（电力系统及其自动化专业论文）iec+60870数据向iec+61850信息转换的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 变电站通信标准i e c6 1 8 5 0 是将来电力系统无缝通信体系标准的重要基础。本 文介绍了i e c6 1 8 5 0 标准的发展现状和主要内容，说明了标准的网络分层、面向对 象的数据统一建模、数据自描述和抽象通信服务映射技术特点；研究了将i e c6 1 8 5 0 应用于电力远动通信的实现方法，建立了一种兼顾现有系统又遵循i e c6 1 8 5 0 的电 力远动通信系统网络结构；通过应用以太网通信、实时数据库、信息建模以及x m l 技术设计了规约转换网关，给出了传统远动规约与抽象通信服务接口之间映射的实 现方法，实现了现有远动系统到新型远动系统的平稳过渡；给出了应用该网关实现 传统通信协议与i e c6 1 8 5 0 协议的无缝转换的实例。 关键词：i e c6 1 8 5 0 ，x m l ，电力远动，转换网关 a b s t r a c t i e c618 5 0f o rs u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ni st h ef o u n d a t i o no fs e a m l e s s c o m m u n i c a t i o no fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o li n f o m a t i o no fap o w e rs y s t 锄i nt h e 如t u r e t h ed e v e l o p m e n ta i l dm a i ni d e ao ft h es t a n d a r da r ei n t r o d u c e di nt h i sp a pe r t h em a i n t e c l m i c a lf e a t u r e sa r ea 1 1 a l y z e di nd e t a i l ；t h ei m p l 锄e n t a t i o no fa p p l y i n gi e c618 5 0t o t h ec o m m l u l i c a t i o no fp o w e rs y s t 啪t e l 锄o n i t o r i n gi n f o 肋a t i o nh a sb e c ns t u d i e d ，a n e t w o r ka r c h i t e c t l l r eo ft e l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d ；a p p l ) ，i n gt h e t e c h n i q u eo fe t h e m e tc o m m u n i c a t i o n ，r e a l - t i m ed a t a b a s e ，i n f o n n a t i o nm o d e l i n g 觚d x m l ，ac o n v e r s i o ng a t e w a yi sd e s i g n e d ，a n dt h em a p p i n gm e t h o db e t w e e nc u r r e n t p o w e rt e l e m o n i t o r i n gp r o t o c o l st oa b s t r a c tc o m m 砌c a t i o ns e i c ei n t e r f a c eh a sb e 明 g i v e n t a k i n gas u b s t a t i o na se x 锄p l e ，t h es e 锄l e s sc o n v e r s i o nb e t w e e nt r a d i t i o n a l p r o t o c o la n di e c6 18 5 0 i sr e a l i z e db yg a t e w a y “q i a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h uy d n g l i k e yw o r d s ：i e c6 l8 5 0 ，x m l ， p o w e rs y s t e mt e l e c o n t r o l ， c o n v e r s i o ng a t e w a y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文i e c6 0 8 7 0 数据向i e c6 18 5 0 信息转 换的研究，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： 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： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 电力远动通信系统是与所采用的通信标准密不可分的，目前主要用于变电站到 控制中心的电力远动传输规约包括c d t 、p o l l i n g 、i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 4 、i e c 6 0 8 7 0 6 ( t a s e 2 ) 以及各种私有规约【i 】。c d t 和p o l l i n g 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，已经不能满足电力远动通信的要求。i e c6 0 8 7 0 5 1 0 l 1 0 4 是采用面 向字符标志的传输协议，主要考虑具体设备的数据格式的统一，其数据传送效率不 高，可用性不强、信息发布量小及各子系统间缺乏有机联系。i e c6 0 8 7 0 6 ( t a s e 2 ) 也可作为l 玎u 和调度中心之间的网络传输协议，但在性能上不能完全满足要求， 而且比较复杂，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。由于各厂商互相竞争推出各自的解决方案，导致目前是各种通信协议并存的 局面。不同厂家的各种设备甚至同一厂家生产的不同设备之间也不能直接通信，其 可维护性、扩展性、适应性都受到严重的挑战【2 巧】。 随着现代电网结构的日趋复杂、容量不断扩大，实时信息传送量成倍增多，这 种状况很难适应形势发展的需要。因而采用统一的通信协议，实现变电站自动化系 统无缝通信以及变电站与电力系统其他子系统接口的协调和一致成为业界极为关 注的问题。变电站通信和系统协议i e c6 18 5 0 标准正是在这种背景下提出的，作为 整个系统的无缝通信标准，不仅用于变电站内通信，而且用于变电站和控制中心通 信，从而实现变电站内从过程层到间隔层到变电站层，从变电站到调度中心通信的 一致性：其目标是形成一个标准的开放式变电站自动化通信体系，使得来自不同制 造商的i e d 之间实现良好的互操作性，并适应通信技术的快速发展，从而满足用户 对提高系统可靠性、减少重复投资和降低维护成本的要求。 在当前电力生产运行中，应用最广泛的是国际电工委员会于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【6 】，如i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 l 1 0 4 规约。如果直接将 大部分仍可正常运行的现有设备换成符合i e c6 1 8 5 0 标准的新设备，必然会造成很 大的浪费。因此如何使现有的远动系统平稳过度到基于i e c6 1 8 5 0 标准的新型远动 系统，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无缝化传输的重要环节，值得我们深入研究。 本论文是配合国家自然科学基金项目“基于广域网的新一代电力远动系统关键 问题的研究”而选题的。本文在深入剖析i e c6 1 8 5 0 的先进技术思想的基础上，通过 对我国电力远动系统通信体系现状的分析，建立从原有采用i e c6 0 8 7 0 一5 1 0 4 规约 1 华北电力大学硕士学位论文 的系统过渡到i e c 6 1 8 5 0 的可行的策略及技术途径，为该项目后面的工作打下基础。 1 2 电力远动系统主要协议体系介绍 1 2 1i e c6 0 8 7 0 5 系列标准 我们常说的l e c 6 0 8 7 0 5 系列标准，是i e ct c 5 7 为适应电力系统及其他公用事 业传输远动信息的需要而制定的，包括两部分内容：基本标准和配套标准。 基本标准分5 篇，i e c6 0 8 7 0 5 1 i e c6 0 8 7 0 5 5 分别规定了传输帧格式、链路 传输规则、应用数据的一般结构、应用数据的定义和编码、基本应用功能共五部分 内容【7 1 。 配套标准是在基本标准的基础上，根据不同应用情况的要求而制定的，分别是： i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 基本远动任务配套标准( 1 9 9 5 年) i e c 6 0 8 7 0 一5 1 0 2 电力系统中传输电能脉冲计数量配套标准( 1 9 9 6 年) i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 继电保护设备信息接口配套标准( 1 9 9 7 年) 。 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 采用标准传输文件集的i e c6 0 8 7 0 一5 1 0 l 网络访问( 2 0 0 0 年) 配套标准是对基本标准中的信息体规定特殊用途，或定义另外的信息体、服务 规则和基本标准参数。配套标准采用i s o o s i 七层协议简化后的三层增强功能模型 ( 物理层、链路层、应用层) ，提供了比完整七层模型更快的响应速度。 i e c 6 0 8 7 0 5 系列配套标准与传统的通信协议相比有很多优点，比如：在信息体 的语意方面增加了品质描述，可以实现重要信息的优先传送和简单的在线自诊断功 能：支持非平衡式和平衡式两种传输模式，适用于多种网络拓扑结构等等。因此我 国各制造商及用户都在积极贯彻执行i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信标准。 但是，在推广i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准的过程中也遇到一些问题。目前工程中所 使用的基于t c p i p 的i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 是面向字符的远动协议，仅仅考虑具体设备 的数据格式的统一，并没有对变电站自动化系统内部各种实际对象进行统一的建模 和描述，各个厂商按照各自不同的理解进行设计与实现，使得不同系统之间互操作 性比较差。 1 2 2 变电站通信网络和系统i e c6 18 5 0 为适应变电站自动化技术的迅速发展，需要制定一个更通用、全面的标准，能 够覆盖整个变电站的通信网络和系统。1 9 9 5 年，国际电工委员会成立了3 个工作组 ( w g l o ，w g l l ，w g l 2 ) 负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。i e c6 1 8 5 0 标准由l o 个部分 组成，是一个庞大的协议体系，它的制定意义十分重大，它对变电站自动化技术， 乃至整个电力系统自动化技术的发展方向都将产生重大影响。 2 华北电力大学硕士学位论文 i e c6 l8 5 0 与以往的电力系统通信标准相比，具有如下的突出特点： 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； 使用抽象通信服务接口( a c s i ) 和特殊通信服务映射( s c s m ) 技术；使抽 象建模与具体实现相互独立，服务与通信网络相互独立； 采用配置描述语言进行设备自描述，易于实现功能扩展和i e d 间的互操作； 整个电力系统统一建模，易于实现无缝体系结构； 具有面向未来的、开放的体系结构。 i e c6 1 8 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。由 于i e c6 1 8 5 0 具有以上的优点，i e c 在2 0 0 1 年的s p a g 会议上，正式确定了以i e c 6 1 8 5 0 为基础构建无缝远动通信体系结构。无缝远动通信协议标准的名称为“变电 站和控制中心通过i e c6 1 8 5 0 通信( c o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n c o n t r o lc e n t e rv i a 6 1 8 5 0 ) ，即将来在变电站以内及变电站和控制中心之间都是基于i e c6 1 8 5 0 来进 行通信。最终实现o n e 、r l d ，o n et e c h n o l o g y ，o n es t a i l d a r d ”这一目标。 1 2 3i e c6 l8 5 0 标准与i e c6 0 8 7 0 5 系列规约的比较 首先需要说明的是，i e c6 1 8 5 0 与i e c6 0 8 7 0 5 系列规约所针对的问题域是不同 的。i e c6 0 8 7 0 一5 系列规约主要适用于子系统之间的通信，i e c6 1 8 5 0 则主要针对子 系统内部的通信，但它的应用范围可以扩展到子系统间，子系统与调度中心间的远 动通信。下面为了进一步说明i e c6 1 8 5 0 作为电力远动系统通信体系标准所具有的 优点，对这两种标准进行几个方面的比较： ( 1 ) 一般情况 i e c6 0 8 7 0 5 系列标准的设计准则是带宽和硬件的优化利用，该系列规约的数 据模型是面向字符，而不是面向变电站自动化系统内的设备对象而设计的。 i e c6 1 8 5 0 的设计准则是应用标准的系列通信规约，简化设备( 数据) 的工程 化和整合；采用面向对象的建模方法，支持封装、继承、重用模型等。i e c6 1 8 5 0 提供的是一个通信的体系结构，而不像i e c6 0 8 7 0 ，5 仅是一个个通信协议，因而i e c 6 1 8 5 0 远比i e c6 0 8 7 0 复杂，适用的范围更广，更能适应未来技术的发展。 ( 2 ) 过程数据描述 i e c6 0 8 7 0 一5 系列标准虽然支持简单品质描述、时标、传输原因等属性，但仅 能提供简单数据点的有限列表的交换，仅提供了少数几个应用特定的信息模型，在 一条消息中仅能传送少数几个相同类型和相同传输原因的值。 3 华北电力大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 则支持面向对象的建模以及i o 和元数据的交换，提供了大约9 0 个 逻辑节点类和4 5 0 多种数据类，允许制造商创建应用特定的扩展，灵活地为其他应 用领域定义任意新的逻辑节点、数据和一般数据类。在一条消息中能传送多个任意 类型的值，并且任意数据类的数据名称、类型、功能特性、报告触发选项、死区、 值的范围等都是可定义和可访问的。 ( 3 ) 操作服务 虽然二者应用领域有所不同，但都提供了交换基本s c a d a 信息的服务，例如： 数据的循环传输、总查询服务、时钟同步、控制命令、时间序列数据、事件顺序记 录、报告数据值、文件传输服务。 i e c6 0 8 7 0 5 系列标准支持限制性的自发传输，i e c6 1 8 5 0 则支持灵活的自发传 输。i e c6 0 8 7 0 5 系列标准仅支持单个值的读写，i e c6 1 8 5 0 则支持许多值的读写， 还支持在线的远方替代，支持在任意时间记录和检索所选的任何带远方滤波控制或 其他控制的历史数据。 关于参数设置控制，i e c6 0 8 7 0 5 系列标准仅支持改变少数的测量值或预先定 义的保护设置组。i e c6 1 8 5 0 则支持灵活的定义、改变、编辑参数值，支持变电站 事件交换( g o o s e ) 和采样值交换( 对c t 和v t ) 。 ( 4 ) 自我描述服务 i e c6 0 8 7 0 5 系列中仅i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约能得到有限数据对象的目录( 通用 服务) ；i e c6 1 8 5 0 则能得到所有对象的目录( 逻辑节点数据的名称和类型) ，即整个 的信息分层结构，还能得到操作对象的定义( 过程数据的名称、类型、范围、单位、 报告的死区、等级、描述等) ，以及相关通信服务对象的定义。 ( 5 ) 在线配置 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 l 1 0 4 和i e c6 1 8 5 0 支持使能禁止通信控制对象，改变报告记 录行为，以及装载配置。i e c6 1 8 5 0 还支持定义数据组，选择要报告的数据。 ( 6 ) 离线配置 i e c6 0 8 7 0 5 系列仅有纸张文档提供装置配置的完整描述：i e c6 1 8 5 0 则通过 x m i x m ld t d 在线提供说明了装置、逻辑节点和真实变电站环境的数据的语法( 描 述了可选信息和专用信息) ，还支持不依赖于卖主的以逻辑节点、数据和公共数据 类的全部列表为基础的工程化工具的开发。 i e c6 0 8 7 0 5 系列的配置分布在r t u 或i e d 中、数据库中和应用程序中；i e c 6 1 8 5 0 全部的配置在i e d 中，另外在任何时间与配置文档都是一致的。i e c6 1 8 5 0 完整的信息模型可以在线找到，并与离线的配置文档相比较，进行在线和离线配置 的自动验证。 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 ) 整合到应用 数据综合方面，i e c6 0 8 7 0 5 系列将被索引的通信对象映射到应用对象，以及 将应用对象映射到应用数据库或程序变量，需要复杂的数据转换；i e c6 1 8 5 0 是将 标准命名对象直接映射到应用数据库或程序的变量，基本上取消了转换过程。 综上所述，i e c6 0 8 7 0 系列规约相对来说传输的数据简单、速率较快，可以满 足当前电力远动的需求。但由于其数据模型比较松散，导致使用、维护起来不便， 另外数据不能实现自我描述无法满足设备的互操作性和即插即用，长远来看无法满 足电力远动通信系统未来发展的要求；而i e c 6 1 8 5 0 与面向字符设计的i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约相比，信息模型是面向对象的，能够支持从设备到应用进程的自我描述和 自我诊断，从而保证了来自不同制造商的i e d 之间高度的互操作性。能够自我描述 的i e d 使得上层应用能够直接从设备上访问所有的点配置，消除了费用昂贵且易出 错的信息点名的人工配置。因此i e c6 1 8 5 0 不应仅仅局限于变电站内部，还应向远 动系统扩展，以实现未来整个系统的无缝连接【9 1 。 另外，目前国际上对s c a d a 系统内部的数据模型达成一致已经没有疑义，专 家们正在积极的考虑将i e c6 1 8 5 0 从变电站自动化系统的内部应用推进到变电站和 远方调度中心之间通信应用，进而，在调度中心之间以及一个调度中心的子系统之 间的应用也是可能的。 1 3 国内外研究现状 目前，i e c6 1 8 5 0 已成为变电站内部网络数据通信的国际最新标准，在国内外 新的变电站自动化系统中正在受到推崇。它采用面向对象方法和统一建模语言 ( u m l ) ，通过所定义的逻辑设备( l d ) 、逻辑节点( l n ) 、数据对象( d o ) 、数据 属性( d a ) 与公共数据类( c d c ) 等来描述变电站及设备的信息，并为其建立基 于对象的数据模型，同时借助于基于x m l 的变电站配置描述语言( s c l ) 使模型 的自描述成为了可能，另外使用特殊通信服务映射与抽象通信服务接口可以方便地 适应底层通信技术的发展，以上所有的这些特性都是传统远动规约所不具备的。因 此i e c6 1 8 5 0 不应仅仅局限于变电站内部，还应向远动系统扩展，以实现整个系统 的无缝连接。i e ct c 5 7 小组正在开展将i e c6 1 8 5 0 引入电力远动的研究工作，包括 在变电站之间以及变电站与控制中心之间的通信之间均使用基于i e c6 1 8 5 0 的通信 规约，并研究i e c6 1 8 5 0 与i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 4 之间的映射以实现调度自动化系 统向i e c6 1 8 5 0 的平稳过渡【1 0 】。目前，国内外i e c6 1 8 5 0 的研究与应用仍然主要局 限于变电站内【l 卜1 3 1 ，应用于电力远动实现变电站到调度中心通信的研究还很少，且 后者尚停留在实验室研究阶段。文献 1 4 】介绍了国外s i e m e n t s ，a b b 等大公司对 i e c 6 1 8 5 0 的研究成果，从2 0 0 4 开始陆续推出了全面支持i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动 5 华北电力人学硕士学位论文 化系统。文献【1 5 】中采用将i e c6 1 8 5 0 的a c s i 映射到实时c o r b a t a o 的方法来 实现变电站和调度中心之间的通信，但是由于未采用制造报文规范( m m s ) 作为实 时通信协议，无法实现与其它符合i e c6 1 8 5 0 的智能电子设备( i e d ) 进行互操作。 目前将i e c6 l8 5 0 引入电力远动面临的主要问题包括：i e c6 18 5 0 标准与 i e c6 1 9 7 0 的协调问题，这一工作正在由i e ct c 5 7 小组开展研究【1 6 。1 7 1 ；i e c6 1 8 5 0 的核心通信服务是借助制造报文规范( m m s ) 来实现的，而目前我国m m s 产品依 赖进口，价格昂贵：在厂站各种i e d 设备和规约并存的条件下，数据交换存在 转换问题。 在此背景下，本文根据i e c6 1 8 5 0 的数据与服务模型，对i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 的 服务与协议进行分析，提出了基于i e c6 1 8 5 0 1 0 4 的远动系统通信模型和网关结构 模型，突破了电力远动的传统体系结构和传输模式。以及通过对i e c6 1 8 5 0 1 0 4 网 关的设计，实现网络环境下调度主机、各厂站主机或i e d 之间快速、准确、自由的 信息交换。 1 4 论文所做工作 本文的主要工作是以i e c6 0 8 7 0 一5 1 0 4 为传统规约的代表，围绕着如何将电力 系统目前主要采用的远动规约向i e c6 1 8 5 0 标准转换来进行的，论文的主体将分为 五个章节进行，各章节内容安排如下： 第一章概述了电力远动通信网络的现状和国际标准、规约的发展情况。通过对 通信规约的分析，说明把i e c6 1 8 5 0 作为将来无缝远动通信基础的必要性。说明了 本文研究传统远动通信系统与未来无缝远动通信系统的衔接问题的意义重大。 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、新方法以及规约的实现机理，为后面章节的研究开发打下基础。 第三章讨论了未来的远动通信体系结构，提出了基于i e c6 1 8 5 0 的远动系统网 络结构和i e c6 1 8 5 0 1 0 4 网关结构模型，并给出了i e c6 1 8 5 0 信息模型建立的方法。 第四章深入研究i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 通信规约，详细介绍了其工作原理、实现方 法以及具体的应答过程。应用以太网通信，多线程等技术具体编程实现了i e c 6 1 8 5 0 1 0 4 网关软件，实现了1 0 4 数据的接受，信息的解析，并为其建立了符合i e c 6 1 8 5 0 思想的信息模型。为实现i e c6 0 8 7 0 数据向i e c6 1 8 5 0 信息的转换打下基础。 第五章以具体变电站为例，说明了其基于i e c6 18 5 0 的信息模型和服务模型的 建立过程。并以i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 通信规约所上传的远动数据为基础，给出了传统 远动规约与抽象通信服务接口之间映射的实现方法。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章i e c6 1 8 5 0 标准体系的剖析 2 1i e c6 1 8 5 0 标准的主要内容 i e c6 1 8 5 0 标准主要目的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，是未来电力系统无缝通信的基础。它的颁布会使工业控制通信技术最终实现“一个 世界、一种技术、一个标准”。到目前为止，i e c6 1 8 5 0 的十个章节共十四部分，均 已正式出台。标准的组成下【1 8 。2 7 】： i e c6 1 8 5 0 1 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。 i e c6 18 5 0 2 术语，介绍标准系列中的特定名词、术语以及标准其它部分所用 到的定义、缩略语等。 l e c6 1 8 5 0 3 总体要求，包括质量要求( 可靠性、可维护性、系统可用性、轻 便性、安全性) ，环境条件，辅助服务，其他标准和规范。 i e c6 1 8 5 0 4 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。 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，功能等。 i e c6 1 8 5 0 6 变电站配置描述语言，介绍了配置语言s c l 的对象模型和语法内容。 i e c6 1 8 5 0 7 1 变电站和馈线设备的基本通信结构原理和模型，介绍了本 部分的建模方法、通信原理以及信息模型。 i e c6 1 8 5 0 7 2 变电站和馈线设备的基本通信结构一一抽象通信服务接口 a c s i ，包括抽象通信服务接口的描述，抽象通信服务的规范。 i e c6 1 8 5 0 7 3 变电站和馈线设备的基本通信结构公共数据类，包括抽象 公共数据类和属性的定义。 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的逻辑节点类和数 据类，包括逻辑节点的定义，数据对象及其逻辑寻址。 i e c6 1 8 5 0 8 特殊通信服务映射( s c s m ) 映射到m m s ，本部分规范了变 电站层和间隔层内以及变电站层和间隔层之间通信映射。 i e c6 1 8 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， 本部分规范了间隔层和过程层内以及间隔层和过程层之间通信映射。 i e c6 1 8 5 0 9 2 特殊通信服务映射( s c s m ) 基于过程总线l e e e8 0 2 3 上的 映射：本部分定义采样值类模型到i s o i e c8 8 0 2 3 的映射。 7 华北电力大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 1 0 一致性测试，规定了变电站自动化系统中设备一致性测试的方法。 从上述内容来看，第七部分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。 2 2i e c6 18 5 0 标准主要特点分析 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 面将从几个方面对其特点进行深入分析。 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间隔的数据并对该间 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；变电站层的分为2 类：一类是与过程层关联的功能，使用多个间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，另一类是与接口相关的 功能，主要指与远方控制中心、远方监视和维护工程师站以及本地人机接口的通信。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，其模型如图2 1 所示，其中的i f 是指接口( n 妇) 。 变电站层 间隔层 过程层 图2 1 变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模型 图中各接口的含义分别为： 8 华北电力大学硕士学位论文 i f l ：间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； 3 ：间隔层内数据交换； i f 4 ：过程层和间隔层之间p t 和c t 即时数据交换( 尤其是采样) ； 5 ：过程层和间隔层之间控制数据交换； 6 ：间隔和变电站层之间控制数据交换； m 7 ：变电站层与远方工程师站数据交换； 8 ：间隔之间直接数据交换，特别是快速功能，例如联锁； 正9 ：变电站层内数据交换； i f l o ：变电站设备与远方控制中心之间控制数据交换。 2 2 2 面向对象的信息建模技术 与以往的通信协议采用面向字符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： ( 1 ) 抽象信息模型 i e c6 1 8 5 0 标准将整个变电站的物理对象( 包括所有的一次设备和二次设备) 以及 通信网络抽象为相应的逻辑系统。因此从逻辑上，变电站对象可以看作由分布在变电站 自动化系统中完成各个功能模块的逻辑设备构成。 逻辑设备中的各个功能模块又由若干个几个相关子功能块，即逻辑节点组成，并通 过它所在的i e d 设备实现运行。根据i e c 标准，逻辑节点可以根据需要来组成任意期望的 功能，而且实现一个功能的逻辑节点可以分布于多个i e d 设备中f 2 胡。逻辑节点本身进行 了很好的封装，各个逻辑节点之间通过逻辑连接( l c ) 进行信息交换。逻辑连接是一种 虚拟的连接，用于交换逻辑节点之间的通信信息片( p i c o m ) 。逻辑连接映射到物理连 接实现逻辑节点之间的信息交换。p i c o m 的传输通过a c s i 服务实现。 图2 2 是基于i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统的抽象模型。其中左侧是基于i e c 6 1 8 5 0 标准逻辑上的功能模型，右侧是实际系统的物理设备的模型。 将整个变电站看作一个对象，从逻辑上变电站可以看作由分布于变电站自动化系统 中完成各个功能模块的逻辑设备构成。逻辑设备中的各个功能模块又由若干个相关子功 能块，即逻辑节点组成。逻辑设备位于i e d 上，并通过物理连接实现逻辑连接。逻辑节 点类似积木块，可以搭建组成任意功能，而且可以分布于各个i e d 设备中。逻辑节点本 9 华北电力大学硕士学位论文 身进行了很好的封装和标准化，各个逻辑节点之间通过逻辑连接进行信息交换。 图2 2i e c6 1 8 5 0 抽象的数据模型 根据作者对标准的理解，m c6 1 8 5 0 标准从本质上说，是规范了逻辑上的对象，同 时也提供了从逻辑上到物理上的映射，对于实际的物理对象没有作规范。 ( 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抽象信息模型中的逻辑设 备、逻辑节点、数据类等不同层次的数据对象的数据属性和服务，通过外部接口实 现与客户之间的数据交换。 2 2 3 抽象通信服务接口和特殊通信服务映射 i e c6 1 8 5 0 总结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。设计出抽象通信服务接口。它和具体的网络应用层协议( 如目前采用 的m m s ) 独立，和采用的网络( 如现采用的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，i e c6 18 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 a p 或i e c6 0 8 7 0 5 等的应用层。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。 由于通信技术飞速的发展，人们更愿意采用更新的，性能更好的通信技术，但 1 0 华北电力大学硕士学位论文 变电站自动化系统的特性要求s a s 的长期稳定性。i e c6 1 8 5 0 采用的抽象通信服务接 口仍能很容易的适应这种变化，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 ml s c s mn 相对应。s c s m 将抽象通 信服务、对象和参数映射到特定的应用层。这些应用层提供了具体的编码，且应用 层可采用一个或多个通信协议集或榭2 9 1 。 接口 务映射 图2 3 接口和映射基本参考模型 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 展之间的矛盾，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 变电站配置描述语言s c l 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) 结构及它们之间关系的文件格式。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 商提供的智能电子设备和系统配置工具之间相互交换。变电站配置描述语言的基本 组成如图2 4 所示。 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 一一工业系统、 华北电力大学硕士学位论文 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。 图2 - 4 变电站配置描述语言s c l 组成 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之间交换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 目前在电力系统中多种远动标准并存，要想将各种标准连接起来，必须进行协 议的转换，费时费力，这种方式已经很难满足电力系统迅速发展的需求。i e c6 1 8 5 0 标准的提出就是为了适应这种发展的需求，统一各种规约，最终实现电力系统的无 缝体系结构。 i e c6 1 8 5 0 使用分层、分布体系；从过程层到间隔层，从间隔层到变电站层， 甚至从变电站层到控制中心都采用以太网络结构。并且应用i e c6 1 8 5 0 可以在变电 站层或远方控制中心计算机系统实时监视到远程各i o 的动作状态，具有速度快、 可靠性高等特点【3 0 1 。 i e c6 1 8 5 0 标准是面向未来的开放体系，主要体现在：对厂商开放，支持不同 产品间的数据交换；对通信开放，信息技术独立于通信模型；对物理分配开放，功 能可以自由分配；对未来开放，提供了丰富的扩展功能；对系统开放，设备都实现 了自描述。 2 3 逻辑节点与功能模块 与以往的远动通信协议采用面向字符的信息描述方式不同，i e c6 18 5 0 标准的 逻辑模型是由一些相互交换数据的逻辑节点组成的，逻辑节点是变电站自动化系统 中实现功能的最小单位。 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，这些节点可能分布在一个或多个物理设备上。逻辑节点零( l n o ) ，作为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 一个特殊的逻辑节点用来管理和控制逻辑设备自身。逻辑节点通过逻辑连接( l c ) 相连。如图2 5 所示，个物理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。 f ：功能 p d ：物理设备 l n ：逻辑节点 p c ：物理连接 l c ：逻辑连接 图2 5 功能、逻辑节点和物理装置之间的关系 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 4 ，j 、结 i e c6 1 8 5 0 规约被i e c 选为构建将来无缝远动通信体系的基础，这意味着将来 的电力通信系统不仅在变电站内使用i e c6 1 8 5 0 通信规约，在控制中心和变电站之 间也需运用i e c6 1 8 5 0 规约进行通信，最终实现“一个世界、一种技术、一个标准 。 本章分析了i e c6 1 8 5 0 规约制订的目的以及组成部分，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 剖析。最后重点分析了标准的核心内容逻辑节点与功能模块，为后面章节的研 究开发打下了基础。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章i e c6 0 8 7 0 数据向l e c6 1 8 5 0 信息转换方法的研究 31 基于i e c6 1 8 5 0 的远动系统网络结构 i e c6 18 5 0 作为全世界唯一的基于网络通信平台的变电站网络通信标准，必将 成为变电站到控制中心的唯一通信协议。这样从过程层到间隔层、从间隔层到变电 站层、从变电站到调度中心都采用i e c6 1 8 5 0 标准作为唯一的通信协议，从而可省 去变电站与调度之间数据交换所需的规约转换。 虽然基于i e c6 1 8 5 0 的i e d 正在逐步推出，但是目前现有的变电站自动化系统 仍然在使用不遵循i e c6 1 8 5 0 的各种传统i e d 和规约，实现这些现有i e d 和规约到 i e c6 1 8 5 0 的整体替换代价很大，今后较长时间内将是非i e c6 1 8 5 0 系统和i e c 6 18 5 0 系统共存的过渡时期。在这个过渡阶段，如何推进i e c6 l8 5 0 系统的实际应 用，又能保障现有系统到1 e c6 1 8 5 0 系统的平稳过渡，是迫切需要解决的一个难题。 因此，本文在变电站和控制中心引入了网关机制，提出了一种基于1 e c6 1 8 5 0 ，1 0 4 的远动通信模型，如图2 所示。 厮丽i 磊至磊_ _ 二 一 - 一垡曼婴 1 圈 。 。 曰+ 回 非6 】8 5 0 标准的i e d 回 6 1 8 5 0 # 准l e d 图3 1i e c6 i8 5 0 ，1 0 4 远动系统网络结构图 在模型中，控制中心或集控主站的s c a d a 系统将按照i e c6 1 8 5 0 模型进行设 计，前爱通信机作为i