（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850的ied配置器设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t i e c 618 5 0i s 也eu n i q u ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r da b o u tt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m c o m m u n i c a t i o n p u b l i s h e db y t h e i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n i ti su s e dt ou n i f yt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e mt oi m p r o v e dt h e i n t e r o p e r a b i l i t y 、o p e n a b i l i t ya n de x t e n d a b i l i t y t h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y a n d a c s i ( a b s t r a c tc o n m m n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c e li su s e di nt h i ss t a n d a r d ，i e c 6 l8 5 0 i ss e p a r a t eo nt h es p e c i a lp r o t o c o ls t a c k ，t h i sm a k et h ea p p l i c a t i o nd e c o u p l e da n d i s o l a t e dw i t ht h ec o m m u n i c a t i o n i tp r o v i d e s a n a p p r o a c h t or e a l i z et h e i n t e r o p e r a b i l i t y a n ds e a m l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e g r a t i o n f o ri e d ( i n t e l l i g e m e l e c t r o n i cd e v i c e ) t h a tf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s e s p e c i a l l yt h es c l ( s u b s t a t i o n c o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ) ，i t m a k e st h e s e l f - d e s c r i p t i o n o ft h e l e d ( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i cd e v i c e ) b e c o m ep o s s i b l e t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h eb a c k g r o u do fi e c 618 5 0g e n e r a t i o na n d r e c e n t r e s e a r c hs t a t u so fs u b s t a t i o nc o n f i g u r a t o rb a s e do ni e c 618 5 0 ，e s p e c i a l l yt h el e d c o n g i u r a t o r u pt on o w ，t h er e s e a r c ha b o u ts u b s t a t i o nc o n f i g u r a t o ra th o m ea n d a b r o a da r em o s t l ys t i l li nt h e o r ye x p l o r a t i o ns t a g e a l t h o u g haf e wm a n u f a c t u r e r s s d r o d u c t sb a s e do ni e c 6 18 5 0 a l r e a d ya v a i l a b l e ，s u c h a s ：a s e sv i s u a ls c lf o r i e c 618 5 0 ，h o w e v e r ，t h ee n g i n e e r i n gp r o c e s so fs u b s t a t i o nc o n f i g u r a t o ri sal o n g t e r m ， p e r s i s t e n tp r o c e s s s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n i n c l u d es y s t e mc o n f i g u r a t o ra n dl e d c o n f i g u r a t o r ，t h i sp a p e rs t u d yt h ei e dc o n f i g u r a t o r t h ec o n f i g u r a t i o np r o c e s so fi e di si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g ni d e a a b o u ti e dc o n f i g u r a t o ri sp r o p o s e d t h a ti s ，t h ef u n c t i o na n a l y s i sa n df u c t i o n s c o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o d so fi e dc o n f i g u r a t o r s o m ef u n c t i o n sa r ed e s i g n e ds u c h a s g e n e r a t i n gc i d ( c o n f i g u r e di e d d e s c r i p t i o n ) d o c u m e n t ，e x p l o r i n g s c l d o c u m e n ta n dc h e c k i n gx m lg r a m m e r f i n a l l y , ai e dc o n f i g u r a t o rp r o t o t y p e s y s t e mi sc o n s t r u c t e db a s e do nv i s u a lc + + r e g a r d i n g as c d ( s u b s t a t i o nc o n f i u r a t i o nd e s c r i p t i o n ) d o c u m e n t o fa m e d i u m s i z e ds u b s t a t i o n ，t h i sp a p e ru s et h e i e dc o n f i g u r a t o r g e n e r a t e t h e c o l l e s p o n d i n gc i d ( c o n f i g u r e di e dd e s c r i p t i o n ) d o c u m e n t b ye x t r a c t i n g t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 r e l a t e di n f o r m a t i o na b o u tt h et a r g e ti e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s c u s st h a ti e dh o ，t o u s ec i d ( c o n f i g u r e di e d d e s c r i p t i o n ) d o c u m e n tt og e n e r a t eo b je c tr e _ o d e l t h i sp a p e rp r o v i d e sau s e f u le x p l o r a t i o nf o re f f i c i e n ta n df l e x i b l ee n g i n e e r i n g o fi e dc o n f i g u r a t o rt h r o u g ht h es t u d ya b o u ti e c 618 5 0a n dd e s i g no fi e d c o n g f i g u r a t o r k e y w o r d s ：i e c 6 18 5 0 ；l e d ；l e dc o n f i g u r a t o r ：s c ld o c u m e n t 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：司江 日期：硼b 舢 指导老师签名：专唬p e tg q 2 。占，伊z d 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论支作者签名：娠 日期：潲1 i ，7 , - 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景和意义 变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新 分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。随着计算机 技术、微处理器技术、网络通讯技术的飞速发展，在变电站自动化领域出现了 大量智能电子设备i e d ( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i cd e v i c e ) ，这些i e d 种类繁多，提供 的接口和功能各不相同，数据格式也是多种多样。设备间不能共享信启、，数据 的一致性难以保证。这就是“自动化孤岛”问题。这种现象不仅造成了软、硬 件设备的重复投资，还增加了变电站的运行维护成本。 为了解决上述问题，国际电工技术委员会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 制定了关于变电站自动化系统的通信网络和系统的国际标准 i e c 6 18 5 0 ，对变电站自动化系统中的传输规约和传输网络进行标准化。该 i e c 6 1 8 5 0 标准是今后电力系统无缝通信的基础。国内外各研究机构、电力产品 生产厂商都在积极调整产品研发方向，力图和新的国际标准i e c 6 1 8 5 0 接轨，以 适应未来的电力行业发展方向。 i e c 6 1 8 5 0 国际标准是一个非常庞大和复杂的体系，涉及变电站设备和运行 的各个方面。国际国内为制定i e c 6 1 8 5 0 标准进行了多年的研究和论证，直到 2 0 0 4 年才将整个标准基本颁布实施。由于i e c 6 1 8 5 0 标准是可扩展的，新的补 充的标准也会不断出现。已经出版和颁布的标准部分仍然需要经过大量咱勺工程 实践进行检验，并对标准加以修订和完善。 我国对i e c 6 1 8 5 0 国际标准等同采用的标准d l t 8 6 0 系列标准也相继出版 完成。但是，由于标准本身很复杂，各方面对标准的理解存在差异与分歧，不 同厂商的智能电子装置l e d 在互操作的具体实现中还有诸多的问题亟待解决， 这方面的借鉴经验几乎是没有的。因此，为了促进i e c 6 1 8 5 0 在中国的推广和应 用，提高国内变电站自动化系统的技术水平，促进国内厂家i e c 6 1 8 5 0 研发过程， 从2 0 0 5 年5 月至今，国家电力调度通信中心积极组织国内从事变电站自动化的 科研单位、生产厂家和检测机构开展了6 次以上的互操作试验口3 。 i e c 6 1 8 5 0 标准引人了诸多先进的网络通信技术和信息处理技术，特另i 是变 电站配置描述语言s c l ( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的提出使系统设备的自描述、设备的在线配置及设备的即插即用得以方便地实 现，为进一步提高系统网络智能化做了技术铺垫。通过该s c l 语言，一方面， 可以描述l e d 的基本功能和可访问的基本信息，实现设备的互操作；另一方面， 可以配置i e d 的基本功能和设定l e d 装置运行参数。 在变电站自动化系统中，智能电子装置i e d 是基本单元，i e d 自身的配置， 以及在变电站自动化系统中的配置是非常重要的。在i e c 6 1 8 5 0 标准里，提出了 两类配置器参考模型，即i e d 配置器和系统配置器。实现i e d 的配置和互操作， 则需要方便实用的i e d 配置器和系统配置器配合来实现对变电站的整个配置。 本文正是基于这样的背景下，来对变电站的整个配置流程、i e d 的具体配置流 程进行研究，并设计出实用的i e d 配置器，最后将i e d 配置器应用到实体变电 站模型。 1 2i e c 618 5 0 的国内外研究现状 在i e c 6 1 8 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，使其能更好地与实际应用相结合。其中主 要的工程项目有。“钔： ( 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应用中 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i e c 6 18 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 c 6 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 c 6 1 8 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，进一步证实了设备之间实现互 操作性以及简化工程的可能性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 5 ) “间隔设备与站控制中心间”的互操作性( 2 0 0 3 2 0 0 4 ) 测试的目的是检测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 c 6 1 8 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 c 6 1 8 5 0 所预期的效果完全实现。 i e c 6 1 8 5 0 现在己经被用户和设备厂商所认可。a b b 和s i e m e n s 等公司己 经推出了符合i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统的产品。 在国外对i e c 6 1 8 5 0 标准进行深入研究的同时，国内的研究机构与设备厂商 也在密切关注着i e c 6 1 8 5 0 标准的发展，并投入资金与技术开展相关项目的研究 工作。北京融科联创电力科技有限公司己经开发出基于i e c 6 1 8 5 0 国际标准的通 用网络通信平台的电力自动化与工业控制通信协议软件包，产品通过了k e m a 公司的一致性测试，并与华东电管局调度中心合作，在6 4 k 数字通道上进行了 “采用i e c 6 1 8 5 0 国际标准协议传输功角广域网数据”试验。四方、南瑞等国内 主要的变电站自动化设备厂商也即将推出基于i e c 6 1 8 5 0 标准的相关产品，其中 南瑞继保己经推出了基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化监控系统，国内的其它厂家 也纷纷投入到相关产品的开发中，i e c 6 18 5 0 标准在国内推广应用时机日渐成 熟。 此外，我国于2 0 0 5 年5 月初进行了首次互操作性试验，参与单位包括四方、 东方电子和电力科学研究院等。试验取得圆满成功，并于同年下半年展开第二 次着重考虑s c l 配置方面的试验。同时，上海电力局、浙江省电力公司、江西 省电力设计院等单位也在积极进行多方面的调研，北京德威特力通公司还公布 了最新研发的i e c 618 5 0 通讯体系( c s ) 软件，希望能在将来采用i e c 618 5 0 标准 来规范变电站自动化系统，以达到降低系统集成费用和维护成本，充分利用资 源，提高系统可靠性的目的。 文献 1 0 提出并设计了一个i e c 6 1 8 5 0 建模工具。i e c 6 1 8 5 0 建模工具的功能定 位为自动生成i c d ( i e dc a p a b i l i t yd e s c r i p t i o n ) 文件等i e c618 5 0 模型相关文 件，主要功能是生成和管理i c d 文档。即利用数据库存储i e c6 1 8 5 0 模型描述 等信息。只要花费较少的时间把相关信启、录入数据库。根据应用需要，选择性地 提取数据库信息就能够自动生成i c d 文件。i e c 6 1 8 5 0 建模工具的设计和应用， 可以显著提高编辑i c d 文档的正确性。同时大幅度减少编辑时间，提高工作效 率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 基于i e c 6 18 5 0 的变电站配置器方面的研究现状 当前国内的研究主要集中在以下几个方面：i e c6 18 5 0 系列标准介绍及其内 涵分析，这些文章对标准的各个部分进行了系统的介绍，对其内涵进行了系统 而详细的分析，重点是对标准提出的一些新的思想及其内容进行了介绍分析， 论证了标准的先进性，促进了对标准的理解，加速了基于标准的产品开发：而 对于变电站配置器方面的研究很少，或者有些仅仅是提出了一些变电站配置器 方面的理论，但对于变电站配置器的具体的实现等方面的内容研究得很少。 基于i e c 6 1 8 5 0 6 提出的两类变电站配置器：系统配置器和i e d 配置器。国 内关于变电站配置器研究的文献中，研究i e d 配置器的文献大多数只分析了 i e d 配置器所需具备的功能，给出了设计实现的简单思路n ：而具体进行i e d 功能设计的文献只是进行了i e d 配置器部分功能的设计，实现了一部分功能= 5 剐， 如s c l 文档的树形显示和编辑。还有的文献进行了s c l 配置器方面的酽究， 这些文献的研究目的是设计一个能对s c l 文档进行编辑的工具，其作用是将系 统配置器和i e d 配置器的相同的功能部分进行整合，放在一起研究，如对s c l 文档的读取和编辑操作。而i e c 6 1 8 5 0 标准里给出的却是两类变电站配置器，即 系统配置器和i e d 配置器，由这两类配置器配合来实现变电站的配置，所以对 i e d 配置器单独进行研究和设计完整的功能是非常必要的。 国外，s i e m e n s ，a b b 等1 3 家公司已推出了符合i e c 6 1 8 5 0 的变电站自 动化系统的产品。除了对标准的验证以及相关产品的开发外，如a s e 公司的 v i s u a ls c lf o ri e c 6 1 8 5 0 以及s c le d i t i o nb e t av 1 8 6 等变电站配置相关工具都 已处于实际试用阶段。v i s u a ls c lf o ri e c 6 1 8 5 0 工具是一个变电站配置工具， 它可以对四种s c l 文档进行操作，这个工具可以实现对变电站单线图的绘制， 生成变电站功能描述文档s s d ( s u b s t a t i o ns p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o n ) 等功能。 截止目前，该工具已经上市，正处于试用阶段，是否适合i e c 6 1 8 5 0 配置现场的 工作还需要通过实际的i e c 6 1 8 5 0 工程来检验。 1 4 本文所做的主要工作 本论文的主要研究目标是如何将i e c 6 1 8 5 0 标准定义的变电站数据模型应用到电 站自动化系统中，以真正发挥i e c 6 1 8 5 0 的优势并基于i e c 6 1 8 5 0 开发出一款变 电站i e d 配置器。本文工作围绕这一目标所做的工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对变电站通信网络和系统系列标准i e c 6 1 8 5 0 进行跟踪了解，深入研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 其结构特点、实现原理，分析其体系结构与核心技术； ( 2 ) 研究变电站配置描述语言( s c l ) 的体系结构和语法特征； ( 3 ) 研究变电站的整个配置流程，具体研究并给出i e d 的整个配置流程： ( 4 ) 给出i e d 配置器的设计方案( 总体结构、工作流程、模块划分，等) ， 利用v i s u a lc + + 实现i e d 配置器的主要功能，如：s c l 配置文档的读取和树形 显示、l e d 配置文档c i d 的生成、对s c l 文档的节点属性值的操作、s c l 文档 的语法检查； ( 5 ) 通过一个中型变电站实例，利用这个中型变电站的s c d ( 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 n ) 文档来生成目标i e d 的c i d ( c o n f i g u r e dl e d d e s c r i p t i o n ) 文档。最后进行了i e d 根据c i d 文档动态生成对象模型的探讨。 本文的组织如下： 第1 章介绍本文的选题意义和研究内容； 第2 章对i e c 6 1 8 5 0 标准本身进行研究和分析； 第3 章分析变电站配置管理的工作原理，特别是对i e d 配置流程进行析； 第4 章提出i e d 配置器的设计方案，并具体实现一个i e d 配置器模型； 第5 章将i e d 配置器应用于实体变电站，生成目标i e d 的c i d 文档：对于 i e d 根据c i d 建立对象模型的方法进行简单的探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 第2 章i e c 618 5 0 标准介绍 2 1i e c 6 1 8 5 0 标准的特点 i e c 6 1 8 5 0 国际标准协议是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标 准体系。与传统的通信协议体系相比，在技术上i e c 6 1 8 5 0 有如下突出特点。1 j ： ( 1 ) 使用面向对象建模技术； ( 2 ) 使用分层、分布体系； ( 3 ) 使用抽象通信服务接口a c s i ( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e n , i c e i n t e r f a c e ) 、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 a ；i c e m a p p i n g ) 技术： ( 4 ) 使用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 ) 技术； ( 5 ) 具有互操作性： ( 6 ) 具有面向未来的、开放的体系结构。 i e c 6 1 8 5 0 的优点具体表现在：分层的智能电子设备和变电站自动化系统， 满足实时信息传输要求的服务模型，采用抽象通信服务接口a c s i 、特定通信服 务映射s c s m ，以适应网络发展。采用对象建模技术，面向设备建模和自我描 述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求，采用配置语言，在信息源定 义数据和数据属性，传输采样测量值。i e c 6 1 8 5 0 系列标准还包括变电站通信网 络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等。 另外，i e c 6 1 8 5 0 被广泛接受还因为它有一系列很现实的益处和优点瞄。： ( 1 ) 消除了定购的二义性。s c l 不仅可以用来对设备和电力系统进行配置， 它也可以用来预先定义客户对变电站和设备的要求。使用s c l 后，用户可以准 确而清晰的表明自己对每台设备的要求，供货商也不会再产生误解。 ( 2 ) 降低了安装成本。i e c 6 1 8 5 0 可以使设备通过在站级局域网上使用通用 的面向对象的变电站事件和通用变电站状态事件来快速的交换数据，而不再要 求每个保护装置之间都要进行独自的连接。站级局域网的带宽充分利用，大大 降低了连线成本。挖沟、通道和管道的需求减少也大大降低了施工费用。 ( 3 ) 降低了传感器的成本。为了使每台设备都能获取各自所需的信号而把每台 设备上都安装互感器的做法已经不被提倡了，一个支持采样测量值服务的合并 单元能够发送这些信号到许多设备，使用单个的传感器降低了传感器、配线、 校准和维护的成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 4 ) 降低了运行成本。由于基于i e c 6 1 8 5 0 的设备不再像以前的设备那样需 要大量的人工配置，因而大大降低了设备的配置和运行成本。客户端应用程序 不再需要对要连接的每个点进行人工配置，因为他们能够从设备那里直接获取 点的列表并通过s c l 配置文件插入其中，许多应用程序仅仅只要求设置一系列 的地址就可以建立通信连接。绝大多数的手工配置被大量的消除，从而也降低 了错误和重复工作。 ( 5 ) 减少了设备的搬运费用。因为i e c 6 1 8 5 0 定义了设备大多数外部可视化 方面的内容，甚至包括了线路上的数据编码，所以设备搬运上的费用就大大减 少了。一个品牌到另一个品牌动作上的差异被最小化了，在某种程度上已经完 全消除。所有的设备都共享相同的命名协定，因而当这些设备改变的时候客户 应用程序的重新配置工作就变得更少了。 ( 6 ) 降低了扩展成本。因为i e c 6 1 8 5 0 设备不必要对表明的数据进行配置， 新的扩展量很容易的被加入到变电站里，而不用对预先没有连接的数据进行重 新配置己对其进行说明。在已有的i e c 6 1 8 5 0 系统里增加设备和程序都会对任何 已经存在的设备产生极其微小的影响。 ( 7 ) 降低了集成成本。通过使用相同的已经被广泛采用的网络技术，把变 电站的数据集成到企业中的成本被大大降低了。安装r t u 不仅成本很高，而且 还必须对控制中心和工程办公应用程序所需要的数据点进行手动配置和维护， 而i e c 6 1 8 5 0 网络却能够发送数据而不需要将通信的前端和终端进行分离，而且 也还能够重配设备。 ( 8 ) 实现新的功能。i e c 6 1 8 5 0 先进的服务和独自的特征使得它的新功能不 能够在以前的一些协议上得以实现。广域保护方案因为成本问题而不被看好， 但现在却变的越来越切实可行，因为现在的设备都连接在变电站的局域网里， 而连接或者共享更多设备数据的边际成本变的无关紧要了，这就使得因成本太 高而不能制造的新程序和创新的软件得以实现。 采用无缝通信系统协议i e c 6 1 8 5 0 除了上述比较实际而具体的好处之外，还 有更深层次的意义： 由于网络技术的迅猛发展，提供了通过网络交换数据的可能性，且传输信 启、容量大大增加。随着电力市场的兴起和电力系统的扩大，信启、量越来越大， 要求在各种自动化系统内快速、准确地集成、合并和传播实时信息；在电力控 制系统的所有设备间容易交换信息和自由访问所有感兴趣的部分是对新的无缝 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 通信系统的基本要求；公司花费大量资金用于实时信息交换、数据集成和维护， 而且费用还在激增，同时要求无缝通信系统是一个开放式系统，不仅在互操作 性方面，而且在面对新技术的迅猛发展方面和运行原理的改变方面是开放式的。 为满足这些需求，无缝通信系统协议( 变电站一控制中心通过i e c 6 18 5 0 通信) 应 运而生。 采用无缝通信系统系统协议有如下好处： ( 1 ) 自我描述、采用可重复使用的建模用标准名和类型信息，降低了整个 系统设计、工程、运行、维护等费用，节约时间。i e c 6 1 8 5 0 和以前使用协议的 不同在于对象模型，它建模了大多数公共实际设备和设备组件。这些模型定义 了公共数据格式、标识符、行为和控制。由于终端设备采用了先进的1 t 技术， 低廉的宽带设备、高效的处理器( 例如以太网，t c p i p ，m m s ) ，i e c 6 1 8 5 0 定义 和传输过程数据的元数据( m e t ad a t a ) ，应用重复使用的标准名和类型信息，可以 在线验证整个系统数据库的集成和配置。自我描述显著降低数据管理费用、简 化数据维护、减少由于配置错误引起系统停机时间。设备描述最重要的目的是 定义可重复使用的部分用以规定各种类型设备的数据模型和行为。文献 2 3 、 2 4 定义的兼容逻辑节点、数据类和公共数据类是属于电力系统应用领域许多设备 中给定功能的可重复使用的标准名和类型信息，另一方面文献c 2 4 又定义了将 来扩充逻辑节点的方法。可重复使用性是降低整个系统设计、工程、运行、维 护等费用的最主要因素，支持可重复使用性是i e c 6 1 8 5 0 的主要特征之一。采用 无缝通信系统协议i e c 6 1 8 5 0 大幅度地改善信启、技术和自动化技术的设备数据 集成，降低了工程、现场验收、运行、监视、诊断和维护费用，节约大量时间， 增加了自动化系统使用期间的灵活性。将来会有越来越多的智能设备集成到电 力系统的应用( s c a d a 、实时系统、机器诊断) 中，为了避免将来出现糟糕的局 面，有力、高效地完成无缝数据集成和共享信息是解决这个问题的主要方法。 ( 2 ) 能适应现代通信技术的迅猛发展，硬件、软件、通信网络更新较快， 采用独立、抽象的通信服务接口，向通信网络开放。 ( 3 ) 自我描述、逻辑节点自由分配使得开发的系统容易集成、扩充，可自 由地改变功能和配置，在面向系统功能和现代系统技术方面是开放的。 ( 4 ) 在一个设备内，无缝集成要求将数据对象模型映射到m m s 数据字典，这就 是实时数据交换，还要求将数据对象模型映射到x m l 数据字典，这就是采用 标准w e b 浏览器的非实时应用。采用的是同一个数据模型，这两种应用的映 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 射保持致，实现系统数据和设备的配置管理。 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准的体系结构 i e c 6 1 8 5 0 主要包括1 0 个章节，具体内容如表2 - 1 所示： 表2 - 1i e c 6 1 8 5 0 整体结构 章节内容 i e c 6 18 5 0 1绪论和概述 i e c 6 18 5 0 2术语 i e c 6 1 8 5 0 3基本要求 i e c 6 18 5 0 4系统和项只管理 i e c 6 18 5 0 5 对功能和设备模型的通信要求 i e c 6 18 5 0 6变电站配置描述语言 i e c 6 1 8 5 0 7 1变电站和馈电设备的基本通信结构一原理和模型 i e c 6l8 5 0 7 2 变电站和馈电设备的基本通信结构一抽象通信服务接口( a c s i ) i e c 618 5 0 7 3变电站和馈电设备的基本通信结构一通用数据分类 i e c 6l8 5 0 7 - 4 变电站和馈电设备的基奉通信结构一兼容逻辑节点分类和数据分 类 i e c 6 18 5 0 8特殊通信服务映射( s c s m ) 映射垒m m s i e c 6 18 5 0 9 1 特殊通信服务映射( s c s m ) 串行单向多支路点对点链接 i e c 618 5 0 9 2 特殊通信服务映射( s c s m ) 基于过程总线i e e e8 0 2 3 上的映射 i e c 6 1 8 5 0 1 0一致性测试 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5 部 分) 、基于x m l 的变电站配置描述语言s c l ( 第6 部分) 、变电站数据模型及其 服务( 第7 部分) 、变电站体系层次之间的映射关系( 第8 、第9 部分) 。其中 i e c 6 1 8 5 0 第6 部分规定了变电站自动化系统的配置描述语言s c l ，通过该语言， 可以描述设备的基本功胄日匕1 5 和- 可访问的基本信息说明。 i e c 6 1 8 5 0 标准按通信体系及设备功厶匕r - - 4 。勿, , t j - 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。变电站层设备自带数据库的计算机、 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 监视单元组成：过程层设备由远方i o ，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 隔层的保护数据和控制数据等通过接口1 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 。 变电站层 间隔，单元层 远方保护 过程层 方保护 e 厂高压设备e 厂 图2 一l 变电站自动化系统接口模型晰3 i e c 6 1 8 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 c 6 1 8 5 0 系列标准主要是将变电站及相应设备的功能进行对 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 核心功能逻辑节点、过程接口逻辑节点和人机界面逻辑节点。 所有功能抽象为9 0 多个逻辑节点，在i e c 6 1 8 5 0 5 部分有这些逻辑节点的 说明。i e c 6 1 8 5 0 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 ) 。i e c 6 18 5 0 7 3 部分对公共数据类c d c ( c o m m o nd a t ac l a s s ) 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i e c 6 1 8 5 0 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 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 i e c 6 1 8 5 0 7 2 中详细定义通信服务模型及有关控制块：另一部分是特殊通信服 务映射( s c s m ) 有多种，i e c 6 1 8 5 0 8 1 推行的是s 1 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i e c 6 1 8 5 0 9 1 中定义。 i e c 6 1 8 5 0 6 部分是变电站及变电站内i e d 的配置描述语言规范( s c l ) 。 i e c 6 1 8 5 0 1 0 部分是对互操作的一致性测试的规范要求。 2 3i e c 6 1 8 5 0 标准的核心技术 2 3 1 面向对象的建模技术 i e c 6 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。 i e c 6 1 8 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； ( 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 c 6 1 8 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 c 6 18 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。 面向对象的建模技术是采用面向对象的方法描述变电站及设备信息：一方 面，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，它将整个 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设备，它的各种子功能对应为各种逻辑节点，逻辑节 点为包含多个数据属性和方法的数据对象，而数据对象则是公共数据类的对象 实例。i e c 6 1 8 5 0 通过3 0 多种公共数据类、近4 0 0 种数据对象以及由此形成的 8 0 多种逻辑节点描述了绝大多数变电站设备的信息，并允许对逻辑节点、数据 对象及其属性进行扩展盯3 。 由于i e c 6 1 8 5 0 采用了面向对象建模技术，这样就使得i e c 6 1 8 5 0 标准中对 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 保护设备的建模技术和方法能够为电力系统的其他标准所采用，例如针对电力 系统风力发电的i e c 6 1 4 0 0 标准，其第一部分对电力系统装置进行建模的方案和 方法完全采用i e c 6 1 8 5 0 的这一方案n 蔓，即逻辑设备逻辑节点数据对象 数据属性等分层结构以及公共数据类和兼容逻辑节点的分类。由此可以看 出，i e c 6 1 8 5 0 面向对象建模技术正体现出这一标准通用性和开放性的这一特 点。 2 3 2 抽象通信服务接口a c s i i e c 6 1 8 5 0 协议是一系列规则的集合，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 - 2 所示睛3 。在i e c 6 1 8 5 0 中，数据的描述用 服务器( s e r v e r ) 、逻辑设备( l d ) 、逻辑节点( l n ) 、数据对象( d o ) 、数据对象 属性( 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。 圈 觑 圈 图2 - 2 服签器中啦犁数据槿犁分屡结构l 。3 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 i e c 6 18 5 0 标准采用a c s i ，它独立于具体的网络应用层协议( m m s ) ，与采 用的网络( i p ) 无关。标准在t c p i p , o s i 、现场总线等各种各样的通信系统的 基础上引入s c s m 。s c s m 将a c s i 定义的服务、对象和参数映射到m m s ， d m s ，d n p 或i e c 6 0 8 7 0 5 等应用层。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 c 6 1 8 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。 a c s i 提供了6 种服务模型：连接服务模型、变量访问模型、数据传输模型、 设备控制模型、文件传输服务模型以及时钟同步服务模型。这些服务模型定义 了通信对象以及如何对这些对象进行访问，包括请求、响应及服务过程。服务 过程描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应以及采取何种动作在何时以 何种响应方式。服务接口采用抽象建模技术。抽象意味着该定义用于描述提供 的服务，而与设备间交换的具体报文无关。 a c s i 抽象概念包括两个方面的内容：( 1 ) a c s i 提供了用来定义变电站特定 信息模型的说明；( 2 ) a c s i 还提供了信息交换服务模型的说明。 抽象意味着a c s i 着重所提供的服务，而与设备间的具体信息报文无关。 a c s i 本身没有协议数据单元( p d u ) ，也就是说，a c s i 与具体的传输格式无关， 是通过特定通信服