（电力系统及其自动化专业论文）基于iec+61850的变电站配置工具的研究.pdfVIP

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i e c6 1 8 5 0 的变电站配置工具的 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 入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：羔毡日期： 2 彩1 2 3 0 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i 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： 王玮 导师签名： 础婴日期： 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 电力远动系统是实现电力系统生产过程监视、控制、管理的重要手段，是电力 系统自动化的重要组成部分。电力远动系统最初关注远动、远方保护及其远方通信， 后来发展到电力系统控制及其通信领域，包括：s c a d a ( 监视控制和数据获取) 、 e m s ( 能量管理系统) 、d m s ( 分布式管理系统) 、d a ( 分布式自动化) 、远方保护及 其通信。 随着现代电网结构的日趋复杂，电网容量不断扩大，实时信息传送量成倍增多， 对调度自动化和场站自动化系统提出了更高的要求，目前变电站自动化系统通信规 约的现状是一个变电站内可能同时采用多个厂家的多种产品，而各个厂家的产品又 分别采用了不同的规约“儿”“1 。由于电力系统功能的实现需要使用不同通信协议的众 多制造厂商的设备以及采用不同接口的子系统共同参与配合完成，多种通信协议的 采用使得不同厂家的设备间通信必须通过大量的协议转换来完成，从而浪费了大量 的人力物力，并且必然影响系统的实时性能“1 。 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 1 8 5 0 标准正是在这种情况下提出的。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，获得广泛应用的是i e c6 0 8 7 0 5 系列通信标准和c d t 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 通过调研大量的国内外文献，本文了解到目前国内外各大企业的研究集中在设备的 互操作性上，而对实现具体的变电站自动化工程建模以及相应的描述变电站数据模型的 配置工具的开发描述较少。i e c6 1 8 5 0 的一个显著特点为采用面向对象的方法描述变电 站及设备信息，同时通过配置变电站配置描述文档实现设备的自描述，这些也是实现变 电站设备互操作的一个重要基础。在工程现场需要配置的文档很多，进行文档的配置 也需要一定的专业知识，而且变电站配置文档的层次繁杂，给配置和修改都带来了 华北电力大学硕士学位论文 很大的不便。因此开发一款变电站配置工具便具有重要实用意义。 1 2 电力系统远动规约介绍 当前电力远动系统的现状是多种新旧的远动规约共存，而随着电力工业信息化 进程的推进，以国家电力数据网s p d n e t 为代表的a t m ，s d h 电力数据通信专网正逐 步取代原有的微波、载波线路。同时，计算机、通信以及网络技术的迅速发展使得 国际电工委员会( i e c ) 在九十年代后期制定了几种基于网络的电力系统通信规约以 弥补旧规约所存在的不足。如日前广泛使用的i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 4 和当前积极倡导的 最新标准i e c6 1 8 5 0 等”1 。下面对目前远动系统中几种主要的规约进行简单介绍。 1 2 1c d t 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，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“1 。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。该规约主要优点是传输模式不需要主站干予；传输信息时只需使用单向信道； 当传输过程中某些数据出现差错时，可以用下一次循环中的数据来补救；主要缺点 是传输的信息量越多，传输时延就越长，信道利用率低而且奇偶校验能力差。 1 2 2p o l l i n g 规约 闯答式远动规约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。主要 优点是主站可以要求被控站发送某些远动信息，也可以要求发送某些类型的信息等 等，工作方式灵活；主要缺点是由于传送信息的主动权在主站，因而被控站的紧急 信息难以及时发给主站，故上行不够及时，轮流问答的时间太长，数据流的下行难， 校验和检错能力不够。 1 2 3i e c6 0 8 7 0 - 5 系列规约 i e c6 0 8 7 0 - 5 系列通信协议体系是国际电工委员会第5 7 技术委员会第3 工作组( i e c t c 5 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 1 、i e c6 0 8 7 0 5 2 描 述：应用层的基础部分由i e c6 0 8 7 0 - 5 3 、i e c6 0 8 7 0 5 4 、i e c6 0 8 7 0 - 5 - 5 描述。应用 层直接映射到链路层。i e c6 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：i e c 2 华北电力大学硕士学位论文 6 0 8 7 0 5 1 0 1 用于常规远动( 等同采用) ；i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 用于电能计量信息的接入； i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 定为电力行业标准( 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c d 嘲约的地位。成为新的国家 电力行业标准。但是i e c6 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 41 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 - i - 作组( w g 0 3 ) 于1 9 9 8 年8 月制定了i e c 6 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 1 0 l 网络访问”( n e t w o r k a c c e s sf o ri e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 u s i n gs t a n d a r d 仃a i l s p o np r o f i l e s ) 。此协议是将i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 标准用于t c p f l p 网络上。我国行标号是d 6 3 4 5 1 0 42 0 0 2 。 1 。2 4 变电站通信网络和系统i e o6 0 8 7 0 6 ( t a s e 2 ) 规约 i e c6 0 8 7 0 6 系列通信协议是i e ct c 5 7w g 0 7 , u 定的一套旨在与i s 0 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。i e c 6 0 8 7 0 6 系列先后出了t 矗s e 1 和t a s e 2 两 个豆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间信息共享。并已被我国等效采用为国家标准 ( g b 厂r1 8 7 0 0 1 ) 。有意见表示赞成采用t a s e 2 作为调度中心之间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。1 a s e 2 是s c a d a ，e m s 等电网调度控制中 心之间的通信协议，但实际上这套协议不只用于电力调度控制中心之间的通信，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 通过中国电力数据网( c e d n e t ) 与网调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 5d n p 3 规约 分布式网络规约第3 版( d i s t r i b u t e dn e t w o r kp r o t o c o l 一3 ，简称o n p 3 ) 是g e h a r r i s 公司推出的一种远动通信规约，是目前电力系统自动化产品市场上的一种主 流通信规约。它既可作为馈线终端单元( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，简称f t u ) 与配网 主站之间的规约，又可作为r t u 与调度主站之间的规约。d n p3 o 是开放、智能、 稳定、高效的现代的s c a d a 协议。它有以下特点：能在一个信息包内请求和响应多种 数据类型；多帧分段信息确保很好的错误检测和恢复；响应数据包中仅包括改变的 数据信息；对数据项分配优先级并以他们的优先为依据周期地请求数据项；没有请 求的响应( 主动报告) ：支持时间同步和标准时间格式；允许一点到多点和点到点操 3 华北电力大学硕士学位论文 作；允许用户可已定义的对象包括文件传输。 1 2 6 变电站计算机通信网络和系统i e c6 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 1 8 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l l i 作组负责变电站层 数据通信协议的定义；第1 2 工作组负责间隔层数据通信协议的定义。i e 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，并有可能成为i e c 无缝连接系 统体系标准的基础叫。i e c6 1 8 5 0 由1 0 个部分组成“1 ，是一个庞大的协议体系，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 c6 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。 与传统规约采用面向点的信息描述方法不同，i e c6 1 8 5 0 标准对于信息均采用 面向对象的自描述。采用“面向点”的数据描述方法，在信息传输时数据收发双方 必须事先对数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反应现场设备的状态。协 议一旦确立以后，如果要增加或删除某些信息就必须对协议进行修改，是一项耗费 资金和时间的工作。采用面向对象自我描述方法，可以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，传输到调度控制中心的数据 都带说明，马上建立数据库，使得现场验收的验证工作大大简化，数据库的维护工作 量大大减少。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 现阶段，i e c6 1 8 5 0 国际标准的制定除第十章有关一致性测试的内容外，均己 正式颁布，应用i e c6 1 8 5 0 规约的产品也正在南瑞、四方、电科院、许继、东方电 子等公司的开发研制中。国内其他很多相关企业、大专院校也都设立了专门课题小 组全面跟踪和研究i e c6 1 8 5 0 的最新发展动向，虽没有完整的适合我国国情技术方 案的提出，也没有典型示范工程的实施，但在相关核心期刊上己经有相当数量的有 关i e c6 1 8 5 0 的文献。国内许多大的电力企业，如上海电力局、浙江省局等也在多 方面调研，希望能在将来采用i e c6 1 8 5 0 标准，以达到降低系统集成费用和维护成 本，充分利用系统资源、提高系统可靠性的目的。 当前国内的研究主要集中在以下几个方面：i e c6 1 8 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 4 华北电力大学硕士学位论文 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：对原有自动化装置 的通讯改造，当前国内的装置大部分还是基于串口( 1 0 1 协议) 或t c p i p ( 1 0 4 协议) 的连接方式，针对如何将通讯方式转换为i e c6 1 8 5 0 标准要求的通讯方式提出了一 些具体的方案，如采用嵌入式系统实现，或者是采用增加一个i e c6 1 8 5 0 - 1 0 1 ，1 0 4 网关实现系统的过渡“”；系统建模的论述与分析，集中讨论了如何在现有设备功能 的基础上采用标准定义的逻辑节点、公共数据类来建立其模型“州“”。通过对国内相 关资料的收集和整理发现，对于变电站配置工具方面的研究很少，或者有些仅仅是 提出了一些变电站配置工具方面的理论，但对于配置工具的具体的实现等方面的内 容研究的很少。 1 3 2 国外研究现状 i e c6 1 8 5 0 从制定开始就受到国际上的广泛关注，并将结果反馈回来以便修改标准。 1 9 9 8 2 0 0 0 年在德国进行了o c i s ( t h eo p e n c o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n s ) i 程，主要由 f g h ，v e w , a b b 。a l s t o n m 、西门子等参加啷。目标是为制定世界统一标准的i e c6 1 8 5 0 积累经验，协调u c a 2 o 和i e c6 1 8 5 0 ，验证i e c6 1 8 5 0 的抽象通信服务接口和通信栈的 独立性。2 0 0 1 年在范库弗峰( v a n c o u v e o 进行了m c 面向变电站事件的通用对象( g e n e t i c o b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o n e v e n t ，简称g o o s e ) i 程，目标是验证i e c6 1 8 5 0 增强的面向变 电站事件的通用对象概念，验证变电站配置语言的基本概念，结论证明面向变电站事件 的通用对象概念的正确性，利用配置语言配置面向变电站事件的通用对象消息可以实现 不同厂商设备之间的互操作性。2 0 0 1 2 0 0 2 进行的i e c6 1 8 5 0 9 1 的试验验证了i e c 6 1 8 5 0 9 1 的可行性和正确性。2 0 0 1 2 0 0 3 年进行了i e c6 1 8 5 0 原型试验，目标是利用可用 组件在真正的平台上实现i e c6 1 8 5 0 原型，验证基于i e c6 1 8 5 0 的过程总线采样值和跳闸 信号的实时性，验证按i e c6 1 8 5 0 9 2 的采样值的编码。2 0 0 2 2 0 0 4 由c i g r e 进行了一系 列试验，包括i e c6 1 8 5 0 9 ，i e c6 1 8 5 0 8 1 等，证明了新标准满足变电站自动化系统的要 求，满足互操作性要求。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。 除了对标准的验证以及相关产品的开发外，国外的一些公司也对变电站配置工具进 行了研究，并开发出了一些产品，如a s e 公司的v i s u a ls c lf o ri e c6 1 8 5 0 6 以及s c l e d i t i o nb e t a v l 8 6 等。 1 4 论文主要工作 本论文的主要研究目标是如何将i e c6 1 8 5 0 标准定义的变电站数据模型应用到 变电站自动化系统中，以真正发挥i e c6 1 8 5 0 的优势并基于i e c6 1 8 5 0 开发出一款变 电站配置工具。主要进行的工作包括以下几个方面： 华北电力大学硕士学位论文 1 、对变电站通信网络和系统系列标准i e c6 1 8 5 0 进行跟踪了解，深入研究其 结构特点、实现原理，分析其体系结构。 2 、深入研究i e c6 1 8 5 0 规约规定的变电站数据模型的分层结构，分析其信息建 模原理，通过实例描述根据i e c6 1 8 5 0 标准对变电站进行信息建模的方法。 3 、研究变电站配置描述语言( s c l ) 的体系结构和语法特征，结合i e c6 1 8 5 0 定义的变电站数据模型的特点，提出s c l 配置工具的设计方案，并编程实现。 4 、本文所设计的s c l 配置工具集成了i e c6 1 8 5 0 6 部分定义的s c l 文档的各种信 息以及i e c6 1 8 5 0 7 部分定义的数据建模的信息，提供给用户一个友好的用户配置 界面，通过该工具可实现变电站配置描述文档的自动生成。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章i e o6 1 8 5 0 标准介绍 2 1i e c6 1 8 5 0 的历史背景及组成 1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 成立了三个工作组 ( w g i o 1 1 1 2 ) ，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。其中第l o 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1 1 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。1 9 9 8 年2 月i e c 与i e e e 达成一致建立 全球统一变电站自动化通信标准。1 9 9 9 年3 月，3 个工作组提出了i e c6 1 8 5 0 委员 会草案版本2 0 0 0 年6 月，i e ct c 5 7s p a g 会议决定以i e c6 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。在i g 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：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急速平 台，在i t 系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现开放式系统0 1 。到2 0 0 4 年 2 月为止，i e c6 1 8 5 0 的十个章节共十四部分，除第十章外，均己正式出台。标准 的组成如表2 - 1 所示： 表2 - 1i e c6 1 8 5 0 各部分内容简表 章节 内容 i e c6 1 8 5 0 1基本原则 i e c6 1 8 5 0 2术语 【e c6 1 8 5 0 - 3 基本要求 i e c6 1 8 5 0 - 4 系统和项目管理 i e c6 1 8 5 0 5对功能和设备的通信要求 i e c6 1 8 5 0 - 6 变电站配置描述语言 i e c6 1 8 5 0 7 1 变电站和馈线设各的基本通信结构原理和模型 i e c6 18 5 0 7 2 变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口 i e c6 1 8 5 0 7 3变电站和馈线设备的基本通信结构一公共数据类 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逻辑节点类和数据类 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 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 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i e e e8 0 2 ，3 上的映射 i e c6 1 8 5 0 1 0 一致性测试 7 华北电力大学硕士学位论文 如表2 一l 所示，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 她的变电站配置描述语言s c l ( 第六部分) 、变电站数据模 型的建立及其服务( 第七部分) 、变电站体系层次之间的映射关系( 第八、第九部分) 。 其中i g c6 1 8 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o 。】。 2 2i e c6 1 8 5 0 的核心技术 通过对i e c6 1 8 5 0 的分析，可以总结出i e c6 1 8 5 0 的主要特点：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 ) 、特 殊通信服务映射s c s 4 技术；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；整个电力系统统一建模，易于实现无缝体系结构，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。另 外还定义了系统的一致性测试内容2 儿钉加”。 2 2 1 分层、分布的体系结构 变电站通信网络和系统协议i e c6 1 8 5 0 标准提出了变电站内信息分层的概念， 无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3 个层次，即变 电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口，如图2 一l 所示“”。 图2 - 1 信息分层的变电站自动化系统 华北电力大学硕士学位论文 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 ( 过程层和间隔层之间c t 和v t 即时数据交换的接口， 特别是采样值) 和逻辑接口5 ( 过程层和间隔层之间控制数据交换的接口) 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，如线路保 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 和逻辑接口5 与 过程层通信，通过逻辑接口3 ( 间隔层内数据交换的接口) 完成间隔层内部的通信功 能。接口4 和接口5 可以用二次电缆连接，但二次电缆接口超出i e c6 1 8 5 0 范围。 逻辑接口2 ( 间隔层和远方保护之间保护数据交换的接口) 超出i e c6 1 8 5 0 标准第5 部分的范围，但由于本接口交换的数据和变电站内相同，i e c6 1 8 5 0 系列未来的应 用推荐这个接口”1 。 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，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进行监视和控制，如母线保护或 全站范围内的闭锁等，通过逻辑接口8 ( 间隔层之间直接数据交换的接口，特别是快 速功能例如互锁) 完成通信。变电站层功能之间通过逻辑接口9 ( 变电站层内数据交 换的接口) 完成通信功能；二是与接口相关的功能，主要指与远方控制中心( t c i ) 、 远方监视和维护工程师站( t m i ) 及当地人机接口( h v i ) 的通信，通过逻辑接口1 ( 间隔 层和变电站层之间保护数据交换的接口) 、逻辑接口6 ( 间隔层和变电站层之间控制 数据交换的接口) 完成变电站层和间隔层通信，通过逻辑接口7 ( 变电站层和远方工 程师工作站之间数据交换的接口) 完成和远方控制与外部通信功能。逻辑接口1 0 ( 变 电站设备和远方控制中心之间控制数据交换的接口) 超出本标准范围，相关的i e c 标准是i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 4 。在控制中心之间交换的数据与变电站到控制中心交 换的数据部分相同，因此要考虑和i e c6 0 8 7 0 6 的协调。接口7 和接口1 0 存在交 叉，故需要协调。但本标准应该用于未来从过程层一直到控制中心的无缝通信结构。 2 2 2 面向对象的信息建模技术 2 2 2 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。虚拟是i e c 6 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息的方式。信息的交换 是在抽象模型之间进行的，这些抽象模型都是现实设备通过虚拟化而生成的模型。在图 中，变电站中的断路器，通过虚拟建模，在抽象模型中对应一个逻辑节点x c b r l ，若干 逻辑节点可以组成一个逻辑设备，例如间隔。根据逻辑节点要实现的功能，在逻辑节点 内部包含了系列的数据，如x c b r 中表示断路器开关位置的p o s ，这些数据有自己的数据 属性和数据服务。通常这些数据属性表达了系统的主要信息，信息通过标准定义的专有 服务进行交换。这些服务被定义成抽象通信服务，具体传输信息时，需要将抽象服务映 9 华北电力大学硕士学位论文 射到具体通信协议栈。图2 - 2 展示了i e c6 1 8 5 0 的建模方法川删“町 幽2 - 2 信息模型建立方法图 逻辑设备、逻辑节点以及它们包含的数据必须经过配置工具进行配置，配置的目的 是使它们能够与实际的信息关联起来，使数据的值拥有实际的含义。由此得出结论：逻 辑节点以及逻辑节点内部包含的数据是变电站自动化系统中信息描述和交换的关键。 2 2 2 2 信息建模方法 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机服务器结构数据 模型。一个i e d 包含一个或多个服务器，一个服务器本身又包含一个或多个逻辑设 备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构 成的公用数据类的命名实例。从通信而言，i e d 同时也扮演客户的角色。任何一个 客户可通过抽象通信服务接口( a c s i ) 和服务器通信可访问数据对象，如图2 2 所示。 其中服务器用来表示一个设备外部可见的行为。在通信网络中，一个服务器就 是一个功能结点，它能够提供数据，或允许其它功能结点访问它的资源：逻辑设备， 定义了一种虚拟设备，为了通信目的能够聚集相关的逻辑节点和数据。按照i e c 6 1 8 5 0 定义，一个实际的物理设备可以根据实际应用的需要映射为一个或多个逻辑 设备。有关逻辑设备的定义不是标准i e c6 1 8 5 0 的范围，在实际应用中可以根据需 求定义逻辑设备；逻辑节点，用来交换数据的功能的最小单元，一个l n 表示一个 物理设备内的某个功能，它执行一些特定的操作，逻辑节点之间通过逻辑连接交换 数据，如图2 3 所示。一个州就是一个用它的数据和方法定义的对象。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3i e e6 1 8 5 0 数据模型分层结构 为了适应这种分层数据模型，i e c6 1 8 5 0 - 7 - 4 给出了适用于变电站应用的兼容 逻辑节点类和兼容数据类的定义。逻辑节点类通过名字进行标识，在该标准中每一 个类的标识是唯一的。在实际使用时，可以通过名字来引用相应的类，这样就继承 了被引用类所定义的数据对象组和数据对象。数据对象组是逻辑节点的组件，代表 了一个特殊应用信息类别，可通过一套缩略词来标识。在这套标准中规定了命名方 法，按照命名方法每一个数据对象组的标识是唯一的。数据对象是数据对象组的组 件，代表了变电站特殊信息。数据对象可以通过一套数据对象缩略词来标识。在这 套标准中每一个数据对象的标识是唯一的。图2 4 表示了这种命名方法o ”。 l dl nd a t ad a t aa t t r i b u t e n a m en a m en a m en a m e m y l d q o x c b r l m o d e s t v a l 、， l o g i c a ln o d e r e f e r e n c e d a t ar e f e r e n c e d a t aa t t r i b u t er e f e r e n c e 图2 - 4i b c6 1 8 5 0 规定的对象饮用方法 华北电力大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 7 3 和i e c6 1 8 5 0 7 4 定义了1 3 个逻辑接点组、9 1 种逻辑节点名称 ( 参见表2 2 ) ，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。i e c6 1 8 5 0 7 - 3 ，i e c6 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。在“公共数据类”( i e c6 1 8 5 0 7 3 ) 中定义了基 本的数据类，对数据类的属性进行了约定“”3 9 “”1 。 表2 - 2i e c6 1 8 5 0 逻辑节点组列表 逻辑节点组逻辑节点名称逻辑节点组含义 ll l n 0l p h d 系统逻辑节点 pp b p rp d i rp h a rp s c hp t e fp z s up d i s 保护功能逻辑节点组 p v p h 刑vp d o pp d u p p t u cp t t rp i o c p t o cp v o cp o p fp u p fp t o vp h i zp d e f p p a mp 1 o fp t u fp d i f rr s y nr r e ci m p fr c p wr p s br f l o 保护相关功能逻辑节点组 r d r er d r ar d r sr m o n cc s w ic a l hc i l oc p o w控制逻辑节点组 gg a p cg g i og s a l 一般引用逻辑节点组 ii h m il t c 】i t m ii a r c 接口和存档罗杰节点组 aa t c ca v c oa r c o a n c r 自动控制逻辑节点组 mm m x um m t rm s q im h a im d i f 计量和测量逻辑节点组 xx c b rx s w ix c m ux a r cx p d c 开关场相关逻辑节点组 t愆z 灭r 矿玎z 仪用互感器逻辑节点组 yy p t ry l 丁cy e f ny p s h 变压器逻辑节点组 zz g e nz m o tz s a rz t c fz t c rz r r c其他电力系统设备逻辑节点组 z c a pz r e az c o nz b a tz a x nz c a b z g l l 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 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 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 a p 或i e c 6 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”h “”。 因此，即使电力系统生产相当复杂，信息传输响应时间的要求不同，在变电站 的过程内采用不同类型的网络，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 - 5 中应用过程和抽象通信服务接口是一样的，不同的网络应 1 2 华北电力大学硕士学位论文 用层协议和通信栈与不同的s c s ml s c s m n 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 多个通信协议集或栈。 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 t 应用过程 图2 - 5 映射到通信栈和协议子集的a c s i 2 2 4 采用配置描述语言实现设备的自描述 包含于i e c 6 i 8 砸的变电站配置描述语言( s c l ) 是基于x m l1 0 ，用于变电站 设备描述和配置的语言“”。它用于描述变电站i e d 设备、变电站系统和变电站网络 通信拓扑结构的配置，充分利用x m l 语言的自描述特性，建立了变电站、设备和通 信系统的对象模型“”。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。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。其 最终目的是为了在不同制造厂商的配置工具间交换系统的配置信息，实现互操作， 即作为信息集成的描述工具和转换工具。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。变电站配置描述语言的组成如图2 6 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图2 6 变电站配置描述语言的组成 2 2 5 面向对象的统一建模以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。 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 产品问的数据交换：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 本章小结 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，更意味着控制中心和变 电站之间也需运用i e c6 1 8 5 0 规约进行通信。i e c6 1 8 5 0 的最终设想是一个世界( 变 电站自动化世界，甚至更远分布式能量资源，甚至更远高级分布自动化) 、一种技 术( 分层、分布、统一建模) 、一个标准( 基于i e c6 1 8 5 0 的标准) 。本章首先介绍了 i e c6 1 8 5 0 规约制订的历史背景以及组成部分，然后重点分析了i e c6 1 8 5 0 规约的 主要技术特点，如分层分布的结构体系、面向对象统一建模、抽象通信服务接口对 各种通信网络与协议栈的适应性、提供自我描述的数据及服务等等，这其中重点介 绍了数据建模以及设备自描述方面的内容，为以后的章节打下基础。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于x m l 的变电站配置描述语言( s o l ) 简析 3 1x m l 技术 3 1 1x m l 简介 x m l 全称为e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，即扩展标识语言。x m l 是s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，通用标记语言) 的一个子集，或者说 是s g m l 的一种受限形式，目前正在成为i n t e r n e t 上数据描述和交换的标准，并且 将来会代替h t m l 而成为w e b 上保存数据的主要格式。x m l 类似于超文本标记语言 h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) ，是被设计成用于描述数据的一种语言。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，因此也受到了越来越 多的重视“”l 。 x m l 的精髓是允许文档的编写者制定基于信息描述、体现数据之间关系的自定 义标记，确保文档具有较强的易读性、清晰的语义和易检性。因此一个完全意义上 的x m l 文档不仅仅是“格式良好的”，而且还应该是使用了一套自定义标记的“有 效的”x m l 文档。一个“格式良好的”文档应该满足文档包含一个或多个元素，文 档中只存在一个称为根的元素或文档元素，该元素无任何部分出现在其他元素中， 元素必须正确关闭，元素不得交叉，属性值必须加引号。一个“有效的”x m l 文档 应该符合与之相对应的d t d ( d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ) 或s c h e m a ( 文档类型模 式) 3 1 2x m l 模式语言 3 1 2 1 文档类型定义d t d 文档类型定义d t d 是一套关于标记符的语法规则。它规定了可以在文档中使用 哪些标记，它们应该按什么顺序出现，哪些标记可以出现在其他标记中，哪些标记 有属性等等。d t d 最初是为s g m l 开发的，它可以是x m l 文档的一部分，但通常是一 份单独的文档或者一系列文档。x m l 本身并没有一个通用的d t d ，想使用x m l 进行 数据交换的行业和组织可以定义它们自己的d t d 。有了d t d ，一个x m l 解析器就可 以读取d t d 定义，在对一个x m l 文档进行有效性检验的时候，就可以确定文档是否 满足d t d 定义的要求。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2 2 文档模式语言w 3 cx m ls c h e m a d t d 作为x m l1 0 规范的重要组成部分，对于) 【l l 文档的结构起到了很好的描 述作用。但也存在一些缺点如：它采用了非x m l 的语法规则、不支持数据类型、扩 展性较差等，而x 橱l 文档处理的自动化要求有一种更为严格的、更为全面的解决方 案。x m ls c h e m a 正好解决了这些问题。从根本上讲x m ls c h e m a 实际上x m l 的一种 应用，就是将x m ld t d 重新按照x b i l 语言规范来定义，这充分体现了x m l 的自描述 的特性。 x m l 模式语言的一个目标就是描述了一套规则，定义了如何来构造一个有效的 x m l 文档。通过s c h e m a 来检查文档有效性的过程被称之为验证，通常包括创建具有 明确类型信息的二进制代码，然后再嵌入x m l 元素本身。这样，在将标记中的内容 换成外部指定预定义的字符串、时间或者数字的尝试时就会产生能够被处理器捕捉 到的错误。 s c h e m a 数据类型丰富，不但有整数、浮点数等常用的类型，还提供了自定义数 据类型的机制。而在d t d 中根本不提供数值数据类型，所有的文档内容都是字符数 据。s c h e m a 采用了名称空间( n a m e s p a c e ) 的机制，使得个x m l 文档可以调用多个 s c h e m a 文档，代码的重用性和可扩展性非常好。而一个x m l 文档只能使用一个d t d 文档，尽管d t d 可以通过参数实体机制来部分改变这种缺点，但还是严重地导致了 d t b 的继承和重用的局限性。由于使用s c h e m a 具有上述的诸多优点，i e c6 1 8 5 0 - 6 修改了草案中的d t d 定义，s c l 语言全部采用了w 3 cx m ls c h e m a 技术进行标准语法 定义。 3 1 3x m l 应用程序接口 在程序开发过程中，如果要对】( m l 文档进行访问与操作，必须通过能够识别x m l 语法的分析器来实现。x m l 分析器实际上就是一个对x m l 文档进行语法分析的d l l ， 应用程序正是通过分析器d l l 的接口实现对x m l 文档的识别与访问。在x m