（电力系统及其自动化专业论文）iec61850在变电站客户端的应用研究.pdf

奎堕奎堂堡主堂垡堡苎 a b s t r a c t t i t l e ：a p p l i c a t i o n s t u d y o f i e c 6 1 8 5 0 i n t h e c l i e n t o f s u b s t a t i o n n a m e ：l i ub u f e n g s u p e r v i s o r ：l ug u a n g x i a n g u n i v e r s i t y f s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t or e a l i z et h es t a n d a r d i z a t i o no f t r a n s f e rp r o t o c o la n dt r a n s f e rn e t w o r k , a n ds o l v et h ei n t e r o p e r a t i l i t ya m o n g d e v i c e si ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，i e ct c 5 7p u t sf o r w a r dai n m m a t i o n a ls t a n d a r da b o u tc o m m u n i c a t i o n a r c h i t e c t u r e ，t h a ti si e c 6 1 8 5 0 t h i st h e s i sd o s ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fc l i e n tj ns u b s t a t i o n l e v e lw h i c hi sb a s e do ut h ea r c h i t e c t u r es t a n d a r do fi e c 6 1 8 5 0 t h em a i nw o r ko ft h et h e s i sa t es u m m a r i z e da s f o i l o w s ： 1 ) i n t r o d u c i n g t h eb a c k g r o u n d ，a r c h i t e c t u r e ，c o n t e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fi e c 6 1 8 5 0s t a n d a r d a n d a n a l y s i n gt h ed e s i g nt h o u g h to f s t a n d a r da n db a s i cm e t h o dt or e a l i z et h es t a n d a r d ； 2 ) i n t r o d u c i n gt h es o f t w a r es t r u c t u r ea n dd e s i 肼p h i l o s o p h yo fc l i e n ti ns u b s t a t i o nl e v e l i n c l u d i n g a r c h i t e c t u r e ，m o d u l a r i z a t i o no f s o f t w a t ef u n c t i o n ； 3 ) a n a l y s i n gt h ei n f o r m a t i o nm o d e ia n da b s t r a c ts e r v i c eo fi e c 6 1 8 5 0s t a n d a r d ，a n a l y s i n gt h ei n f o r m a t i o n m o d e li nd e t a i la n da b s t r a c ts e r v i c em o d e li ns a sb a s e do ni e c 6 1 8 5 0 ； 4 ) a n a l y s i n gt h es p c c i f i cp r o t o c o lb e t w e e nc l i e n ta n ds e r v e r , t h a ti sm a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ( m m s ) ，t h e nd i s s e c t i n gt h ed e v e l o p m e n tf l o wt h o u g h tt ot h em a p p i n ga n dr e a l i z a t i o n ； 5 ) d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gs y s t e mc o n f i g n r a t o rt h a ti su s e di nc l i e n to fs u b s t a t i o nl e v e l ，m a i n l yi n c l u d i n g d e s i g nt h o u g h t ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f e a c hf u n c t i o nm o d u l ea n ds oo n k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ；s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) ；i n f o r m a t i o nm o d e l ；a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e ；m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ( m m s ) ；s y s t e mc o n f i g u r a t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：垒) 豸鸯 日期：也! 醴，彳 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：- 三4 益扯导师签名：上牲日 期：型 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 变电站是电力系统的发电、变电、输电和配电四个重要环节之一，它的安全、可靠运行是电力系统安 全的重要保障。 变电站自动化技术是个集现代控制理论、电子技术、计算机技术、数字通信技术等于一体的技术领 域。我国变电站自动化技术起步于2 0 世纪8 0 年代，自2 0 世纪9 0 年代以来，变电站自动化技术一直是我 国电力行业的热点技术之一。随着现代计算杌技术和数字通信技术等的迅速发展，变电站自动化技术在我 国电力系统的应用得到大力推广。 国际电工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l o c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 对“变电站自动化系统”( s a s ， s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 的定义为在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统。 在国内，我们所说的变电站自动化系统，包括传统的自动化监控系统，继电保护、自动装置等设备， 是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二 次设备及系统。它的主要任务是对变电站电气量的采集和电气设备状态的监视，控制和调节，保证变电站 的正常运行和安全。 通信是变电站自动化系统实现的关键【2 j 。 在变电站自动化系统中，数据通信是一个重要环节，其主要任务p 1 体现在两个方面，一方面是完成变 电站自动化系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换。这是因为变电站自动化系统实质上是分级分 布式的多台微机组成的控制系统，在各个子系统中，往往又由各个职能模块组成。因此，必须通过内部数 据通信，实现各个子系统内部和各子系统之间的信息交换和信息共享；另一方面是完成变电站与控制中心 的通信任务。因为变电站自动化系统中各环节的信息，如采集到的测量信息、断路器和隔离开关的状态信 息、继电保护的动作信息等，要及时上报控制中心，并且变电站自动化系统也要接受和执行控制中心下达 的各种操作和调控命令。因此，通信技术的应用是变电站自动化系统的结构、功能、性能改善和提高的基 础，通信应用技术的发展和完善是影响变电站自动化系统发展方向最重要的技术。 在变电站自动化的通信系统中，为了保证通信双方能够正确、有效、可靠地进行数据传输，在通信的 发送和接收过程中有一系列的规定，以约束双方进行正确、协调的工作，这些规定被称为数据传输控制规 程，简称为通信规约，也就是通信协议。 变电站自动化技术在我国已发展多年，提高了电阿建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可 靠性，然而，我国目前变电站内设备品种众多，厂家之间的通信协议往往并无统一标准，需要额外的硬件 ( 如规约转换器) 和软件来实现智能电子装置( i e d ，i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e ) 互联，不仅难以实现自动 化系统的无缝集成和互操作，而且进行通信规约韵转换，也造成了厂家和用户在经济和时间上的许多浪费， 这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和意义。 对于变电站自动化用户和厂家，只有实现传输规约的标准化和传输网络的标准化，才能实现变电站自 动化系统内设备的互操作性。互操作性( i n t e r o p e r a b i l 埘) h 指同一厂家或不同厂家的多个设各，能够工作 在同一个网络上或者通信通路上和共享信息和命令的能力。 因此变电站自动化的通信规约的标准化和统一化，不仅成为用户的要求，也成为各变电站自动化设备 生产厂家的共同要求。 1 2 变电站自动化系统通信规约的现状 无论是站内不同厂家设备之间还是在和远方调度的连接中，由规约转换问题引起的软件编程成为实际 东南大学硕士学位论文 工程调试量最大的项目，既耗费人力物力，运行维护也不方便。目前变电站自动化系统通信规约情况为口】： ( 1 ) 变电站和调度中心之间的传输规约 各个地方情况不一样，现场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，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，我国于1 9 9 7 年颁布了1 0 1 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标准，目前，变电站自动化设备的远方调度 传输协议大多采用1 0 1 规约。 ( 2 ) 站内局域网的通信规约 目前各个生产厂家基本上是各做各的规约，造成不同厂家设备通信连接的困难和以后维护的隐患。i e c 在1 9 9 7 年颁布了c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，我国于1 9 9 9 年颁布了1 0 3 规约的国内版本d l ，r 6 6 7 1 9 9 9 ，该规 约为继电保护和控制系统之间的数据通信传输标准。 ( 3 ) 电力系统电能计量传输规约 对于电能计量采集传输系统，i e c 在1 9 9 6 年颁布了i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 2 标准，即我国电力行业标准 d l r 7 1 9 2 0 0 0 ，该规约为变电站电能计量系统的信息传输标准。 上述的三个标准即1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 协议，运行于三层参考模型即物理层、链路层、应用层结构之上， 是相当一段时间内指导变电站自动化技术发展的三个标准。这些国际标准按照非平衡式和平衡式传输远动 信息的需要制定，能满足电力系统中各种网络拓扑结构，得到了广泛的应用。 随着网络技术的发展，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 1 0 1 基本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，采用了i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 1 的 平衡传输模式，通过t c p i p 协议实现网络传输远动信息。 1 3i e c 6 1 8 5 0 制定的历史背景 进入2 0 世纪9 0 年代初期，随着微处理器技术的发展p j ，基于微处理器的新型继电保护设备不断出现， 国际电工委员会i e c 意识到来自不同厂家的智能电子设备l e d 需要一个标准的信息接口，以实现设备的互 操作性。为此，i e ct c 5 7 和i e ct c 9 5 成立了一个联合工作组，制定了“继电保护设备信息接口标准”即 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准。 与此同时，美国的电力科学研究院( e p r i ，e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i m t e ) 在1 9 9 0 年开始了公共设 施通信体系( u c a ，u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ) 标准的制定工作，其目的在于提供一个具有广泛 适应性的、功能强大韵通信协议，增加详细描述现场设备模型及通信行为定义的规范，使得各种智能电子 设备能够通过使用该协议实现相互之间的互操作。 1 9 9 4 年，德国国家委员会提出了统一通讯协议的设想。 1 9 9 5 年，i e c 也认识到为了适应变电站自动化技术的迅速发展，必须要制定一个更为通用、全面的标 准，使其能够覆盖整个变电站的通信网络及系统，为此，t c 5 7 专门成立了三个新的工作小组w g i o 、w g l l 、 w g l 2 负责制定变电站通信网络和系统i e c 6 1 8 5 0 标准【6 】【7 j 。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、操作运行人员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。这三个工作组有着明确的分工：第1 0 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l l 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。 在1 e c 三个小组制定i e c 6 1 8 5 0 标准的同时，e p r i 也正在进行u c a 2 0 标准的制定，为了避免出现两 个可能冲突的标准，i e c 决定以u c a 2 0 标准的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结构纳入i e c 标 准，建立世界范围的统一标准1 e c 6 1 8 5 0 。 因而，i e c 6 1 8 5 0 是在u c a 2 0 的基础上制定的。i e c 6 1 8 5 0 继承了u c a 2 0 的特点，如使用面向对象 的技术建模、将定义的模型与服务映射到制造报文规范( m m s ，m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 上 等，还在u c a 的基础上进行了很多改进，增加了一些新技术，比如首次在电力系统通信协议体系中运用 扩展标记语言( x m l ，e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e ) 技术；使用分层的目录服务；将服务和映射分开；增 2 第一章绪论 加了过程层等。 i e c 于1 9 9 9 年3 月提出了i e c 6 1 8 5 0 标准的委员会草案版本。2 0 0 0 年6 月，i e c t c 5 7 s p a g 会议决定 以i e c 6 1 8 5 0 标准作为制定电力系统无缝通信系统体系标准的基础，实现将来的统一传输协议。从2 0 0 1 年 开始，变电站通信网络协议i e c 6 1 8 5 0 中的一些标准进入委员会文件投票阶段。 经过近十年的酝酿和准备，2 0 0 5 年i e c 正式发布了“变电站通信网络和系统”( i e c 6 1 8 5 0 ) 全部标准。 1 4i e c 6 1 8 5 0 标准与其它标准的关系 l e c 6 1 8 5 0 的制定参考和吸收了大量已有的相关标准。 i e c 6 1 8 5 0 参考、吸收并发展了i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 3 ，使得l e c 6 1 8 5 0 - 7 - 2 成为c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 的超集。 i e c 6 1 8 5 0 中大量使用面向对象建模技术，i e c 6 1 8 5 0 8 1 定义了抽象通信服务接口( a c s i ，a b s t r a c t c 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 ) 到m m s 的特殊通信服务映射( s c s m ，s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e m a p p i n g ) ，这些显然是受到了美国电力科学研究院u c a 通信协议体系的影响，也可以说是参与制定 i e c 6 1 8 5 0 的美国专家将u c a 这种地区性协议体系推向国际化的结果p j 此外，由于i e c 6 1 8 5 0 标准的优越性，电力系统各个领域和工业自动控制领域也准各吸收l e c 6 1 8 5 0 的 技术来制定相应的标准【9 】，包括电力质量标准、风力发电站远方控制和监视、表计计量传输协议标准等。 1 5i e c 6 1 8 5 0 标准对变电站自动化系统的影响 l e c 6 1 8 5 0 标准引入变电站自动化系统，带来的影响1 1 0 j ： ( 1 ) 不同生产商提供的设备之间自由交换信息 全球范围内的互操作性是系统的基本属性，不同厂商的设备或同一厂商不同时期的设备可以自由组 合，实现系统功能。 ( 2 ) 系统独立于飞速发展的通信技术 尽管要求通信系统的长期稳定性，但通信技术不断发展，人们更倾向于采用新出现的、性能更强的通 信手段。i e c 6 1 8 5 0 标准保证任何技术革新不会影响应用。系统通信独立于系统应用，使现有的通信技术易 于应用到系统中。 通信的现有发展状况是七层o s u i s o 模型，i e c 6 1 8 5 0 实现应用的方式与通信协议是分离的，这使 l e c 6 1 8 5 0 标准能够跟随通信技术的发展。当通信技术发展了，基于l e c 6 1 8 5 0 标准的系统，对象模型和相 关的服务不会变化，只要采用的映射改变即可。 ( 3 ) 支持不同的和变化的系统原则 装置实现功能，不同的国家，不同的用户，不同的生产商有不同的分配原则。既有倾向于把多项功能 高度集中到一个箱子中( 集中) ，也有倾向于使用不同的专用设备实现不同的功能( 分布) 。i e c 6 1 8 5 0 标准 支持功能的自由分配，例如可以自由的应用不同的控制和保护功能分配原则。 ( 4 ) 扩展和更改 应用领域系统技术现状决定了现有的系统结构形式多样，且可能发生变化；应用领域系统技术水平不 断提高导致了新功能的不断出现。 不同生产商提供的工具和设备都采用标准描述，系统生命周期内，系统可以自由扩展，自由更改。 ( 5 ) 系统集成概念 系统设备不依赖于选定的提供商。不同生产商提供的产品之间不存在兼容与否的问题。随着电子技术 和i t 技术的飞速发展，同一生产厂商不断推出的升级换代产品，新老产品之间也不存在兼容问题。 变电站自动化标准化的目的是制定一个满足性能和价格要求的通信标准，并能够支持将来技术的发 展，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，从全局利益出发，在智能电 子装置l e d 制造厂和用户之问，在装置之间能够自由的交换信息达成一致。 3 东南大学硕士学位论文 1 6 国内外对于i e c 6 1 8 5 0 标准的研究情况 1 6 1 国外对于i e c 6 1 8 5 0 标准的研究情况 i e c 6 1 8 5 0 从开始制定就受到国际上的广泛关注。在制定i e c 6 1 8 5 0 的过程中，美国，德国、荷兰等国 都有示范工程，用以验证标准，通过实践来促进标准的进一步完善。 以a b b 、西门子、阿尔斯通等为代表的国际主流制造商和以荷兰k e m a 等公司为代表的咨询机构为 i e c 6 1 8 5 0 的研究、制定及相关产品的研发投入了大量的人力、物力、财力，在欧洲建造了数座应用该标准 的实验变电站。在全部标准正式发布前，上述机构的产品已进行多次较成功的互操作试验。 至目前为止，这些制造商已经在几百座变电站中运用了i e c 6 1 8 5 0 标准。 1 6 2 国内对于i e c 6 1 8 5 0 标准的研究情况 i e c 6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统标准已全部正式出版，它将成为我国变电站自动化系统的电力行业标 准。 我国的变电站自动化技术和产品在新的国际标准条件下还有一定的差距，国内从1 9 9 9 年开始接触 i e c 6 1 8 5 0 ，其中以电科院谭文恕教授为最早，四方公司也较早地设立了1 e c 6 1 8 5 0 研发小组，南瑞从2 0 0 2 年开始有人跟踪、研究该标准，部分高校也对此投入人力和物力进行研究。 2 0 0 4 年底国调中心牵头组织国内九家单位启动了国内互操作试验的准备工作，2 0 0 5 年5 月在国调中 心进行了第一次互操作试验，根据第一次互操作试验情况，国调中心又先后组织了五次互操作试验，推进 了对i e c 6 1 8 5 0 标准理解，用户和厂家对于i e c 6 1 8 5 0 在国内的应用及其前景已形成基本共识。 目前，国电南自、南瑞科技都有i e c 6 1 8 5 0 项目的变电站投运，国内基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变屯站自动 化技术正追赶国际水平。 1 7 论文的主要工作和章节安排 作为变电站自动化系统的最新国际通信标准，i e c 6 1 8 5 0 反映了变电站自动化的发展方向和趋势。本文 对i e c 6 1 8 5 0 标准在客户端的应用进行了研究与分析，主要的工作如下： 对基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统进行了系统结构和软件结构的分析，对客户端进行了设计 研究，对数据模型，抽象服务进行了分析阐述，对于变电站层和间隔层主要的具体映射协议m m s 进行了 分析，并分析了a c s i 到m m s 的映射和实现。 此外，对变电站层中的系统配置器进行了设计，对系统配置器的功能模块作了分析。 本论文各章节的安排如下： 第一章对i e c 6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统这一国际标准的历史背景、它对变电站自动化系统的影响 以及目前国内外研究情况进行了介绍： 第二章介绍了i e c 6 1 8 5 0 标准系列的内容、特点及实现方法； 第三章介绍了变电站层客户端的系统和软件架构； 第四章主要是基于i e c 6 1 8 5 0 的分析，包括信息模型的建立、抽象服务的分析： 第五章重点分析特殊通信服务映射，对m m s 协议进行了研究，同时，对a c s i 到m m s 的映射作了 分析： 第六章对系统配置器在客户端的实现做了介绍； 第七章进行了总结和展望。 4 第二章i e c 6 1 8 5 0 标准的内容和特点 第二章i e c 6 1 8 5 0 标准的内容和特点 2 1i e c 6 1 8 5 0 标准的内容结构 1 e c 6 1 8 5 0 变电站通信与系统标准由1 0 个部分，1 4 个标准组成，主要内容嗍 1 2 h 2 8 1 是： ( 1 ) i e c 6 1 8 5 0 1 介绍和概述； 该标准介绍了整个i e c 6 1 8 5 0 系列标准的制定目的、历史沿革，对1 e c 6 1 8 5 0 的其它标准的核心 内容作了提炼并加以介绍，对下面的标准中涉及的核心概念作了初步的阐述。 ( 2 ) i e c 6 1 8 5 0 - 2 术语： 该标准收集了整个i e c 6 1 8 5 0 系列标准所涉及的术语解释、缩写名词定义、规范性应用文件。 ( 3 ) i e c 6 1 8 5 0 3 总体要求： 该标准从质量要求、环境条件、供电条件三个方面对变电站自动化系统的性能进行了规范。其 中，质量要求包括可靠性、系统可用性、可维护性、安全性、数据完整性；环境条件包括对温度、湿 度、大气压、振动、污染、腐蚀、电磁干扰的耐受能力；供电条件包括对供电电源的电压、频率范围 以及瞬时失电的耐受能力。 ( 4 ) i e c 6 1 8 5 0 - 4 系统和项目管理： 该标准主要规范了以下内容：s a s 的参数化、文档化等工程管理要求；s a s 及其i e d 始于研发 阶段直至停产和退出运行的生命周期内的质量管理；s a s 的质量保证，重点是试验设备、试验内容， 如系统测试、型式试验、例行试验、一致性测试等。 ( 5 ) i e c 6 1 8 5 0 一5 功能的通信要求和设备模型： 该标准是i e c 6 1 8 5 0 通信协议体系的基础，共分为两部分：1 、详细阐述了功能、逻辑节点和通 信报文片三个核心概念以及三者的相互关系；2 、对不同等级的变电站内的不同种类的通信报文的通 信时间提出了要求，以及如何验证整个系统的通信性能要求。 ( 6 ) i e c 6 1 8 5 0 6 变电站自动化系统配置描述语言： 该标准描述了基于x m l i 0 的变电站自动化系统配置描述语言( s c l ，s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的语法，并在附录中提供了文档类型定义文件的文本，并给出了一个完整的变 电站的s c l 文件的实例。 ( 7 ) i e c 6 1 8 5 0 7 变电站和馈线设各的基本通信结构 第7 部分共由4 个标准组成：i e c 6 1 8 5 0 7 1 原理和模型、i e c 6 1 8 5 0 - 7 - 2 抽象通信服务接口( a c s i ) 、 i e c 6 1 8 5 0 - 7 3 公用数据类、i e c 6 1 8 5 0 7 - 4 兼容的逻辑节点类和数据类。 i e c 6 1 8 5 0 7 1 分别从应用、设备、通信的观点为对象建模，模型分别是逻辑节点及数据、逻辑设 备砌理设备、客户服务器，另外，简要的介绍了i e c 6 1 8 5 0 - 7 - 2 、- 3 ，- 4 的内容及相互关系。 i e c 6 1 8 5 0 - 7 - 2 、3 、- 4 是i e c 6 1 8 5 0 的核心和精华所在，它详尽的描述了各种对象模型的数据类和 服务，是i e c 6 1 8 5 0 - 8 和9 的前提和基础。 ( 8 ) i e c 6 1 8 5 0 8 特殊通信服务映射( 8 c s m ) 一在1 s 0 8 8 0 2 - 3 上映射到制造报文规范m m s ( i s o i e c 9 5 0 6 第1 部分和第2 部分) ： 该标准定义间隔层与变电站层之间的映射，将a c s i 的对象与服务映射到m m s ，形成了基于 8 0 2 3 ，传输层至少支持t c p f i p 的应用层协议，从而实现数据交换。 ( 9 ) i e c 6 1 8 5 0 9 待殊通信服务映射( s c s m ) ： 该标准定义了过程层与间隔层之间的映射。 i e c 6 1 8 5 0 - 9 1 特殊通信服务映射一通过单向多路点对点串行通信链路的采样值： 该标准将i e c 6 1 8 5 0 - 7 中有关采样测量值传输的部分映射过来，形成了基于8 0 2 3 ，l l c 采用 无应答无连接，不使用网络层、传输层、会话层及表示层的应用层协议，该协议适用于间隔级设 5 东南大学硕士学位论文 备和过程级设备间的通信。 这儿，过程级设备主要是具有数字接口的电子式c t p t ；发送缓冲区的刷新频率等于采样频 率。 i e c 6 18 5 0 9 2 特定通信服务映射一通过i s o i e c 8 8 0 2 3 的采样值： 和6 1 8 5 0 - 9 1 相同的是，该协议同样基于8 0 2 3 ，l l c 采用无应答和无连接，仅使用应用层协 议，该协议不仅适用于间隔级和过程级设备间的通信，还适用于间隔级设备之间的通信。 ( 1 0 ) i e c 6 1 8 5 0 1 0 一致性测试： 该标准定义了变电站自动化系统设备一致性测试的方法，还给出了用于设置测试环境以便进行 一致性研究并建立有效性的准则。 由以上l o 个部分可见，i e c 6 1 8 5 0 标准不同于以往的变电站自动化系统通信协议之处在于，除了定义 变电站自动化系统的通信要求和数据交换外，还对整个系统的通信网络、体系结构、对象模型、项目管理 控制以及测试方法等进行了全面详尽的描述与规范。这1 0 个部分主要围绕四个方面展开：变电站自动化 应用域的功能模型( 第五部分) ；变电站数据模型及其服务( 第七部分) ；变电站体系层次之间的映射关系 ( 第八、第九部分) ；基于x m l 的变电站配置描述s c l ( 第六部分) 。 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准制定的主要思路和目的 在i e c 6 1 8 5 0 标准制定之前，一些协议制定的主要思路是从满足当时通信约束条件和面向点的角度考 虑的。i e c 6 1 8 5 0 标准制定的主要思路主要是从以下几个方面考虑的口9 1 ： ( 1 ) 面向对象； ( 2 ) 面向应用技术迅猛发展要求； ( 3 ) 应对通信技术和网络技术、信息技术迅猛发展的挑战。 依据以上思路制定i e c 6 1 8 5 0 标准的目的主要是”0 1 ： ( 1 ) 实现设备的互操作性：互操作性的概念在1 1 中作过定义，i e c 6 1 8 5 0 标准允许不同厂商生产的 智能电子设备i e d 之间进行信息的交换并且利用信息实现设备本身的特定功能 ( 2 ) 建立系统的自由配置；i e c 6 1 8 5 0 标准允许变电站自动化系统的功能在不同的设备之间自由分配； ( 3 ) 保持系统的长期稳定：i e c 6 1 8 5 0 标准具有面向未来的特性，能够满足不断发展的通信技术与变 电站自动化系统的需求。 2 3i e c 6 1 8 5 0 标准的主要特点 通过1 e c 6 1 8 5 0 的分析，可以总结出i e c 6 1 8 5 0 的主要特点”1 1 1 3 2 1 ：采用分层、分布的体系结构，便于 功能的自由分配；采用面向对象的信息建模技术，在信息源定义数据和数据属性，使维护和管理更加方便； 采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络技术的迅速发展；采用配置描述语言进行设备自 描述，易于实现功能扩展和设备即插即用；采用面向未来的、开放的体系，能有效延长自动化系统的生命 周期，有效节省人力、物力。 2 3 1 分层、分布体系结构 分布式结构，与集中式相对应，是以变电站内的电气间隔和元件( 变压器、电容器、母线等) 为对象 开发、生产、应用的一种结构方式。 分层的概念在1 e c 6 1 8 5 0 标准中总结如下： 一、变电站分层 6 第二章i e c 6 1 8 5 0 标准的内容和特点 i e c 6 1 8 5 0 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，从逻辑上把系统分为3 层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了三层问的1 0 种逻辑接口( 其中接口2 为问隔层和远方保护 之间交换保护数据，接口1 0 为变电站层和远方工程师站之间交换控制数据，均不在本标准范围之内) 。 变电站层 间隔层 过程层 远方控制中心技术服务 l i 过程层接口i 、上人l 厂、 圆圈 高压设备9 专厶fo 图2 1 变电站分层结构 接口1 ：间隔层和变电站层之间交换保护数据； 接口3 ：间隔层内交换数据； 接口4 ：过程层和间隔层之间c t 和v t 瞬时数据交换； 接口5 ：过程层和间隔层之间交换控制数据 接口6 ：间隔层和变电站层之间交换控制数据； 接口7 ：变电站层和远方工程师站之间交换数据； 接口8 ：间隔层之间交换数据，特别是快速功能，比如联锁； 接口9 ：变电站层之问交换数据。 该接口划分是逻辑上的，并非物理接口，i e c 6 1 8 5 0 规范了逻辑接口，没有规范物理接口，i e c 6 1 8 5 0 也没有规定逻辑接口向物理接口映射的方式。 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，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， 如保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层，间隔层通过逻辑接口4 和接口5 与过程层通信，通过逻辑 接日3 完成闯隔层内部的通信功能；变电站层的功能分为两类；一是与过程相关的功能，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的功能，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。 i e c 6 1 8 5 0 的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同，在现有系统中，过程层的功能都是在间隔 层设备中实现的，因此就没有独立的接口4 和接口5 。但是随着智能电流、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到过程层中去，这也说明i e c 6 1 8 5 0 是一个适应未来的开放 的标准。 二、物理装置分层 i e c 6 1 8 5 0 除了将变电站自动化系统分成变电站层、问隔层、过程层之外，每个物理装置又由服务器和 应用组成。 从应用方面来看，服务器包含通信网络和i o 。 由i e c 6 1 8 5 0 来看，服务器包含逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属 性。 三、服务分层 7 东南大学硕士学位论文 设备的分层需要相应的抽象服务来实现数据交换。a c s i 服务相应的有服务器模型、逻辑装置模型、 逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。 通过g e t s e v e r d i r e c t o r y 服务收集服务器中的逻辑装置名字和文件名字，通过 g e t l o g i c a l d e v i c e d i r e c t r o r y 服务收集每个逻辑装置中的逻辑节点名字，通过g e t l o g i c a l n o d e d k e c t o r y 服务 收集每个逻辑节点中的数据对象名字，通过g e t d a t a d i r e c t o r y 服务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模型。 2 3 2 采用面向对象的信息建模技术 所有信息交换机制都依赖于定义完好的数据模型和交换规则，而这些信息模型和建模过程正是 i e c 6 1 8 5 0 的核心内容。 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，必须使每个信息动作1 次，才能验证其正确性。这种 技术是面向点的。 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，可立刻建立数据库， 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。 i e c 6 1 8 5 0 - 7 - 3 和i e c 6 1 8 5 0 7 - 4 定义了1 3 个逻辑节点组、9 1 种逻辑节点名称、5 0 0 多种兼容数据类名 称以及2 9 个公共数据类，涵盖了变电站所有的功能和数据对象，提供了扩展新的逻辑节点的方法，并规 定了兼容数据类名称的组成方法。 1 e c 6 1 8 5 0 7 - 3 和i e c 6 1 8 5 0 7 4 部分定义了信息模型的语义约定，在严格意义上，与任何通信协议无关。 i e c 6 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 c 6 1 8 5 0 7 - 3 、一7 _ 4 中定义了各类( 单元) 数据对象和逻辑节点、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地描述数据对象的方法和一套面向对象的服务。 i e c 6 1 8 5 0 - 7 37 - 4 提供了9 1 种逻辑节点名字代码和近4 0 0 种数据对象代码，以及2 9 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。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 协议是不可能实现面向对象自我描述的。 2 3 3 采用抽象通信服务接口和特殊服务映射 i e c 6 1 8 5 0 总结了电力生产过程特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，设计出抽 象通信服务接口，它独立于具体的网络应用层协议( 例如目前采用的m m s ) ，和采用的网络( 例如现在采 用的i p ) 。 客户服务通过抽象通信服务接口，由s c s m 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s c s m 映射到a c s i 。由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间的要求不同，在变 电站的过程内可能采用不同类型的网络，i e c 6 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 就可以了。 应用过程和抽象通信服务接口是样的，不同的网络应用层协议和通信栈与不同的s c s m 相对应。 i e c 6 1 8 5 0 将a c s i 抽象服务通过s c s m 映射到具体的通信协议上，比如变电站层和间隔层之间使用 8 第二章i e c 6 1 8 5 0 标准的内容和特点 m m s 协议，过程层和间隔层之间以及间隔层内之间使用g o o s e 协议等。 2 3 4 配置描述语言 i e c 6 1 8 5 0 6 为变电站智能电子设各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，智能电子设各和通信系统模型根据i e c 6 1 8 5 0 5 和i e c 6 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) 结构及它们之间 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间，交换智能电子设备能力描述和变电站自动化系统描述。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，也可描述开关间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各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商提供的智能电子设备和系统配置工具之问相互交换。 2 3 5 面向未来的、开放的体系 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开放的； 5 、设备是自描述的，对整个系统是开放的。 2 4i e c 6 18 5 0 标准实现的基本方法 i e c6 1 8 5 0 定义了建模方法、信息模型和交换模型，按照i e c6 1 8 5 0 的观点，实现标准需要以下步骤： 对于服务器端”m ： l 、需求分析。首先按照系统的要求，从通信的角度建立设备的信息交换需求； 2 ，应用功能与信息的分解。根据信息交换需求，按照i e c6 1 8 5 0 5 中已经定义好的变电站某个应用 功能的通信需求，将该应用功能分解成相应的逻辑节点及所包含的数据； 3 、从i e c6 1 8 5 0 - 7 - 4 逻辑节点库中提取对应的逻辑节点，组建成装置对应的逻辑设备，构建出信息模 型和框架；利用i e c6 18 5 0 - 7 - 3 部分，用数据对象及其属性对模型进行填充、描述。实例化信息模型属性， 从而完成逻辑节点的配置； 4 、依据抽象通信服务接口，根据信息模型的属性构建出信息模型的服务； 5 、依据特殊通信服务映射将抽象的通信服务映射到具体的通信网络及协议上，服务借助通信得以实 现： 6 、按照