（电气工程专业论文）基于iec+61850前置数据采集单元的测试工具软件开发.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盏! 基丝 e l 期：垒 翌：举：么 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 0 论文作者签名：萤立益导师签名：。丝竺兰日期：型2 ：竺笸 山东大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 论文的主要工作2 1 - 3 论文结构安排2 第二章数字化变电站技术及i e c 6 1 8 5 0 标准3 2 1 数字化变电站系统简介3 2 1 1 数字化变电站主要技术特征磕1 3 2 1 2 数字化变电站的架构体系h 1 4 2 1 3 数字化变电站二次回路通信网络5 2 2i e c6 1 8 5 0 标准简介6 2 2 1 标准的基本内容6 2 2 2 标准的核心技术与特点7 2 2 3i e c6 1 8 5 0 9 标准简介8 2 2 4 采样值、g o o s e 传输模型介绍1 0 第三章过程层前置数据采集单元简介1 7 3 1f d a u 基本功能1 7 3 2f d a u 基本性能l8 3 3f d a u 性能测试方法研究1 9 3 3 1 输出数据时间同步测试口1 2 0 3 3 2 采样数据准确性测试2 1 3 3 3 采样数据传输延时测试2 2 第四章f d a u 测试工具软件设计方案2 4 4 1 设计需求分析2 4 4 1 1 功能测试需求2 4 4 1 2 性能测试的需求2 5 4 1 3 通信网络需求2 6 4 1 4 人机控制需求2 6 4 2 测试工具软件设计方案2 7 4 2 1 软件开发环境2 7 4 2 2 测试工具软件整体结构2 7 4 2 3 接收数据模块设计2 8 4 2 4 波形显示模块设计3 l 4 2 5 遥控输出( g o o s e ) 模块设计3 9 4 2 6 人机控制界面4 4 4 2 7 传输延时测试程序设计4 5 第五章f d a u 测试工具软件功能验证4 6 5 1 测试环境搭建4 6 5 2 测试工具软件基本功能验证4 6 5 3 装置性能指标验证4 7 山东大学硕士学位论文 5 3 1 基本误差测试4 7 5 3 2 输出数据时间同步测试5 0 5 3 3 采样数据传输延时测试5 3 第六章结论5 4 参考文献5 5 致谢5 9 山东大学硕士学位论文 摘要 随着基于i e c6 1 8 5 0 标准的数字化变电站系统的推广，各厂家纷纷推出符合 该标准的产品，而过程层数据采集单元是数字化变电站真正实现的基础，为了验 证产品的功能及性能，需要对产品进行严格而科学的测试。i e c6 1 8 5 0 专门给出 第1 0 部分来规范整个系统的一致性测试与终端设备的性能测试方法。为了达到测 试目的必须配以相应的测试工具软件与相应的模拟设备，本文的课题就是基于 i e c6 1 8 5 0 前置数据采集单元测试工具软件开发。 本文是根据测试需求而设计的前置数据采集单元测试工具软件，论文首先介 绍了数字化变电站与i e c6 1 8 5 0 的基础知识，给出了前置数据采集单元基本功能、 性能与性能测试方法，经过详细的设计需求分析，给出了本测试工具软件所要实 现的功能，包括数据采集、预处理、存储、显示以及回放等多种功能，根据设计 需求给出了详细的设计方案。 本文重点解决了三个问题：一是解决数据传输问题，解决了符合i e c6 1 8 5 0 标准的网络传输数据，用w i n p c a p 技术捕捉链路层数据并进行数据重组；二是实 现了符合g o o s e 传输模型的控制技术：三是实现了对所采集的数据进行波形显示 与波形控制功能。 本文设计的测试工具软件不仅能够满足数字化变电站过程层针对传统一次 设备设计的前置数据采集单元的测试需求，同样也能满足针对数字化一次设备合 并单元的测试需求，对生产厂家能够生产可靠的产品提供测试保障。 关键词：数字化变电站； i e c6 1 8 5 0 ；过程层；合并单元；测试工具软件 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei e c6 1 8 5 0s t a n d a r d s b a s e dd i g i t a ls u b s t a t i o n s y s t e mo f p r o m o ti o n ，t h em a n u f a c t u r e r sh a v ei n t r o d u c e dp r o d u c t s t h a tm e e tt h e s t a n d a r d ，w h i l et h ep r o c e s sl e v e lo fd i g i t a ld a t aa c q u i s i t i o nu n i ti s t r u l yt h eb a s i so fs u b s t a t i o n ，i no r d e rt ov e r i f yt h a tt h ep r o d u c tf e a t u r e s a n dp e r f o r m a n c e ，t h en e e df o rs t r i c tp r o d u c ta n ds c i e n t i f i ct e s t i n g i e c 6 1 8 5 0i sg i v e np a r ti 0 ，s p e c i f i c a l l yt or e g u l a t et h ec o n s i s t e n c yo ft h e w h o l es y s t e mp e r f o r m a n c et e s t i n ga n dd e v i c et e s t i n gm e t h o d s i no r d e rt o a c h i e v et h ep u r p o s eo ft h et e s tm u s tb ea c c o m p a n i e db yt h ea p p r o p r i a t e t e s t i n gt o o l ss o f t w a r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n ga n a l o gd e v i c e s ，t h es u b j e c t o ft h i sp a p e ri sb a s e do ni e c6 1 8 5 0p r e d a t aa c q u i s i t i o nu n i tt e s t i n gt o o l f o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h en e e d so fp r e 。t e s td a t a a c q u i s i t i o nu n i tt e s t i n gt o o l s ，p a p e r sf i r s ti n t r o d u c e dt h ed i g i t a l s u b s t a t i o nw i t hi e c6 1 8 5 0b a s i ck n o w l e d g eo ft h ep r e d a t aa c q u i s i t i o nu n i t i s g i v e nt h e b a s i cf u n c t i o n s ，p e r f o r m a n c e ，a n dp e r f o r m a n c et e s t i n g m e t h o d s ，a f t e rad e t a i l e dd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，g i v e nt h et e s t i n g t o o ls o f t w a r ef u n c t i o n a l i t yt ob ea c h i e v e d ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ， p r e p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a ya n dc o n t r o lo u t p u ta n do t h e rf u n c t i o n s ， a c c o r d i n gt od e s i g nr e q u i r e m e n t sa r eg i v e nad e t a i l e dd e s i g n t h isp a p e rf o c u s e do ns o l v i n gt h r e ep r o b l e m s ：f i r s t ，s o l v et h ed a t a t r a n s m i s s i o np r o b l e m s ，s o l v et h e i e c6 1 8 5 0s t a n d a r di nk e e p i n gw i t ht h e n e t w o r kt ot r a n s f e rd a t a ，u s i n gw i n p c a pc a p t u r eli n k l a y e rt e c h n o l o g y ： s e c o n d ，r e a l i z e dm e e tg o o s et r a n s m i s s i o nm o d e lc o n t r o lt e c h n o l o g y ：t h i r d ， r e a l i z e dc o l l e c t e dd a t aw a v e f o r md i s p l a ya n dw a v e f o r mc o n t r o lf u n c t i o n s t h i st e s tt o o l sd e s i g n e dt on o to n l ym e e tt h ed i g i t a ls u b s t a t i o n p r o c e s sl e v e la g a i n s tt h et r a d i t i o n a ld e s i g no fad e v i c ed a t aa c q u i s i t i o n u n i tp r e t e s tr e q u i r e m e n t s ，a l s om e e to n c ead e v i c ef o rd i g i t a lm e r g e d u n i tt e s td e m a n d ，m a n u f a c t u r e r sc a np r o d u c er e l i a b l ep r o d u c t st op r o v i d e t e s tin gs u p p o r t k e y s ：d i g i t a l i z e ds u b s t a t i o n ；i e c6 1 8 5 0 , p r o c e s sl e v e l ；m e r g i n gu n i t ： t e s t i n gt o o l ss o f t w a r e i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备 和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据i e c6 1 8 5 0 标准定义， 这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“变电站层 。合并单元( m u ) 作为过程层主要设备是实现基于i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站自动化系统的基 础，主要完成数据量的采集。然而根据国内的现状，电子式互感器能大规模应用 在变电站内的各种条件尚未成熟n 1 ，过程层前置数据采集单元( f d a u ) 是面向 使用电磁式互感器的传统变电站的过渡方案，实现m u 和智能控制器的功能。 是传统变电站的数字化改造的关键设备。 为了验证该产品的功能及性能，需要对产品进行严格而科学的测试。本课题 主要是以前置数据采集单元功能、性能以及完整的测试方案为需求设计的测试工 具软件。本章主要介绍了课题研究的背景及意义，提出了本论文所做的主要工作 以及论文结构安排。 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，随着数字化变电站建设的呼声的日益高涨以及i e c 6 1 8 5 0 标准的不 断研究和推广，强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及技术发展和 功能应用的可扩展性，强调设备数据模型标准、完整、规范，可实现间隔层设备 和站级设备对过程层信息的共享。因此合并单元作为过程层主要设备是实现基于 i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站自动化系统的基础口1 。科汇公司提出了一种由传统 变电站向数字化变电站过渡的方案，研究基于传统模拟p t 、c t 的合并单元作为 过程层设备，推动基于i e c 6 1 8 5 0 数字化变电站间隔层和站控层的应用，因此对 合并单元的测试是实现基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站系统的重要保证。 i e c 6 1 8 5 0 - 1 0 部分提出了变电站网络和系统进行一致性测试的内容，它涵盖 了整个数字化变电站从过程层到站控层一致性测试的要求。其中对过程层设备合 并单元进行功能测试也是一致性测试的一项重要内容。 一个产品的研制，从设备开发、生产到正常运行，包括很多步骤，在这过程 中需要进行适当的测试。本文参照i e c 6 1 8 5 0 - 1 0 部分的内容，提出了针对合并单 元的功能及性能具体测试方案，按照测试方案及单元功能的具体需求，开发了一 套与测试有关的工具软件，既验证前置数据采集单元功能、性能测试要求，同时 也能完成测试软件对i e c 6 1 8 5 0 9 1 和g o o o s e 报文的一致性进行测试，使其符 山东大学硕士学位论文 合i e c 6 1 8 5 0 标准，实现互操作性，从而降低协议转换时造成的大量人力物力浪 费，为制造商和用户带来利益。当然严格的一致性和互操作性试验需要到国家认 可的第三方机构来执行，以保证一致性测试结果的公正性、专业性、权威性乜1 。 1 2 论文的主要工作 本文经过细致的需求分析，提出了测试工具软件的功能需求，从而展开了方 案的设计，重点解决了符合i e c 6 1 8 5 0 9 1 规约的数据接收、数据处理以及符合 面向通用对象的变电站事件g o o s e 传输模型的控制输出功能，此外m u 完整测 试方案的确定保证了m u 的测试需求，通过试验，验证了测试方案与测试工具 的有效性，论文的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 了解数字化变电站自动化主要技术特征、构架体系以及通信模式；了 解i e c 6 1 8 5 0 标准的思想；深入学习i e c 6 1 8 5 0 9 1 描述的内容以及s a v 采样值、 g o o s e 传输模型的定义。 ( 2 ) 熟悉过程层前置数据采集单元f d a u 的基本功能，并通过查阅资料确 定了一套详细的测试方案。 ( 3 ) 经过对前置数据采集单元功能、测试方法，通信网络详细的需求分析， 确定了测试软件的功能需求，给出了详细的数据采集、控制数据发送、数据显示、 人机界面的设计方案与实现方法。 ( 4 ) 经过与设备连接进行功能与性能测试，验证测试工具软件的应用能力。 1 3 论文结构安排 第一章：绪论。介绍本课题研究的背景和意义，论文研究的主要内容以及章 节安排。 第二章：数字化变电站自动化技术及i e c 6 1 8 5 0 标准。简要介绍与本课题相关 的变电站自动化技术、i e c6 1 8 5 0 9 标准的技术特点以及论文中应用到的采样值、 g o o s e 传输模型的定义。 第三章：过程层前置数据采集单元简介。叙述了过程层测控终端的具体功能 及基本性能要求，给出了详细的性能测试方案。 第四章：f d a u 测试工具软件设计方案。经过对全面的系统需求分析后，给 出了详细测试工具软件设计方案。 第五章：f d a u 测试工具软件功能验证。经过对前置数据采集单元的一系列 功能及性能的测试，验证测试工具软件的可用性。 第六章：结论。对全文进行了总结，并提出了进一步的研究方向。 2 山东大学硕士学位论文 第二章数字化变电站技术及i e c 6 18 5 0 标准 在变电站领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等 机电一体化设备的出现，变电站即将进入数字化新阶段。数字化变电站是一个不 断发展的概念，目前它是由电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备在 i e c 6 1 8 5 0 通信规范基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的 现代化变电站。 2 1 数字化变电站系统简介 2 1 1 数字化变电站主要技术特征网 数字化变电站采用低功率、紧凑型、数字化的新型电流和电压互感器代替常 规t a 和t v ；将高电压、大电流直接变换为低电平信号或数字信号，利用高速 以太网构成变电站数据采集及传输系统，实现基于i e c 6 1 8 5 0 标准的统一信息建 模，并采用智能断路器控制等技术，这使得变电站自动化技术在常规变电站自动 化技术的基础上实现了巨大跨越，数字化变电站主要技术特征体现在以下几个方 面。 数据采集数字化 作为数字化变电站技术应用的主要标志之一就是在电流、电压的采集环节采 用非常规互感器，如光电式互感器或电子式互感器，实现了电器量数据采集环节 的数字化应用，其特点在于：可以实现一、二次系统电气上的有效隔离；电 气量动态测量范围大，测量精度高，为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转 变，实现信息集成化应用提供了前提；对于低驱动功率的变电站二次系统设备 可以直接实现数字化接口应用。 系统分层分布化 根据i e c6 1 8 5 0 标准的表述，变电站的一、二次设备可分为三层：站控层 ( 变电站层) ；间隔层；过程层。 系统建模标准化 i e c6 1 8 5 0 标准为变电站自动化系统定义了统一、标准化信息和信息交 换模型，主要意义在于：实现智能设备的互操作性；实现变电站信息共 享；支持系统协同工作。 作为数字变电站应用的标志之一就是各个i e d 和变电站的数据都是自 我表述的、重复使用数据类、简化数据维护、无缝的命名规则、对数据统一 3 山东大学硕士学位论文 建模、容易集成到w e b 技术；具有灵活性、可扩性、可用性。 信息交互网络化 数字化变电站自动化系统在逻辑结构上分为三个层次，即变电站层、间 隔层、过程层，这三层之间需要数据交换。数字化变电站内设备之间连接全 部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的i o 现场接 口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的 功能模块。通信网络的性能要求主要体现在可靠性、开放性、实时性、安全 性、同步性 2 1 2 数字化变电站的架构体系【4 】 从物理上看，数字式变电站仍然是一次设备和二次设备( 包括保护、测控、 监控和通信设备等) 两个层面。由于一次设备的智能化以及二次设备的网络化， 数字式变电站一次设备和二次设备之间的结合更加紧密。从逻辑上看，数字式变 电站各层次内部及层次之间采用高速网络通信，三个层次关系如图2 远方运行中心 调度控制中心 图2 1 数字化变电站的架构体系 一、过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备 的智能化部分。过程层的主要功能分三类：实时运行电气量检测；运行设备 状态检测；操作控制命令执行。 二、间隔层 4 山东大学硕士学位论文 间隔层的主要功能是：汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设 备的保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功 能；对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别控制；执行数据 的承上启下通信传输功能，同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能， 上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可 靠性。 三、变电站层 变电站层的主要任务是：汇通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息， 不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；将有关数据信息送往电网调度或 控中心；接受电网调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行； 具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有在内当地监控、人际联系功能； 具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能等功 能。 2 1 3 数字化变电站二次回路通信网络 网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速 性决定了系统的可用性。全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的 形成是由网络上多个c p u 协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快 速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信 速度的提高和合适的通信协议的制定。 如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要 求。目前以太网( e t h e m e t ) 异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化 o s i 七层协议，速率达到1 0 0m h z 的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现， 数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用1 0 0m h z 以太网技术是可行的 【6 】 o 1 9 9 4 年，德国国家委员会提出对于通讯协议的设想，1 9 9 5 年i e ct c 5 7 为此 成立了3 个工作组( w g l 0 11 1 2 ) 专门负责制定i e c6 1 8 5 0 标准。3 个工作组参 考和吸收了1 0 1 、1 0 3 、u c a 2 0 和m m s 等电力系统相关标准，于1 9 9 9 年3 月 提出了i e c6 1 8 5 0 委员会草案版本，目前i e c6 1 8 5 0 标准已经全部出版。i e c6 1 8 5 0 标准的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、 一种技术、一个标准”( o n ew o r l d ，o n et e c h n o l o g y ，o n es t a n d a r d ) “】。 s 山东大学硕士学位论文 2 2i e c6 1 8 5 0 标准简介 2 2 1 标准的基本内容 i e c6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统标准( c o m m u n i c a i o nn e t w o r k sa n ds y s t e m i ns u b s t a t i o n ) 是基于网络通讯平台的唯一变电站国际标准。它不仅规范了保护、 测控装置的模型和通信接口，还定义了电子式互感器、智能式开关等一次设备的 模型和通信接口。m c6 1 8 5 0 标准是个完整的标准体系，标准由1 0 章1 4 个部分 组成n 卜矧，其内容如下： ( 1 ) m c6 1 8 5 0 1 ：概述。包括背景、适用范围和目的等标准的概述。 ( 2 ) i e c6 1 8 5 0 2 ：术语。给出了i e c6 1 8 5 0 标准涉及的术语及其定义。 ( 3 ) i e c6 1 8 5 0 3 ：总体要求。详细说明系统通信网络的总体要求，重点是 质量要求，还涉及了环境条件和供电要求的指导方针，并根据其它标准和规范对 相关的特定要求提出了建议。 ( 4 ) i e c6 1 8 5 0 4 ：系统和项目管理。描述了对系统和项目管理过程的要求 以及对工程和试验所用的专用工具调度要求。 ( 5 ) i e c6 1 8 5 0 5 ：功能和设备模型的通信要求。规范了变电站自动化系统 所完成功能的通信要求和装置模型。包括功能的定义，构建逻辑节点的途径，通 信信息片的概念，报文的性能要求等。 ( 6 ) i e c6 1 8 5 0 6 ：有关变电站i e d 的配置描述语言。规定了描述通信有关 的i e d 配置和参数、通信系统配置、开关间隔( 功能) 结构以及它们之间关系 的文件格式。 ( 7 ) i e c6 1 8 5 0 7 ：变电站和馈线设备的基本通信结构。包括4 个部分：i e c 6 1 8 5 0 7 1 ：原理和模型，提供了有关基本建模和描述方法的信息，说明了7 2 、 7 3 、7 4 之间的关系，以及i e c6 1 8 5 0 8 9 中具体的通信协议；m c6 1 8 5 0 7 2 ： 抽象通信服务接口( a c s i ) ，主要描述了信息的分层类模型、对这些类进行操作 的服务以及每个服务相关的参数：i e c6 1 8 5 0 7 3 ：公共数据类，定义了和变电站 应用有关的公共属性和公共数据类：i e c6 1 8 5 0 7 4 ：兼容逻辑节点类和数据类， 规定了i e d 之间通信用的兼容逻辑节点名称和可能包含的所有数据名称。 ( 8 ) m c6 1 8 5 0 8 1 ：特定通信服务映射( s c s m ) 到m m s 及i s o i e c8 8 0 2 3 的映射。说明了在局域网上交换实时数据的方法，将a c s i 映射到制造报文规范 ( m m s ，m a n u f a c t u r em e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 的服务和协议，用于变电站层和间 隔层内以及变电站和间隔层之间通信映射。 ( 9 ) i e c6 1 8 5 0 9 - 采样值特定通信服务映射( s c s m ) ，包括2 个部分：i e c 6 山东大学硕士学位论文 6 1 8 5 0 9 1 ：特定通信服务映射( s c s m ) 通过串行单向多路点对点链路传输采样 值；规定了合并单元和间隔层设备之间的采样值的通信；i e c6 1 8 5 0 9 2 ：特定通 信服务映射( s c s m ) 通过i s o i e c8 8 0 2 3 传输采样值；规定了依照7 2 部分定 义的模拟量采样值的传输。 ( 1 0 ) 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和设备通信方面 的一致性测试方法，还给出了设置测试环境的准则和规定了互操作的等级。 从m c6 1 8 5 0 通讯协议体系的组成可以看出它与以往的通信协议不同，i e c 6 1 8 5 0 标准除了定义变电站自动化系统的通信要求和数据交换外，还对整个系统 的对象模型、通信网络结构、项目管理控制以及测试方法进行了全面的描述和规 范，因此该标准对整个变电站的设计、开发、工程、维护都具有重要的指导意义。 2 2 2 标准的核心技术与特点 i e c6 1 8 5 0 标准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，i e c6 18 5 0 标准在技术上有如下突出特点口6 埘1 ： 1 信息分层 i e c6 1 8 5 0 提了变电站内信息分层的概念。将变电站通信体系分为变电站层、 问隔层和过程层。现代电力技术的发展趋势是将越来越多的问隔层功能放到过程 层。1 e c 6 1 8 5 0 标准将这一功能由电子式互感器和智能开关设备等过程层装置来 实现，符合电力技术发展趋势。 2 面向对象的数据对象统一建模 i e c6 1 8 5 0 标准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，完备的语义信息模型为设备的互操作性提供了基础。 3 数据的自我描述 面向对象的数据在数据源进行自我描述，传输到接受方的数据都带有自我说 明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作，简化了数据管理和 维护工作。用基于x m l ( 扩展标记语言) 的变电站配置描述语言( s 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 ) 描述变电站i e d 、变电站系统和变电站网络通信拓扑结 构的配置，使不同制造厂商的配置工具间可以交换系统的配置信息，实现互操作。 4a c s i 与s c s m 技术 i e c6 1 8 5 0 标准根据电力生产过程的特点和要求，设计出a c s i ( 抽象通信服 务接口) ，它独立于各种不同的网络协议栈和具体网络，通过s c s m ( 特定通信 服务映射) 将各种服务、对象和参数映射到具体的应用协议和网络。只要改变相 7 山东大学硕士学位论文 应的s c s m 即可以满足由于网络协议栈和具体网络改变带来的复杂的通信转换 的工作，使变电站自动化系统的灵活性得到了很大的提高。 5 与i e c 6 1 9 7 0 等标准的结合 i e c6 1 8 5 0 6 1 9 7 0 6 1 9 6 8 系列标准的诞生是电力系统通信体系和数据交换技 术的里程碑。i e c6 1 8 5 0 与i e c6 1 9 7 0 6 1 9 6 8 标准具有一定的互操作性，正在发展 的i e c6 18 5 0 + 正是为了弥合其与i e c6 1 9 7 0 调度通信标准的差异，实现主站对变 电站的直接访问。这些标准减少了通信瓶颈和规约转换带来的数据损失，将对今 后电力系统信息技术的发展产生深远的影响。 6 完整的标准管理、测试系统 标准制定得目的在于加强不同厂家之间产品的兼容性即实现无缝通信，使不 同厂家生产的产品具有互操作性。为了保证设备相互间的兼容性，规约的统一解 释对一个标准规约的实施推广起非常重要的作用。i e c6 18 5 0 系列标准包含一致 性测试部分，用以确保各厂家生产的所有的i e d 产品都严格遵循本标准。i e c 6 1 8 5 0 标准还制定了完整的变电站通信和系统的总体要求、系统和工程管理等标 准。 7 面向未来的、开放的体系 i e c6 1 8 5 0 是面向未来的、开放的体系，这主要体现在以下几个方面：对 厂商是开放的：支持不同厂商的设备之间的信息交换；对通信技术是开放的： 信息交换独立于具体通信模型；对物理分配是开放的：功能可以自由分配； 对未来是开放的：信息模型可扩展；对整个系统是开放的：设备实现了自我描 述。 i e c6 1 8 5 0 标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标 准，它以完整的分层通信体系采用面向对象的方法，使构建真正意义上的综合 自动化系统成为可能因此是迄今为止最为完善的变电站自动化的通信标准它 代表了变电站综合自动化系统的发展方向。 2 2 3i e c6 18 5 0 9 标准简介 本课题所研究的对象是基于i e c6 18 5 0 9 1 标准的过程层设备的测试软件开 发，所以在此对i e c6 1 8 5 0 9 进行简要说明，有利于以后的陈述。 在i e c6 1 8 5 0 9 中规定了两种用于间隔层和过程层之间通信的特定通信服务 映射，即i e c6 1 8 5 0 9 1 和i e c6 1 8 5 0 9 2 ，它们的适用范围是变电所内电子式电 流、电压互感器的合并单元与诸如继电保护、测控装置这样的间隔层设备之间的 通信。下面首先说明合并单元的定义，然后介绍9 1 和9 2 的内容及二者的区别。 合并单元首次在i e c 6 0 0 4 4 8 中提出，它用于连接数字化输出的电子式互感 8 山东大学硕士学位论文 器与保护、测控等间隔层i e d ，其主要功能是同步采集多路( 最多1 2 路) e c t e v t 输出的数字信号，然后按照规定的格式发送给保护、测控设备，其结构功能如图 2 11 所示。在i e c6 1 8 5 0 9 1 中定义的合并单元参考了i e c6 0 0 4 4 标准，此外还 添加了开关状态输入信息和时间标签信息。可以看出，合并单元是上述两个标准 都共同强调的电子式互感器与二次设备接口的重要组成部分。 图2 2 合并单元功能框图 i e c6 1 8 5 0 9 1 部分为：特殊通信服务映射通过单向多路点对点串行通讯 链路传输采样值。如图2 3 所示，它规定了与i e c6 0 0 4 4 8 一致的单向多路点对 点连接之上的映射，采样值通过独立链路单向传输，因此报文不会发生碰撞等不 确定因素；在过程总线上传输的数据帧采用专用数据集，帧格式固定，不允许改 变，固定采样率，传输方式为广播或组播。只支持“s e n d m s v m e s s a g e ”服务， 不支持“g 砌订s v c b v a l u e s s e t m s v c b v a l u e s 等控制服务，也不支持对数据对 象的直接访问等服务。因此9 1 部分的映射方法相对固定、简单，但对a s c i 模 型的支持不够完备。 i e c6 1 8 5 0 的9 2 部分为：特殊通信服务映射i s o8 8 0 2 3 之上的模拟量采 样值传输。该部分直接映射在协议i s o i e c8 8 0 2 上，因此它所规范的过程总线 已是网络的概念，能更加彻底地实施变电所过程总线的数字化。与9 1 部分相比， 该部分除了支持直接映射到数据链路层的“s e n d m s v m e s s a g e ”服务外，还支持 向m m s 的映射：通过“g e t m s v c b v a l u e s s e t m s v c b v a l u e s ”等控制服务可重 新设定输入通道数、采样频率等参数，支持对数据集的更改和对数据对象的直接 访问；帧格式可灵活定义，并支持单播方式。因此i e c6 1 8 5 0 9 2 的映射方法更 为灵活，对a s c i 模型的支持也更加完备。 9 山东大学硕士学位论文 测试 图2 - 3 过程层与间隔层之间的串行多路点对点通讯示意图 选择i e c6 1 8 5 0 9 1 还是i e c6 1 8 5 0 9 2 作为采样值传输服务映射的方法是一 个值得讨论的问题。按照目前的技术现状来看，可采用较简单的i e c6 18 5 0 9 1 定义的映射方法：首先，i e c6 1 8 5 0 9 1 沿用了i e c 6 0 0 4 4 7 8 对合并单元的规定， 贴近目前的实际应用情况；其次，i e c6 1 8 5 0 9 1 不涉及复杂的、有一定实现难 度的m m s 协议；最重要的是，由文献【4 3 】做的过程层网络性能试验可以看出， 目前流行的1 0 0 m 交换式以太网上不能负担超过2 0 台以上的m u 装置，而整个 变电所的m u 总数超过2 0 台的可能性又非常大，因此依靠目前的技术在过程层 彻底实现i e c6 1 8 5 0 9 2 是不现实的，只有随着网络技术的不断发展，特别是千 兆网的普及以及相关设备成本的降低，i e c6 1 8 5 0 9 2 才有希望被应用到实际工 程中去。考虑到以上因素，本文采用的是i e c6 1 8 5 0 9 1 定义的映射。由于9 1 部分考虑到与9 2 的兼容性( 例如引入虚拟局域网和数据传输优先级等概念，这 些概念对于实现9 2 是必须的) 所以遵循9 1 标准的设备将来可以很方便地过渡 到9 2 定义的过程总线通讯网络上。 2 2 4 采样值、g o o s e 传输模型介绍 在构建了过程层测控终端的信息模型的基础上，需要将终端的各种通信服务 通过特定通信服务映射s c s m 映射为具体的实时通信协议。过程层测控终端的通 信服务包括向间隔层i e d 发送采样值数据和接收其他i e d 下发的控制命令，分别 对应i e c6 1 8 5 0 标准定义的两种抽象通信服务模型：采样值( s v ，s a m p l e d v a l u e s ) 通信服务模型和面向通用对象的变电站事件( g o o s e ，g e n e r i co b j e c to r i e n t e d s u b s t a t i o ne v e n t ) 通信服务模型。 g o o s e 模型的报文传输采用了特殊的映射方式：应用层专门定义了协议数据单 元( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) ，经过表示层编码后，不经网络层和传输层的协 议，直接映射到数据链路层和物理层。这种映射方式的目的是避免通信堆栈造成 传输延时，从而保证报文传输的快速性。 s v 报文和g o o s e 报文的传输均采用发布者订阅者( p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ) 通 信结构。与点对点通信结构和客户服务器通信结构相比较，发布者订阅者通信 结构是一个或多个数据源( 即发布者) 向多个接收者( 即订阅者) 发送数据的最 佳解决方案，对于传输流量大且实时| 生要求高的采样值传输通信而言，采用发布 者订阅者结构是最佳选择汹】。 2 2 4 1 采样值传输模型 对于i e d 采样值接口而言，用的最多的就是采样值传输模型，如图2 1 3 所示。 图中一个数据类向另一个数据类传送采样值。从a c s i 抽象的角度来说，左边 的数据类只做了两件事情：一是向右边的数据类提出传送数据的请求，二是接受 从右边数据类传来的数据。但是在实际中，其实现是采用通信系统刷新左边数据 类的缓冲区来完成的。下面对此过程做一简要描述：首先，左边的数据类设定右 边数据类的采样值控制模块，告诉右边的数据类需要哪些数据。采样值控制模块 根据要求生成或者修改一个数据集，将此数据集放到缓冲区中。当通信系统下一 个脉冲到来时，右边缓冲区的数据送上通信总线，自动刷新左边的数据类缓冲区， 从而完成两个数据类间的数据交换。 抽象通讯 ；。 i 订阅者s u b s c r i b e r 获取数据值请求 c e t d a t a v a l u e r e q _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 i 一 获取数据值响应 g e t d a t a v a l u e r s p 本地发送 l 请求订网垡星! ! ：兰亡 ：。、 l 响应订阅信息p u l l r e g ；新数据通女h n e w d a t a i n d ：- _ 一 设置采样值控制请求 s e t s v c v a l u e r e q 设置采样值控制响应 s ! 黛! 鲤! 胁! 二王! 曼 图2 4 采样值传输抽象模型 山东大学硕士学位论文 2 2 4 2 采样值传输模型映射 所谓采样值传输模型的映射，就是将模型细化到简单的数据类型，然后映射 到通信堆栈的各层协议，最后通过物理层的电路控制，达到装置间信息交换的目 的。i e c6 1 8 5 0 - 9 - 1 标准中推荐的是参考i s 0 i e c8 8 0 2 3 ( c s m a c d ) 模式的以太 网方案，定义了如图2 - 5 所示的通信栈和数据层的数据单元结构。 从图中可以看出，i e c6 1 8 5 0 - 9 - i 中的过程层数字通讯栈是参考i s 0 七层协 议制定的，其中网络层、传输层、会话层和表示层都制定为空。这和通常使用的 以太网框架有很大不同，因此也决定了不能简单套用常规的以太网构架和协议， 必须在此基础上进行一定的修改才能符合过程层数字通信的要求。下面从上往下 逐次介绍信息模型向各层通信堆栈的映射。 定义应用数据服务单元 i s o i