（电力系统及其自动化专业论文）变电站监控系统iec61850信息接入的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 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， 意义。本文主要讨论标准对变电站监控系统信息接入的影响。首先对标 准的发展背景和研究现状进行介绍，然后分析了s c l 描述变电站自动化 系统的基本思路。在分析建立变电站监控系统实时数据库所需信息的基 础上，对智能电子设备的功能信息模型进行逐层分解，找到了所需信息 的宿主。本文详细介绍了从变电站配置描述文件中分解智能电子设备功 能信息并将其导入变电站监控系统实时数据库的流程，实现了，有没 有实验结果，此外，对i e c6 1 8 5 0 信息接入工具进行开发，并就工具在实 际应用中存在的问题进行了总结。 关键词：i e c6 1 8 5 0 ，变电站配置描述语言，可扩展标记语言，变电站监 控系统 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i e c618 5 0i st h el a t e s ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da b o u t c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n da u t o m a t i o ns y s t e mi ns u b s t a t i o n s t h e d i s s a t a t i o nf o c u s e so nh o wt og a i nn e c e s s a r yi n f o r m a t i o nu s i n gi ns u b s t a t i o n m o n i t o rs y s t e mf r o mt h ei n f o r m a t i o nm o d e ld e s i g n e di ni e c618 5 0 f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n da n da c t u a l i t yo ft h es t a n d a r da r ei n t r o d u c e d t h e nt h em e t h o do fd e s c r i b i n gs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mu s i n gb yt h e s u b s t a t i o n c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( s c l ) i sa n a l y z e d t h e f u n c t i o n a li n f o r m a t i o nm o d e lo fi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ( i e d ) i s d e c o m p o s e d ，a n dn e c e s s a r yi n f o r m a t i o n i s p i c k e du p t h ep r o c e s so f g e n e r a t i n gr e a l t i m ed a t a b a s e o fs u b s t a t i o nm o n i t o rs y s t e mi sd e s c r i b e d f i n a l l y ，ac o n f i g u r a t i o nt o o li sd e v e l o p e da n di t sa p p l i c a t i o ni sd i s c u s s e d z h a n gp a n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gz h e n h u a k e yw o r d s ：i e c6 1 8 5 0 ，s c l ，x m l ，s u b s t a t i o nm o n i t o rs y s t e m 声r i f t户 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站监控系统i e c 6 1 8 5 0 信 息接入的研究，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：盗鍪 日期：趔皇：呈：! 兰 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：猛壁 导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 课题的提出基于两个基本情况：首先，处于变电站综合自动化系统 信息应用核心地位的变电站监控系统经过长期的发展，形成了以变电站 信息实时数据库为核心，其它应用功能模块为外延的成熟体系。其次i e c 6 18 5 0 标准已经成为变电站自动化通信系统的国际标准 1 币】，并且国际国 内有关企业、科研单位和机构对该标准的应用研究逐渐深入，这项技术 的发展已经被纳入国家数字化电力通信重点项目内容。i e c6 l8 5 0 对站内 智能电子设备( 1 e d ) 功能信息模型采用了全新的系统化的描述方式，这 就对变电站监控系统对站内智能电子设备信息的获取和转换提出了新的 要求。因此，有必要对i e c6 18 5 0 信息接入变电站监控系统的方式方法展 开相应的研究工作。 1 2le c6 18 5 0 的发展背景 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系 统、继电保护、自动装置和远东装置等) 经过功能的组合和优化设计， 利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实 现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制 和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能f 7 1 。变电站综合自动 化系统由微机监控、微机保护、电能质量和自动控制等多个系统组成， 子系统由能够进行功能处理和通信的智能电子设备( i e d ) 组成。变电站 综合自动化系统的应用使得变电站通信不只是变电站和控制中心间的通 信，还包括变电站内的l e d 间的通信。 目前比较常用的变电站通信规约有 8 】： 1 i e c6 0 8 7 0 5 10 1 1 0 4 ：基本远动任务的配套标准，定义了变电站之 间以及变电站和控制中心之间的远动设备实现互操作需要的功能性要 求。i e c6 0 8 7 0 5 10 l 采用了增强性能的三层结构，为变电站和调度中心 之间的信息传输制定了标准。而i e c6 0 8 7 0 5 10 4 则是i e c6 0 8 7 0 5 1 0 l 采用标准的传输协议子集的网络访问协议，通过t c p i p 协议实现网络传 输远动信息。 2 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 ：电力系统能量计量传输规约。 华北电力大学硕卜学位论文 3 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 ：继电保护设备信息接口配套标准，主要目的是 为了在变电站或厂站中，不同继电保护设备( 或间隔单元) 和控制系统 之间达到互换的目的。 4 d n p 3 0 ：是由美国i e e e 的电力工程协会p e s 在i e c 的基础上制 定的美国国家标准，它的应用领域与i e c6 0 8 7 0 5 相同，主要是为了实现 远动设备和系统的互操作性。 5 u c a 2 0 ( 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 ，公共事业通信体系 结构) ：在控制中心和厂站都采用m m s 协议，因此可以支持互操作性。 u c a 2 0 与以前的电力系统协议的不同之处是它采用了设备和设备组件的 对象模型。这些模型定义了公共数据格式、标识、控制等等，用于变电 站和馈线设备，如开关、变压器和继电器。模型描述了大部分公共设备 功能的标准行为( 互操作性) 。 由于变电站内功能的实现需要使用不同通信协议的众多生产厂商的 设备共同参与配合完成，多种通信协议的采用使得不同厂商的设备通信 必须通过大量的协议转换来完成，从而浪费大量的人力物力，影响变电 站自动化系统的实时功能。因此采用同一的通信规约，实现变电站自动 化系统五丰通信成为业内关注的问题。 i e c6 18 5 0 经国际电工委员会t c 5 7 工作组在1 9 9 9 年提出，于2 0 0 3 年陆续出版。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准。到目前为止已 成为关于变电站综合自动化系统完整的通信标准体系。i e c6 1 8 5 0 采用面 向对象自我描述的方法，使得传输到调度控制中心的数据带有说明，一 旦符合i e c6 18 5 0 的设备被采用，则建立对应得数据库，实现了变电站的 扩展和l e d 间的互操作。 i e c6 l8 5 0 制定的思路是：( 1 ) 提高互操作性，工程实现方便；( 2 ) 面向对象，而非局限于具体设备；( 3 ) 满足应用技术迅猛发展要求；( 4 ) 应对通信技术和网络技术发展的挑战。 它的推广应用将使变电站内实现无缝通信，同时有利于变电站自动 化系统得功能扩展，增强系统的开放性和灵活性。 1 3ie c6 18 5 0 的研究历程及现状 在i e c6 18 5 0 标准的制定过程中，各国的研究机构与设备厂商也联手 开展工程试验，目的在于检验与完善标准，使其能够更好地与实际应用 相结合。其中主要的工程项目【9 1 有： 2 华北电力大学硕十学位论文 1 间隔设备与站控制器之间的互操作性( 德国2 0 0 0 年) “变电站开放式通信”工程的参与者是a b b 、a l s t o m 与s i e m e n s 等设备厂商，工程于2 0 0 0 年1 1 月结束。工程的目的是测试标准在通信 栈与实用中的独立性和互操作性。 2 间隔设备之间的互操作性( 加拿大2 0 0 1 年) 为了支持与加快关于数字量数据传输的标准制度工作，a b b 和 s i e m e n s 对相关的设备进行测试，目的在于检验1 e c6 1 8 5 0 中g o o s e 与 变电站配置语言的概念，同时验证来自不同厂家的设备之间的互操作性。 3 “采样值 之间的互操作性( 美国2 0 0 2 年) 工程的目的在于检验根据i e c6 1 8 5 0 9 部分研制的非传统式互感器、 保护继电器以及测量仪表之间的互操作性，同时改进支持i e c6 18 5 0 9 的 原型设备。 4 “间隔设备间的互操作性( 德国2 0 0 2 2 0 0 4 ) 2 0 0 2 年底，a b b 、s i e m e n s 及a l s t o m 等设备厂商在德国的柏林进 行了一系列的试验，与以往不同，这一系列互操作性试验都是在现场展 开的，以检验设备的选择性、安全性与质量。试验取得了成功，进一步 正式了设备之间实现互操作性以及简化工程的可能性。 5 “间隔设备与变电站控制中心 间的互操作性( 2 0 0 3 2 0 0 4 ) 测试的目的是检验变电站控制功能以及变电站层和间隔层之间的通 信。使用上一个测试中的保护设备再次组成符合i e c6 18 5 0 的控制系统， 同时添加站层设备。根据2 0 0 多个测试的结果对已公布的标准进行了部 分修改。至此，i e c6 1 8 5 0 所预期的效果完全实现。 i e c6 18 5 0 现在已经被用户和设备厂商所认可，国内外的研究机构及 相关企业也展开了深入的研究，主要集中在基于标准的智能电子设备信 息模型的研究上，而i e c6 18 5 0 对变电站监控系统信息应用模型影响的相 关文献较少。 1 4 本论文的主要工作 i e c6 l8 5 0 的核心内容就是定义好完整的信息模型、通信模型和建模 步骤，其实现过程就是将功能分解并再组合的过程。 标准通过信息分层、面向对象自我描述、数据对象统一建模和抽象 通信服务影射等技术建立无缝通信系统，实现了各i e d 间的互操作性。 尽管标准中没有对变电站监控系统的信息模型建立提出要求，但在 华北电力大学硕士学位论文 研究智能电子设备i e c6l8 5 0 模型的基础上建立监控系统的信息接入模 型，对于站控层和间隔层之间( 变电站监控系统和站内智能电子设备之 间) 实现无缝通信具有积极意义。 本论文的主要工作包括以下几部分： 1 分析标准内容，掌握i e c6 l8 5 0 的特色、结构及在智能电子设备功 能描述中的应用。 首先分析i e c6 l8 5 0 标准的集体内容，认识到互操作性实现的关键在 于如何对变电站自动化系统建模，如何对系统相关数据进行正确的描述。 i e c6l8 5 0 通过使用s c l ( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 来对具体设备进行描述，智能电子设备的模型描述是变电站监控系统实 时数据库信息的主要来源。 2 分析智能电子设备建模和应用s c l 描述的过程，为设备描述文件 的配置和信息分解做准备。 智能电子设备的描述文件是变电站监控系统实时数据库信息的主要 来源，是通过对设备进行建模和s c l 描述而得的。依据i e c6 18 5 0 中对 变电站综合自动化系统的功能描述，将设备的物理功能通过对应得逻辑 节点描述出来，建立功能上物理与逻辑的联系。模型的系统化描述主要 理论依据为i e c6 18 5 0 6 部分。s c l 是基于x m l 的变电站配置描述语言。 它定义了统一的建模方法，对变电站与配置相关的各种对象的描述方法 做出了明确详细的规定。s c l 可以方便地搭建模型从而描述变电站和站 内i e d 的配置信息。设备具有识别s c l 并进行数据生成的能力是符合i e c 6 18 5 0 标准的产品的基本形态。它统一采用s c l 对设备的信息模型和通 信服务进行描述和发布。该部分是本论文的工作重点。主要对建模后的 设备进行深入的分析和描述。建模后的设备可以通过逻辑节点来描述， 逻辑节点下又分为数据对象和数据属性，数据对象和数据属性下又涉及 到数据类型，通过逐层深入的方法可以将设备的有关配置信息按照统一 的规格和格式描述出来，从而可以保证来自不同厂家的产品实现互识。 3 智能电子设备描述文件的配置和信息分解。 变电站信息实时数据库是变电站监控系统传统s c a d a 应用和各种 高级应( 一体化五防、电压无功控制v q c 等) 用的基础和核心。实时数 据库维护一系列基于单点的信息表，如遥测表、遥信表、遥控表等，每 一个点表示某个信息，监控系统的各个功能模块通过与实时库的通信来 完成功能流程。这就涉及到智能电子设备描述文件根据变电站实际要求 4 华北电力大学硕十学位论文 进行配置和配置后的信息如何分解，从逻辑上讲是设备建模时功能分解 的逆过程。过程主要包括验证读入的x m l 文件是否格式良好，是否有效； s c d 文件和c i d 文件的配置；四遥信息的分解等。 4 实现对变电站监控系统i e c6l8 5 0 信息接入工具的设计 为了满足监控系统跨平台( 主要是w i n d o w s 平台和u n i x 平台) 的要 求，使用j a 、，a 最为开发环境，应用j a 、，a 基本类库j f c 和第三方类库完 成了i e c6 18 5 0 信息接入工具的编程，为工程人员提供了一个友好的变电 站信息接入平台。 华北电力大学硕十学何论文 第二章le c6 18 5 0 框架分析 2 1ie c6 18 5 0 标准的制定背景 9 0 年代初期，两个准化活动在欧洲和美国同时展开。当时由于微处 理器技术的发展，基于微处理器的新型i e d 不断涌现，为了实现各i e d 之间的互操作，i e c 认识到有必要制定信息接口标准。为适应变电站自动 化技术的迅速发展，i e ct c 5 7 于1 9 9 5 年成立了三个工作组1 0 ，1 1 ，1 2 ( w g l0 11 l2 ) ，负责执行i e c6 l8 5 0 标准。1 9 9 7 年i e c6l8 5 0 工作组正 式与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 t u t e ，美国电科院) 的u c a 工作 组合作。1 9 9 3 年3 月，3 个工作组提出了i e c6 18 5 0c d ( c o m m i t t e ed r a f t ， 委员会草案) 。i e c6 18 5 0 共有十大部分，前九部分经过多次修改和调整 在2 0 0 2 和2 0 0 4 年陆续发布，截至2 0 0 5 年，i e c 用了近l0 年时间最终在 去年完成了全套的i e c6 18 5 0 标准。 i e c6 1 8 5 0 最终被i e ct c 5 7 的s p a g 会议确定为t c a ( s e a m l e s s t e l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，无缝远动通信体系结构) 基础， 成为从变电站过程层至调度中心之间统一的通信协议，克服目前变电站 内i e c6 0 8 7 0 5 10 3 和i e c6 l8 5 0 ，变电站和调度中心之间i e c 6 0 8 7 0 5 10 1 ，i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 及i e c6 0 8 7 0 5 10 4 ，以及控制中心之间的 i e c6 1 8 7 0 6t a s e 2 等诸多协议之间无法完全兼容，必须经过协议转换才 能互联起来的弊病。它采用电力系统统一建模，和i e c6 1 9 7 0 的c i m ( c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ，公共信息模型) 协调一致，建立各个控制 层的公共对象模型和对象字典，从而确立无缝远动通信体系结构。 2 2i e c6 1 8 5 0 标准的整体结构 i e c6 1 8 5 0 主要包括十个章节，具体内容如表2 1 所示【1 0 】： 表2 1 i e c6 1 8 5 0 概述 部分主要内容 i e c6 1 8 5 0 1 基本原则，包括i e c6 1 8 5 0 的介绍和概述 i e c6 1 8 5 0 2 术语 i e c6 1 8 5 0 3总体要求，包括质帚要求( 可靠性、可维护性、可用性、轻便性、安全 性) ，环境条件和辅助服务等 i e c6 1 8 5 0 - 4 系统和项目管理，包括工程要求( 参数分类、- t 程工具、文件) ，系统使 用周期( 产品版本、工程交接) ，质量保证( 责任、测试设备、典犁测试、 系统测试、工厂验收、现场验收) 6 华北电力大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 5功能通信要求和装置模型，包括逻辑节点访问途经，逻辑通信连路，通 信信息片的概念和功能的定义 l e c6 1 8 5 0 6变电站中智能电子设备描述配置语占，包括装置和系统属性的s c l 模型 描述 。 i e c6 1 8 5 0 7 一l变电站和馈线设备的基本通信结构原理和模式 i e c6 1 8 5 0 7 2 变电站和馈线设备的基本通信结构a c s i ，包括a c s i 描述和规范，以及 服务数据席模型 i e c6 18 5 0 7 3变电站和馈线设备的基本通信结构弋d c ( c o m m o nd a t ac l a s s ，公共 数据类) ，包括抽象公共数据类及其属性定义 i e c6 1 8 5 0 7 - 4 变电站和馈线设备的基本通信结构兼容l n 和d o ，包括l n 的定义， d o 及其逻辑寻址 i e c6 1 8 5 0 8 1 特殊通信服务映射( s c s m ) ，映射到制造报文j j i ! 范m m s ( i s o d e c 9 5 0 6 第l ，2 部分) ，即变电站层和间隔层内部以及变电站层和问隔层之间通 信映射 i e c6 1 8 5 0 9 一l 特殊通信服务映射( s c s m ) ，通过单向多路点对点串行通信连接的模拟 采样值，即间隔层和过程层内部以及间隔层和过程层之间通信的映射 特殊通信服务映射( s c s m ) ，i s 0 8 8 0 0 2 3 之上的模拟量采样值，即间隔 层和过程层内部以及间隔层和过程层之间通信的映射 i e c6 1 8 5 0 1 0一致性测试，包括测试的质肇保证、测试计划和测试步骤等 这1 0 个部分主要围绕四个方面：变电站自动化应用领域的功能模型 ( 第五部分) 、基于x m l 的变电站配置描述语言s c l ( 第六部分) 、变电 站数据模型及其服务( 第七部分) 、变电站通讯体系层次之间的映射关系 ( 第八、九部分) 。其中i e c6 18 5 0 第六部分规定了变电站自动化系统的 配置语言s c l 。通过该语言，可以描述设备的基本功能和可访问的基本 信息说明。 i e c6 1 8 5 0 标准按通信体系及设备功能将变电站自动化系统分为3 层：变电站层、间隔层、过程层，如图2 1 所示。 7 华北电力大学硕十学位论文 变i u 站层 问隔单几层 远洲 过样层 ( 网蒙嚣蓊掣心j 技术服务 ( 网络 卒制t i - 心j 。1 ”“1 高压设备兰_ 一一一 护 图2 1 变电站自动化系统逻辑接口 变电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作台、远方通信接口 等组成；间隔层设备由每个间隔的控制、保护或监视单元组成；过程层 设备由远方i 0 、智能传感器和执行器等组成。变电站各层之间的通信通 过各种接口来实现。过程层一次设备的开关量i o 、模拟量的采样和控制 命令等通过接口4 和接口5 与间隔层的保护和控制设备进行通信。间隔 层的保护和控制数据等通过接口l 和接口6 与变电站层的人机界面和远 方通信接口进行通信【1 1 1 。 i e c6 18 5 0 与以往通信规约的本质区别在于从功能的角度看系统，传 统观念是以设备为单位。i e c6 18 5 0 系列标准主要是将变电站及相应设备 的功能进行抽象建模，将功能建模为逻辑节点。大多数功能至少由三个 逻辑节点组成，例如核心功能节点、过程接口逻辑节点和人机界面逻辑 节点。i e c6l8 5 0 中功能的分解如图2 2 所示 1 l 】： 8 华北电力大学硕： ：学何论文 图2 2 功能、物理设备和逻辑节点之间的关系 所有功能抽象为9 0 多个逻辑节点，在标准的第五部分有这些逻辑节 点的说明。7 4 部分中详细介绍所有逻辑节点类的定义，逻辑节点内包含 有数据( d a t a ) 。7 3 部分对公共数据类( c d c ) 进行了定义，数据又有 若干数据属性，所有的公共数据类都派生自d a t a 基类，d a t a 基类在7 2 中定义。正是这样一个分支结构建模了变电站及其智能电子设备( i e d ) 的功能。对于不同i e d 之间的数据交换，是通过将信息模型( 即上面所 说的逻辑节点、数据、数据属性) 映射到相应的通信模型中去。 通信模型包括两部分，一部分是抽象通信服务映射( a c s i ) ，在7 2 中详细定义通信服务模型及有关控制模块；另一部分是特殊通信服务映 射( s c s m ) ，s c s m 有多种，8 1 推行的是s i s c o 公司的m m s ( 报文制 造规范) ，目前大多用的这种映射，其他的s c s m 规范在9 1 中定义。 2 3ie c6 18 5 0 的特点 2 3 1 信息分层 i e c6 18 5 0 协议是一系列协议的集合，它详细描述了分层的变电站通 信体系。变电站中的分层结构模型如图2 3 所示 12 1 。在i e c6 18 5 0 中，数 据的描述用服务器( s e r v e r ) 、逻辑设备( l d ，l o g i cd e v i c e ) 、逻辑节点( l n ， l o g i cn o d e ) 、数据对象( d o ，d a t ao b j e c t ) 、数据对象属性( d a ，d a t a a t t r i b u t e ) 来构建。这种分层结构可以将设备的所有信息以标准化的格式 9 华北电力大学硕t = 学位论文 描述出来，保证来自不同厂商的设备可以读懂对方的配置信息，实现互 操作性。 图2 3 服务器中典型数据模犁分层结构 2 3 2 使用面向对象技术 2 3 2 1 面向对象的优点 i e c6 1 8 5 0 规定，在数据源对数据进行描述，传输到接受方的数据都 带有自我说明。可以不受预先定义的限制进行信息的传输，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，同时也能够 适应技术不断发展的要求。 2 3 2 2 面向对象方法实现的途径 i e c6 18 5 0 通过定义了如下三方面的内容，才彻底解决面向对象自我 描述所遇到的所有问题： 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； 1 0 华北电力大学硕十学位论文 2 定义用这些代码组成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 18 5 0 7 3 、7 4 中定义了各类( 单元) 数据对象和逻辑节点、 逻辑设备的代码，在i e c6 l8 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。 2 3 3 抽象服务通信接口 i e c6 18 5 0 提出服务和具体通信映射松耦合的思想 1 3 - 1 5 】。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 ，抽象通信服务接口) 只提供 数据操作的抽象服务，不产生p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ，协议数据单元) ； 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 em a p p i n g ，特殊通信服务映射) 则 实现具体的通信协议，二者是接口与实现的关系，实现了服务与映射的 分离，更有利于系统得扩展。 由于电力系统生产的复杂性，在变电站的过程内可能采用不同类型 的网络，i e c6 18 5 0 采用a c s i 就可以很容易适应这些变化，只要改变相 应的s c s m ，而不需要修改a c s i 。应用过程和a c s i 是一样的，只是不 同的网络应用层和通信栈与不同的s c s m 相对应。 2 3 4 统一建模 i e c6 l8 5 0 规范了基于x m l l 0 技术的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 ，变电站描述配置语言) 模型：x m l 技术提供统一 的数据结构和格式存储、共享数据，系统配置也很灵活，非常适合网络 技术的发展和应用 1 6 - 18 ，给变电站自动化工程的设计、规划和实施带来 极大的方便。 2 4 符合l e c6 1 8 5 0 的产品的基本特征 根据i e c6 18 5 0 的规定，互操作性是指来自同一厂商或不同厂商的 i e d 之间交换信息和正确使用信息协同操作的能力。具有互操作性的设备 需要具备以下基本特征【1 9 】： 1 具备以太物理通信媒体和接口。 在i e c6 1 8 5 0 中所有s c s m 使用的通信协议栈均为以太网，只是将 不同服务映射到链路层、网络层和制造报文规范( m m s ) 应用协议。 2 具有建立逻辑通信连接的能力。 依据i e c6 1 8 5 0 的规定，同一物理设备中不同的自动化功能可能采用 华北电力大学硕十学位论文 不同的逻辑通信接口，所以设备必须具有在同一物理端口上建立多个逻 辑通信连接的能力( 以逻辑设备为单位建立) 。 3 信息模型和通信服务能够采用变电站描述语言( s c l ) 描述和发布。 信息模型和通信服务是产品之间实现互操作性的关键内容，必须采 用s c l 进行描述和发布。 4 具有识别s c l 并进行数据生成的能力。 2 5 本章小结 本章主要介绍了i e c6 l8 5 0 的整体结构，分析了标准各部分之间的逻 辑关系。在介绍了标准信息分层、面向对象、s c l 统一建模等特点的基 础上分析了符合i e c6 18 5 0 的产品的基本特征。 华北电力大学硕士学位论文 第三章ie c6 18 5 0 对变电站监控系统影响分析 3 1 变电站监控系统简介 为了适应配电系统的可靠性、安全性、经济性的要求，发达国家在8 0 年代末， 我国则在9 0 年代末兴起了研究配电管理系统的热潮。作为变电站这一层次，为 了适合配电管理系统的需要，无论是通讯可靠性还是变电站当地功能方面都提出 了更高的要求。变电站监控系统正在向分布式、多功能、高可靠性、大数据量管 理的综合自动化方向发展 2 0 - 2 1 】。 变电站综合自动化系统就是利用先进的计算机技术以实现提高电能质量和 系统的管理水平及自动化水平的，该系统除应具有先进的一次设备和计算机网络 系统作为支持外，真正能体现整个系统性能优越性的是各种应用软件，这些软件 均需对大量数据信息进行采集、传输、综合、计算等。因而，变电站综合自动化 的过程实际上是一个对大量数据信息进行综合处理的过程。 由于此系统数据信息成为海量，传统的数据处理方法已难以满足要求，必须 借助于先进的数据库技术。所以数据库管理系统成为变电站监控系统的基础。变 电站监控系统是一个以数据库管理系统为核心，各种专业应用功能为外延的大型 软件平台。 为了保证信息获取和处理的快速性，监控系统采用了一种有别于一般商用数 据库技术的实时数据库，其区别主要体现在以下几个方面【2 2 1 。 1 存储介质：商用数据库一般存放于硬介质上( 如硬盘) ，而实时库则为了 满足实时性的要求存放于内存中，所以说实时库又是内存库。 2 定义方式：商用数据库一般都是通用数据库，用户可以任意定义自己的库 表、字段、关系等。而实时库一般是为了特殊应用而自行开发的，一般不通用， 不提供给用户定义自己的库表、字段、关系等功能，但提供固定的库表和录入程 序。 3 访问速度：商用数据库一般为秒级，实时库要达到毫秒级甚至微秒级。 实时数据库和一般的关系型数据库一样，采用二维关系表的形式组织数据， 每个库表都有相应的关键字( i d ) ，以唯一表示一条记录和提高查询速度。 监控系统一般还需要一个商用数据库和实时数据库配合，用来保存系统运行 的历史信息，因此形成了如图4 1 所示的典型结构。 华北电力大学硕+ 学位论文 图3 1 变电站监控系统结构图 3 2 变电站监控系统功能和数据分析 变电站监控系统包括以下两大基本功能。 1 基本s c a d a 功能。 对变电站运行状况进行实时监视和控制，包括数据采集与传送、变电站运行 状态监视及基本监控功能等。归纳起来基本s c a d a 系统的数据信息可分为如下 三大类：一是网络管理信息。目前基本s c a d a 系统均采用分布网络结构。网络 系统的安全可靠运行是变电站综合自动化的保障，所以必须对网络的运行状态进 行实时监视。网络管理信息包括网络硬件和软件配置信息、网络设备运行状态信 息、数据采集设备( r t u ) 配置和状态信息，以及网络通讯设备及状态信息等。二 是变电站运行实时信息，包括遥测、遥信、遥控、遥调信息，保护配置信息，报 警信息，以及事件顺序记录和事故追忆等信息。三是图形信息，目前广泛采用的 是基于地理信息系统的变电站监视与控制s c a d a 系统，因而存在大量的图形信 息。 2 高级应用功能。 要真正提高变电站的供电质量、保证供电可靠性及经济性，必须对变电站进 行大量在线综合分析和计算。因而高级应用功能是变电站综合自动化系统的重要 组成部分，主要包括：网络重构、无功电压综合控制、一体化五防、报警等。其 数据信息主要包括网络拓扑信息、设备参数信息及大量的实时运行状态信息等。 由以上变电站综合自动化系统功能及数据分析，可将信息分类如下【2 3 _ 2 8 1 。 1 网络管理信息。 变电站综合自动化系统就是一个计算机网络系统，必须对计算机网络进行监 1 4 华北电力大学硕+ 学位论文 视。计算机网络管理信息包括计算机配置、软件配置、r t u 以及相应的运行状 态和拓扑信息等。 2 实时数据信息。 实时数据信息即变电站实时运行信息，包括模拟量( 遥测) 、开关状态量( 遥 信) 、遥调遥控、电度量，以及各种报警信息、保护信息及控制信息等。 3 历史数据信息。 实时数据信息的历史记录，包括定分钟历史数据、整点数据、年月日统计数 据及事件顺序记录、事件追忆等。 4 图形信息 包括图元信息、图形静态数据、图形动态数据、图形定位信息及图形基本信 息等，可作自行开发的图形生成系统的数据，亦可作为地理信息系统的数据接口。 5 设备信息 变电站中包括大量的一次和次设备。设备信息指这些设备的基本信息和参 数信息，如变j 玉器、母线、线路、电容( 电抗) 器、开关设备、保护装置及负荷等。 6 网络拓扑信息。 描述变电站网络拓扑结构，包括网络接点和支路拓扑关系、设备和负荷关系、 网络拓扑着色等。 7 高级应用信息。 为高级应用软件提供数据信息，并保存相应的结果数据信息。如网络拓扑、 参数及实时信息等。实际上是拓扑信息、参数信息及实时信息的二次组和信息。 由以上分析可见，一次设备和二次设备信息、变电站网络拓扑信息以及变电 站实时运行信息( 四遥信息等) 最为主要，是监控系统功能实现的基础，也是本 文研究的重点。 3 3ie c6 1 8 5 0 对变电站监控系统影响分析 由第二章的分析可知，i e c6 1 8 5 0 具有信息分层描述、基于面向对象技术、 抽象通信服务接口和基于s c l 统一建模四个特点。其中，抽象通信服务接口影响 变电站监控系统通信功能的实现；而信息分层描述、基于面向对象技术和基于 s c l 统一建模，对监控系统信息的获取有重要影响，是本课题研究的重点 2 9 - 3 3 】。 信息分层描述和面向对象思想贯穿i e c6 1 8 5 0 标准体系的始终，s c l 统一建 模中就充分体现了信息分层描述和面向对象的思想。 根据i e c6 1 8 5 0 的要求，变电站内智能电子设备的功能模型和变电站的拓扑 华北电力大学硕+ 学位论文 结构，都要由s c l 建立和描述。 在i e c6 1 8 5 0 描述的远景里，变电站综合自动化系统集成商面对的是设备供 应商提供的设备功能描述模型，这种模型就是基于s c l 建立和描述的。系统集 成商需要结合变电站拓扑模型( 也是基于s c l 建立和描述的) ，利用s c l 描述 方式，建立整个变电站的完整功能模型。 这种功能模型中，就包含了监控系统所需的基本信息( 一次设备和二次设备 信息、变电站网络拓扑信息以及变电站实时运行信息) ，根据这些信息，就可以 构建实时数据库的数据结构，进而实现监控系统的功能。 因此，如何从基于s c l 建立的模型中获取所需信息，成为了监控系统功能 实现的前提，研究变电站监控系统i e c6 1 8 5 0 信息接入问题具有现实意义。 智能电子设备是变电站综合自动化系统的基础与核心，由变电站完整功能模 型建立的过程来看，智能电子设备的信息也是变电站完整功能模型的主要信息来 源。因此本课题将以s c l 描述的智能电子设备功能模型为主，采用逐层分解的 思想，研究获取监控系统所需主要信息的方法流程。 3 4 本章小结 本章回顾了变电站监控系统的发展历程，指出监控系统确立起了以实时数据 库为核心，其它具体功能为外延的整体结构。分析了监控系统两大基本功能和实 现这些功能所需的信息。结合i e c6 1 8 5 0 的特点，分析了标准对监控系统功能实 现的影响，提出了变电站监控系统i e c6 1 8 5 0 信息接入的问题。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第四章智能电子设备功能模型s c l 描述分析 4 1s c l 在ie c6 18 5 0 中的地位和作用 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 nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是i e c6 18 5 0 采用的变电站专用描述语言。它采用可扩展的标记语言清楚 地描述设备配置信息，并实现信息在不同设备间的共享。使用s c l 能够 方便地收集不同厂家设备的配置信息并对设备进行配置，使系统维护升 级、智能电子器件控制变得更为简单易行。使用s c l 形成标准的i e d 数 据传输文件，可以避免议转换的开销，同时大大减少数据集成和维护的 成本。 结合i e c6 18 5 0 中定义的各种公共设备及其相关组件对象，s c l 可以 方便地搭建模型描述变电站和站内i e d 的信息。在s c l 配置文件中，按 照统一的方法对设备配置进行描述，可以保证设备之间互相识别，这是 实现互操作的前提。 产品的信息模型和通信服务要能够采用变电站描述语言s c l 描述和 发布。信息模型和通信服务是产品之间实现互操作性的关键内容。一个 具有互操作性的产品必须具有识别s c l 并进行数据生成的能力。s c l 不 仅被作为描述产品信息模型、通讯服务，也是描述变电站自动化系统的 连接关系、信息模型与现场数据的对应关系等的唯一方法，是产品之间 建立互操作性的重要手段。对s c l 的解释和识别可以由i e d 直接完成， 也可以由专用的工具软件完成，而后一种形式正是本课题的主要研究内 容。 4 2x m l 简介 x m l ( e x t c n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 由万维网联盟( w 3 c ) 设计， 是通用标记语言s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a lm a r k u pl a n g u a g e ) 的一个子集。 概括地说，x m l 是一种元数据标记语言，可提供描述结构化资料的格式。 x m l 提供了一种独立于运行程序的方法来共享数据，它是用来自动描述 信息的一种新的标准语言，各个专业的信息不是采用应用软件的独有形 式，而是采用谁都可以看得懂的标记形式来表现，所以x m l 最适合作为 数据交换的标准，这也是x m l 受人关注的原因。 x m l 是一种语法要求十分严格的标记语言，因此语法有严格的限制， 华北电力大学硕十学位论文 满足所有语法限制的x m l 文档称之为结构良好( w e l l f o r m e d ) 的x m l 文 档。一个结构良好的x m l 文档需要满足以下条件【3 4 】： 1 文件的第一条语句必须是对有关版本的声明； 2 必须具有根标记且根标记必须唯一； 3 标记的开始和标记的结束必须配对使用； 4 空标记必须以“符号结束； 5 标记对大小写敏感； 6 属性的值必须用引号括起来； 7 特殊字符必须使用x m l 中特定的编码来表示； 8 标记不能交叉使用，但允许嵌套。 为了使文档有意义，文档的作者和文档的使用者要对文档内标记的 含义达成一致协议，也就是约定一组标签。例如双方都要知道文档中的 代表的是变电站， 代表电压等级，否则文档没 有意义。在简单的文档中可以通过英文含义来区分各个标记，但是在非 常庞大的x m l 文档中，只靠约定俗成的字面理解是远远不够的，必须有 一套严格的机制保证文档的作者和使用者对文档内的标记充分正确的理 解。 为了规范x m l 文档中标记的命名和格式，在2 0 0 4 年3 月正式出版 的i e c6 18 5 0 6 中s c l 采用了x m l 文档类型模式s c h e m a 代替原来的d t d ( d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ) 定义s c l 文件的具体结构。符合s c h e m a 的 x m l 文档称之为有效的x m l 文档。x m ls c h e m a 较d t d 有以下特点： 1 x m ls c h e m a 不仅可以定义x m l 文档的结构还约束文档的内容； 2 x m ls c h e m a 本身就是一个x m l 文档，语法较d t d 中的特殊字符 容易理解； 3 x m ls c h e m a 的重用性和可扩展性好。 x m l 文档采用了面向对象描述思想，具有一定的目录层次结构，目 录层次结构每一层都被称为节点。为了方便的从这种目录层次结构中提 取信息，w 3 c 使用文档对象模型( d o m ，d o c u m e n to b j e c tm o d e l ) 来操 作x m l ，从而描述节点和节点之间的关系。 d o m 是以层次结构组织的节点或信息片断的集合。这个层次结构允 许开发人员在树中寻找特定信息。分析该结构通常要加载整个文档和构 造层次结构，然后才能作任何工作。由于它是基于信息层次的，因而d o m 华北电力大学硕