（电力系统及其自动化专业论文）iec61850标准的研究及通信网关的设计与应用.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( i e c6 1 8 5 0 标准的研究及通信网关的 设计与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：厶型纽盟趣 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上二发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期 幻鱼蜩 泗：! ? r | 导师签名： ：二篁星2 、乡 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 i e c6 1 8 5 0 标准是目前关于变电站通信网络和系统的最新国际标准“”，以后 基于i e c6 1 8 5 0 产品将是将来技术发展的大趋势，然而国内的发展一直都滞后国外 大公司的发展。i e c6 1 8 5 0 通信标准成为当前国内外电力部门和研究单位关心的一 个前沿课题。 如今，在全球经济一体化的过程中，特别是通信技术的飞速发展，计算机技术 的日新月异的前提下，以欧洲大的电力巨头公司( a b b ，s i e m e n s ，a r e v a ) 为首的i e c 国际电工委感到无论是以前各个厂家自己所制定的通信协议都不能完全满足当前电 力通信的发展了。而各大厂家在互连时所花费的人力和物力，也变得越来越大。为 了将当前无序的通信协议( 比如：l o n ，c a n ，p r o f i b u s ，i e c 6 0 8 7 0 5 ) 等规范化， 三大巨头提出了“o n ew o r l d ，o n et e c h n o l o g y ，o n es t a n d a r d ”的i e c6 1 8 5 0 通 信协议。而从现在来看，由于i e c 的影响，北荚大的厂家也丌始放弃自己原来的规 约，转而支持和致力于i e c6 1 8 5 0 的开发。但是，在“o n ew o r l d ，o n et e c h n o l o g y ， o n es t a n d a r d ”的背后，隐藏的是更大的垄断，更大的技术优势”“。 现代的变电站管理基本朝向无人职守的管理模式发展。对设备智能要求非常高， 特别在高度智能化、高稳定性、高性能、高可靠性、高灵活性等方面。目前对于通 信网关的应用基本都采用通信管理机。通过建立集中的通信数据处理，管理现场总 线的各种规约数据。硬件基本采用专用处理机，如专用单片机、d s p 数字处理芯片； 软件基本采用嵌入式操作系统进行数据处理。 由于目前变电站通信系统采用规约众多，如现场总线规约有i e c1 0 3 、m o d b u s 、 l o n w o r k s 及一些厂家自定义规约；与远方调度中心的规约有i e ci o l 、i e c1 0 4 、 d n p 3 0 、c d t 等等。通信网关需要把所有规约数据统一管理是一项非常复杂的工程， 而且在实际工程中存在着非常多的通信舰约转换设备，不仅给变电站自动化工程设 计、开发、应用带来了很大的复杂度，也增加了维护成本和维护的复杂度。 i e c6 1 8 5 0 通信标准的发展和发布标志着将来变电站自动化的通信朝向统一建 模、统一工程应用的无缝通信系统发展。目前的通信管理机设备都还不支持i e c 6 1 8 5 0 通信标准，所以基于i e c6 1 8 5 0 的通信网关产品的研究具有重大的意义。国 外基于i e c6 1 8 5 0 的通信网关产品已经出现，并已经进入应用阶段，如a b bc o m 6 0 0 系列网关产品。为了与国际技术的接轨，避免国外设备的垄断，通信网关产品的研 究与开发也是国内研发的当务之急。 华北电力大学硕士学位论文 1 2i e c6 1 8 5 0 标准介绍 从1 9 9 4 年开始，国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e c t c 5 7 ) 为此成立了3 个工 作组1 0 、1 1 、1 2 ( w g l 0 1 1 1 2 ) ，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准”“。工作组成员分别来自欧洲、 北美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、电厂、操作运行及电力企业的技术 背景，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。3 个工作组有明确的分 工，第l o 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求；第1 i 工作 组负责站级数据通信总线的定义；第1 2 工作组负责过程级数据通信协议的定义。这 3 个工作组参考和吸收了已有的许多相关标准，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 c 8 7 0 - 5 - 1 0 3 继电保护信息接口标准；u c a 2 0 ( u t i l i t y c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e2 0 ) ，由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协 议体系；i s o i e c 9 5 0 6 制造商信息规范m m s ( m a n u f a c t u r em e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。2 0 0 3 年，i e c 6 1 8 5 0 标准正式发布，其中包括1 0 个部分： 1 i e c6 1 8 5 0 一l 基本原则，包括适用范围和目的，定义了变电站内i 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。 2 i e c6 1 8 5 0 2 术语“1 ，给出了i e c6 1 8 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”1 ，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、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”1 ，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：工程过程及其支持工具，整个 系统及其i e d 的生命周期，系统生命期内的质量保证共三个方面。 5 i e c6 1 8 5 0 5 功能通信要求和装置模型。“，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。为了区分技术服务和变电站之问以及变电站内i e d 之 间的通信要求而对功能进行描述，为支持功能自由分配要求，将功能适当地分解为 相互通信的几个部分，给出其交换数据和性能要求，对典型变电站配置，上述规定 可通过数据流的安排加以补充。 6 i e c6 1 8 5 0 6 变电站中i e d 通信配置描述语言”，规定了描述通信有关的i e d 配置和参数、通信系统配置、开关间隔( 功能) 结构以及它们之间关系的文件格式， 目的是在不同制造商的i e d 管理工具和系统管理工具间，以某种兼容的方式交换i 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 变电站和馈线设备的通信结构，是变电站之间协调工作和通 2 华北电力人学硕十学位论文 信的体系描述。i e c6 1 8 5 0 7 共包括4 个部分： i ) i e c6 1 8 5 0 - 7 1 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 、i e c6 1 8 5 0 7 3 、i e c6 1 8 5 0 - 7 - 4 和i e c6 1 8 5 0 之间的详细要求， 以及i e c6 1 8 5 0 8 一x 和i e c6 1 8 5 0 9 一x 中具体的通信协议。 2 ) i e c6 1 8 5 0 7 - 2 抽象通信服务接口( a c s i ) ，主要从三个方面进行描述，可以 通过通信网络访问的全部信息的分层类模型，对这些类进行操作的服务，每个服务 相关的参数。 3 ) i e c6 1 8 5 0 - 7 - 3 公共数据类，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本标准的i e c6 1 8 5 0 - 7 - 4 部分。 4 ) i e c6 1 8 5 0 - 7 4 兼容逻辑节点类和数据类，规定了i 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。 8 i e c6 1 8 5 0 8 一i 特殊通信服务映射( s c s m ) 一映射到制造报文规范( m m s ) “， 说明了在局域网上交换实时数据的方法，将a c s i 映射到m m s 的服务和协议，只用于 变电站层到间隔层的映射。 9 i e c6 1 8 5 0 9 特殊通信服务映射( s c s m ) ，规定了间隔层和过程层间的映射。 1 0 i e c6 1 8 5 0 一1 0 一致性测试，规定了变电站自动化系统和设备通信方面的一 致性测试方法，还给出了设置测试环境的准则和规定了互操作的等级。 i e c6 1 8 5 0 的主要几个特点如下： 互操作性： 同一厂家或者不同厂家的多个i e d 要具有交换信息并使用这些信息进行协同操 作的能力。设备的互操作性可以最大限度的保护用户原来的软硬投资，实现不同厂 家产品的集成。 扩展性： 要求系统在设计时，软件系统和硬件系统都可能采用模块化设计方法，方便未 来的系统扩展，同时要求通讯接口标准化，系统具有开放性。 可靠性： 系统具有冗余结构，特别是作为系统通讯通道系统和人机界面的监控主站应具 有互相独立的冗余配置。在故障情况下，冗余的通讯系统和监控主站应该可以在系 统不停止工作的情况下进行热切换，以保证系统执行响应的保护和自动控制任务。 i e c6 1 8 5 0 采用面向对象的建模技术、分层分布式体系结构、数据自我描述等 技术，为不同厂家i e d 之佃j 的互操作性和系统无缝连接提供了途径“”1 。 华北电力大学硕十学位论文 1 3i e g6 1 8 5 0 国内外研究情况 虽然i e c6 1 8 5 0 发布不久，但a b b 和s i e m e n s 等大公司在发布之前就已经进行 了已一列成功的互操作试验，并已推出了符合此标准的一系列产品，例如a b b 公司 的i e d6 7 0 、r e f5 4 2 p l u s 等。针对基于i e c6 1 8 5 0 通信标准，典型的互操作试验有 一下三个： i 跳闸命令的网络传输测试： 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 用户协会进行试验，并于当 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。 系统配置如图卜3 。此试验目的有：( i ) 支持和加速基于i e c6 1 8 5 0 的过程层 与间隔层以及间隔层之间设备的通信；( 2 ) 验证i e c 的增强性面向通用对象的变电 站事件( g o o s e ，g e n e r i co 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 ) 概念；( 3 ) 验证变 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 ) 的基本概念；( 4 ) 证 明不同厂商设备的互操作性。实验操作顺序为：i 仿真故障；2 产生跳闸信号；3 传 输开关新的状态( 断开) ；4 发重合闸命令；5 传输开关新的状态( 闭合) 。 实验结果证明了g o o s e 适合在网络上传输断路器跳闸命令，并验证了使用s c l 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。 线 图i - i 跳闸命令的网络传输互操作实验 2 采样值的网络传输测试 该测试于2 0 0 2 年1 月在美国进行，参加者有a b b 和s i e m e n s 。在此演示之前， 这两个公司在2 0 0 0 年c i g r e 会议上就已宣布共同支持i e c6 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。互操作测试系统的配置如图卜2 。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 如 图i - 2 采样值的网络传输测试 测试目的有：( i ) 演示遵循i e c6 1 8 5 0 - - 9 的，电子式电流电压互感器、保护 装置、计量装置之间的互操作性；( 2 ) 演示开发的支持i e c6 1 8 5 0 9 的第一批样机 ( 如合并单元等) 。 试验结果证明：( 1 ) 按照i e c6 1 8 5 0 9 - 1 以点对多点连续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：( 2 ) 支持i e c6 1 8 5 0 9 一i 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 采样值和跳闸命令经同一网络传输测试 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 互操作测试，测试系统配置如图卜3 。 测试目的证明采样值报文和g o o s e 报文在同一通信总线上传输的互操作性。测 试实验步骤与图i - i 类似，唯一区别是图i - 3 中的保护装置是通过过程总线接收数 字化传输的采样值。 5 华北电力大学硕士学位论文 图i - 3 采样值和跳闸命令经同一网络传输测试 在上述互操作实验成功的基础上，几个厂家又进行了后期实验，以验证i e c 6 1 8 5 0 的正确性，确保该标准能够按原定计划面世，例如间隔层的设备之间通过 g o o s e 报文传输互锁命令的性能测试等”。 相对于国外的情况，国内2 0 0 6 年1 1 月份国家电网公司同样组织了一次大规模 的i e c6 1 8 5 0 的互操作实验，参加的公司有国内外的十多家，国外公司有a b b 、 s i e m e n s 、a r e v a ；国内的公司有南瑞、四方、山东积成电子、东方电子等等。该次 互操作实验表明国内公司已经具备了i e c6 1 8 5 0 的研究技术，但是产品相对还不完 善，与国外大公司的产品还有一段距离。 国内的大公司如南瑞、四方、南自等已经具有了基于i e c6 1 8 5 0 的产品出现并 且具有了少量的应用。例如国电南自满足i e c6 1 8 5 0 标准的p s6 0 0 0 变电站自动化 系统在西安1 l o k v 少陵变电站顺利投运，四方公司满足i e c6 1 8 5 0 标准的电力系统 故障信息系统中的应用等等。 1 4 论文的主要工作 通信网关产品在整个变电站自动化通信系统中占据重要的位置，本课题对基于 i e c6 1 8 5 0 通信标准的通信网关的软件设计提出了基本的设计方案和模型。其研究 内容包括以下几个方面： 1 对i e c6 1 8 5 0 深入理解和领会其中的精髓，i e c6 1 8 5 0 内容丰富，其包含很 多在电力系统通信方面专家的思想和经验，而且技术设计面广，包含电子、通信、 计算机软件各个方面知识的综合，只有对i e c6 1 8 5 0 准确的理解和领悟才能灵活的、 正确的应用标准。 2 基于i e c6 1 8 5 0 通信标准，提出通信网关的软件设计模型，并且针对通信网 关进行详细的软件框架设计和模块之问的接口设计，对主要的数据类型建模。 3 研究m m s 协议和i e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4 协议，并且设计基于i e c6 1 8 5 0 的数据模 华北电力大学硕士学位论文 型映射到m m s 协议的数据模型上和i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 数据模型上的基本原理和软件 功能模块。 4 本论文将给出通信网关基于i e c6 1 8 5 0 标准的工程应用方案。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章ie c6 1 8 5 0 标准分层思想原理分析 2 1 应用功能分层设计 i e c6 1 8 5 0 的分层建模思想是整个标准的精髓所在，分层设计使整个标准的逻 辑层次清晰、应用功能模块化、通讯协议栈的分离。通过层与层之问的统一标准接 口交互，使层之间功能实现分离，不同层次应用的实现非常灵活并且层次功能之间 的修改不会影响其他层的应用。 2 1 1 应用功能分层结构 变电站自动化系统的功能逻辑上可分配在三个不同的层面上( 变电站层、间隔 层或单元层、过程层) 。在这些不同层或同层之间通过逻辑接口完成数据交换，这些 层及逻辑接口l 1 0 、它们之间的逻辑关系如图2 - 1 所示( 图中带圆圈的数字代表 逻辑接口编号) 。 变电站瓣 阎精确i 元蔗 溉穗i i 栌 过穆麟 口薹纛l 医蚕五虱 fllj 谳嚣缴移 图2 - 1 变电站自动化系统功能层和逻辑接u 过程层的功能指与过程接口的全部功能，这些功能通过逻辑接口4 和5 与间 隔层通信。 间隔层功能主要使用一个间隔的数据并且对这个问隔的一次设备进行操作。这 些功能通过逻辑接口3 实现间隔层内通信，通过逻辑接口4 和5 与过程层通信， 8 华北电力大学硕士学位论文 即与各种远方i 0 ，智能传感器和控制器通信”。 变电站层的功能有两类： 1 过程有关变电站层功能。即，使用多个间隔或者全站的数据，并且对多个问 隔或全站的一次设备进行监视和控制。这些功能主要通过接口8 通信。 2 接口有关变电站层功能。表示变电站自动化系统与本站运行人员的接口h m i ( 人机接口) ，与远方控制中心的接口t c i ( 远动接口) ，与监视和维护远方工程管 理接口( t m i ) 的接口。这些功能通过逻辑接口1 和6 与间隔层通信，通过逻辑接 口7 和远方控制接口与外部通信。 从功能的分层结构可以很清楚的描述整个变电站的功能应用，并通过各层次之 间的逻辑通讯接口进行功能层次上的数据通信。该设计不仅使得功能层次结构分明， 而且从逻辑角度分析也非常清晰。如果在各个层次之间的功能随着发展的变化而修 改时，这种结构可以非常灵活的适用。 2 1 2 逻辑概念的设计 逻辑概念的设计的目的就是为了与物理概念的分离，这样的设计思想使功能应 用更灵活、扩展性更好，通过逻辑功能寄宿到物理装置( i e d ) 中实现功能应用。i e c 6 1 8 5 0 通过逻辑建模形成逻辑设备、逻辑节点等。逻辑设备是完整一定功能的组合， 它由逻辑节点组成，逻辑节点表示一定功能的数据集合。逻辑节点可以自由分布和 分配到不同物理设备中，通过逻辑连接交换数据实现功能完成，实现分布式功能。 逻辑节点和逻辑连接概念图如图2 2 。 图2 2 逻辑节点和逻辑连接概念 通过逻辑概念的设计，把整个功能应用与物理设备资源分离，通过把逻辑功能 9 华北电力大学硕士学位论文 与物理资源的映射，把变电站系统有机的连接成为一个整体。 如果变电站需要增加新的功能，在现有的i e d 功能满足条件下，只要通过逻辑 节点的重新配置就可以灵活增加，不需要在i e d 硬件或软件上进行另外的修改。如 图2 2 中显示的f 3 ( 虚线) 是增加的功能。i e c6 1 8 5 0 标准则能满足这种灵活应用。 2 2 信息模型分层设计 信息交换机制主要依赖于准确定义的信息模型。这些信息模型和建模方法是 i e c6 1 8 5 0 标准系列的核心，信息模型的分层就是将信息与表示、信息交换服务分 离 7 】o 2 2 1 信息模型结构 虚拟( v i r t u a l i z a t i o n ) 是i e c6 1 8 5 0 建模的主要方法。标准定义了信息模 型和信息模型交换信息的方式。信息的交换是在抽象模型之间进行的，这些抽象模 型都是现实设备通过虚拟化而生成的模型，如图2 3 所示，变电站的断路器通过虚 拟建模，在抽象模型中对应一个逻辑节点x c b r l ，若干逻辑节点可以组成个逻辑 设备，例如，问隔。根据逻辑节点要实现的功能，在逻辑节点内部包含了系列的数 据，如x c b r 中表示断路器开关位置的p o s ，这些数据有自己的数据属性和数据服务。 通过这些数据属性表达了系统的主要信息，信息通过标准定义的专有通信服务进行 数据交换。这些服务被定义成抽象通信服务，具体通信协议栈“。 图2 - 3 概念性建模方法 1 0 华北电力大学硕士学位论文 模型的建立能够帮助变电站中通信装置互相了解对方有多少信息、信息的组织 方式，从而有利于信息的交互。信息的概念性模型如图2 4 所示。 图2 - 4 信息概念模型 服务器：服务器用来表示一个设备外部可见性的行为，在通信网络中，它能够 提供数据，或允许其他功能访问它的资源。它包含服务访问点、若干逻辑设备、文 件和应用关联。 逻辑设备：逻辑设备是一种虚拟设备，为了通信目的聚集了相关的逻辑节点。 它包含一个l l n o ( 逻辑节点零) 、一个l p h d ( 逻辑节点物理设备) 和一个以上的其他 兼容逻辑节点l n 。l l n o 说明有关逻辑设备的具体信息；l p h d 用来表示有关该逻辑 设备所在的物理设备p i d 的信息；其他的兼容逻辑节点l n 用来表示该逻辑设备所要 实现的一些具体功能。 逻辑节点：逻辑节点是用来交换数据的功能的最小单位，表示一个物理设备内 的某个具体功能( 如保护、测量或者控制) 或者是作为一次设备的物理表示( 断路 器或者互感器) 。i e c6 1 8 5 0 根据电力系统应用的需要定义了9 2 个逻辑节点，用于 存储数据。按照逻辑节点所涉及的功能领域不同，标准将所有逻辑节点进行了分组， 不同类型逻辑节点的开头字母表示主要的逻辑功能。 数据和数据属性：数据是服务访问的基本元素，代表位于变电站自动化设备中 应用的有用信息，它是由一个或多个数据项构成的结构，用于描述设备信息，内含 数据属性。i e c6 1 8 5 0 总结电力系统中信息类型，如状态信息、测量信息、可控状 1 1 华北电力大学硕士学位论文 态信息以及描述信息，定义了2 9 个公共数据类。i e c6 1 8 5 0 定义了几百种数据对象 都是由公共数据类派生出来的对象实体。如图2 3 中p o s 数据的数据类型是o p c 类 型( 可控双点类型) ，其中数据属性c t l v a l 表示对断路器的控制信息，由控制中心 发送命令改变状态；s t v a l 表示断路器的实际状态，它监视实际运行中断路器的位 置，并随着断路器的位置改变而改变。数据和数据属性组成的逻辑节点实现基本的 功能7 “1 。 2 2 2 信息交换模型 分层信息建模的所有信息都必须通过a c s i ( 抽象通信服务) 来实现数据的通信。 把通信交换模型与信息模型的分层隔离，可以使通信信息与通信交换相互独立。如 信息模型需要改变或扩展则交换服务可以不必改变；同理，如信息交换模型需要改 变而信息模型层可以不需要变动。这样则能够灵活的适用应用层的将来发展和通信 新技术。 a c s i ( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c e ) 服务有服务器模型、逻辑 装置模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型“1 ( 如图2 5 所示) ，通过 s e r v e r d i r e c t o r y 收集服务器中的逻辑装置名字和文件名，通过l d d i r e c t o r y 收集 每个逻辑装置中的逻辑节点名字，通过l n d i r e c t o r y 收集每个逻辑节点中的数据对 象名字，通过d a t a d i r e c t o r y 收集每个数据对象中的数据对象属性名字，通过这样 的服务建立起完整的分层数据库模型。通过g e t d a t a d e f i n i t i o n 服务中的参数分别 读取全部数据对象属性定义、一个数据对象属性定义或受请求功能约束的全部数据 对象属性。这样提供了直接访问现场设备，对各个制造商的设备都用同一种方法进 行访问。这种方法可以用于重构配置，很容易获得新加入的设备的名称和用于管理 设备的属性。 1 2 华北电力大学硕十学位论文 教5 器h j 蠹( 舷暑嚣) 一一卜 响晦f 辑靠聪瓣蝗备襄嚣，一一 衙仃之秘轵嚣， 彰槲i j 器l l ，圣r 缆璺| 畦静辑稚卜一+ 随l 辟i f f 篷辫转a 轼嚣) + 一一 霆辘嚣矗l 渣避辚箝煮教稃 一一+ 晌席所柯簸拱毒；肆 一一 瑕j 嚣 1 硬懿l 焱舞逻辑醴器 i 耀辚尊患翟埘箨点 j 敦戢l l 建靛辩辑髂)一+ 数撼 教擐一一获鞋载槲定置t 教蜒馨嚣) 蝻海t 新订舔獬辅髑、搿辫黼， 晌淹新f 教舷鞲扮 致黼蕊掘救攥k 性 缱荇，特定册个辅壮 竣r , - c 新磕求功辘凇潮柏 毹爵靛豁辎撬) 图2 - 5 目录及获取定义服务概念 2 2 3 面向对象、面向开放式的自我描述 i e c 6 1 8 5 0 对于信息均采用面向对象自我描述的方法，传输时丌销增加。目前 传输信息必须事先将传输的变电站远动设备的信息与调度控制中心的数据库约定， 并一一对应，这样才能正确反映现场设备的状态。在现场验收前，必须使每1 个 信息动作1 次，才能验证其正确性。这种技术是面向点的。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，已经定义好的协议可能无法传 输这些新的信息，因而使新功能的应用受到限制。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，不受预先约定的限制，什么样的信息都可以传输。采 用面向对象自我描述的方法后，传输到调度控制中心的数据都带说明，马上可建立 数据库，使得现场验收的验证工作大为简化，数据库的维护工作量也大为减少。 d l t 6 6 7 1 9 9 9 继电保护设备信息接口配套标准明确规定，应推广采用兼容范围和 通用服务。变电站自动化系统中各个制造厂生产的继电保护设备差异很大，超出了 d l t 6 6 7 1 9 9 9 继电保护设备信息接口配套标准中己定义的专用范围，因而目前要 将各个厂生产的继电保护设备连接起来非常困难。如果采用具有自我描述功能的运 用服务，此问题就不会发生。但d l t 6 6 7 1 9 9 9 没有提供一套数据对象代码和数据 对象描述方法。i e c6 1 8 5 0 也是采用自我描述面向对象的办法，要彻底解决面向对 象的自我描述，达到互操作性，则需要定义如下内容：1 ) 定义完整的各类( 单元) 数据对象和逻辑节点、逻辑设备的代码；2 ) 定义用这些代码组成的完整地描述数据 对象的方法；3 ) 定义一套面向对象的服务。在i e c6 1 8 5 0 7 3 、一7 - 4 中定义了各 华北电力大学硕士学位论文 类( 单元) 数据对象和逻辑结点、逻辑装置的代码，在i e c 6 1 8 5 0 7 2 中定义了用 这些代码组成完整她描述数据对象的方法和一套面向对象的服务。i e c6 1 8 5 0 7 2 、 一7 3 、一7 - 4 的关系，如图2 - 6 所示 匹翌堕堕习匝翌堕至圈 至圃 巫雯巫 图2 - 6i e c6 1 8 5 0 层次结构 i e c6 1 8 5 0 - 7 - 3 、- 7 - 4 提供了8 0 多种逻辑节点名字代码和3 5 0 多种数据对 象代码，2 3 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，还定义了一套面向对 象的服务( 如图2 - 3 所示) 。这3 部分有机地结合在一起，完全解决了面向对象 自我描述的问题。仅靠采用m m s 是不可能实现面向对象自我描述的。图2 7 为对 象命名的例子”“。 逻辑殴笛澎瓣侉点数搦数槲糍性 名称名善l ：名椽秘称 l 、广j j 簦吐话点q l f 订 、，- 数捌i 荆 、 数捌捩住0 l 刑 图2 7 应用实例 2 3 通信模型分层设计 通信的分层设计是为了能适应当今快速的通讯技术的发展要求，在整个变电站 自动化系统中应用功能的变化是相对比较缓慢的，而通讯技术变化是比较快的，为 了能够让标准尽量的具有稳定性所以应用功能和具体通讯协议栈的分离是合理的， 1 4 华北电力大学硕士学位论文 当将来一定时期内通讯技术产生变化，只需要修改具体通讯协议栈部分就可以继续 适用。 2 3 1 虚拟化设计 服务模型是为了把信息模型和信息的数据交换分离，通过建立统一的接口模型， 这个接口模型就是抽象通讯服务接口( a c s i ) 。a c s i 提供了通过虚拟镜像访问真 实数据和真实设备如图2 - 8 所示。代表设备的真实数据的虚拟镜像通过a c s i 服务 变成可视和可访问 图2 - 8 通讯虚拟化视图 采用虚拟视窗描述和表示设备的全部行为。任何别的设备、控制器、甚至s c a d a 系统、维护系统或者工程系统可使用a c s i 服务和这个设备进行互操作。接收的服 务请求和请求服务的设备独立。 2 3 2 协议栈的映射 抽象通讯服务接口( a c s i ) 可以影射到不同的通讯协议栈如图2 - 9 ，但为了保 持互操作性，系统只能映射到一种通讯协议栈上。 量圃 华北电力大学硕十学位论文 图2 - 9 映射到通信栈 站总线和过程总线定义了抽象服务映射到各种通信栈，在现场所有设备上实现 公共公用应用功能和底层通信系统无关。图2 一l o 归纳在站总线和过程总线定义的 映射。除了g o o s e 、采样值传输之外全部映射到m m s 、t c p i p 、i s o i e c 8 8 0 2 3 。 g o o s e 、s v 直接映射到i s 0 i e c 8 8 0 2 3 。特定通信服务映射定义了采用特定通信栈 ( 例如完整的协议集) 如何实现服务和模型( 服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据、数 据集、报告控制、日志控制、设置组等) ，即完整的协议集”“。 袋抖绫翅吲簖翻对琢 孵步饮心a c s l 暇务 臻i 橘氆= 电粕参体 蝤； j 蹙锻站 状惫捧绺 l 。二， g o o s e 1 3 m e s y n c m m sp r o t o c o ls u i t eg s s e ( s n t p ) f 攀譬 a l i 筏y6 畿譬2 3 5 ； t 甓中t u d p ，l p t c p i i p i l s o c og s s e t - 枷絮 i i 熔o i e c e e o z 诅 i t s o ：i e c8 8 0 z 。以灰m 蹩喇 i i i s 刨e c8 8 0 2 。 图2 一l o 通讯框架结构图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 2 4 小结 本章主要对i e c6 1 8 5 0 的基本原理进行了分析。通过分层设计的角度剖析了整 个i e c6 1 8 5 0 标准的设计思想。 分析了i e c6 1 8 5 0 标准应用功能分层设计、信息模型分层设计、通信模型分层 设计。分层的设计思想可以使不同的层次模型之间的变化和发展独立。可以灵活的 应用功能组建，更灵活的适应将来新技术的发展。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章基于i e c6 1 8 5 0 标准的通信网关设计 随着计算机、电子、通信技术的迅速发展，变电站自动化的智能需求也越来也 广泛，对智能设备的要求也越来越高。通信网关是变电站自动化智能设备中的重要 设备，占有着非常关键的位置，为变电站可靠、快速、稳定的数据通信发挥着重要 的作用。 现代的变电站管理基本朝向无人职守的管理模式发展。对设备智能要求非常高， 特别在高度智能化、高稳定性、高性能、高可靠性、高灵活性、自检测性等方面。 目前对于通信网关的应用基本都采用通信管理机。通过建立集中的通信数据处理， 管理现场总线的各种规约数据处理。硬件基本采用专用处理机，如专用单片机、d s p 数字处理芯片或嵌入式操作系统进行数据处理。 由于目前变电站通信系统采用规约众多，如现场总线规约有i e c1 0 3 、m o d b u s 、 l o n w o r k s 及一些厂家自定义规约；与远方调度中心的规约有i e c1 0 1 、i e c1 0 4 、 d n p 3 0 、c d t 等等。通信网关需要把所有规约数据统一管理是一项非常复杂的工程， 而且在实际工程中存在着非常多的通信规约转换设备，不仅给变电站自动化工程设 计、开发、应用带来了很大的复杂度，也增加了维护成本和维护的复杂度。 i e c6 1 8 5 0 通信标准的发展和发布标志着将来变电站自动化的通信朝向统一建 模、统一工程应用的无缝通信系统发展。目前的通信管理机设备都还不支持i e c 6 1 8 5 0 通信标准，所以基于i e c6 1 8 5 0 的通信网关产品的研究具有重大的意义。目 前基于i e c6 1 8 5 0 的通信网关的产品在国内还是空白。国外基于i e c6 1 8 5 0 的通信 网关产品已经出现，并已经进入应用阶段，如a b bc o m 6 0 0 系列网关产品。为了与国 际技术的接轨，避免国外设备的垄断，通信网关产品的研究与开发也是国内研发的 当务之急。 3 2 模型设计 通信网关的模型设计包括物理模型和软件模型，模型设计对网关的构架直接影 响。在设计模型中必须从多方面的角度考虑，在满足功能的要求，对性能、扩展性、 稳定性等方面需要设计重点考虑。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1 物理模型设计 i e c6 1 8 5 0 通信标准把变电站自动化网络分层三层网络结构( 从下至上) ：过 程层、间隔层、变电站层。 通信网关的功能按照标准规定必需归结到变电站网络层。结构图如下图3 - 1 ： 图3 一i 物理网络结构 从上图可以看出通信网关在整个通信系统中起到数据通信承上启下的关键作 用。通信网关属于网络层中的变电站层。通信网关与间隔层通信是基于i e c6 1 8 5 0 标准总线的，通信网关可以连接多个子站的总线，或者连接一个站中的多个总线； 与远方通信是通过i e c1 0 4 规约进行数据远程上送，也可以进行与多个远端系统连 接；与h m i 可以通过i e c6 1 8 5 0 的a s c l 映射到m m s 通信协议栈上进行客户端访问， 在通信网关中建立服务器。站内系统可以多个节点进行访问，节点类型可以是维护 站，也可以是工作站，或者客户端，连接的节点数量主要取决硬件的资源；通信网 关还可以连接g p s 系统进行时间同步，确保整个系统的时间一致。也可以在当地连 接显示器进行操作或浏览。 通过网络的分层设计，通信网关在系统中发挥着数据的集中处理作用，对硬件 的要求自然要高很多，主要采用工业专用计算机；而且对稳定性要求较高，也可以 采用双机冗余系统来提高系统的稳定性。使设备安全可靠性达到n - i 水平。 通过物理模型的设计确定通信网关在通信网络中的特性，根据其物理特性进行 设计网关的功能要求、性能要求及其硬件资源要求。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 软件模型设计 通信网关的软件模型设计是整个系统设计的至关重要的内容。软件模型的设计 直接涉及到整个系统成败关键。在软件模型设计之前，首先必须确定软件的所有功 能角色。通信网关的功能角色可以分为下列三个部分： 1 客户端功能角色：客户端角色指通信网关与总线上的i e d 装置数据处理功能 的不同区分，通信网关从i e c6 1 8 5 0 总线收集所有i e d 装置需要上送的过程数据、 中间处理数据、上传文件数据等；通信网关也可以对总线上的i e d 设备进行发送命 令、配置参数、下载文件等。通信网关必须对上行数据( i e d 数据上送通信网关数 据) 的接收处理和数据解释，并写入i e c6 1 8 5 0 实时信息数据库；对下行数据( 通 信网关数据下发i e d 装置) 进行按照规约数据组织发送至现场总线中的i e d 设备。 在本论文中只考虑采用删s 协议栈进行映射处理，也是i e c6 1 8 5 0 推荐采用的协议 栈映射。 2 服务器功能角色：服务器角色功能具有两种不同的客户端角色，其中包括当 地客户端访问和远程调度客户端访问。当地客户端只在变电站网络内的客户端，如 h m i 、维护工作站等，这些客户端通过i e c6 1 8 5 0 抽象通信服务接口( a c s i ) 进行访问， 或者o p c 标准访问。远程调度端客户端一般安装在与变电站距离较远的市中心，按 照i e c 建立的规范，这部分通信规约一般采用i e c1 0 4 、i e c1 0 1 或者d n p 3 0 等规 约。本论文只考虑对i e c1 0 4 规约。这部分完成的功能就是通过把i e c6 1 8 5 0 信息 数据库映射到i e c1 0 4 规约上并上送至远方调度中心，并且接收远方下发的数据写 入i e c6 1 8 5 0 实时信息数据库中，并下发至i e c6 1 8 5 0 总线中i e d 设备。 3 路由功能角色：路由角色功能只承接上下数据的转发和路径选择功能，并不 对数据进行解释处理。路由要求可以在工程应用或调试中发挥非常灵活的作用。 功能角色的设计框图如下图3 2 ： 图3 - 2 通信网关功能角色框图 除了功能要求之外，通信网关在性能方面也必须满足以下5 点要求： 1 灵活性要求：灵活性是指软件设计能满足很大程度上的变化需求。例如在建 华北电力大学硕士学位论文 立信息模型时候是否可以从现有资源导入，或者是否手动自动添加，或者是否兼容 其他格式数据；是否支持各种不同的通道等等。这些都体现在满足功能的基础之上 是否能够适应大多情况的变化要求，使用户更灵活的应用。 2 扩展性要求：扩展性是指软件设计的要求是否能够满足将来一定程度上的技 术变化，如i e c6 1 8 5 0 的通讯协议栈分层映射的设计则能满足通信技术的变化，如 果出现新的通信技术和协议，只要将协议栈修改就能继续满足应用要求。扩展性强 的设计能够很大程度上延长软件的生命周期，容易适应新技术的发展，维护也相对 简单。 3 开放性要求：开放性要求指软件的设计是否能支持第三方的需求开发。如果 在原有基础之上不能满足要求，可以通过第三方的开发加载到软件中，使软件的功 能更加强大，例如当w s 协议栈不能满足用户的要求时，可以让用户开发自己需求 的协议栈，加载到软件平台上，使软件平台的应用得到更广泛的应用和满足更多用 户的需求。 4 稳定性要求：稳定性是指通信网关的软件运行在长时间，复杂环境下能够持 续正确运行的能力。通信网关一般都安装在无人职守变电站，无人监视，一旦出现 系统崩溃将带来很严重的后果。所以在软件设计过程中必须考虑系统的环境监视， 自诊断措施，增加软件和硬件看门狗的功能。在出现故障时候也能够快速提供报警 给维护人员。 6 可靠性要求：可靠性是指在一定环境下是否能够满足出现故障时候能够持续 正确运行的能力。变电站系统的可靠性要求是n - 1 ，当处出现故障的时候，可以 使系统继续正确运行。在考虑考虑性设计的时候，可以增加双机冗余运行，两台机 子可以互为备用。当出现故障时候能够确定系统持续正确运行。 根据上面的要求可以对软件进行框架设计，具体设计框图如下图3 3 。 华北电力大学硕士学位论文 图3 3 软件结构设计框架 从软件结构设计框架图可以看出，软件设计可以分为四个大模块：基于i e c 6 1 8 5 0 标准的实时信息数据库管理、i e c1 0 4 规约栈( 服务器) 、m m s 协议栈( 客户 端) 模块。 实时信息数据库模块：该模块是整个软件的核心模块，也是数据处理和交换中 心；也对生成信息模型的数据进行管理和维护。实时信息数据库通过m m s 协议栈与 i e c6 1 8 5 0 间隔层总线进行数据交换。间隔层总线中i e d 设备数据通过m m s 协议栈 上送过程数据到数据库中；实时信息数据库通过m m s 协议栈下发数据至间隔层总线 上的i e d 设备。实时信息数掘库通过i e c1 0 4 协议栈进行映射与远方调度中心通信， 实时信息数据通过i e c1 0 4 上送至调度中心，调度中心下发的数据通过i e c1 0 4 写 入实时信息数据库，如果需要下发至间隔总线，则通过m m s 协议栈进行下发，这时 实时信息数据库起到一个中转数据处理作用。实时信息数据库还与本地或者远程工 程配置软件进行数据交换，配置软件将配置好的工程文件( 一般为s c l 文件或者x m l 文件) 可以通过f t p 或者i e c6 1 8 5 0 标准的文件传输接口下载至通信网关机器，通 信网关软件主进程根据配置的文件生成需要的实时信息数据库；配置工具也可以上 传配置文件。实时信息数据库也与本地网络的h m i 或者维护工作站，进行数据交换， h m i 可以实时显示信息模型数据的信息，提供给当地工作人员浏览；维护工作站可 以对通信网关进行诊断调试并且维护通信网关软件。 华北电力大学硕士学位论文 删s 协议栈模块：该模块是承接间隔总线和实时信息数据库之间的数据交换。 m m s 是映射到t c