（电气工程专业论文）基于iec61850的间隔层ied研究.pdf

山东大学工程硕士论文 a b s t r a c t s u b s t a t i o np l a ya nm p o r t a n tr o l ei nt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fp o w e r s y s t e m s t h em a n u f a c t u r e r sa l lo v e rt h ew o r l dp r o m o t ev a r i o u si e d s ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e s ) o ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ms u b s e q u e n t l y a l st h et e c h n o l o g yo fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ni sd e v e l o p i n gr a p i d l y d u et ot h en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu t i l i z e d b ym a n u f a c t u r e r sa r ei n c o m p a t i b l et oe a c ho t h e r , i ti sn e c e s s a r yt oc o n v e r tt h ep r o t o c o l st o e n s u r ed i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s i e d sb e i n gi n t e g r a t e di n t oo n es u b s t a t i o ns y s t e m b u tt h e c o n v e r s i o no ft h ed i f f e r e n tp r o t o c o l sw i l li n c r e a s et h ec o s ta n dc o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ， a l s or e d u c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m s ob o t ht h em a n u f a c t u r e ra n dt h ec u s t o m e re x p e c t s o m ea u t h o r i t i e st oi n s t i t u t ea nu n i f i e ds t a n d a r dt oq u a l i f yi n t e r o p e r a b i l i t yo ft h e1 e d sf r o m d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r t h e p u r p o s eo ft h ep a p e ri st or e s e a r c ht h ed e s i g n i n gs c h e m eo fi n t e r v a ll e v e li e d ，b a s e d o nu d p 口e t h e m e tp r o t o c o ls t a c ka n dm m s 厂r c p i p e t h e m e tp r o t o c o ls t a c k w e r eb u i l d i n g b yu s i n go p n e tm o d e l e r , a n dt h ei e dm o d e l so fs a su s i n gt w i s t e d p a i ra n do p t i c a lf i b e r s w i t c h e de t h e r n e ta r eb u i l t t h e s ec o n f i g u r a b l el e dm o d e l sa l l o wt oe a s i l yb u i l ds u b s t a t i o n m o d e l s 、析t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n 砀ep a p e rc a r r i e so u tr e s e a r c hw o r ka i m i n gt h ep u r p o s eo fd e s i n g i n go fi n t e r v a ll e v e l i e db a s e do nt h er e s e a r c h i n go fi e c 6 1 8 5 0 f i s r t ，a n a l y s et h eb a s i ct h e o r yo fi e c 6 18 5 0 ， i n c l u d i n gt h ef r a m e ，m o d e la n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p p i n go fi e c 6 18 5 0 t h e nt h e p a p e ra n a l y s e st h et e c h n o l o g yo fi n d u s t r ye t h e n e t h e r n e t ，e s t a b l a s h e st h et h e o r yf o u n d a t i o no f b u i l d i n gt h ei e dm o d e l so fs a su s i n gt w i s t e d p a i ra n do p t i c a lf i b e rs w i t c h e de t h e m e t a f t e r t h a t ，t h ep a p e rp r o p o s e sd e s i g n i n gs c h e m eo fi e di nd e t a i li n c l u d i n gm o d e l i n gt o o l ，m a p p i n g s c h e m ea n dd i s t a n tt r a n s m i s s i o n a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fs a s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r da n dp r o v i d e st h ee x p e r i m e n tb a s i sf o rb u i l d i n gt h et h el e dm o d e l s o fs a s u s i n gt w i s t e d p a i ra n do p t i c a lf i b e rs w i t c h e de t h e r n e t 1 1 1 ep r o p o s e dd e s i g n i n gs c h e m ef o ri n t e r v a ll e v e li e da n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n r e s e a r c ho ns u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do ni e c 618 5 0w o u l dh a v es o m ev a l u e s t ot h ei m p l e m e n t i o no fi e c 618 5 0 k e y w o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ；s a s ；i n t e r v a l ；e t h e m e t ；i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ( i e d ) 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：日期：川：y ：乡 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) 论文作者签名：丕拄基型竺导师签名： 日期：趟：! 丝7 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测及自诊断、 变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，一些基于新的物理测量原理的传感器和控 制器为一次设备增添了新的功能，提高了测量精度，降低了电流电压动态测量范围的 误差。这些新技术的广泛应用，必将对己有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全 数字化的变电站自动化系统( s a s ) 即将出现【l 】。为了实现互操作性等目标，i e c6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统系列标准应运而生，在目前的变电站自动化通信标准中，i e c 6 1 8 5 0 系列标准是其中最为完善的标准，代表着未来变电站自动化技术的发展方向。i e c 6 1 8 5 0 提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的 输出，实现系统的无缝连接。i e c6 1 8 5 0 的目标在于形成一个标准的开放式变电站自动 化体系，使得来自不同制造商的i e d 之间实现良好的互操作性，并适应通信技术快速 发展，满足用户对提高系统可靠性、降低重复投资及维护成本的要求。 1 1 选题的背景及意义 数字化s a s 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【2 】。在逻辑结构上数字化s a s 分为三个层次，分别是“变电站层”、“间隔层 、“过 程层，。各层次内部和层次之间采用高速网络通信。三个层次的关系如图1 1 所示【1 1 。 图1 1变电站自动化系统功能层和逻辑接口 接口含义： ：间隔层和站层之间保护数据交换； 山东大学工程硕士论文 ：间隔层与远方保护之间保护数据交换； ：间隔层内数据交换； ：过程层和间隔层之间电压互感器和电流互感器瞬时数据交换( 尤其是采样) ； ：过程层和间隔层之间控制数据交换； ：间隔层和站层之间控制数据交换； ：站层与远方工程师办公室的数据交换； ：间隔之间直接数据交换，尤其是用于连锁这样的快速功能； ：站层内数据交换； ：变电站( 装置) 和远方控制中心之间控制数据交换。 a ) 变电站层的主要任务 通过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；按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心；接收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( 或 备有) 站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声 音等多媒体功能；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；具有( 或备有) 变电站故障自动分析和操作培训功能。 b ) 间隔层的主要功能 汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控制功能；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 出具有优先级别的控制；承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层 的网络通信功能，必要时，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。 c ) 过程层的功能 过程层是一次设备与二次设各的结合面，或者说过程层是智能化电气设备的智能 化部分，其主要功能可分为三类：电气运行的实时电气量检测。即利用光电电流、 电压互感器及直接采集数字量等手段，对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测。 运行设备的状态参数在线检测与统计。如对变电站的变压器、断路器、母线等设备 在线检测温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。操作控制的执 行与驱动。在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性，还能对即 2 山东大学硕士学位论文 将进行的动作精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相角 下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。 传统的通信协议大都是规范s a s 外部的通信行为，还没有统一的国际标准来规范 s a s 内智能电子设备( i e d ) 间的全部的通信行为。 多种协议的采用使得不同制造商的i e d 之间交换信息必须通过协议转换，这增加 了系统通信成本，并影响系统的实时性能，而且专用设备和规约的使用，也降低了用 户选择系统解决方案的灵活性，不利于系统的升级或扩展。开放式的通信要求迫在眉 睫【2 1 。 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 m a t i 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i e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c ) 需要一个标准的信息 接口，以实现设备的互操作。l 生( 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 cp o w e rr e s e a r c hi 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 0 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i 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 c6 1 8 5 0 ，并于1 9 9 9 年3 月提出了委员会草案版本。 i e c6 1 8 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 订立电力行业相关标准的基础。i e c6 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 c6 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 c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化网络通信单元具 有重大的现实意义。 山东大学工程硕士论文 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外研究现状 i e c 6 1 8 5 0 起源于美国电科院的公用事业通讯体系( u c a ) ，国外厂商已经在开发符 合i e c 6 1 8 5 0 要求的智能电子设备，不但有保护装置，还有符合该标准的过程层设备， 如智能断路器，带数字接口的光c t 、p t 等。从标准制订初期，就有数家大公司开始 进行设备互操作试验，到目前为止已进行了4 次试验【4 】。前期实验从1 9 9 8 年1 月至2 0 0 0 年1 1 月在德国进行，组织者是g e r m a nu t i l i t yv e w ，r e s e a r c hi n s t i t u t ef g h ，参与者有 a b b ，a l s t o m ，s i e m e n s ，s i s c o 。试验的主要目的是对间隔层与变电站层设备的 互操作性验证，验证的结果说明了i e c6 1 8 5 0 为来自不同厂商的设备提供了互操作性 t 3 】 o 从1 9 9 8 年到2 0 0 0 年，a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 合作在德国进行了o c i s ( o 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 ) 计划，完成了间隔层设备和主控站之间的互操作试验。试 验中由a b b 完成主控站通过在以太网上实现i e c 6 1 8 5 0 8 1 来连接a b b 、a l s t o m 和 s i e m e n s 的设备。 2 0 0 1 年，在加拿大，a b b 和s i e m e n s 进行了间隔层设备的互操作试验，由 s i e m e n s 的保护装置向a b b 的开关模拟器发送跳闸信号，a b b 的开关模拟器收到信 号后将开关打开并将开关打开的g o o s e 信息发给其他设备，配置为重合闸装置的 a b b 保护向断路器发送重合闸命令。 2 0 0 2 年1 月，a b b 和s i e m e n s 在美国，进行了采样值传输互操作试验，同年9 月，这两个公司又进行了跳闸和采样值互操作性试验，试验都很成功。 2 0 0 2 年到2 0 0 4 年，a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 在德国柏林进行了间隔层设备 的互操作试验，这次成功的试验证明了互操作性和简化工程难度的可行性。 1 2 2 国内研究现状 中国电力企业联合会于1 9 9 9 年1 1 月份成立专门工作组，组织了国内大的制造商 和研究机构对该标准进行研究和消化，到2 0 0 4 年已将i e c6 1 8 5 0 吸收转化为我国电力 行业标准，这为该协议在我国大范围的推广应用创造了良好的环境和条件。国内很多 相关科研单位和电力设备公司开始研究这一标准。 各大专院校、科研院所和电力企业研发部门也一直在密切关注i e c6 1 8 5 0 标准的 4 山东大学硕士学位论文 最新进展，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，不 断探索基于该标准的应用开发。上海交通大学先后于2 0 0 2 年和2 0 0 4 年，分别与华东 电网公司和许继集团合作，展开对i e c6 1 8 5 0 协议应用的深入研究，并做了大量的工 作，积累了很好的经验。 2 0 0 6 年3 月，国电南自满足i e c6 1 8 5 0 标准的p s 6 0 0 0 变电站自动化系统在西安 1 1 0 k v 少陵变顺利投运。该系统包括保护、测控、监控、远动等技术领域中共1 0 多种 型号的产品，是国产第一套全变电站运行的完全满足i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化 系统，说明我国自主研发的满足i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统已具备推广应用 条件。 2 0 0 6 年1 0 月，国电南瑞科技股份有限公司研制的“北京顺义5 0 0 千伏变电所应用 i e c6 1 8 5 0 标准的n s 2 0 0 0 自动化系统”通过出厂验收，标志我国自主研发能够满足i e c 6 1 8 5 0 标准的高等级电压变电站自动化系统获得基本成功。国电南瑞正全力做好下阶段 预备工作，确保系统顺利进入现场安装调试并取得投运成功。 2 0 0 7 年，南瑞继保公司的高压测控装置第一次率先通过了国际权威的i ( z m a ( 荷兰) 认证实验室的i e c 6 1 8 5 0 通讯规约全面测试，这在同行业中尚属首次。6 月2 5 日已收 到k e m a 颁发的i e c 6 18 5 0l e v e la 认证证书，这标志着南瑞继保已能够提供完全符 合国际标准的i e c 6 1 8 5 0 通讯规约的继电保护和控制产品，能与国际上同类产品进行 按照i e c 6 1 8 5 0 规约格式的数据交换和对接。同时，南瑞继保中标了马来西亚电力公 司第一个基于i e c 6 1 8 5 0 规约的1 3 2 k v 变电站自动化系统，向马来西亚电力公司提供 成套的继电保护、测控单元、规约转换器、数据通讯处理器等变电站自动化装置。这 一项目的中标标志着南瑞继保基于i e c 6 1 8 5 0 规约的变电站自动化系统产品已成功进 入国际市场。 综上所述，国际上数字化变电站的研究已从实验室阶段进入实际工程应用阶段， 实用的全数字化变电站已有一些先例。我国已建成了互感器智能化的数字化变电站， 而互感器和开关设备均智能化的高电压等级变电站还未开始实施。数字化变电站将是 我国变电站技术的发展方向，国内厂家已能提供数字化变电站所需的大部分设备，可 基本实现设备国产化。 山东大学工程硕士论文 1 3 本文的主要研究工作 本文的主要任务是研究对数字化变电站的间隔层i e d 的实现，数字化变电站的实 施和应用还需要较长时间的探索和研究，目前尚处于传统变电站到数字化变电站的过 渡时期。数字化变电站间隔层的设计与实现是数字化实施和应用中的重要一环。i e c 6 1 8 5 0 是新型的变电站自动化系统通信标准，它涉及到多个学科领域，是个庞大、复杂 的体系。在研究过程中，本人查阅了大量国内外相关研究资料，对标准进行了尝试性 探索，做了以下几个方面的工作： 1 ) 查阅大量国内外相关文献，分析了数字化变电站自动化系统的特点及其发展趋 势；分析了i e c6 1 8 5 0 系统变电站通信标准出现的背景；熟悉了i e c6 1 8 5 0 系 统变电站通信标准，了解了国内外发展的现状。 2 ) 分析了i e c 6 1 8 5 0 标准的核心技术，包括采用面向对象技术，划分层次结构， 信息模型，特定通信服务映射，这些核心技术为实现互操作和无缝通信打下坚 实的基础。 3 ) 研究分析了基于i e c 6 1 8 5 0 的工业以太网的相关技术，为间隔层以太网固件的 实现和搭建采用双绞线及光纤的交换式以太网的变电站智能电子设备( i e d ) 的 通用模型做了理论上的准备。 4 ) 提出了以太网固件的总体设计方案。该固件可配置到需要支持i e c 6 1 8 5 0 的装 置中，使装置按照i e c 6 1 8 5 0 标准与外界通信。 5 ) 以d f 3 3 2 3 b 线路保护装置为例，建立了符合i e c 6 1 8 5 0 标准的信息模型。 6 ) 提出了建模工具和i e c 6 18 5 0 标准模型与传统信息模型的映射方案，并对在实 施过程中遇到的难于映射的问题提出了解决方案，从而保证了整个方案的顺利 实施。 7 ) 对t 卜1 和d 2 - 1 类型的变电站进行了仿真，通过交换机分割冲突域，从仿真结果 可以看出1 0 0 m b p s 网络，无论是共享方式还是交换方式，均能很好得满足i e c 6 1 8 5 0 的要求。 6 山东大学硕士学位论文 第二章i e c 6 1 8 5 0 标准研究 i e c6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统系列标准体系庞大，其内部关系也十分复杂，本 章结合论文研究内容介绍了i e c6 1 8 5 0 的相关知识。首先介绍了i e c 6 1 8 5 0 的标准体西 结构，分析了i e c 618 5 0 的信息模型，最后就s c l 的配置描述和特定通信服务映射作 了深入剖析。 2 1 标准体系结构 i e c6 1 8 5 0 标准使用了面向对象的统一建模技术和独立于网络结构的抽象通信服 务接 2 i ( a c s i ) ，具有很好的自描述能力和网络适应能力。因此，i e c6 1 8 5 0 标准是一个 开放的、面向未来的通信协议。同时i e c6 1 8 5 0 系列标准又是一个庞大的协议体系， 如图2 - 1 所示，包括十部分内容，其中p a r t 7 包括4 个部分【4 】一【1 引。 二二亟三三三三二 p a r t - 二二二至三三二二 呻 二二巫堕三三三二 邮 p a r t 4 功能和设备模型的通信要求( c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t sf o r p a r t s lf u n c t i o na n dd e v i c em o d e l s ) l 与变电站有关的i e d 的通信配甓描述语言( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o n l a n g u a g ef o rc o m m u n i c a t i o ni ns u b s r a t i o nr e i a t e dt oi e d ) p a r t 6 i 变电站和馈线设备基本通信结构( b a s i c c o r l l l t i 吼i c 鲥o ns t r u c t u r e f o r lp a r t 7 s u b s t a t i o na n df e e d e re q u i p m e n ta n dm o d e l s ) 二二至亟三三三二 删 图2 1l e g 6 1 8 5 0 标准体系 就概念而言，i e c6 1 8 5 0 标准主要围绕以下4 个方面展开： 1 ) 功能建模：从变电站自动化通信系统的通信性能( p i c o m ) 要求出发，定义了 7 山东大学工程硕士论文 2 ) 变电站自动化系统的功能模型( p a r t5 ) 。 3 ) 数据建模：采用面向对象的方法，定义了基于客户机服务器结构的数据模 型( p a n7 - 2 3 4 ) 。 4 ) 通信协议：定义了数据访问机制( 通信服务) 和向通信协议栈的映射，如在变 电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到m m s ( p a r t8 1 ) 。 在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络( p a r t 9 1 ) 或映射成基于i e e e8 0 2 3 标准的过程总线( p a r t9 2 ) 。 5 ) 变电站自动化系统工程和一致性测试定义了基于x m l ( e x t e n s i b l em a k eu p l a n g u a g e ) 的结构化语言( p a r t6 ) ，描述变电站和自动化系统的拓扑以及i e d 结构化数据。为了验证互操作性，p a r t1 0 描述了i e c6 1 8 5 0 标准一致性测试。 2 2i e c 6 18 5 0 信息模型 i e c 6 1 8 5 0 7 4 定义了8 9 种功能组( 逻辑节点) ，例如断路器x c b r 、测量节点 m m x u 。其中系统逻辑节点有三个( 基本逻辑节点、逻辑节点零、逻辑物理设备节点) ， 保护功能逻辑节点及相关功能逻辑节点共3 8 个，其它为控制、测量、变压器以及其 它电力系统设备逻辑节点。对设备进行建模，首先要清楚设备实现的功能，做出完整 的功能描述。而功能描述包括功能的任务、启动原则、功能结果和影响。功能分解为 逻辑节点与其它功能单元交互。在此基础上对基于i e c 6 1 8 5 0 的i e d 建模，包括以下三 个步骤：逻辑节点和数据、逻辑设备、通信服务。图2 2 描述的是i e c 6 1 8 5 0 的信息模 型层次结构。 图2 - 2i e c 618 5 0 的信息模型层次结构 i e c 6 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( c s ) 结构 山东大学硕士学位论文 数据模型。按照标准规定，i e c 6 1 8 5 0 将设备按照功能分为一个个最小的应用单元， 即逻辑节点。逻辑节点是i e c 6 1 8 5 0 中基本的数据模型，其中又包括一定的数据对象， 而数据对象又是由相应的数据属性构成。各个层次之间的关系是父与子的一对多关系 即一个智能电子设备由多个逻辑设备组成，一个逻辑设备又由多个逻辑节点构成，一 个逻辑节点由是由多个数据对象组成，一个数据对象由相应的数据属性构成。对通信 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和服务器 通信访问数据对象，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节点，它能够提供数据，或允许其它功能节点访问它的资源。 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【1 9 l 。 在建模的时候，必须严格按照i e c 6 1 8 5 0 标准的定义来进行，但其逻辑节点、公共 数据类是可以根据不同的应用而扩充的。逻辑节点作为i e c 6 1 8 5 0 中最小的通信单元， 其定义是唯一的，这是保证i e c 6 1 8 5 0 实现互操作及自我描述的基础。 i e c 6 1 8 5 0 的这种分层的概念加上各种服务，构成了i e c 6 1 8 5 0 的总体架构，体现 了c 6 1 8 5 0 的总体思想。 2 2 1 逻辑节点与数据 在i e c 6 1 8 5 0 中，每个l n 由若干个代表特定应用意义的数据组成。逻辑节点之间 的相互作用指每个逻辑节点的服务和包含数据之间的相互作用。数据是大多数信息交 换的主要元素，数据交换通过网络实现。设备之间的相互作用也是通过逻辑节点的数 据和服务来实现的。图2 3 是一个i e d 的逻辑节点建模实例。 9 山东大学工程硕士论文 b a ya q o c s w i p o s s t v a l p t o c r r e c q o c s w i i n t e r m e d i a t e s t a t e ( o ) o n ( 1 ) 删。行 尚 c t v a l b a d - s t a t e ( 3 ) p u l s e c o n f i g o p e r t i m 图2 3i e d 逻辑节点建模举例 逻辑节点名称和数据名定义了变电站设备的标准化含义，这些缩写名词是通信时 采用的标准化名字，而与采用的通信系统无关。变电站配置描述了在特定设备中采用 了哪些任选信息，全部逻辑节点的实例名是什么，实例即指继承了该逻辑节点类的全 部内容并赋予了一个唯一的名字。i e c 6 1 8 5 0 中，标准的数据采用分层结构，图3 2 所 示为一个实际i e d 设备一间隔控制单元( b a yu n i t ) 的数据信息，这个间隔单元包括距 离保护( d i s t a n c e t e c t i o n ) 、定时限电流功能( t i m eo v e r c u r r e n t ) 等功能逻辑节点【冽。 标准的数据采用分层结构。信息模型是由若干个逻辑节点、数据和数据属性组成 而逻辑节点又可以包含许多基本组成部件，如图2 4 所示： l o l o g i c a ln o d e d a t a r e p o r t i n ga n d r e p o r t c o n t r o l s e t l o g g i n g s u b s t a t i o n d a t a 毒dir型d霉efinitio眵 图2 _ 4 逻辑1 y 点基本细成 图2 4 中c o n t r o l 服务代表了控制设备中某部分的能力，例如要复位所有设备的 e m 试 疋 一 一 一 一 一 眦一一le e e 山东大学硕士学位论文 l e d ，就要将逻辑节点下的数据i e d r s 置为t r u e 才能作用。数据组合成数据集， 数据既能立即作为报告发送出去也可保存下来作为日志供以后查询。c o n t r o l 控制和 r e p o r t 报告组成了逻辑节点的一部分，其它服务如：s u b s t i t u t i o n ( 替代) 、g e t s e t ( 读 写数据值) 、d i r d e f i n i t i o n ( 即g e t d a t a d i r e c t o r y g e t d a t a d e f i n i t i o n 得到数据目录和定 义) 。逻辑节点和包含在逻辑节点内的数据是描述实际系统和功能的基础。大多数逻辑 节点的功能就是数据的集装箱，可以放置在l e d 的任何地方，逻辑节点和数据的概念 定义了可在逻辑节点内访问的信息。在逻辑节点之间可以看到信息流，如图2 5 所示。 也就是说各个逻辑节点之间是通过p i c o m ( p i e c eo fi n f o r m a t i o nf o rc o m m u n i c a t i o n ) 来 联系的。 堕堡， p i c o m q 煎q k 墅丝堕- p i c o m 图2 - 5 逻辑节点和通信信息片关系 2 2 2 逻辑设备 逻辑设备由逻辑节点及附加的服务例如g o o s e ( 用于快速传输保护数据的输入 和输出) 、采样值交换、设置组等构成【2 5 1 。如图2 - 6 所示： 图2 - 6 逻辑设备纲成 逻辑设备提供了关于物理设备的信息( 铭牌、设备运行状况等) 或由它控制的外 l l 山东大学工程硕士论文 部设备的信息( 外部设备铭牌、设备运行状况等) 。逻辑设备包含在物理设备中。 如图2 7 所示，在物理设备a 中包含了逻辑设备l d l 、l d 2 ，l d l 包含了三个逻辑 节点：逻辑节点零l l n 0 表示逻辑设备的公共数据( 如铭牌、设备运行状况等) 、物 理设备逻辑节点l p h d 表示该逻辑设备所属物理设备的公共数据( 如物理设备铭牌、 设备运行状况等) 、l n 。所有逻辑设备都必须定义至少3 个节点，即基本的逻辑节点 l l n 0 、l p h d 和一个其它逻辑节点l n 。p h d “a l d l 的l p h d 提供和p h d “a l d 2 的l p h d 有完全同样的信息，因为它们包含在相同的物理设备p h d “a 中，p h d “a l d l i ，i 和p h d “a ”l d 2 l l n 0 传递了不同的信息，因为它们所 属逻辑设备l d 不同。 图2 7 逻辑设备和逻辑节点 2 2 3 通信服务 尽管正c 6 1 8 5 0 规定了8 9 个逻辑节点，但还没有包括装置设计的全部功能。同时， 国外产品的设计理念和国内产品的设计理念不尽相同，导致部分功能没有对应的逻辑 节点。现阶段，可以通过拆分功能和组合逻辑节点来解决该问题，但难度相当大。也 可采用扩展逻辑节点的方法解决这个问题，即新建逻辑节点。一般情况下不主张通过 扩展逻辑节点解决建模问题。 山东大学硕士学位论文 一般不对单独的逻辑节点的数据对象进行操作，而是要对多个逻辑节点的数据进 行操作。因此需要将各个逻辑节点下相关的数据对象组成数据集( d a t a s e t ) ，数据集在 系统中将广泛的应用，数据集从属于l l n 0 。 采用面向对象建模技术定义服务。抽象意味着定义着重在所提供的服务的描述上 面。a c s i 为变电站设备定义了公共服务。传统的变电站内部大多采用请求响应模式 的服务器客户端模式( c s ) ，当客户端主动向服务器请求服务和数据时才发生数据传 输。i e c 6 1 8 5 0 采用服务器客户端和发布订阅式两种a c s i 通信模式。 2 3 特定通信服务映射 由于i e c6 1 8 5 0 中的抽象信息模型不依赖于具体的通信协议栈，为了实现具体的 应用进程之间的通信，i e c6 1 8 5 0 采用了特定通信服务映射( s c s m ) 的方法，即采用当 前已经成熟的、流行的国际通信标准作为i e c6 1 8 5 0 的通信协议栈。 开放系统互联( o s i ) 模型是由国际标准化组织( i s o ) 开发的一种计算机通信体系结 构【2 4 】。o s i 定义了一种基于通信功能分层概念上的模型，包含应用层、表示层、会话 层、传输层、网络层、数据链路层和物理层等七层。 i e c6 1 8 5 0 所定义的s c s m 大多采用了上述专规，如核心a c s i 服务的通信协议栈 映射到m m s ，应用层协议依旧映射到i s o o s i 互联模型的高三层，而传输层协议则直 接映射到t c p i p 协议集。这样映射的一个主要原因是：t c p i p 作为互联网上通信标准， 应用领域非常广泛，有助于推广i e c6 1 8 5 0 的应用。 s v g o o s e 报文传输服务的s c s m 比较特殊：为保证报文传输的高实时性，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底层( 数据链路层和 物理层) ，传输层和网络层均空。g s s e 报文传输服务和g o o s e 报文传输服务差不多， 有少许的差别。 2 3 1 信息模型的映射 针对上述情况，下面分析信息模型的映射和协议栈规范两个方面。 1 ) 对象名字( o b j e c tn a m e ) ：包括l d n a m e ，l n n a m e 。在发送缓冲区中，它们均被 赋以整型值，例如可设置m e r g i n g u n i t 2 = 0 x 0 0 0 1 ，一般地，此值由相关设备厂家预先达 成一致【1 7 1 。对应高、低侧的合并单元逻辑设备名不同，这样可使接收端能够正确区分 各侧发送的数据包。 山东大学工程硕士论文 2 ) 对象引用( o b j e c tr e f e r e n c e ) ：实例的完整路径名称为 d a t a n a m e ，d a t a n a m e 的嵌套取决于数据类的具体 定义。 3 ) 公用数据类( c o m m o nd a t ac l a s s ) ：数据对象的数据属性在公用数据类中定义， 中各逻辑节点的数据对象所属的公用数据类均需映射编码。如数据对象a m p 所属的 s a v ，a r t g 所属的a s g 等。公用数据类s a v 的映射如表2 - 1 所示，其中i 表示电流采 样值，v a l i d i t y 反映i 的数值是否有效。如前所述，对于变压器差动保护各侧合并单元， 一般情况下，三相保护电流信息有效，而其它电流、电压信息均无效。 表2 1 公用数据类s a v 的映射 属性名 编码 i n s t m a g l q v a l i d i t y u 1 1 6 ( 双字节) b o o l e a n = 有效， = 无效 2 3 2 协议栈规范 用于采样值和g s e 的i s o i e c 8 8 0 2 3 通用以太网帧结构如图2 8 。 1 4 位组765432lo 0 1 1 5 4 优先级标记一t a 帧引导头 i l j o 1 6 以太罔类型 一 1 7 1 8 一a p p 一 1 9 s f d 贞南：始 2 0 长度 2 1 以太网类型 ( m + 8 ) 2 2 p d u 保留1 一目的地址 2 3 d e s t i n a t i o na d d r e s s 2 4 2 5 保留2 2 6 m a c 曹部 一a p d u一 ( 长度为m ) m + 2 6 源地址 ( 如需强- 填充字节) s o u ea d d r e 棚 1 5 1 7 f c s 帧校验序列 优先缓标记 一t p d一 1 5 2 l 图0 8i s o i e c 8 8 0 2 3 帧格式 为提升多播信息接收( 如g o o s e ，g s s e 和采样值) 的总体性能，较好的办法是由 山东大学硕士学位论文 媒体访问控制器( m a c ) 硬件实现过滤【1 8 】。不同的硬件具有不同的哈希( h a s h ) 算法。 i e c6 1 8 5 0 使用的多播地址( 长度为6 的8 位位组字符串) 具有以下结构：前p 个字节由 i e e e 分配为0 1 0 c c d ；第4 个字节对于g o o s e 为0 1 ，对于g s s e 为0 2 ，对于多播 采样值为0 4 ；最后2 个字节用作与设备有关的地址，取值范围在表2 2 中定义。 i s 0 1 1 e c 8 8 0 2 。p 多播婵播的目的地址必须配置，应使用唯一的i s o i i e c 8 8 0 2 p 源地 址【1 6 】。 表2 2 建议的多播地由e 示例 服务取值范围建议 g o o s e g s s e 多播采样值 开始地址( 1 6 进制) 01 o c c d 01 0 0 o o 01 o c c d 0 2 o o 0 0 01 0 c c d 一0 4 0 0 o o 结束地址( 1 6 进制) 0 1 o c c d 0 1 0 1 一f f o1 一o c c d 0 2 01 f f 0 1 o c c d 0 4 0 1 一f f 按照i e e e 8 0 2 1 q ，优先级标志用于将保护相关的时间性强、优先级要求高的网络 流量与低优先级网络流量分开。优先级标志的结构如图2 - 9 所示【1 6 1 。 8 位位组 1 2 3 4 76