（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850的变压器保护ied研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a st h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , q u a n t i t i e s o f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dl e da p p e a r e di nt h ef i e l do fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，w h i c h b r o u g h tn o to n l yt h ec o n v e n i a n c et ot h ei n t e g r a t i o no fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，b u t t h ep r o b l e mo fi n t e r o p e r a b i l i t y , t h a ti s ，f o rt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la d o p t e db y r e s p e c t i v em a n u f a c t u r e r so rt h es a m em a n u f a c t u r e ra tt h ed i f f e r e n tp e r i o d sw i l lb e d i f f e r e n t ，a n dt h ei n t e r c h a n g eo fi n f o r m a t i o nm u s td e p e n do nt h ep r o t o c o lc o n v e r t , a n dt h ec o s to fs y s t e mc o m m u n i c a t i o nw i l li n c r e a s e ，t h ef u n c t i o no ft h i ss y s t e m w i l lb ea f f e c t e d ，t h ef l e x i b i l i t yo fu s e r sw h e nt h e ys e l e c tt h ep r o j e c t so fs y s t e m s o l u t i o n sw i l lb el o w e r ，a n dt h eu p g r a d i n go ft h es y s t e m sf u n c t i o nw i l lb e d a m a g e d , t o o t oa c c u s t o mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , o n t h eb a s eo fd a t ap r o t y p eo fu c a 2 0a n da c c o r d i n gt om a n yc o n c e r n e ds t a n d a r d s ， i e d m a k et h ef i r s tw h o l ei n t e m a t i o n a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r ds y s t e mo n s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，t h a t i s ，i e c 6 1 8 5 0 b ya d o p t i n gm o d e l i n g o b j e c t - o r i e n t e d ，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 ea n dx m lt e c h n o l o g y , t h i ss t a n d a r dr e a l i z et h ei n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nt l i td i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s i e d 。 a n db yi n t r o d u c i n gt h em e c h a n i s mo fs 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 ，t h e s t a n d a r dc a nk e e p 叩w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t h o u tl o s i n gi t ss t a b i l i t y ， f i r s t l y , t h i sp a p e rd e e p l ya n a l y z e dt h ei e c 6 1 8 5 0 ，w h i c hi n c l u d e st h ea i m a n a l y s i so ft h ei n t e r o p e r a b i l i t ya n dp o i n t so u tt h ei n t e r o p e r a b i l i t ya i mc a r lb e d i v i d e di n t ot h ei n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e ni e d s ，t h ei n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e n a u t o m a t i o nf u n c t i o n s ，a n dt h el a t t e ri sa c t u a l l yt h ec a p a b i l i t ye m p h a s i z e db yt h e i n t e r o p e r a b i l i t yo fi e c 6 1 8 5 0 ，楚w e l la st h ea p p l i e dv a l u e ；t h es p e c i f i cs o l u t i o n st o i n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nt h ea u t o m a t i o nf u n c t i o n sa r em o d e l i n go b j e c t o r i e n t e d a n da 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 a n a l y s i s ，w h o s en a t u r e s i st h e s t a n d a r d i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o nd a t aa n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ；a n o t h e rk e yt o r e a l i z et h ei n t e r o p e r a b i l i t yo f i e c 6 1 8 5 0i st h ec o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n t a n a l y s i s ，t h u st h ef e a t u r e so fl e di e c 6 1 8 5 0 - b a s e dc o m e so u t t a k es u b s t a t i o n p r o t e c t i o nl e df o ri n s t a n c e ，t h ew h o l ec o m m u n i c a t i o nd a t am o d e lt h a ti n c l u d e s 西南交通犬学硕士研究生学位论文第lii 页 d a t aa n ds e r v i c ei se s t a b l i s h e d ；w i t ht h es t u d yo fi e c 6 1 8 5 0s o f t w a r e ，t h ej a v a p f 礴锻a n ds y s t e mf i g u r e , w h i c ha r ct h em i n i m u mf u n c t i o nu n i to fl o g i c a ln o d e c l a s si se s t a b l i s h e d , t o o ；t h em o d e l i n gs t r u c t u r a ld e s i g no ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n h a r d w a r ei si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a tl a s t , w i t ht h es c lb a s e do i lx m l , t h e c o n f i g u r a t i o no ft h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni e di sd e s c r i b e d k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o mi e c 6 1 8 5 0 ；i n t e r o p e r a b i1it y ：i e d ： t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 变电站是电力系统中不可缺少的重要组成部分，它担负着电能转换和分 配的任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用l ”。 随着微处理器技术的发展，基于微处理器的智能电子设备( i n t e l l e g e n t e l e c t r o l i c a ld e v i c e ，i e d ) 1 2 j 在变电站中的应用越来越广泛。i e d 具有如下 特点： 采用单个具有复杂功能的i e d 取代保护、测量、控制、事件和故障记 录等多个装置，从而降低设备空间、简化接线、降低投运与维护成本： 具有较强的通信能力，使变电站的信息集成成为可能。 i e d 问通信的最大好处是实现了分层分布式变电站自动化系统控制分散、 信息集中【3 1 的的目标。另外，通信使得变电站电缆沟内数量众多的传统电缆被 几根通信光纤取代，信号传输的可靠性大大提高，设备安装和维护费用大大 降低。 网络通信技术的发展为变电站中i e d 间的通信从技术上提供了支持。经 过多年的发展，变电站自动化系统的通信网络已经实现了从早期的r s 4 8 5 串 1 3 到现场总线，。再到以太网的进步1 4 1 。 i e d 间通信面临的最大问题就是不同制造商、或者是同一制造商在不同时 期的i e d 所采用的通信规约与用户接口可能都不相同，造成i e d 间不能共享 信息，这就是所谓的“自动化孤岛”问题。“自动化孤岛”问题不仅造成了软、 硬件设备的重复投资，还增加了变电站的运行维护成本。 早在上个世纪8 0 年代末期，国际上就提出采用系统集成的方法解决“自 动化孤岛”问题，也就是建立一个标准化的、开放的系统平台，以达到互操 作性的目的。所谓互操作性是指同一制造商或不同制造商的两个或多个i e d 间相互交换信息并使用这些信息进行协调工作的能力【2 1 。如果i e d 之间能够进 行互操作，进而由i e d 组成的自动化子系统之间、以及子系统与调度中心之 间的互操作就可能实现。 传统的通信协议虽然经历了从c d t 到p o l l i n g 5 】的变化，并由专用协议发 展到标准协议，但大都是规范变电站自动化系统外部的通信行为，还没有一 个统一的国际标准来规范变电站自动化系统内i e d 间全部的通信行为。目前 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 贾 豹馕瑷是龟疆金鼗称准，区域标准秘i e c 蠡准在蠹懿多耪逶信资议劳存。多 种协议的采用使褥不丽制造商的i e d _ 乏闻交换信患必须邋道协议转换，这样 增加了系统通信成本，并影响了系统的实时性能。专用设备及专用规约的使 用，也降低了用户选择系统解决方絮的灵活性，不利于系统的功能升级或扩 展。 ， ， l ，2l e e 6 1 8 5 0 熊搓出和割定 为了适应变电站自动化技术的迅遮发展，i e c 意识到应该制定一个更通 用、更全面、能够糍盖整个变电站的通信网络和系统标凇，该标准的目标是 形成一个标准的开放式的变电站自动化通信体系，使得来融不同制造商的i e d 之闯实现良好的曩攥终健，著能适应遴信技术的快速发燧，从恧满是用户对 撵凑系统霹靠毪、竣多重复投资帮降甄维护或奉熬嚣求。 1 9 9 5 年，i e c t c 5 7 成立了3 个z 佟缀( w 6 1 0 1 1 1 2 ，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。3 个工作组有明确的分工，第l o 工作组负责变电站数据通信协议的熬 体描述和总体功能疆求；第117 - 作缀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 2 1 。 缀抉发现，在l 嚣磅究裁定i e c 6 1 8 5 0 熬弱时，e p r i 像递进行# c 矗2 。0 豹 割定，莠诗麓密i e e e 出藏。为避免鞫辩密现两个标准，1 9 9 8 年，i e c 强5 7 、 e p r i 、i e e e 进行接触并达成共识：托美将其研究起翠的i e 旺标准苹察 u c a 2 0 ( 已作为i e e e 技术报告t r r ft r1 5 5 0 发表) 提交给i e c ，由i e c 牵头继 续负责制定i e c 6 1 8 5 0 ，标准制定出来爝将作为世界上噍现行标准。 1 9 9 9 年3 月，工作组提出了委员会草案叛本，两螽，糨继提出委员会投 鬃鼙案( c o m m i t t e ed r a f tf o rv o t i n g ，c d v ) 叛零、国器撅潦最终草案( f i n a l d r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，f d i s ) 版本，截止2 0 0 4 霉巍，除i e c 6 1 8 5 0 一1 0 ( 一致性测试) 外，标准的其余部分融经全部出版f 1 4 l 。 标准以u c a 2 0 的数据模型和服努为基础，参考和吸收了已有的许多相关 标准，包括i e c 6 0 8 7 0 - 5 系列、u c a 2 0 、i s o i e c 9 5 0 6 等。 i e c 6 1 8 5 0 是关于交电菇鑫动纯系统豹第一个完整的灏塔递售标准搏系，。 不仅定义了交电鳐巍淤纯系统豹逶蘩鼗求彝数摇交换，逐黠整个系统豹逶穰 网络和体系结构、对象模型、项目( 缀织、配置、文档翻安全运行) 管理擦 制、测试方法等进行了全面详尽的描述和规范。标准包括的系列文档如图1 - 1 所示。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文。第3 页 基本蹑刚 p a r t8l ! 竺竺18 竺竺! | l | ! ! 竺兰5 i ! ! 竺： i e i 耐s t a c ki 耐8 l a c ki i s t a c i k3 t “ bh l 一致性测试 p a r t l p a r t 2 p a r t3 p a r t 4 p a r t5 p a r te p a r t 7 p a r t9 p a r t l 0 图卜li e c 6 1 8 5 0 标准包括的系列文档 与传统的通信协议相比，i e c 6 1 8 5 0 在技术上具有以下突出特点： 使用面向对象建模技术； 采用分层、分布的结构体系； 使用抽象通信服务接口和特殊通信服务映射技术； 实现i e d 间的互操作性； 提供自我描述的数据对象及其服务。 i e c 6 1 8 5 0 的引入将对变电站自动化系统产生深远的影响： 不同制造商的设备之间能自由地交换信息 系统的扩展和开发更加容易 系统能适应网络技术的飞速发展 支持不同的和变化的系统原则 i e c 6 1 8 5 0 不仅用于变电站内通信，而且将用于变电站和控制中心通信【1 2 l ， 这样，从过程层到间隔层、从间隔层到变电站层、从变电站到控制中心都是 采用i e c 6 1 8 5 0 ，最终实现整个电力系统的无逢通信。 1 3i e c 6 18 5 0 标准的国内外研究现状 ， 1 3 1 国外研究现状 早在i e c 6 1 8 5 0 标准的制定过程中，美国、德国、荷兰等国就有示范工程， 用来验证标准，并通过实践柬促进标准的进一步完善。 除此之外，在不同制造商产品间进行了大量的互操作性实验【1 3 1 ( 图2 - 2 糯一一一一一一一一一一 西南交通犬学硕士戳究生学位论文第4 页 所霹为其串静一个典整实验) 。通过运黧实骏，一方磊辫i e c 6 1 8 5 0 搽潦草案 懿疆魂缝、会瑾链避霉了验瀵秘溪试，势壤撂实验结果瓣糠凌草案透抒掺改， 另一方面，在考虑工程实现的情况下，各个厂家进行了样机( 变电站搬站软 件和间隔层i e d ) 的研发、技术的积累，以殿对标准理解、窳现技术的相互磨 含，最终使各个厂寒粒产品翻系统达测了霹离建应用鲮求学。在2 0 0 4 年筑 c i g r e 薹黎震燕会t ，a r e v a 成动蟪演器了m i c o m p 4 稿薤褰豢笋强阉疆 颡羧萃元c 2 5 4 鸯巍c t 、p t 魏五联。 鬻2 2 簿隧瀑设备之惩豹互操箨牲实骧 1 3 2 国内研究现状 从标准的草糕颁布开始，圆内相必部门、企业和高校就成立了专门的课 题小缀全殛跟踪秽谚突i e c 5 1 8 5 0 静蠼蔟发震动囱，许多大懿公逮如露璇、题 骞、电秘箍、专牟缝、泰方毫予簿聱京积投遂行产螽懿嚣发磅翁，鼓运嬲簿甄 系统集残费震鞍懿妒成本，究转剽璃系统瓷漂，提蹇系缝霹纛性豹譬瓣。 中国电力众她联合会于1 9 9 9 年1 1 月份成立专门王俘缀，组织了阑内大 数东造赛帮磅定辍擒对该标壤漾嚣磷究秘消铯，莠予2 0 0 3 霉鬟入龟秀蟹蝗穆 订计划，2 0 0 4 箨转他为我国泡力行救标漆，这为该协议程我蘑大范围的维广 应嬲锻造了良好黝环境和袈榉。 2 0 0 5 年5 舞1 0 毽，国谣审心在j 塞臻媛避行了蓄次氨搽器侄实虢，实骏 使愆了嚣舔毅藏筋i e c 6 1 8 5 0 镑谈努掭款磐避褥篮霞露努辑，参热萃霞鸯亵垂、 南瑞、四方、电科院等。实骏取得了豳满成功，并讨论决定第二次实验着重 考虑s c l 配置方雠的内容。 霹漂题研究购意义及零论文瑟徽瓣工作 t e c 6 1 8 5 0 怒逡今笼立交洚宠善豹变毫辩彝动佳逶蕊标礁，宅毅实瑗互搡 作性为主要目标，通过采用以太网、磷向对象建模、x m l 髂童流技术，彻底解+ 决了不同厂商产黥滋法互联熬溺题，鞠戴经提出便获褥了广泛款欢憋。忿 荚静器大厂家纷纷渡弃鑫己弱艘约，转两支持和致力予i e c 6 1 8 5 0 豹歼发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 “中国是世界的中国，国际的标准就是中国的标准”。采用国际标准既有 利于紧跟世界先进技术的潮流，也有利于国产变电站自动化产品走出国f 1 参 与国际市场的竞争。 微机保护作为变电站自动化系统的主要i e d ，具有功能强大，集成度高、 配置灵活，可集成多种类型保护和辅助功能等特点。本文通过采用i e c 6 1 8 5 0 进行变压器微机保护的设计，对i e c 6 1 8 5 0 应用于l e d 的设计做了一些探索， 具体包括以下内容： 1 通过对i e c 6 1 8 5 0 标准的深入分析，包括其通信体系结构、功能分解 为逻辑节点、面向对象的建模、抽象通信服务接口、特定的通信服务 映射以及系统项目管理等，归纳得出基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自 动化产品特点。 2 以变压器保护i e d 为例，对其功能进行分析，并采用i e c 6 1 8 5 0 标准 建立了完整的数据模型，包括信息模型和服务。在对变压器保护l e d 建模的过程中，深入分析了i e c 6 1 8 5 0 标准中的各种a c s i 模型及其与 i e d 功能实现之间的关系。 ， 3 基于2 中提出的变压器保护l e d 数据模型，采用完全面向对象的编程 语言j a v a 对变压器保护i e d 的软件实现进行了研究，给出了功能最 小单位逻辑节点类的设计以及系统流程图。 4 给出了变压器保护l e d 的硬件实现方案。 5 采用基于x m l 的s c l 对变压器保护l e d 配置进行了描述，并对i e d 专 有工具i e d 配置器进行了介绍。 西南交通大学硕士研究生掌俄论文第6 蕊 第2 室基于le 0 6 t8 5 0 的l 固特点分析 2 1 引言 实瑗不翦割适蹇l e d 阕豹互掇作幢是i e c 6 1 8 5 0 最主要熬曩标，为她 i e c 6 1 8 5 0 建立了完整静技术支持镩系，+ 包括瑶态对象的结秘俄信息模墼、 致且确定的信息语义殿语义约定规则、与信息模型进行了面向对象封装的通 信服务、针对现有通信技术和性能甏求的通信协议栈映射等嘲。通过对这热技 寒豹实魏，菠应强i e c 6 1 8 5 0 设计载i e d 具有稳镣绕鼹交毫遮鑫动纯产瑟宪全 不同的特点。 2 2l e c 6 18 5 0 标准分析 2 2 分墨懿透繁体系结梅 i e c 6 1 8 5 0 按照黛电站自动化系统所要完成的监视、控制、保护三大功能， 从逻辑上和物理上，都将交电站自幼化的通信体系分为三层，即变电站屡、 阑蕊屡秘过程县，劳慧定义了层与艨之闻豹逻辑逶信接口( 以下麓稼接嗣) ， 鲡图2 1 所示 骞垂蘸蠢， 。 纛擞囊誊 闰2 - 1 分层的变电站自动俄通信体系 过程层主要完成开关量i o 、模拟量的采样和控制命令的发送等与一次设 冬援荚瓣功能，通过绥疆4 、5 与瓣骣层逶揍。该蘑设冬主要是远方i o 、智 能传黪器和传动机构， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 间隔层主要是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用。间隔层 通过接口4 、5 与过程层通信，通过接口3 完成间隔层内部的通信功能。该层 的物理设备主要包括每个间隔的控制、保护或监视设备 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 隔或全站的的信息对多个间隔或全站的一次设备发生作用的功能，如母线保 护或全站范围的联锁等，通过接口8 完成通信；二是与接口相关的功能，主 要是指变电站自动化系统与本地运行人员的人机界面的接口( h u m a n m a n c h i n ci n t e r f a c e ，h m i ) 、与远方控制中心的接口( t c l cc o n t r o li n t e r f a c e ， t c l ) 以及与远方监视和维护工程师站的接口( t c l c m o n i t o r i n g i n t e r f a c e ，t m i ) ， 通过接口1 、6 、7 完成通信功能，通过接口9 完成变电站层内部的通信功能。 变电站层的物理设备主要包括带有数据库的变电站计算机、运行人员的操作 平台、远方通信接口等。 和现有的大多数变电站自动化系统不同，i e c 6 1 8 5 0 分层的通信体系中引 入了过程层与过程总线通信两个新概念，这是m c 6 1 8 5 0 对传统变电站通信协 议体系的重大突破之一，也是与高压设备新技术的发展相适应的。 随着电子式互感器、智能化断路器以及新型传感器等数字化、智能化和 集成化的一次设备在变电站自动化中的应用，将有越来越多的间隔层功能下 放到过程层。在此基础上，随着光纤通信技术的发展，可将过程总线和站级 总线合二为一，采用扁平化的通信结构，在站内形成强大的数字高速公路， 将各个i e d 连接起来，实现所有一次、二次设备信息在光纤信息网上交换， 并对目前监视、控制、保护和计量等功能进行优化组合和系统集成，从而形 成高度集成的变电站自动化系统，这是变电站自动化系统的未来发展趋势。 其优势体现在：变电站电缆沟里数量众多的各种电缆，将被为数很少的几根 通信线所取代，大大节约了变电站的新建或改造费用；通过对通信接口标准 化，变电站设备实现即插即用成为可能，方便了调试维护，变电站建设周期 也将大大缩短；采用数字化技术后，整个变电站的信息容量将得到大幅度的 提升，状态检修成为可能，从而大大降低整个变电站的运营维护成本。 2 2 2 变电站自动化系统的功能、逻辑节点和物理设备 变电站自动化系统所要执行的任务称为功能，包括控制、监视、保护变 电站的设备和馈线以及系统配置、通信管理、软件管理等。 i e c 6 1 8 5 0 分层的通信体系决定了功能在物理设备( 或l e d ) 中的分配不 是固定的，分配的方法和策略取决于可用性要求、性能要求、价格约束、技 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 术水平和公司策略等。为了实现功能自由分配到i e d ，且不同制造商的i e d 实现的功能之间具有互操作性，将功能进一步分解为许多子功能，称为逻辑 节点( i _ c 2 i c a ln o d e ，l n ) 。通过对逻辑节点之间的通信性能进行标准化，实 现了逻辑节点之间的互操作性，进而实现了由逻辑节点组成的功能之间的互 操作性。功能、逻辑节点和物理设备间的关系如图2 - 3 所示，图中完成两个 功能f 1 、f 2 ，这两个功能被进一步分解为逻辑节点l n l - l n 6 以及三个逻辑 节点零( l n 0 ) 分别驻留在三个物理设备( p d l 一p d 3 ) 中。 图2 - 3 功能、逻辑节点和物理设备问的关系 逻辑节点作为变电站自动化功能的最小单位，是一个封装了数据和服务 ( 或方法) 的对象，数据表示特定应用含义，服务实现对数据的控制或操作， 进而实现逻辑节点所代表的子功能。图2 4 所示为断路器逻辑节点x c b r 及 其中的两个数据m o d 和p o s ，m o d 表示断路器当前的运行模式，p o s 表示断 路器的位置。 。 图2 - 4 逻辑节点中的数据 逻辑节点间通过逻辑连接相连并实现数掘的交换。任何一个逻辑连接都 要映射到某一个物理连接，一个物理连接可能包含多个逻辑连接。 逻辑节点间的数据交换采用通信信息片( p i e c eo fi n f o r m a t i o nf o r c o m m u n i c a t i o n ，p i c o m ) i n l 描述，包括性能要求、逻辑节点分配和操作的 状态以及原因。根据性能级的不同，p i c o m 分为七种报文类型，详见参考文 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 献【1 1 】【1 6 】。 逻辑节点和p i c o m 的引入，使变电站自动化系统的通信要求变得具体和 可量测，有助于在变电站设计阶段将自动化功能在物理设备中合理安排，从 而减轻系统通信网络的负载，在保证互操作性的同时，提高系统的可靠性和 响应能力。 2 2 3 面向对象的统一建模 为了实现互操作性，要求逻辑节点必须能够解释并处理接收的数据( 语 法和语义) 和采用的通信服务，i e c 6 1 8 5 0 通过采用面向对象的技术对变电站 自动化i e d 的功能及其相互间交换的数据按照统一的格式建模，实现了逻辑 节点及其数据的标准化，进而保证了由逻辑节点组成的i e d 、功能之间的通 信以及i e d 之间的互操作性。 面向对象的技术是随着计算机技术和软件技术的发展而出现并逐步成熟 起来的，它使人们分析、设计一个系统的方法尽可能接近人们认识一个系统 的方法。其基本思想是，对问题域进行自然分割，以更接近人类思维的方式 建立问题域模型，从而使设计出的软件系统尽可能直接地描述现实世界，构 造出模块化的、可重用的、可维护性好的软件，并控制软件的复杂性和减少 开发维护费用。 i e c 6 1 8 5 0 采用面向对象的技术建立的数据模型实例如图2 - 5 所示。 面向对象技术的关键在于类、对象、继承、抽象、封装等概念的提出和 应用。变电站自动化系统内面向对象技术的应用主要涉及到以下几个特性和 要点： 7 1 ) 类产生对象的模板，是对用于完成某些功能的属性( 数据) 和方法( 服 务) 的抽象和聚合。类可以被看作是对某些事物或过程的描述。类所具有的属 性代表类所描述的状态信息。而类包含的方法定义了类所支持的操作。类分 为抽象类和具体类。抽象类是没有直接实例的类，具体类是有直接实例的类。 例如，逻辑节点类是一个抽象类，而兼容逻辑节点类就是若干具体类。 2 ) 对象是类的实例。“实例化”过程就是从类产生对象的过程。每个对 象具有一个独一无二的标识，因此即使两个对象所有的属性值完全相同，这 两个对象也是不同的。 3 ) 继承是在基于层次联系的多个类中，共享它们的属性和操作。类可 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 $ 日，e r 1 能l 正l 上q 翻址 融雌 门噩r 门南。 习稿石订 im u x c 躲1x c b r j 旦叫 审匮口。 冈。声辛 压五百司 f l 隔赢司嘴雌 瑟：i 器! 震 图2 5i e c 6 1 8 5 0 的数据模型实例 以从一个或多个类继承，得到它所继承的类的属性和方法并与自己的个性紧 密结合，通过继承可以很方便地实现应用的扩展和已有代码的重复使用。继 承表达了类之间的相交关系，从而避免了数据和方法的大量重复。例如兼容 逻辑节点类继承自逻辑节点类，公共数据类继承自数据类等。 4 ) 封装是将数据和与数据有关的操作集合放在一起形成对象，用户不 必知道对象行为的实现细节，只需根据对象提供的外部特征接口访问对象。 因此，从用户的角度看，对象的数据和行为就像在一个“黑匣子”里，是不 可见的。 ， 5 ) 可重用性抽象，继承，聚合，封装等协同作用从而实现了可重用性。 其中继承机制的使用是实现共享和提高重用程度的主要途径。 在变电站自动化系统中采用面向对象技术具有以下好处： 1 ) 面向对象技术具有的数据封装特性彻底消除了传统结构化方法中数据 与操作分离所带来的种种问题，提高了程序的可复用性和可维护性。 2 ) 对象的数据封装特性还可以把对象的私有数据和公共数据分离开，保 护了私有数据，减少了可能的模块问干扰，达到降低程序复杂性、提高可控 性的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 ) 对象作为独立的整体具有良好的自治性，即它可以通过自身定义的操 作来管理自己。一个对象的操作可以完成两类功能，一是修改自身的状态， 二是向外界发布消息。当一个对象想要影响其它对象时，只需调用其它对象 自身盼方法，而不是直接去改变那个对象。对象的这种自治性能使得所有修 改对象的操作作为对象自身的一部分存在于对象整体之中，维护了对象的完 整性，有利于对象在不同环境下的复用、扩充和维护。 4 ) 对象通过一定的接1 3 和相应的消息响应机制与外界相联系。这个特性 与对象的封装性结合在一起，较好地实现了信息的隐藏。即对象成为一个使 用方便的。黑匣子”，其中隐藏了私有数据和细节内容。使用对象时只需要了 解其接1 3 提供的功能操作而不必了解对象内部的数据描述和具体的功能实 现，从而增加了系统的健壮性。 5 ) 面向对象技术的采用实现了模型的可重用性，标准化的模型和模型间 的继承、派生关系使得系统设计更加容易。 6 ) 类集的使用为系统提供了“模板”，简化了系统的重构和扩充。 7 ) 由于许多问题可以在对象内部由对象自己解决，因而降低了系统的复 杂程度，便于系统的维护。 8 ) 采用面向对象技术，使得通信与应用数据相对独立，从而使得对数据 维护、扩展、计量等方面的支持具有高度的灵活性。 2 2 4 抽象通信服务接口 电力系统传输的信息有轻重缓急之分，i e c 6 1 8 5 0 5 采用不同的性能级对 变电站传输的信息等级进行了详细的规定和介绍【1 6 1 。不同性能级的信息传输 对底层通信技术的要求不同，例如为了保证跳闸信息传输的高实时性要求， 避免在通信堆栈造成延时，应用层的p d u 经表示层编码后直接映射到数据链 路层和物理层，传输层和网络层均为空1 2 1 1 。， 通信技术的飞速发展，使人们更倾向于采用新的、性能更好的通信技术。 但变电站自动化的特性要求能保持系统的长期稳定性，同时标准也要在适应 通信技术飞速发展的同时保持一定的稳定性。 传统的自动化制造商使用的通信协议基本上是自己创建一个从底层到顶 层的专有协议，设计者可能选择现有网络中的某一层作为实现通信的标准， 不同设计者选择的网络层可能不同，因此很难实现互操作性。 基于以上三个原因，即能够满足变电站信息传输的不同要求、满足系统 和标准适应通信技术的发展以及满足互操作性要求，i e c 6 1 8 5 0 根掘电力系统 西南交通大学硕童研究生学位论文第1 2 贾 豹特煮，蓉臻了交惫筵蠹信惠黄羧簸努鬟戆逶售服务，袋溺嚣鸯对象戆毅本， 在应用层之上定义了一套和其体的弼终技术和通信协议觅获的通信服务，称 为抽象通信服务羧闷( 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 ，a c s i ) 。 a c s i 包括以下模型： 服务器( s e r v e r ) ：代表一个设备的外部可视行为。 逻辑设螽( 瓣i g e a 王，d e v l c 黪) ：是逻辑节熹兹缀金。 逻辑节纛( l o g i c a l - n o d e ) ：表示一耱交龟蘩爨谚 二特定的魂髭。 数据( 讹) ：提供一种手段去规定类型信息。 数据集( d a t a - s e t ) ：一组数掘或数据属性对象引用的集合。 取代( s u b s t i t u t i o n ) ：支持用一个远方设定值取代过程值。 定值组控制块( s g c b ) ：定义她侮切换定值区以及修改定值。 壤誊秘 乏袋控毒l 凌 r c b 、l c b ) ：搐述了墓予客户设置懿参数集产惫 报告和记蒙的条件。 通用变电站事件( g s e ) 控制块：提供了系统范围内快速、可靠的数据 发送g o o s e 和i f 间对等的二进制状态信息( 例如跳闸信号) 的交 换。 采样蓬掩输控制块( s v c b ) ：掇珙快速、周期性翳袋撵篷传输，分为 多熹簧赣( m u l f i c a s t ) 嚣蕈患臻辕( u n i c a s t ) 。 控制( c o n l r o l ) ：描述控制服务，例如控制设备。 时间和时间同步( 面m ca n dt i m e s y n c h r o n i z a t i o n ) ；为设备和系统提供 时间基准，具体在特殊通信服务映射中实现。 文件传输( f i l e ) ：定义了大的数掘块( 例如程序) ，的交换。， 瘫曩关联( a p p l i c a t i o na s s o c i a t i o n ) ：控铡不嚣类麓懿设备阉翔谤逶 信，主要盘关联( 包含两方和多点传送) 类定义秘访闯权限的控销漾 理组成。 a c s i 模型撮供了变电站设备间信息交换的两种模式：客户h i 务器( c s ) 模式和对等网络( p e e r t o - p e e r ) 模式，如图2 6 所示。 嚣南交通大学磺士礤究生学位论文第1 3 贾 抽象逢毽疆舞 蓑墨j 务 y o 数据 f o 数据 图2 6a c s l 通信模式 a s c i 提供了蠛过虚拟镜像访问真实数据和真实设铸的途径。代表设备真 实数据的虚拟镜像通过a s c i 服务变成可视和可访闯，任何别的设备、控制器、 纂至s c a d a 系统、缳护系统或者王稔系统都可经用a c s l 骚务器这些设备纛 操作。 。 。2 2 5 特定的邋信服务映射 。 a c s i 是在应用层之上定义的一种抽象服务。抽象是指a c s i 着重描述通 信服务的具体原瑷，即通信对象本搿以及如何对这些对象进行访问，而有关 设备闻交换的具体报文及编码并未与服务同时定义，羁她具体实现对，要将 a c s i 骚务、对象秘参数映戆至g 一耱樊髂豹镑滚援上，垂终议残戆应瑁瑟提供 其体的报文编码。 i e c 6 1 8 5 0 采用特定的通信服务映射( s p e c i f i cc o n u n u n i c a t i o ns e r v i c e m a p p i n g ，s c s m ) 来实现a c s l 服务到不同协议栈的映射，如图2 7 所示。不同 的s c s m 对应着不嗣的协议栈实现，例如变电站层和间隔膜之间的通信采用 i e c 6 1 8 5 0 - 8 攒述静s c s m ，h p 映射烈m m s + 曩弼臻+ 以太潮i ，恧闯薅层帮j 窭 程瑟之蠢熬逶蕊采麓i e c 6 1 8 5 0 - 9 箍逑瓣s c s m ，瑟耋按浚垂季戮应雳垂手数摄链 路层+ 物理层1 2 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第1 4 页 圆 皿圆一层，s 通信栈 图2 7 a c s i 服务到不同协议栈的映射 a c s i 和s c s m 结合起来，实现了应用和具体通信技术的分离，一方面保 持了系统的长期稳定性，保护了应用投资；另一方面，使变电站自动化通信 技术的选择具有很大的灵活性，任何满足电力系统信息传输要求的通信技术 都可以选择，例如现在选择将变电站层和间隔层之间的通信映射到 i s o i e c 9 5 0 6 即m m s 上，将来技术发展出现了更好的应用层协议，a c s i 不 变，只需修改相应的s c s m 即可。 2 2 6 系统项目管理 一 实现一个完全符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统是一项系统工程。 用户的需求不尽相同，制造商必须依据i e c 6 1 8 5 0 标准为不同的用户提供最合 适的解决方案，因此无论对用户还是制造商，系统项目管理都是非常重要的。 系统和项目管理包括以下内容“”： 系统及其i e d 的生命期； 工程化过程及其支持工具： 始于研发阶段、迄于s a s 及其i e d 的停产和退出运行的质量保证。 其中工程化过程是指通过特定工具进行定条件的创建和文档化，使变 电站自动化系统适用于特定的变电站和用户的要求。 工程化工具包括项目管理、参数化和文件化工具：， 项目管理解决的是选择结构和i e d 配置、i e d 与过程环境之间的接口等所 要求的s a s 任务的技术概念问题。 参数化即s a s 参数集的产生过程。参数就是控制和支持s a s 及其i e d 的 硬件配置ji e d 的软件、过程环境、与不同支持工具的h m i 、远方通信环境的 龋南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 数据。根据处理方法和输入程序，参数分为配置参数和工作参数；根据来源 和功能，参数分为系统参数、过稷参数帮功能参数。 文 牛化即投据一定的标准对s a s 所肖项耳及其与p e 联结的特点的参数进 行描述。文件化包括：所有s a s 元件稀p e 之间联结的硬件文件化、在参数化 过程孛确定教爨有内帮参数戆文绺纯。文 孛纯痘整助孳：类似e 始熬羧划工其 的输入值产生硬件文件，并借助予束自参数化正具的源参数集产缴参数文件。 参数交 睾佬工爨应熊檬据实际焉谂豹不鬻雨灵活产蔓部分文俘，翻蠡逡动落 息的参考表、按i e d 地址分类的信息表、联锁功能凰等 工稔工具采用以硎l 1 o 为基础的变电站配置语言( 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 ) 。s c l 提供了文终橇式，袋撼述 与通信相关的i e d 结构和参数、通信系统结构、开关间隔结构以及它们之间 懿关系。参数文舞懿糖述方法霞褥套不潮嘉l 遣巍豹i e d 工程工吴鞫系绞王程 工具之间能够以某种兼容的方式交换文件数据。 交毫菇内静每个i e d 郡有翻逸商提供的一个专丽工兵称为l 翰配嚣器， 这个配置器必须能够输入输出按照i e c 6 1 8 5 0 标准定义的配置数据。它提供 i e d 的专用定值，产生i e d 特定的配置文件并能将配置文件下载捌i e d 中。 系统配萋器是系统顼要管理过程孛攮到斡另终一个工程工昊。系绞配委 器独立予i e d 配置器，它熊够输入输出按照i e c 6 1 8 5 0 标准定义的数据。它 获鼗个i 秘孛获得配鬟文 串，彳乍梵系统镑瑾基静需要，蠢赉配霉王程瓣僮爰， 增加不同i e d 所共享的信息，产生由i e c 6 1 8 5 0 标准规定的变电站相关配置文 件，该文件作沟系统相关i e d 配殿反馈给i e d 配置器。 。 执纾i e c 6 1 8 5 0 系统碾题管理标准。不仅霹以提舞制造企业囊身豹篱理水 平，另外，通过为用户提供灵活、标准化的系统管理工具，在降低用户维护 袋本戆圈舞，逐霹戮释低开发戒零彝售菇羧务成本。 ， 2 3 基乎l e c 8 1 8 5 0 鲍l e d 特点。 通过上述对照c 6 1 8 5 0 栋准的分析，可以赡纳得出基予i e c 6 1 8 5 0 的i e d 的一些主要特点；， l 绞嘉数字透揍与其它i e d 避行秘调琵合。 目前变