数据类型 unit 的属性，前者表示单位 后 者 表 示 倍 数 ；scalefactor和 offset是 公 用 数 据 类 型 模 拟 值 配 置 （configration of analog value）的属性，前者表示标量因子，后者表示 偏移量。 表 2- 4 采用整点和浮点两种表示方法的原因是使没有浮点处理能力 的 ied 也能支持模拟值，这种情况下，scalefactor 和 offset 的值可在客 户和服务器之间离线交换。在 9- 2 中，sav 模型映射如表 2- 5 所示。 表 2 - 6 9 - 2的公用数据类 s a v 属性名字 属性类型 数值或备注 instmag.i int32 q quality 反映信息有效性或测 试情况 svc.scalefactor float32 电流取 0.001，电压取 0.01 svc.offset float32 始终为 0 比较表 2- 4 和表 2- 5，可以看出以下几点不同：a.9- 2 中模拟量取值 湘潭大学硕士论文 变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现 第 18 页 共 68 页 范围严格遵循模拟值类型（如表 2- 4）定义，取整数 32 位；而 9- 1 为了 与 iec