（电力系统及其自动化专业论文）传统电力规约向iec+61850转换的研究.pdfVIP

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文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。 学位论文作者签名籀卜日期：护西、1 2 谚 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) 作者签名缛乡导师签名 日期：2 ，一，r 肜日期： 辣承彩 洳。，| 2 喇 华北电力火学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 电力远动通信系统和系统所采用的通信协议密不可分。目前变电站自动化通信 规约呈现“百花齐放”的局面。国内电力公司一个普通的变电站使用的规约可能是： 南瑞、东方电子、许继、四方、a b b 、g e 、6 0 8 7 0 5 1 0 3 ，几乎每个产品供应商都 具有一套自己的标准，整个电网里运行的规约就可能达到上百种。其中典型的是 1 0 1 ，1 0 4 ，c d t 等面向点的电力远动规约。所谓面向点的，即依靠各种数据地址“点” 值来区分不同的信息，如某个开关状态、某条线路的电压、电流或功率等测量值。 这些地址值由远动工程师预先分配，带有随意性。此外它还存在通信速率低，浪费 信道资源等缺点。 在网络技术迅猛发展的今天，这种状况很难适应形势发展的需要，因此有必要 从信息源( 变电站) 的过程层一直到调度中心采用统一的通信协议、数据对象统一一 建立标签名字库，以方便建模。建立各个控制层次的公共对象建模工具( 相互的控 制软硬件方式) ，建立全局性对象模型和同一标签名字库字典，形成无缝的远动通 信体系结构。在这种背景下i e c6 1 8 5 0 就产生了。 传统的s c a d a 协议设计时主要考虑：1 、如何有效利用带宽：2 、如何有效利用 硬件( 处理器、r a m 、r o m 空阳j ) ，i e c6 0 8 7 0 - 5 年n d n p 3 从众多私有协议中发展为数掘 采集互操作协议，实现了数据采集的低层次意义上的互操作能力。而在硬件设备和 网络技术飞速发展的今天，存储空间和带宽已经不是主要问题，对于大量数据的统 一管理成为目前发展的迫切需要“。1 。随着s c a d a 应用的重点从数据采集转移到信息 管理，i e c6 1 8 5 0 日i j 进了一大步，它为大多数公共实际设备和设备组件建立了对象 模型，这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，内容涵盖信息管理、 致的系统知识、标准的信息模型、自描述、元数据、在线验证、利用标准名j # 而 不是点号操作数据。 在当前电力生产运行中，获得广泛应用的却不是i e c6 1 8 5 0 通信规约。国际电 工委员会于1 9 9 5 年就已开始制定推广i e c6 0 8 7 0 5 系列通信标准，目前i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 基本远动任务配套标准得到各大电气制造商的支持。i e ct c 5 7 的文件 规定i e c6 0 8 7 0 5 系列标准的有效期到2 0 0 9 年”1 。在我国，c d q 规约也已经获得_ | 几年的应用。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使其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，值得我们进行深入研究。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 电力远动通信规约简介 1 2 1c d t 、p o l l in g 规约 1 9 9 1 年电力部颁布了循环式远动规约。c d t 规约( c y c l i cd i g i t a lt r a n s m i t ) 是典型的循环式远动规约“1 ，适用于点到点的通道结构。它定义了以循环字节同步 方式传送信息的远动系统，对循环式远动功能、帧结构、字结构和传输规则等作了 具体规定。规约支持可变帧长度、多种帧类别循环传送、变位遥信信息优先传送、 缩短重要遥测量更新时间、循环量的区分、随机量和插入量采用不同形式传送等功 能。规约规定主站和子站之间可以进行以下信息传输：遥信遥测事件顺序记 录( s o e ) 电能脉冲计数值遥控命令设定命令对时广播命令复位命令 子站工作状态等。 我固的问答式远动规约( 试行) 中，规定信息传输采用异步通信方式，是 一种主从的远动规约。由调度端不断地发出召唤代码发动通信，变电站只有在响应 后才上送本站信息。问答式主流规约p o l l i n g 规约传送的报文以八位字节为单位， 附加起始停止位，但不带奇偶位。具体的遥控过程如下： 第一步：由主站向r t u 发送一个遥控对象、性质的选择命令。 第二步：由r t u 向主站返回一个返送校验码。 第三步：主站向r t u 发送一个执行命令。 第四步：r t u 向主站报告一个正确接受的确认信息。 在此方式下，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求发送某些类 型的其他信息，工作方式灵活。它的缺点是通信仅限于多从站和单主站之问的数据 传输：询问回答的方式使得系统响应时问慢；同时p o l l i n g 采用整帧校验，出错后 整帧丢弃所以速度较慢。 以上无论哪种通信规约都是采用的传统的串行工作方式，为低速网络设计，并 且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，独占通信信道，已经不能满足现代电 力自动化系统的通信要求。 1 2 2ie c 远动通信协议体系6 0 8 7 0 - 5 系列规约 i e c 6 0 8 7 0 - 5 8 。；系列通信协议体系是国际电工委员会第j 7 技术委员会第3 工f 1 ： 组( i e ct c 6 7w g 0 3 ) 制订的一套用于变电站远动通信的协议体系。它借鉴了网络 通信协议的分层技术，将协议分为链路层和应用层两层。链路层用i e c6 0 8 7 0 5 一l 、 一5 - 2 描述；应用层的基础部分出一5 3 、一5 4 、一5 5 描述。应用层直接映射到链路 层。i e c 6 0 8 7 0 5 系列协议根据应用领域定义了一系列配套标准：6 0 8 7 0 5 一1 0 1 用于 常规远动( 等同采用) ：一5 1 0 2 用于电能计量信息的接入；- 5 1 0 3 定为电力行业标 2 华北电力人学硕士学位论文 准( 非等同采用) 。6 0 8 7 0 5 系列规约在国内已经得到一定程度的推广，将在一段时 间内逐步取代原先的部颁cdt 规约的地位，成为新的国家电力行业标准。但是i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 仍然只适用于传统串行通信工作方式的变电站与调度信息交换，网络 结构多为点对点的简单模式或星形模式。目前，我国变电站自动化系统与调度主站 的通信一部分是通过专用远动通道采用该通信规约( 我国行标d l t 6 3 4 1 9 9 7 ) 实现 的。 为了充分利用以太网资源，i e ct c 5 7 的第3 工作组( w g 0 3 ) 于1 9 9 8 年8 月制定 了i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准，名称为“用标准传送文件集的i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 l 网络访问” ( n e t w o r ka c c e s sf o ri e c6 0 8 7 0 5 一l o iu s i n gs t a n d a r dt r a n s p o r tp r o f i l e s ) 。此协议是将 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 l 标准用于t c p i p 网络上。我国行标号是d l t6 3 4 5 1 0 42 0 0 2 。 1 2 3 变电站通信网络和系统le c6 0 8 7 0 6 ( t a s e 2 ) 规约 i e c 6 0 8 7 0 6 系列通信协议是i e ct c 5 7w g 0 7 制定的套旨在与i s o 和i t u t 兼 容的用于电力系统控制的计算机数据通信协议。1 。i e c 6 0 8 7 0 6 系列先后出了t a s e 1 和t a s e 2 两个互不兼容的通信协议体系。现在t a s e 2 已经取得了主导地位，获得 广泛的应用。 t a s e 2 主要用于电力自动化系统之f 白j 信息共享。并已被我国等效采用为出身、标 准( g b t18 7 0 0 1 ) 。有意见表示赞成采用t a s e 2 作为调度中心之f 刚的计算机通信 和变电站与调度中心之间的远动信息网络访问协议。t a s e 2 是s c a d a e m s 等电 网调度控制中心之问的通信协议，但实际上这套协议不只用于电力调度控制中心之 问的通信，也可用于大型枢纽变电站与电网调度控制中心之间通信。我国已有超高 压枢纽电力变电站使用t a s e 2 通过中固电力数据网( c e d n e t ) 与网凋中心和国调 中心通信的成功范例，但因t a s e 2 是调度中心之间交换信息的协议，用t a s e 2 作 为r t u 和调度中心之间的网络传输协议在性能上不能完全满足要求，且t a s e 2 比 较复杂，价格较高并且在和变电站自动化系统其他部分的无缝连接方面存在问题。 1 2 4 变电站计算机通信网络和系统6 1 8 5 0 规约 随着变电站自动化技术和对技术需求的迅速发展，国际电工委员会专门成立了 3 个工作组( w g l 0 ，w g l l ，w g1 2 ) 负责制定i e c 6 l8 5 0 。三个工作组有明确的分 工：第1 0 工作组负责变电站层通信协议的整体描述和总体功能要求：第1 1 工作组 负责变电站层数掘通信协议的定义；第1 2 工作组负责间隔层数据通信协议的定义。 i e c 6 18 5 0 是国际上关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系”1 ，并有可 能成为i e c 无缝连接系统体系标准的基础。 i e c 6 1 8 5 0 出1 0 个部分组成，是一个庞大的协议体系，目前还在制定之中，试 3 华北电力人学硕士学位论文 行草案正在陆续颁布。i e c 6 1 8 5 0 对变电站自动化技术现在和将来的发展方向都将产 生重大影响。我国电力行业主管部门对6 1 8 5 0 协议簇也极为重视，专门成立了由国 内各大厂商和研究所专家组成的中国工作组，负责分析研究i e c 6 1 8 5 0 规约，并将 其存在的问题向i e c 相关工作组提出建议。 本文就是根据i e c 6 1 8 5 0 已颁布的草案，提出了传统电力规约向i e c 6 1 8 5 0 转换 的电力远动方案。对于i e c 6 1 8 5 0 的详细内容在以后章节有专门介绍。 1 3 国内外研究状况 变电站和调度中心之间的传输规约，现场大多采用各种形式的规约如c d t 、 s c 1 8 0 1 、d n p 3 0 等一些规约，1 9 9 5 年i e c 为了在兼容的设备之间达到互换的目 的，颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 传输规约，为了使我国尽快采用远动传输的国际标准， 1 9 9 7 年原电力部颁布了国际1 0 l 规约的国内版本d l t 6 3 4 1 9 9 7 。该规约为调度端 和站端之间的信息传输制定了标准，今后变电站自动化设备的远方调度传输协议上 应采用1 0 1 规约。随着网络技术的迅猛发展，为满足网络技术在电力系统中的应用， 通过网络传输远动信息，i e ct c 5 7 在i e c 6 0 8 7 0 5 10 1 基本远动任务配套标准的基 础上制定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 传输规约，采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 l 的平衡传输模式，通 过t c p 1 p 协议实现网络传输远动信息，它适用于p a d ( 分组装和拆卸) 的数据网 络。目前c d t 、p o l l i n g 已经非常成熟，遵循这两套规约的远动通信程序在电力系 统已经获得广泛的应用，我国的老式变电站大多采用这两种规约。近年来，随着 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和1 0 4 规约在我国的制定以及推广，新型的远动通信装置在兼容 c d t 规约的同时都丌始对i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和1 0 4 规约提供支持。 自从1 9 9 4 年，德国国家委员会提出对于通讯协议的设想，1 9 9 8 年i e c 、i e e e 和美国e p r i 达成共识，由i e c 牵头，以美国u c a 2 0 为基础，制定一个全世界通 用的变电站自动化标准，其后i e ct c 5 7 工作组研究i e c6 18 5 0 及其数掘模型。1 9 9 9 年8 月i e cs b 3 成立配电自动化工作组，指出要开展无缝通信，统数据建模，更 多配电专家参与标准制定。1 9 9 9 年1 0 月i e ct c 5 7 京都会议，德国专家w m a r z 先 生提出了建立远动的无缝通信系统体系结构的建议。2 0 0 0 年6 月在德国n u r e m b e r g 召丌的s p a g 会议上确定了建立远动无缝通信协议的必要性和技术途径。2 0 0 1 年6 月1 1 只在挪威奥斯陆s p a g 会议上正式确定名称为“变电站一控制中心通过1 e c 6 18 5 0 通信”的标准，即电力系统的无缝远动通信体系结构的统一的传输协议 6 l8 5 0 + 。在i e ct c 5 7 工作组2 0 0 2 年北京会议上，指出今后的工作方向为：追求现 代技术水平的通信体系，实现完全的互操作性，体系向下兼容，基于现代技术水平 的标准信息和通信技术平台，在i t 系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现 丌放式系统，例如变电站通信标准用于所有类型的分布式s c a d a 系统。i e c6 1 8 5 0 4 华北电力大学硕士学位论文 不仅用于变电站内通信，而且用于变电站和控制中心通信。 当前，生产相关产品的国外各大公司都在围绕i e c6 1 8 5 0 开展工作。在制定 i e c 6 1 8 5 0 的过程中，在美国、德国、荷兰等国都有示范工程”1 ，用以验证标准，通 过实践来进一步促进标准的完善。目前在国外，s i e m e n t s 、a b b 等1 3 家公司已 推出了符合i e c6 1 8 5 0 的变电站自动化系统的产品。据称我国几个大公司也有 d e m o 版本，但这些主要是i e c6 1 8 5 0 在变电站内的应用，而且还很不实用，未见 在变电站到控制中心的应用报道，因此我们有必要加强对规约的研究与理解，开发 出拥有自主产权，符合6 18 5 0 规约的产品。主要用于变电站到控制中心的无缝通信。 1 4 论文的结构安排 论文的主体将分为五个章节进行，各章节内容安排如下： 第一章概述了本课题研究的背景，意义以及国内外研究现状。通过对通信规约 的分析，说明选择i e c6 1 8 5 0 进行跟踪研究的必要性。 第二章对i e c6 1 8 5 0 的体系结构进行了详细介绍。分析了i e c6 1 8 5 0 所采用的 新技术、新方法，剖析了i e c6 1 8 5 0 规约的实现机理，为后面章节的研究开发打下 基础。 第三章提出传统远动通信系统与未来无缝远动通信体统的衔接方法。对传统电 力规约向i e c 6 1 8 5 0 转换的理论进行详细的分析。这些理论包括串口通信技术、信 息建模、抽象服务模型、配置文档说明、映射研究等。 第四章根据上面章节研究的理论，结合具体变电站，以c d t 规约作为传统电力 规约的代表，对规约转换进行了详细的设计。 第五章根据规约转换设计方案，介绍了其程序设计的实现。 5 华北电力人学硕士学位论文 第二章le c6 18 5 0 介绍 2 1i e c6 1 8 5 0 标准系列 i e c6 1 8 5 0 标准主要目的之一在于对变电站内不同应用提供开放的可互操作的 功能和对信息交换进行规范，目前是国际上关于变电站自动化系统的第一个完整的 通信标准体系，其发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现个世 界、一种技术、一个标准”。1 9 9 9 年3 月，负责制定的3 个工作组( w g l 0 1 1 1 2 ) 提出 了i e c6 1 8 5 0 委员会草案版本，包括1 0 个部分1 “： 第一部分基本原理，主要介绍了i e c 6 1 8 5 0 产生的必要性，以及标准各部分主要 内容的简介。 第二部分术语，这部分内容为该标准中变电站自动化系统专门术语词汇表。 第三部分总体要求，介绍了变电站自动化系统内通信系统的质量要求，包括可 靠性、可用性、可维护性和安全性等等。 第四部分系统和工程管理，包括变电站内必备硬件配置的定义、功能和信号质 量的适应性以及所有具体定义的文档。 第五部分i e c6 1 8 5 0 - 5 功能和设备模型的通信要求。规定了变电站自动化系统 所要实现功能的通信要求与设备模型，阐述了逻辑节点、逻辑通信链路、通信信息 片的概念；逻辑节点和相关的通信信息片、性能、功能等。 第六部分变电站智能电子装置语言，主要介绍变电站配置语言s c l 的对象模型 和语言内容。 第七部分基本通信结构，该部分是整个标准的核心内容，分为四个部分： 7 1 原理和模型：7 - 2 抽象通信服务接口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 ic e 1 1 3 t e r f a c e ) ：7 - 3 公共数据模型：7 - 4 兼容逻辑节点和数据类。 第八部分变电站层与问隔层具体通信服务映射，将变电站层的服务映射到具体 通信服务，比如说映射成m m s 、c o r b a 。 第九部分间隔层与过程层具体通信服务映射，这一部分说明了f 白j 隔层和过程层 之间通信的具体通信服务映射。 第十部分一致性测试，系统的一致性进行测试。 从上述内容来看，第七部分一基本通信结构的原理和模型是标准的核心部分， 是变电站自动化系统上层应用和下层实现的接口部分。本文的重点也将集中介绍第 七部分内容。同时对第五和第六部分的主要相关部分也作了相应的介绍。 6 华北电力人学硕士学位论文 2 2i e c6 18 5 0 通信体系的主要特点分析 i e c6 1 8 5 0 为变电站自动化系统的信息交换设计了一套完整、灵活的通信体系， 下面分别从系统和设备结构、信息建模方法、通信服务模型等方面对其特点进行深 入分析，以便在透彻把握i e c6 1 8 5 0 核心思想、方法的基础上研究该规约在远动系 统中的灵活应用。 2 2 1 分层、分布的体系结构 变电站自动化系统所要完成的主要功能有控制、监视、设备及其馈线保护以及 系统配置、通信管理、软件管理等维护功能，i e c6 1 8 5 0 从逻辑上将系统的功能分 配在3 个层次上，即变电站层、间隔层和过程层，其中：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：间隔层主要使用一个问隔 的数据并对该间隔内的一次设备进行操作，完成如线路保护、间隔单元控制等功能； 变电站层的功能分为2 类：一是与过程层关联的变电站层功能，指使用多个问隔或 整站的一次设备信息并对该范围内的一次设备进行监视和控制，如母线保护或全站 范围内的闭锁等，二是与接口相关的功能，主要指与远方控制中心( t c ) 、远方监 视和维护工程师站( t m i ) 以及本地人机接口( i i m i ) 的通信，而变电站自动化系统 的装置可被安装在这三个不同的功能层上。同时定义了1 0 种逻辑接口来完成各层 之间的通信，其中：i e c6 1 8 5 0 中的变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模型如 图2 1 所示，其中的i f 是指接口( i n t e r f a c e ) 。 变电站层 间隔层 过群层 远力轻靓中心技术服务 图2 一l 变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模型 7 华北电力大学硕士学位论文 图中各接口的含义分别为： i f l ：问隔层与变电站层之间保护数据的交换 i f 2 ：间隔层与远方保护之间的保护数据交换； i f 3 ：间隔内数据交换； i f 4 ：过程层和间隔层之间p t 和c t 瞬时数据交换( 尤其是采样) ： i f 5 ：过程层和问隔层之间控制数据交换； i f 6 ：间隔和变电站层之间控制数据交换： i f 7 ：变电站层与远方工程师站数据交换； i f 8 ：间隔之间直接数据交换( 如连锁) ； i f 9 ：变电站层内数据交换； i f i o ：变电站设备与远方控制中心之间控制数据交换。 2 2 2 面向对象的信息和通信服务建模 与以往的远动通信协议采用面向点的信息描述方式不同，i e c6 1 8 5 0 标准的一 个显著特点是采用面向对象的方法描述变电站及设备信息，它为变电站设备、通信 体系及服务建立了基于对象的数据模型，这些模型描述和定义了大多数公共实际设 备和设备组件的公共数据标识、格式、行为、控制以及设备之间进行信息交换所需 要的服务，因此面向对象的信息模型和建模方法是i e c6 1 8 5 0 的核心。下面从两个 方面来分析这种特性： 2 2 2 1 数据模型 c l e i s $ c o d eo fi n r6 l8 5 0 7i n s t a n c e s 图2 - 2i e c6 1 8 5 0 抽象的数据模型 8 华北电力人学硕十学位论文 i e c6 1 8 5 0 标准将整个变电站的物理对象( 包括若干一次设备和测量、控制、 保护等二次设备) 以及通信网络抽象为相应的逻辑系统，每个逻辑系统中包含一个 服务器，一个服务器由一个或多个逻辑设备组成；逻辑设备中的功能模块分为若干 个相关子功能，对应为各种逻辑节点；一个逻辑节点又包含一个或多个数据对象， 其中数据对象是公共数据类的对象实例：一个数据对象具有多个数据属性，数据属 性含有各种数据类型、值和功能约束f c ( f u n c t i o nc o n s t r a i n t ) 等，如图2 2 所 示。 i e c6 1 8 5 0 - 7 3 中定义了2 9 种公共数据类，并利用对象的继承性和多态性将其 实例化为5 0 0 多种数据对象，由这些数据对象及其属性来构成逻辑节点。i e c 6 1 8 5 0 7 4 中定义了1 3 个逻辑节点组，包含了9 0 多种兼容逻辑节点类，涵盖了保 护、控制和测量设备以及一次设备等变电站设备的几乎所有信息。另外，还定义了 逻辑节点、数据对象以及数据属性的扩展规则，允许根据需要对其进行扩展。i e c 6 1 8 5 0 7 3 ，i e c6 1 8 5 0 7 4 部分定对信息模型的语义约定，在严格意义上，与任何 通信协议无关。 2 2 2 。2 通信服务模型 i e c6 1 8 5 0 标准采用客户服务器方式建立通信模型，根据所传送信息的类型， 每个设备既可以是服务器也可以是客户，服务器和客户之间通过一套与实际网络应 用层通信协议无关的抽象通信服务接口( a c s i ) 实现通信，一个设备根据其功能可 以包含若干个服务器对象，当设备作为其它串口通信设备的代理服务器时可以包含 多个服务器对象，否则一般只包含一个服务器对象。服务器对象封装了上述设备抽 象信息模型中的逻辑设备、逻辑节点、数据类、数据属性等不同层次中数据对象的 所有数据属性和服务，通过外部接口实现与客户之问的数据交换。 2 2 3 抽象通信服务接口和特定通信服务映射 i e c6 1 8 5 0 标准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 信息传输的网络服务和对象集，设计出抽象通信服务接口a c s i ，它独立于具体的网 络应用层协议( 例如目前采用的m m s ) ，与采用的网络( 例如现在采用的i p ) 无关。 考虑到t c p i p 、o s i 、现场总线等各种各样的通信系统已经建立起来，1 e c6 1 8 5 0 引 入了特殊通信服务映射s c s m 。s c s m 将抽象通信服务接口定义的服务、对象和参数 映射到m m s 、f m s 、d n p 或i e c6 0 8 7 0 5 等应用层。采用该映射模型，可以使数据 对象和a c s i 服务有很大的灵活性，它的改变不受底下七层协议栈的影响。 在变电站层和剧隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范 ( m m s ) 、传输控制协议网际协议( t c p i p ) 以太网或光纤网。在间隔层和过程层之 间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。 9 华北电力大学硕十学位论文 抽象通信服务接l 特定通信服务映射 特定接u 应用层7 嘲络l 一6 层 通信栈 图2 - 3 接口和映射基本参考模型 由于电力系统生产的复杂性，对信息传输的响应时间也有不同的要求，在变电 站的过程内可能采用不同类型的网络，i e c6 1 8 5 0 采用抽象通信服务接口就很容易 适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映射s c s m 。如图2 3 中应用过程和抽 象通信服务接口是一样的，不同的网络应用层协议和通信栈与不同的s c s m l s c s m n 相对应。 i e c6 1 8 5 0 标准使用a c s i 和s c s m 技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术 发展之问的矛盾，随着新的网络技术在变电站自动化系统中的运用，只要对s c s m 进 行相应的改动，而不需要修改a c s i 。 2 2 4 配置描述语言 i e c6 1 8 5 0 6 为变电站智能电子设备的配置规定了一种描述语言。所定义的语 言称为变电站配置描述语言( s c l ) 。在变电站配置描述语言中，智能电子设备和通 信系统模型根据i e c6 1 8 5 0 5 和i e c6 1 8 5 0 7 部分建立。规定了描述通信有关的智 能电子设备配置和参数、通信系统配置、开关间隔( 功能) 结构及它们之白j 关系的 文件格式。规定文件格式的主要目的是可以以某种兼容的方式，在不同厂家提供的 智能电子设备工程工具和系统工程工具问，交换智能电子设备能力描述和变电站自 动化系统描述。在某些适当部分，可能要求特殊通信服务映射s c s m 专用扩展或使 用规则，该语言允许规范地描述变电站自动化系统和变电站( 开关设备) 的关系。 在应用层上，也可描述开关问隔拓扑本身以及开关间隔结构与配置在智能电子设备 上的变电站自动化功能( 逻辑节点) 的关系。 变电站配置描述语言允许将智能电子设备配置的描述传给通信和应用系统工 程工具，也可以以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给智能电子设备的配 置工具。变电站配置描述语言主要的作用就是使得通信系统配置数据可在不同制造 o 华北电力大学硕士学位论文 商提供的智能电子设备和系统配置工具之间相互交换( 参见图2 4 ) 。 图2 4 配置过程信息流参考模型 图中字母a - e 描述了s c l 语言的能力，这可以归纳为3 个方面：1 、变电站自 动化系统功能说明；2 、智能电子设备能力描述；3 、变电站自动化系统描述。变电 站配置描述语言的基本组成如下图所示： 图2 5 变电站配置描述语言s c l 的组成 其中，x m l 是w 3 c 制定的用于描述文档中数据组织和结构的语言：x m l 模式 ( s c h e m a ) 描述了一套规则来定义如何构造一个有效的x m l 文档，通过它可建立统 一的系统或设备自描述文档，并检验其正确性和有效性：以i e c6 1 3 4 6 一工业系统、 装置与设备以及工业产品结构原则与参照代号系列标准作为命名规则；i e c6 1 8 5 0 8 部分和i e c 6 1 8 5 0 9 部分与i e c 6 1 8 5 0 7 部分所映射到的专用通信栈相关，并可根据 1 1 华北电力大学硕士学位论文 它们需要的附加部分扩展上述定义，或仅以使用对象的值的方法加以约束。 建立s c l 及描述文档的主要目的是：可以以某种兼容的方式，在不同厂家提供 的i e d 工程工具和系统工程工具间，交换i e d 能力描述和变电站自动化系统描述。 s c l 主要的作用就是使得通信系统配置数据可在不同制造商提供的智能电子设备和 系统配置工具之间相互交换。 2 2 5 整个电力系统统一建模及面向未来的、开放的体系 目前i e ct c 5 7 的各种标准都是根据各种特定的应用，对各种对象进行建模， 不能作到相互问的完全一致。要将各种协议连接起来，或者和s c a d a 数据库连接起 来，就得进行转换。在采用网络技术的隋况下，这种状况很难适应技术不断发展的 要求。i e ct c 5 7 致力于整个电力系统统一建模。包括涵盖i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 1 、i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 及i e c6 0 8 7 0 6 ( t a s e 2 ) 的数据模型。最终实现整个电力系统无缝 的体系结构。 变电站通信网络和系统是电力系统控制的一部分，电力系统控制又是分布式能 量资源的一部分。i e c6 1 8 5 0 是面向未来的开放的体系，这主要体现在以下几个方 面： 1 、支持不同厂商的设备之间的信息交换，对厂商是开放的。 2 、信息交换独立于具体通信模型，通信模型的改变不影响应用，对通信技术 是开放的。 3 、功能可以自由分配，对功能的物理分配是开放的。 4 、信息模型是可扩展的，因此对应用的发展是丌放的。 5 、设备是自描述的，对整个系统是开放的。 2 3 逻辑节点与功能模块 变电站自动化系统s a s ( s u b s t a t i 0 1 qa u t o m a t i o ns y s t e m ) 的功能包括控制、监 视、保护变电站的设备与馈线。另外还包括一些变电站自动化系统的维护功能，即 系统配置、通信惯例或者软件管理等功能。一般来讲，个变电站自动化功能与以 往的远动通信协议采用面向点的信息描述方式不同，i e c6 1 8 5 0 标准是由一些相互 交挨数据的逻辑节点组成的，逻辑节点是功能的最小单位，功能倒可以相互交换数 据。 逻辑节点是i e c 6 1 8 5 0 中非常重要的一个概念。变电站的所有功能被分解成逻 辑节点，逻辑节点是变电站自动化系统中功能的最小单位。这些节点可能分栖在一 个或多个物理设备上。逻辑节点零( l n o ) ，作为一个特殊的逻辑节点用来管理和控 制逻辑设备自身。逻辑节点( l n ) 通过逻辑连接( l c ) 相连。如图2 6 所示，一个物理 1 2 华北电力大学硕士学位论文 连接可能用于多个逻辑连接，物理连接和逻辑连接可以在一个物理设备内实现，也 可以在不同的物理设备之间实现。 例如图2 7 中距离保护功能拆分成逻辑节点包括人机接口、距离保护、过电流 保护、断路器、间隔t a 、t v 。这些逻辑节点之间通过互相协作就可以完成整个距离 保护需要实现的功能。图中数字含义：1 工作站：2 同步开关：3 距离保护单元和过 流保护：4 间隔控制单元：5 、6 电流电压互感器：7 母线电压互感器。i e c 6 1 8 5 0 定义 了大约9 0 种逻辑节点。 f 1 p d l l n 2 竖1 2 一 ，n l l n o l n 3 k ! ：l 触z ：? c ， p 0 2 ( l n 4 ) ( l n 5 逻辑节点 p c i 3 一l n 6 ) p d 3 图2 - 6逻辑节点及连接概念 断路器 距离保护过电流保护 同期控制 r x x 图2 7 功能模块、逻辑节点和物理装置之间的关系 f ：爿孽 p d ：物理 5 2 需 l n ：逻辑节点 p c ：物理连接 l c ：逻辑连接 ，j1_翟圈圉甲l 卫至蜀田田王j圆一一一一一一圃 华北电力大学硕士学位论文 2 4 基于ie c6 18 5 0 a c si 的远动通信数据模型和服务模型。砧 2 4 1 面向对象的变电站i e d 数据模型 要实现变电站内i e d 的远动通信，首先需要根据每种i e d 的功能和特性为其建 立信息模型。本文尝试将i e c6 1 8 5 0 7 部分所提供的基于面向对象的逻辑节点和公 共数据类用于l e d 远动信息传输的数据建模过程，用这些逻辑节点和数据对象表示 出代表变电站l e d 各种功能的静态参数和动态运行值，从而建立i e d s 的数据模型， 以实现模型的统一和互操作性以及代码的可重用性。 以一个具有数据采集、计量、继电保护和电压控制等功能的变电站i e d 为例， 它的信息模型可根据其所包含的功能通过i e c6 1 8 5 0 中定义的逻辑节点( 如电流互 感器t c t r 、电压互感器t v t r 、测量单元m m x u 、计量m m t r 等) 以及逻辑节点所包含 的数据对象来建立，如图2 8 所示。i e d 的各种参数以及通信功能被抽象为数据对 象的属性和方法。这种基于对象的统建模方法通过功能来组织数据，有利于各模 块的灵活配置和模块之间的互操作。 o - r o t w ( 总确功功率1 l b t v a “总无功功牢) 属t 0 t 总瞬时助半) h z ( 频率) p p v ( j t = i ；i u h ) 。a ( 相i u 流) w ( 相有功功率) v a r ( 相无功功率) g e t d a t a v a l u e l 读数据值) 方s e t d a t a v a l u e ( 丐数据值) * g e t d a t a d i r e c t o r ) u ( 读数据0 i 用) g e t d a t a d e f i n i t i o n ( 读数据定义) 图2 8 用逻辑节点及其包含的数据对象建立的智能电子设备的抽象数据模型实例 2 4 2 基于a c s i 的远动通信服务模型 由于远动系统是一个对信息传输的可靠性、快速性有较高要求的实时系统，在 建立设备的远动通信服务模型时要充分考虑信息的类型和通信要求。在满足l e d 与 调度之i b j 远动信息传输需要的基础上，本文从a c s i 中选择服务器、数据集、报告 和记录、文件传输等服务模型，并结合上述i b d 的数据模型，为变电站i e d 建立了 如图2 - 9 所示的、基于客户n 务器方式的远动通信服务模型。模型的结构框架是 将i e d 抽象出来的逻辑系统按照标准种a c s i 信息分层的方式建立起由服务器、逻 辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性及它们所包含的各种访问操作如定义对象、 1 4 华北电力大学硕士学位论文 获取目录、读取或设置数据值、取代值和控制等组成的对象，另外还包含数据集的 生成和访问、基于数据集的报告和记录的控制、发送或存储以及文件的传输等服务。 根据所传输信息的种类，i e d 既可以是服务器又可以是客户。 a c s i 服务器 a c s i 服务 服务器 逻辑设各 逻辑节点 日录，定义 塑垡 一 读取设置 控制 数据集 文件fa c s i 客户 传输卜 广 域 网 报告、 记录 胁 _ l 图2 - 9 基于抽象通信服务接口的远动通信客户服务器模型 另外，由于a c 8 i 提供的是抽象模型，它需要通过特殊通信服务映射 ( s c s m ) 映射到具体的协议栈来完成实际的通信任务，因此可以根据以广域网为基础进行远 动信息传输时所具有的特点，选择能既保证传输实时性又能有效解决网络节点分如 性问题的应用层通信技术来完成抽象通信模型的实现。 2 5 小结 作为最新的变电站通信网络和系统国际标准，i e c6 1 8 5 0 体系庞大、内容丰富， 本章首先简要介绍了该标准的组成部分，然后从系统和设备结构、信息建模以及通 信服务模型、配置文档等方面对i e c6 1 8 5 0 标准所具有的特点进行了深入分析。同 时也分析了逻辑节点与功能模块，并提出了基于i e c6 18 5 0a c s i 的远动通信数据模 型和服务模型，为后面章节的研究开发打下了基础。 团圈 华北电力大学硕士学位论文 第三章传统电力规约向i e c6 1 8 5 0 转化方法的研究 3 1 方案的提出 在新的网络化国际规约i e c6 1 8 5 0 出现的今天，如何将采用旧规约的通信系统 纳入新型网络化远动系统体系结构中，并保持原有系统结构和设备不变的情况下使 其与最新的国际标准接轨，值得我们进行深入研究。 当前的远动通信系统，调度中心都不直接和变电站设备进行通信。变电站设各 往往先与r t u 相连，r t u 再采用远动通信规约与控制中心的前置机通信。然而将来 的远动的无缝通信体系机构中，控制中心采用i e c6 1 8 5 0 规约通过广域网和变电站 中的i e d 直接相连。对现有变电站的所有通信设各进行改造，则牵涉到变电站内相 应设备的硬件和软件的替换。这种方法相当于要把变电站内大部分能f 常工作的设 备都替换下来，代价高昂，对现有资源是一种极大的浪费。为此，我们认为在传统 r t u 外加一规约转换网关接入将来无缝远动体系是一种不错的选择。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 i 和c d t 规约在我国已经获得较长时问的推广，他们具有简单可靠等优 点，在我国已经获得广泛的应用，在今后的一段时间内将继续得到个制造厂商和电 力企业的支持。我们选择这两种规约进行研究，分析其特点及如何向具有面向对象 特性通信规约i e c6 1 8 5 0 的转变。图3 1 说明了采用i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 和c d t 远动 通信规约变电站纳入无缝远动通信体系结构的连接方式。 图3 一l1 0 1 和c d t 远动规约的无缝远动通信体系接入图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 1 0 1 规约和c d t 规约同i e c6 1 8 5 0 的转换工作主要在协议转换网关中完成。网 关一方面充当1 0 1 规约和c d t 规约主站的角色，它收集变电站上传的数据，并把数 据存储在网关中。另一方面，对i e c6 1 8 5 0 规约来说，网关是一个服务器，它把从 变电站r t u 上传的数据按i e c6 1 8 5 0 的方式组织信息模型，并为调度中心一一客户 端提供标准的i e c6 1 8 5 0 服务。 本课题的主要工作就是设计这个转换网关。这种转换工作主要在i e d 代理中完 成。从控制中心看来，代理完全采用了i e c6 1 8 5 0 的结构体系，等同于一个采用i e c 6 1 8 5 0 通信规约的i e d 。同时运用i e c6 1 8 5 0 中定义的变电站配置语言对上述网关 的配置性能进行描述m ，。 如图3 2 所示，其转换过程可分为以下几步： 1 ) 1 0 1 c d t 报文数据通过串口通信解析成遥测遥信等变电站信息 2 ) 根据i e c6 1 8 5 0 标准中的定义以及变电站信息，建立1 0 1 c d t 规约向i e c 6 1 8 5 0 转换网关信息模型实例 3 ) 第一步解析的变电站信息向转换网关模型实例所对应得数据对象映射及服务映 射 4 ) 用x m l 文档对转换网关的配置性能进行描述 3 2 串口通信 串行通信。”是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信 的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低仉 速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。 串行通信接口的基本任务有：实现数据格式化；进行串并转化；控制数据传输 速率：进行错误检测等等。 串口通信有多种实现方法，仅在w i n d o w s 操作系统中，就可以利用m s c o m m 控 1 7 华北电力火学硕十学位论文 件、w i n d o w sa p i 、m f c 的c f i l e 类等来实现串口通讯。但是m s c o m m 控件不适于多 线程，c f i l e 类并未完全封装对串口的操作。选用w i n d o w sa p i 实现串口程序。具 有灵活、通用、而且使用方便等优点。 w i n 3 2 串口a p i 有：c r e a t e f i l e ( ) 创建串口，g e t c o m m s t a t e ( ) 获得缺省串 口设备状态，s e t c o m m s t a t e ( ) 设置串口设备状态，w r i t e f i l e ( ) 发出数据，r e a d f i le ( ) 读入数据。 m i c r o s o f tw i n d o w s 是目前p c 机上最流行的操作系统，它支持基于线程的抢先 式多任务处理，程序c p u 的占用时间由系统来决定。多任务指的是系统可以同时运 行多个进程，每个进程又可以同时执行多个线程。线程是操作系统分配c p u 时间的 基本实体，每个线程占用的c p u 时间由系统分配，系统不停的在线程之间切换。进 程中的线程共享进程的虚拟地址空间，可以访问进程的资源，处于并行执行状态。 运用多线程技术实现串口通信，优点在于程序对接收数据具有自主觉察能力，一旦 辅助的通信线程查询到数据已经发送到串行口上，辅助线程自动接收数据后，向主 线程发送数据接收到的消息，应用程序可根据该消息来处理通信串口传送过来的数 据，并且采用通信监视线程还不占用c p u 时间。 3 3 变电站和馈线设备的基本通信结构 3 3 1 信息建模原理 变电站自动化系统的信息交换机制主要依赖于良好的信息模型定义。这些信息 模型和建模的方法是i e c 6 1 8 5 0 的核心内容。图3 3 展示了i e c 6 1 8 5 0 的建模方法。”。 酋管 图3 - 3 信息模型建立方法图 1 8 华北电力火学硕士学位论文 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