（高电压与绝缘技术专业论文）iec61850通信体系的研究和实践.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 i e c 6 18 5 0 标准“变电站通信网络与系统”，是基于通用网络通信平台的变电 站自动化系统唯一标准，反映了变电站自动化技术的发展方向，引起了国内外电 力工作者的广泛关注。 本文对i e c 6 1 8 5 0 的通信体系进行了深入分析和研究，介绍了应用实践工作， 总结了研究成果，主要内容包括：i e c 6 1 8 5 0 标准的基本原理分析；制造商信息报 文规范m m s 基本原理分析：i e c 6 1 8 5 0 通信软件的实现和应用等。本文的研究成 果，将促进基于i e c 6 18 5 0 标准的新型变电站自动化产品的研发和应用。 关键词：i e c 6 18 5 0 ，面向对象信息建模，变电站配置语言，变电站自动化， 制造商信息报文规范 a b s t r a c t i e c6 1 8 5 0 “c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n ds y s t e m si ns u b s t a t i o n s ”w h i c hl st h e o n l y o n ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rs u b s t a t i o na u t o m a t i o nb a s e do n g e n e r a l c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m s ，r e f l e c t st h et r e n do 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 ，a n d a r o u s e se x t e n s i v ec o n c e r no fp e o p l ew h oa r ee n g a g e di np o w e rs y s t e mf i e l d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l e so fc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，i n t r o d u c e s a p p l i c a t i o np r a c t i c ea c t i v i t y ，a n dc o n c l u d e st h er e s e a r c hr e s u l t s t h ek e r n e lc o n t e n ti s a s f o l l o w s ：a n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fi e c 6 18 5 0c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ， a n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fm 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 ，i m p l e m e n t a t i o na n d p r a c t i c eo fc o m m u n i c a t i o ns o f l w a r ea c c o r d i n gt oi e c 6 18 5 0 t h er e s e a r c hw i l ls p e e d t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n p r o d u c t b a s e do n i e c 6 18 5 0 y a n gj u n w e i ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n ga 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 q u a ny u s h e n g k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ，o b j e c to r i e n t e di n f o r m a t i o nm o d e l i n g ，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 ts u b s t a t i o na u t o m a t i o n ， m a n u f a c t u r i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 i e c 6 1 8 5 0 标准“变电站通信网络与系统”，是基于通用网络通信平台的变电 站自动化系统唯一标准，反映了变电站自动化技术的发展方向，引起了国内外电 力工作者的广泛关注。 本文对i e c 6 18 5 0 的通信体系进行了深入分析和研究，介绍了应用实践工作， 总结了研究成果，主要内容包括：i e c 6 1 8 5 0 标准的基本原理分析；制造商信息报 文规范m m s 基本原理分析；i e c 6 1 8 5 0 通信软件的实现和应用等。本文的研究成 果，将促进基于i e c 6 1 8 5 0 标准的新型变电站自动化产品的研发和应用。 关键词：i e c 6 18 5 0 ，面向对象信息建模，变电站配置语言，变电站自动化， 制造商信息报文规范 a b s t r a c t i e c6 1 8 5 0 “c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n ds y s t e m si ns u b s t a t i o n s ”w h i c hi st h e o n l yo n ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rs u b s t a t i o na u t o m a t i o nb a s e do ng e n e r a l c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m s ，r e f l e c t st h et r e n do 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 ，a n d a r o u s e se x t e n s i v ec o n c e r no fp e o p l ew h oa r ee n g a g e di np o w e rs y s t e mf i e l d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l e so fc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，i n t r o d u c e s a p p l i c a t i o np r a c t i c ea c t i v i t y , a n dc o n c l u d e st h er e s e a r c hr e s u l t s t h ek e r n e lc o n t e n ti s a s f o l l o w s ：a n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e o fi e c 6 18 5 0c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ， a n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fm 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 ，i m p l e m e n t a t i o na n d p r a c t i c eo fc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea c c o r d i n gt oi e c 6 18 5 0 t h er e s e a r c hw i l ls p e e d t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n p r o d u c t b a s e do n i e c 6 】8 5 0 y a n gj u n w e i ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n ga 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 q u a ny u s h e n g k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ，o b j e c to r i e n t e di n f o r m a t i o nm o d e l i n g ，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 ， s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ， m a n u f a c t u r i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文i e c 6 1 8 5 0 通信体系的研究 和实践，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：垄垒! 查生 日期：加f 多f s 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) 日期： 日期：2 - 。5 一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代初，国际电工技术委员会( i e c ，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 ) 意识到来自不同厂家的电子智能设备( i e d ，i n t e l l i g e n t e l e c t r i c d e v i c e ) 需要一个标准的信息接口，以实现设备的互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。为此，i e c 的两个技术委员会i e ct c 5 7 和i e ct c 9 5 成立了一个联合工作组，制定了“继电保 护设备信息接口标准”即i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准。 美国的电力科学研究院( e p r i ，e l e c t r i c p o w e r r e s e a r c h i n s t i t u t e ) 在1 9 9 0 年开 始了公共通信体系( u c a ，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 ) 标准的制定工作， 其目的在于提供一个具有广泛适应性的、功能强大的通信协议，使各种i e d 能够通 过使用该协议实现互操作。 为避免出现两个可能冲突的标准，i e c 决定以u c a 2 o 1 l 数据模型和服务为基础， 将u c a 的研究结果纳入i e c 标准，同时吸收了1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准的隐含的数据 模型，建立世界范围的统一标准i e c 6 1 8 5 0 【2 ，3 】，并于1 9 9 9 年3 月提出了委员会草案 版本。 i e c 6 18 5 0 标准是全世界唯一的基于网络通信平台的变电站网络通信标准，是我 国定立电力行业相关标准的基础。i e c 6 1 8 5 0 标准是电力系统从调度中心到变电站、 变电站内、变电站间、配电自动化等的无缝通信体系标准的基础，还有望成为通用 网络通信平台的工业控制通信标准。 我国制订基于i e c 6 1 8 5 0 的相关国内标准和该标准的贯彻执行，对我国变电站自 动化系统将产生重大影响。研究基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统具有重大 的现实意义。 1 2ie c 6 1 8 5 0 标准的应用范围 变电站自动化系统( s a s ) 的逻辑分层和逻辑接口的识别，有助于准确理解该 标准的应用范围。s a s 从逻辑上分层3 个层，分别是变电站层、间隔层、过程层。 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次设备相关的功 能。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。变电站层的功能分为两类：一类是与过程 相关的功能，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发生 作用的功能，如母线保护或全站范围内的逻辑闭锁等：另一类是与接口相关的功能， 华北电力大学硕士学位论文 主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信。 该逻辑结构和逻辑接口的识别很完善，例如，不同间隔之间的逻辑接口8 ，变 电站层各个功能单元之间的逻辑接口9 ，还有适应未来技术趋势的逻辑接口4 和5 。 目前i e c 6 1 8 5 0 标准文集里，远方控制接口1 0 和远方保护接口2 并不在i e c 6 1 8 5 0 的应用范围之列，但是i e c 6 1 8 5 0 并不排除在变电站与变电站之间、变电站与控制 中心之间、配电自动化等信息交换领域的应用，特别是在2 0 0 0 年6 月6 目召开国 际电工委员会确定了以i e c 6 18 5 0 为基础构建电力系统无缝通信体系的方向，更加 明确了i e c 6 1 8 5 0 标准在电力工业的重要地位。 f l 自_ 一 图1 1i e c 6 1 8 5 0 标准的应用范围【9 l 注：n n c ( 网络控制中心) 、s t a t i o n l e v e l ( 变电站层) 、b a y u n i tl e v e l ( i i 隔或单元层) 、 p r o c e s sl e v e l ( 过程层) 、r e m o t ep r o t e c t i o n ( 远方保护) 1 3i e c 6 1 8 5 0 标准的基本构成 i e c 6 18 5 0 标准由i e ct c 5 7 的第1 0 工作组、第1 1 工作组和第1 2 工作组共同负 责制定，工作组成员分别来置欧洲、北美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、 电厂、操作运行及电力企业的技术背景，其中有些成员参加过北美和欧洲一些标准 的制订工作。其中w g l 0 负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求， w g l l 负责站总线的定义，w g l 2 负责过程总线的定义，形成了一个完善的体系。 到目前为止，i e c 6 1 8 5 0 标准的文档由1 0 个部分组成，均成为正式的国际标准。全 国电力系统控制及其通信标准化技术委员会，已经将i e c 6 1 8 5 0 标准翻译完毕，相 应的国家标准正在制订当中。 i e c 6 18 5 0 标准的核心内容由4 个部分组成( 见下图) ：变电站自动化系统相关 的模型、信息交换模型、映射到具体的通信协议、变电站或者i e d 的配置。这4 个 部分相互之间高度独立，信息模型很容易使用标准的规则进行扩展，例如，在风力 发电监控领域，以i e c 6 1 8 5 0 为基础定义了自己的信息模型。同样，通信堆栈随着 华北电力太学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 技术的发展，也可以使用最新的合适技术，当然，为了保证互操作性的简易特性， 一次只适宜选择一种堆栈。目前，通信堆栈的使用规范在i e c 6 1 8 5 0 - 8 - 1 和 i e c 6 1 8 5 0 9 1 或者9 2 中定义，前者构成了目前s a s 通信体系的主体，后者作为采 样值传输模型的实现技术。 图1 2i e c 6 18 5 0 标准的核心内容及其相互关系 1 4 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：2 0 0 0 年德国，“变电站内开放通信( o c i s ，o p e nc o m m u n i c a t i o ni n s u b s t a t i o n ) ”工程【i “，主要目的在于验证站总线的互操作性；2 0 0 1 年加拿大，“间 隔间设备的互操作性，i n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nb a yd e v i c e s ”工程，主要目的在于 检验i e c 6 1 8 5 0 中通用“面向对象的变电站事件( g o o s 丑) ”与“变电站配置语言” 的概念的适用性；2 0 0 2 年美国，“采样值互操作性，i n t e r o p e r a b i l i t ys a m p l e v a l u e s ”， 主要目的在于检验根据i e c 6 1 8 5 0 9 部分研制的新式互感器、保护继电器以及测量仪 表之间的互操作性。这些工程具有很好的示范作用，对于促进i e c 6 1 8 5 0 的制订更 加完善发挥了重要作用。 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【4 。8 j ，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已经开发出基于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 18 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 华北电力大学硕士学位论文 设备厂商也即将推出基于i e c 6 18 5 0 标准的相关产品。i e c 6 1 8 5 0 标准在国内的推广 应用时机日渐成熟。 1 5 论文研究主要内容 i e c 6 1 8 5 0 标准的核心问题是规范变电站内的通信网络，通信网络的核心问题是 面向对象的信息建模。本文沿着这条线索，对i e c 6 1 8 5 0 系列文档进行了深入的研 究和分析，主要工作包括3 个方面： 第一，原理分析方面。本文深入分析i e c 6 1 8 5 0 标准的基本原理和核心内容。 由于制造商信息报文规范( m m s ) ，”】在目前的i e c 6 1 8 5 0 标准中具有重要的地位， 因此本文对m m s 也进行深入的分析。相关重要概念框架的理解，对于技术实现具 有重要的帮助作用。 第二，技术实现方面。在w i n d o w s 平台下，使用v c + + 6 0 开发i e c 6 l8 5 0 通信 软件。该通信软件基于m m s 和t c p i p 技术，由i e c 6 1 8 5 0 客户程序和i e c 6 18 5 0 服务器程序组成，构成i e c 6 1 8 5 0 通信系统，进步直接地揭示i e c 6 1 8 5 0 的基本原 理，为进一步开发基于i e c 6 1 8 5 0 的s a s 打下基础。 第三，应用实践方面。目前电力或者工业主流监控软件系统的核心是实时数据 库( r t d b ) 。本文围绕如何将i e c 6 1 8 5 0 智能电子设备接入r t d b 进行深入地探讨， 并重点分析西门子7 s j 6 2 保护对i e c 6 1 8 5 0 支持的实现，解决目前系统集成的关键 技术；在实践的基础上，提出基于i e c 6 1 8 5 0 标准的组态软件和基于i e c 6 18 5 0 的智 能网关的概念，对于未来基于i e c 6 1 8 5 0 的s a s 进行了积极探索。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章i e c 6 18 5 0 标准基本原理分析 i e c 6 18 5 0 主要吸收了u c a 2 0 的研究成果，了解u c a 2 0 的基本内容对于深入 理解i e c 6 1 8 5 0 的基本原理有重大的帮助作用。因此，本文首先对介绍了u c a 2 0 的基本内容，然后将u c a 2 0 标准与i e c 6 1 8 5 0 标准进行了比较分析，以便深刻理解 i e c 6 1 8 5 0 的通信方法、信息建模和工程方法。 u c a 2 0 是由美国电力研究院( e p r i ) 联合a b b 、s i e m e n s 等国际大制造商 和一些大电力公司制定的公共设备通信协议体系，其目的是提供一个具有广泛适用 性的通信协议体系，它不但能用于电力系统也能适用于自来水、煤气等公共设施行 业的监控通信需要。从1 9 8 8 年开始，u c a 协议体系先后出了1 0 版本和2 0 版本。 现在u c a 2 0 已经在北美地区广泛使用，成为一个重要的地区性标准。 u c a 协议体系主要由两部分组成，其中一部分是实时数据库信息交换，这部分 主要定义e m s 、s c a d a 等控制中心之间信息交换的通信规范，被称为控制中心之 间的通信协议i c c p ( i n t e r - c o n t r o lc e n t e r c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，后来被国际电工 技术委员会采用，成为i e c 6 0 8 7 0 6 系列标准。i c c p 定义了丰富数据模型及服务， 能够满足各种应用的需要。相关文件主要有三个：其一，i e c 6 0 8 7 0 6 5 0 3 服务与 协议，定义与遥控、数据访问及报告等功能有关的基本服务与协议，并给出了它们 与m m s 之间的映射关系；其二，i e c 6 0 8 7 0 6 。7 0 2 对象模型，定义i c c p 应用中的 详细框架及有关选项；其三，i e c 6 0 8 7 0 6 8 0 2 应用框架，定义与s c a d a 、发电厂 调度、负荷预测等有关的对象模型，并给出了这些模型与m m s 之间的映射关系。 u c a 协议体系的另一个重要组成部分是现场设备模型，这部分主要定义变电站 及配电系统现场设备的通信规范，主要描述电力系统中与通信有关的实现实时数据 采集、测量及控制任务的设备的模型和行为。相关文件主要有三个：其一，公共应 用服务模型c a s m ( c o m m o n a p p l i c a t i o ns e r v i c em o d e l s ) ，定义u c a 协议体系中现 场设备模型的公共服务模型及公共服务模型与m m s 之间的映射关系；其二，变电 站及馈线设备通用对象模型g o m s f e ( g e n e r i co b e c tm o d e l sf o rs u b s t a t i o na n d f e e d e re q u i p m e n t ) ，定义变电站r t u 及馈线f t u 、有载调压、继电保护等设备的标 准数据模型及其处理方法；其三，用户接口设备模型，定义商业、住宅及工业设备 用户接口的标准数据模型及其处理方法。 i e c 6 1 8 5 0 标准吸收了u c a 2 + 0 的现场设备模型和通信技术，同时在诸多方面具 备了u c a 2 0 没有的特性，使得i e c 6 1 8 5 0 成为一个全新的国际性标准。第一， 华北电力大学硕士学位论文 i e c 6 1 8 5 0 标准定义的抽象通信接口与具体通信技术的无关：在i e c 6 1 8 5 0 中，提出 了抽象服务通信接口( a c s i ) 和具体通信服务映射( s c s m ) 的概念，这样就把应 用跟具体的通信技术分开，使它成为一个满足功能和性能要求的通信标准，并能够 支持将来技术的发展；第二，识别出变电站自动化系统的逻辑分层，并识别出了逻 辑接口，使i e c 6 18 5 0 标准的更加完善。例如，在u c a 2 0 中没有覆盖过程层， i e c 6 1 8 5 0 就有明确的表述，增加了采样值传输模型和通用面向变电站事件模型等。 随着电子式电流互感器和电子式电压互感器在电力系统的使用，也将显示出 i e c 6 1 8 5 0 的优越性；第三，定义了变电站配置语言和工程方法：在i e c 6 l8 5 0 的第 6 部分提出了以x m l 为基础的变电站配置描述语言s c l ，可以描述整个变电站自 动化系统、智能电子设备的能力和连接关系、与一次设备的关系等。目前各行业都 采用x m l 技术来统一本行业的数据交换格式，i e c 6 1 8 5 0 采用x m l 来描述变电站 的设备和功能，统一变电站数据交换的格式，对变电站自动化工程的工程开发有很 大的好处：第三，更加完善的信息模型：i e c 6 1 8 5 0 标准的抽象通信服务接口与具 体通信解除耦合关系的另一个好处是可以使领域类的专家定义更加完善的信息模 型，i e c 6 18 5 0 将u c a 2 0 的建模成果纳入了i e c 的体系，同时吸收了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 等其它通信协议的研究和应用实践成果，使得i e c 6 1 8 5 0 信息模型更加完善，同时 定义了标准的扩展方法。 耀c6 1 8 5 b x - y ，圈殛圈豳 一震阂 s 匿闺 s 震豳 圈塑霾圈 u c a 2 图2 1u c a 2 0 与i e c 6 1 8 5 0 的关系【1 3 】 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准的通信方法 2 2 10 s i 参考模型的应用 i e c 6 1 8 5 0 标准最大的特点关注于变电站自动化的应用而不是通信技术，它将保 证下列特性：1 采用的协议是开放的并支持设备的自我描述，以达到增加新功能的 可能性；2 标准基于电力工业的相关需求的数据对象；3 通信的语法和语义将基于 6 华北电力大学硕士学位论文 采用系统相关的共同数据对象；4 通信协议将考虑变电站自动化系统是电力系统的 一个节点；5 全部通信协议集将基于已有的i e c i i e e e i s o o s i 可用的通信协议的基 础上。前4 个特性主要体现在信息模型( 包括信息交换方法) ，第5 个特性主要反 映在o s i 参考模型和相关协议的应用上。 通信系统是一个很复杂的系统，国际标准化组织( i s o ) 于2 0 世纪8 0 年代初 制订了一个“开放系统互连参考模型1 1 4 t8 】”，主要目的是将复杂的网络问题具体化、 简单化。参考模型将通信模型分为7 个层次，上层协议与下层协议之间是调用和被 调用的关系，具有一定的调用接口：从数据流动的角度来看，上层协议将要发送的 数据逐层往下传递，而下层协议接收到报文后，将数据交给上层协议进行进一步地 处理。例如，网络层提供主机的寻址机制，负责主机之间的连接，提供主机之间的 路由选择、报文的拆分和重组等功能，而传输层管理网络层连接，提供可靠的报文 发送机制、信息的流量控制、错误检测和恢复等功能，确保数据的可靠传输等。选 用不同的通信协议组合，构成了不同通信系统。 i e c 6 1 8 5 0 标准从两个方面进一步发展了o s i 的参考模型，其中个方面体现在： 它将7 层参考模型的上面3 层定义为应用栈( a - - p r o f i l e ) ，将下面4 层定义为传输 栈( t - - p r o f i l e ) ，应用栈和传输栈引用通信协议情况和应用栈和传输栈的组合构成 了通信平台，为变电站的应用功能服务。通信协议引用的原则是必须满足功能实现 的需求。随着通信技术快速发展，引用的通信协议或者其中的某些层在未来可能被 代替，例如g 比特通信或者无限通信链路层的使用，但这并不影响上层系统的长期 稳定性。 2 2 2 抽象通信服务接口的提出 i e c 6 1 8 5 0 标准从另一个角度发展了o s i 参考模型，这就是增加了抽象层( 抽象 通信服务接口) 和适配层( 特殊通信服务映射) 。众所周知，变电站自动化系统有 3 0 年或者更长的生命周期，其功能变化很少，通常情况是随着需求的增加而增加功 能。因此，标准化的重点在于领域应用相关的数据对象模型。 图2 2i e c 6 1 8 5 0 的9 层参考模型示意图 7 华北电力大学硕士学位论文 i e c 6 18 5 0 标准总结了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a c s i ，它独立于具体的网络应用层 协议( 例如，目前采用的m m s 协议) ，与采用的网络( 例如现在采用的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 c 6 18 5 0 引 入了特殊通信服务映射( s c s m ) 的概念。s c s m 的内容，就是根据系统需求( 例 如，最大允许延时) 将a c s i 的信息模型和信息交换方法映射到具体的通信技术， 例如，m m s 、f m s 、d n p 或i e c 6 0 8 7 0 5 等应用层协议。由于电力系统生产的复杂 性，对信息传输的响应时间也有不同的要求，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 这种体系结构很容易适应这种变化，只需要改变s c s m 或者使用 系列s c s m 的组合，就可以利用最合适的技术来为变电站自动化系统功能提供支持。 图2 3s c s m 的组合或者多选项示意图 2 3i e c 6 1 8 5 0 标准的信息建模 2 3 1ie 0 6 1 8 5 0 的概念框架 上文将i e c 6 1 8 5 0 的通信方法总结为9 层通信体系，下7 层主要采用现有的 i e c i e e e i s 0 o s i 可用的通信标准，第8 层是适配层，核心。内容当然在第9 层。第 9 层的抽象通信服务接口( a c s i ) 以及为变电站应用定义的可重用的类库( 包括公 共数据类、兼容数据类和逻辑节点) 的成功，是i e c 6 18 5 0 标准获得成功的关键。 通信的作用是支持应用功能的实现，第一步从应用功能实现的角度来对i e d 设 备进行抽象。下面以一个具体的“断路器控制”为例( 见下图) 来进行分析说明， 图中左边是一个实现人机接口功能的计算机( 简称h m i ) ，右边是一个容纳了断路 器智能功能( 简称i e d ) ，他们通过变电站内的通信网络连在一起。现在需要通过 h m i 对i e d 表示的断路器进行控制。 h m i 为了对断路器进行操作，它需要知道对i e d 讲什么( 例如，发布c l o s e 命令) 和断路器的名称是什么( 例如，断路器名称c i r c u i t b r e a k l ) ，当断路器操作完 8 兰些皇塑查兰堡主兰堡堡苎 一 成后，i e d 可能还要发送报告到h m i 指示开关位臀已经按照命令改变。第一个问 题在于，每个用户或者制造商可能用不同的方式给断路器命名；另一个问题是如何 传达合闸命令。这个简单的应用体现了信息模型和信息交换方法需要达到统一，这 也正是i e c 6 t 8 5 0 标准的核心内容。 图2 4 应用举例“断路器控制” i e c 6 1 8 5 0 标准的采用面向对象的信息建模方法来解决上述问题。符合i e c 6 1 8 5 0 标准的智能设备具有统一的外部视图。对于该应用案例，i e d 使用了逻辑节点x c b r 来表示断路器，x c b r 加上合适的前缀和后缀，形成具备完整语义的名称，例如可 以使用“h d x c b r l ”命名华北电力大学第一回出线断路器。逻辑节点具有内部结 构，包括系列类型化的数据对象，例如其中有表示断路器位置的“p o s ”数据对象。 使用统一的信息模型和信息交换方法，典型的先选择后操作( s b o ) 控制过程如下： 1 h m i 选择操作对象，s e l e c tl e d 0 0 1 h d x c b r l p o s c 0 1 ；2 i e d 被正确选择： s e l e c tr e s p o n s ei e d 0 0 1 h d x c b r l ，p o s c 0 1 ；3 h m i 操作：o p e r a t ei e d 0 0 1 h d x c b r l p o s c 0 1 ，c l o s e ，t ，t e s t ，c h e c k ；4 i e d 响应：o p e r a t er e s p o n s e l e d 0 0 1 h d x c b r l p o s c o ，c l o s e ，t ，t e s t ；5 i e d 报告断路器新状态。另外， 左侧计算机的应用可查询i e d 的下述信息：实际断路器( 名牌、状况、额定值等) ， 拥有控制器的实际设备( 名牌、状况、工作模式等) ，确定报告传输的报告行为等 等。众多信息存在于i e d 本身，它们具有简短的名称，被很好的组织起来，这正是 i e c 6 1 8 5 0 面向对象建模方法的核心内容。 逻辑节点是信息建模的核心概念，代表s a s 实现的功能或者变电站一次设备的 智能部分。一个完整的服务器模型还包括更多的构件，这些内容在i e c 6 1 8 5 0 标准 系列文档中的7 1 、7 2 、7 3 和7 - 4 文档进行了细致的阐述。其中，7 2 部分的抽象 通讯接口定义了服务器的信息模型基本构件，定义了基本的类和相关服务组，这些 类不可实例化，它的信息内容还需要根据具体的应用来定义，而服务是可重用的， 这些构件组成服务器模型的框架。7 3 部分依照7 2 部分的框架，定义可重用的公共 9 兰垄皇垄查堂堡主兰垡笙苎 数据类( c d c ) ；而7 - 4 部分依照7 2 的框架，使用7 3 中的c d c ，定义可重用的逻 辑节点类。整个建模成果形成了一个类库，实际变电站自动化系统使用这些可重用 的类，构造自己的变电站自动化系统实例；精心制订的信息模型，是i e c 6 1 8 5 0 实 现互操行的最重要的基础。 图2 5 信息建模相关文档的关系 2 3 ，2 基于ie 0 6 18 5 0 标准l 印信息建模 符合i e c 6 1 8 5 0 标准的i e d 具有统一的外部视图，最外层是服务器对象，它表 示从通信的角度来看实际设备包含的所有可见的和可以访问的资源。 一个实际的物理设备可能包含一个或者多个服务器实例。服务器提供应用关联 建立的模型，提供时钟同步模型和文件传输模型，以及一个或者多个逻辑设备。逻 辑设备表示一组相关功能，它为逻辑节点提供一个存在空间，并提供这组功能公共 信息和服务，公共信息如名牌、健康状态等信息，公共服务如快速事件模型、采样 值模型、定值编辑和切换模型等；这些公共信息和服务使用两个特殊的逻辑节点来 建模，它们是l l n 0 和l p h d 逻辑节点来表征；这样，一个逻辑设备至少包含2 个 逻辑节点；另外，物理设备实现某一功能，就有相应的一个或者多个逻辑节点存在。 可见，逻辑节点是i e c 6 1 7 5 0 信息模型的核心概念之一，通信的最小实体，表 征了信息建模的颗粒度。 i e c 6 18 5 0 标准目前一共了定义了8 0 多个可重用的逻辑节点，这些逻辑节点按 照功能类型可以划分为1 3 个组，逻辑节点类名称的第一个字母表示其所属的组。 这些组分别是：l 组( 系统逻辑节点，2 个l n ) 、p 组( 保护逻辑节点，2 8 个l n ) 、 r 组( 保护相关逻辑节点组、1 0 个l n ) 、c 组( 控制逻辑节点，5 个l n ) 、g 组( 通 用逻辑节点、3 个l n ) 、i 组( 接口和归档，4 个l n ) 、a 组( 自动控制，4 个l n ) 、 m 组( 测量和计量，8 个l n ) 、s 组( 传感和监测，4 个l n ) 、x 组( 断路器和刀 闸，2 个l n ) 、t 组( 互感器，2 个l n ) 、y 组( 电力变压器，4 个l n ) 和z 组( 其 它设备，1 5 个l n ) 。使用这些基本构件，可以建立服务器的功能模型，传统的信息 l o 华北电力大学硕士学位论文 列表现在成为对象列表了。 图2 6 服务器模型构件示意图1 2 4 注：s e r v e r ( 服务器) 、a s s o c i a t i o n ( 应用关联) 、t i m es y n c h r o n i z a t i o n ( 时钟同步) 、f i l e t r a n s f e r ( 文件传输) 、l o g i c a ld e v i c e ( 逻辑设备) 、n a m e p l a t e ( 名牌) 、h e a l t h ( 健康，通信方面) 、 g o o s e g s s e ( 通用丽向变电站事件，g s s e 兼容u c a 2 0 事件规范) 、s m v ( 采样值) 、s e t t i n g g r o u p ( 定值组) 。 服务器支持自描述是i e c 6 l8 5 0 的一个重大的特点。自描述体现在两个方面， 一个信息模型存在大量的元信息，例如工程单位、量程变换信息：另一个就是自描 述服务，一个实际设备的模型信息是可以在线被客户获得。客户端通过请求服务器 的目录( g e ts e r v e rd i r e c t o r y ) 获得逻辑设备或者文件列表，通过逻辑设备的目录服 务( g e tl o g i c a ld e v i c ed i r e c t o r y ) 进一步可以获得一个逻辑设备的逻辑节点列表： 对于逻辑节点的目录服务( g e t l o g i c a l n o d e d i r e c t o r y ) 可以获得一个逻辑节点的数 据列表；通过数据对象的目录服务或者数据定义请求可以获得数据的结构信息。自 描述服务提供了对逻辑节点自由分配的支持。 2 3 3 服务器建模实例介绍 下面对西门子7 s j 6 1 6 2 6 3 系列多功能保护继电器和间隔控制器的信息建模进 行分析。该系列保护通过在保护后面板的系统端口b 安装e n l 0 0 ( 见图7 ) 以太模 块来支持i e c 6 1 8 5 0 通信网络的。 i e c 6 1 8 5 0 通信模块e n l 0 0 模块的信息模型包括5 个逻辑设备，分别用来表示控 制功能组、扰动录波功能组、测量功能组、保护功能组和扩展功能组。下图从客户 端看到的服务器模型( 后文将进行详细的阐述) 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 7 西门子e n l 0 0 外观图 图2 8 西门子保护的模型客户端显示 2 3 4 变电站自动化系统的自由结构 逻辑节点在整个变电站的自由分配，使得i e c 6 1 8 5 0 适应变电站自动化系统的 自由结构。下面以应用案例进行分析，其中涉及的逻辑节点包括：p t o c ( 时间过 流保护) 、p d i s ( 距离保护) 、p t r c ( 跳闸逻辑) 、x c b r ( 断路器) 。方案l 中，4 个逻辑节点分布在同一个l e d 中，l e d 通过信号电缆与现场设备相连。方案2 和3 引入了过程总线，x c b r 靠近开关厂，跳闸信号通过过程总线传送。方案2 中两个 保护功能分配在同一个i e d 中，方案3 则分配于不同的i e d 中。 i e c 6 18 5 0 标准支持的变电站自动化系统自由结构，适应了各种设计方案。历史 上，开关场与调度中心的接口是变电站内安装的远方终端单元( r t u ) ，各处变电站 r t u 与调度中，t l , 一起构成s c a d a 系统。随着微电子技术、计算机技术和通信技术 的进步，变电站自动化技术也得到了迅猛的发展。变电站自动化系统将变电站的二 次设备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、 1 2 华北电力大学硕士学位论文 控制和微机保护，以及与调度之间通信。这样，形成了分布式的系统结构，更多的 功能可能就近布置在开关场附近。 掣也到 i 幽 离 嚣 瞄瓣1 图2 9 变电站自动化系统的自由结构 2 4i e c 6 1 8 5 0 标准的工程方法 2 4 1 变电站配置语言简介 变电站配置语言s