（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850线路间隔ied的建模研究及通信实现.pdf

s u b j e c t ：a n a l y s i sa n di m p l e m e n t a t i o no nl i n eb a yb a s e do ni e c 6 1 8 5 0 s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n n a m e ：w a n gl i n g i n s t r u c t o r ：y u nb a o j i f uz h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 出哟埤 s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi nt h ep o w e rs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d ，b u ta l s oh a s p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ef o rt h ep r o t e c t i o no fp o w e rg r i d s i nl i g h to ft h em a n ys u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi n a d e q u a t e ，t h ei 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 lc o m m i s s i o np r o m u l g a t e d b yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s - s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n ds y s t e mi e c6 18 5 0 ，i ti s t ob u i l dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n ds u b s t a t i o np r o v i d e sas t a n d a r d i z e ds y s t e m t h i s p a p e ra c c o m p l i s h e dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ei e da n dc o m m u n i c a t i o nl a u n c h e di n d e p t h s t u d y i n i t i a l l yb a s e do nt h ei e c6 1 8 5 0s t a n d a r da r c h i t e c t u r ea n di d e a , s u m m e du pi e c6 1 8 5 0 i sa p p l i c a t i o n - o r i e n t e df u n c t i o n sw i t has e l f - d e s c r i p t i o no ft h es u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d s ，e x p a t i a t e dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c eo fp r o t e c t i o n s e c o n d ，i e dl i n es p a c i n gw i l lb ef o l l o w e db yt h ea p p l i c a t i o no ff u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o n f o rt h er e l e v a n tl o g i cn o d e s ，a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fa ni n f o r m a t i o nl o g i cm o d e lo ft h ed a t a n o d eo b j e c t , a t t r i b u t ed a t aa n dr e l a t e ds e r v i c e s i tw a se x p m i a t e dt h a tx m ls c h e m ad e f i n i t i o n o ft h es t r u c t u r eo ft h es c lm o d e l ，a n dm o d e lc o m p o n e n t si nt h ep r e p a r a t i o np r i n c i p l e s ，a n d p r o t e c t i o na g a i n s tl i n es p a c i n gi n f o r m a t i o nm o d e lc o n f i g u r a t i o n f i n a l l y ，t h ea b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e si n t e r f a c e ( a c s l ) ，a n dm a n u f a c t u r i n g m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ( m m s ) ，a sw e l la st h em a p p i n gb e t w e e nt h et w ow e r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e dt h em a p p i n gt y p e d e s i g nau n i v e r s a ls e r v e rs o f t w a r ep l a t f o r mt oc o m p l e t et h e v a r i o u st y p e so fm a p p i n g b a s e do na c s i + m m s + t c p i p + e t h e r n e tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s t r a n s m i s s i o n , a n dt 1 1 i r d p a r t yt o o l r 呻订m sm e s s a g ea n a l y s i ss o l , r a r ev e r i f i c a t i o na c h i e v e d a c s im o d e li nt h es e r v i c e sc a t e g o r y k e y w o r d s ：i e c6 1 8 5 0m o d e l i n go f l i n eb a y l e ds c la c s im m s t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓，、卅浚日期：回8 6 、，多 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位做作者躲丑玲指导教师躲气l k f 掷 d 8 年b 月，弓日 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 绪论 变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁 重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用【1 1 。2 0 世纪9 0 年代初，随着计 算机技术和网络通讯技术的迅速发展，尤其是e t h e r n e t 技术及i n t e m e t 的发展和面向对 象技术的广泛应用，基于微处理器的新型测量保护智能电子设备i e d ( i n t e l l i g e n e e e l e c t r o n i cd e v i c e ) 得到了大量应用，由于缺乏统一的标准，不同厂家设备间不能共享信 息，数据的一致性难以保证，缺乏互操作性、互换性1 2 i 。这种现象不仅造成了软、硬件 设备的重复投资，还增加了变电站的运行维护成本。 为此，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 ) 提出了应用面向对象思 想建立变电站内i e d 设备间无缝通信的一个全球范围标准变电站通信网络系统i e c 6 1 8 5 0 t 3 1 。i e c6 1 8 5 0 的优点在于采用统一的对象模型和标准的通信协议，使得不同厂商 的i e d 之间能够实现良好的互操作，从而降低系统的集成费用，保护用户的投资，提高 整个电网的安全稳定运行水平【4 】；另一方面，i e c6 1 8 5 0 标准本身能够灵活地适应应用 技术和通信技术的快速发展，而不必频繁的进行修改【5 】。i e c6 1 8 5 0 起点高，立足电力 系统，面向未来，成为未来变电站自动化通信系统发展的主流国际标准1 6 1 。因此，研究 和实现基于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电站，通信模式具有重要的应用价值。 i e c6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护三大功能依据 功能分解、数据流和信息建模的方法制定标准【7 i 。从逻辑上，将变电站的通信体系分为 三层 s l ，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层与层之间的通信接口；采用面向 对象的设计思想。i e c 6 1 8 5 0 通过功能分解，将逻辑节点l n ( l o g i c a ln o d e ) 、逻辑设备 l d ( l o g i c a ld e v i c e ) 及i e d 区分开来【9 】，将所有变电站自动化系统的已知功能进行标识 并分成许多逻辑节点，逻辑节点常驻在不同设备内和不同层内，并可满足分布功能的要 求；规范了系统和i e d 配置的变电站描述配置语言s c l ( s u b s t a t i o nd e s c r i p t i o na n d c o n _ f i g u t i o nl a n g u a g e ) 模型b o 】；结合使用抽象通信服务接口a c s i ( a b s t r a c t c 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 ) 和特殊通信服务映射s c s m ( s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o n s e r v i c em a p p i n g ) 两种服务层次，使得服务与通信网络独立【i 卜1 2 1 ；过程层的提出与电子式 互感器、智能化断路器、紧凑式组合开关等设备的发展密不可分b 3 ，也是i e c 6 1 8 5 0 对 过去变电站通信体系的重大突破之一。按照i e c 6 1 8 5 0 的发展观点过程层与间隔层之间 采用基于交换式以太网的过程总线通信方式b 4 - 1 s i 。 i e c 6 1 8 5 0 标准作为变电站自动化的通信标准，仅对变电站通信的相关内容做出了 西安科技大学硕士学位论文 规范并没有对保护装置的结构做出具体的要求，所以设计一种开放式、通用的保护结构 将为变电站自动化系统带来很高的灵活性。因此，i e c6 1 8 5 0 可以为变电站自动化系统 提供标准的设备接口和系统接口，最大程度实现数据的自我描述，顺利完成i e d 间的互 操作。i e c6 1 8 5 0 标准必将在系统结构、组织手段、运行管理模式上对电力系统自动化 产生深刻影响。 1 2 国内外i e c6 1 8 5 0 研究及其在变电站中应用现状 i e c6 1 8 5 0 的提出主要来自美国和欧洲两大标准阵营，并受到国际上的广泛关注1 5 1 ， 因此国外的研究起步早、历时长、力度大，技术层次较为深入，成果也较为突出。 在变电站层和间隔层内部和层间设备的通信实验，在国外有两次经典案例，分别是 1 1 6 - 1 9 ： ( 1 ) 1 9 9 8 年1 月2 0 0 0 年1 1 月，在德国进行了间隔层与变电站层设备的互操作性验 证，参加者有a b b 、a l s t o m 、s i e m e n s 、s i s c o 。实验结果表明：i e c6 1 8 5 0 标准草 案所定义的通信概念能够满足变电站自动化系统通信的需求；以太网适合作为变电站总 线；基于i e c6 1 8 5 0 的应用是独立于底层通信协议栈的，是可以面向末来的。 ( 2 ) 2 0 0 1 年，美国u c a 用户协会进行间隔层设备之间的互操作性的实验，参加者有 a b b 、s i e m e n s 、o m e c r o n 。实验验证了i e c 增强型g o o s e 和变电站配置语言s c l 的概念，结果表明g o o s e 适合在网络上传送断路器跳闸命令；s c l 具备配置来自不同 厂商设备能力。这个实验具有i e c6 1 8 5 0 成为国际通信标准的里程碑意义。 国内规模最大、影响最深的是2 0 0 5 年5 月中旬，中国电力科学研究院变电站自动 化公司组织完成了第一次互操作实验【2 0 】。这次证明核心通讯协议栈的开发是成功的， 为我国变电站自动化系统的发展和进步打下了很好的基础。 在技术产品的推出方面，世界各国对符合i e c6 1 8 5 0 标准产品，从一整套自动化系 统到个别的保护、测控和监控装置都展开了激烈竞争【2 1 1 。瑞士a b b 公司宣布推出了面 向中国市场的新一代i e d6 7 0 系列继电保护和测控装置；s i s c o 公司宣布已推出了支持 i e c6 1 8 5 0 的a x s 4m m s 和m m s e a s el i t e 。西门子公司也承接下了该公司在全球的 第1 0 0 个i e c6 1 8 5 0 项目上海新南桥变电站，并于2 0 0 6 年3 月3 0 日投入运行。2 0 0 6 年3 月2 7 日，国内第一个i e c6 1 8 5 0 示范站陕西省西安供电局少陵1 1 0 k v 变电站 正式投入运营。2 0 0 7 年6 月份陕西省西安供电局另一个示范站曹里村变电站则采用 北京四方的综合自动化系统，全站保护测控按i e c6 1 8 5 0 设计。这是我国最早的两个基 于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电站。 但是国内数字化变电站并不是完全符合i e c6 1 8 5 0 要求的，对于保护装置大多采用 经网关将1 0 3 等规约转化为符合i e c 6 1 8 5 0 协议的通信方式。因此目前研究基于 i e c 6 1 8 5 0 的新型数字化变电站通信网络和保护装置是迫切需要的，文献 2 2 】、【2 3 提供 2 1 绪论 了一些变电站通信系统方面的研究思路，文献 2 4 1 提供了建模中数据集的处理方法，文 献 2 5 】- 3 0 】提供了a c s i 与m m s 之间的映射方法。总体上来说，目前对于i e c6 1 8 5 0 的 研究大多集中在标准的实施和新旧标准的兼容上，然而对于系统的从信息建模、配置文 件编写、信息模型映射、服务器端平台设计到最后通信实现没有进行深入研究分析，也 缺乏足够的经验，而这些研究和分析工作对于标准的正确推广实施却是非常必要的。 1 3 论文的主要工作 综上所述，符合i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统是未来的发展方向，然而将i e c 6 1 8 5 0 标准完全应用于变电站自动化系统还未成熟，基于以上背景论文的研究工作主要 分为以下部分： i e c6 1 8 5 0 标准的理论分析与研究应用；对间隔层装置进行建模， 并应用变电站配置语言描述其模型；完成保护模型到特殊通信服务映射。本论文的具 体章节安排如下： 第二章分析了数字化变电站的体系结构及其i e c6 1 8 5 0 的内涵、技术特征和实现流 程。首先，概述了i e c 6 1 8 5 0 的主要内容；其次，揭示了基于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电 站自动化体系结构的内涵以及i e c6 1 8 5 0 的主要技术特征；最后，归纳了该标准对现有 保护装置的影响。 第三章研究了i e c 6 1 8 5 0 信息模型的构建，完成应用变电站配置语言对模型的描述。 首先，根据信息模型的内涵，以变电站线路间隔l e d 为例，研究符合i e c 6 1 8 5 0 标准的 间隔层设备的信息模型，并完成其信息模型的建立。其次，研究基于x m l 的变电站配 置描述语言s c l 及其u m l 模型，完成了信息模型配置文件的编写。 第四章研究信息模型映射的方法，设计了服务器端通信平台，完成核心a c s i 到 m m s 的映射。首先对标准中的若干关键技术的实现方法进行研究，深入细致的分析了 核心a s c i 模型的抽象通信服务的映射，总结出映射类型即基本数据类的映射、信息模 型的映射、服务的映射；然后设计了通用服务器端软件平台；最后实现了基于 a c s i + m m s + t c p i p + 以太网的网络通信传输，并通过第三方m m s 报文分析软件侦测到 a c s i 模型服务的实现。 第五章对全文做了总结，对未来需进一步研究的工作做了展望。 3 西安科技大学硕士学位论文 2i e c6 1 8 5 0 标准的分析 基于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电站意味着变电站内一次电气设备和二次电子装置均实 现数字化通信，并具有全站统一的数据模型和通信平台，在此平台基础上实现智能装置 间的互操作性。 2 1i e c6 1 8 5 0 标准的体系结构【7 _ 1 4 1 i e c6 1 8 5 0 包含了变电站自动化系统从性能要求、工程管理到数据建模和网络通信 的一系列内容，具体内容如下： 第一部分基本原理，介绍了i e c6 1 8 5 0 产生的必要性以及标准各部分主要内容。 第二部分术语，这部分内容为该标准中变电站自动化系统专门术语词汇表。 第三部分总体要求，介绍了变电站自动化系统内通信系统的质量要求。 第四部分系统和工程管理，包括变电站内必备硬件配置的定义、功能和信号质量 的适应性以及所有具体定义的文档。 第五部分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。 第六部分变电站配置语言，规定了配置文件的格式，包括描述的系统工程、与通 信有关的i e d 配置参数、通信系统配置、变电站( 功能) 结构、逻辑节点对一次系统的分 配以及它们之间关系。 第七部分基本通信结构，该部分是整个标准的核心内容。分为四个部分：7 1 原理 和模型；7 2 抽象通信服务接口a c s i ；7 3 公共数据模型；7 - 4 兼容逻辑节点和数据类。 第八部分变电站层与间隔层具体通信服务映射，将变电站层的服务映射到具体通 信服务。 第九部分间隔层与过程层具体通信服务映射。 第十部分一致性测试。 2 2 基于i e c6 18 5 0 的数字化变电站自动化系统技术特点 i e c6 1 8 5 0 是关于数字化变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，己成为 无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了智能电子设备i e d 间的 互操作。 i e c6 1 8 5 0 相对于其它标准，有以下突出特点。 4 2i e c 6 1 8 5 0 标准的分析 2 2 1 使用面向对象建模技术 i e c6 1 8 5 0 采用面向对象建模思想将变电站自动化系统中通信系统及相关设备的功 能分解为逻辑节点并将其作为对象进行建模。i e c6 1 8 5 0 采用了面向对象的思想使得它 具有新的技术特点： 对客观存在的事物分解构造模型系统，并抽象为数据类；事物的静态特征用数 据属性表示，事物动态特征用服务来表示，两者结合构成一个独立的模块，实现了封装 性；通过在不同程度上运用抽象原则，可以得到一般类和特殊类，特殊类继承一般类 的属性和服务，面向对象方法支持这种继承关系的描述和实现；复杂对象可以用简单 的对象作为其构成部分；通过关联来表达对象之间的静态关系。 2 2 2 采用分布、分层的通讯体系 i e c6 1 8 5 0 标准根据功能分类的不同提出了变电站信息分层的概念，即三层通信网 络结构模型1 7 】：变电站层、间隔层、过程层。变电站层负责人机接口、报警和事件处理 等功能；间隔层负责控制、自动保护、计量、记录等功能；过程层由智能传感器、控制 电路等二次智能设备组成，获取一次设备信号，反映一次设备的状态和信号，并接收间 隔层的命令对一次设备进行操作，如图2 1 所示。它将由一次设备构成的过程层纳入了 统一的结构中，这是基于一次设备的智能化和网络化发展的结构。 oo 图2 1 变电站自动化系统接口模型 各接口的含义： 1 ：间隔层和变电站层之间保护数据的交换；2 ：间隔层和远方保护之间保护数据的 交换；3 ：间隔层内数据的交换；4 ：过程层和间隔层之间瞬时数据的交换；5 ：过程层 5 西安科技大学硕士学位论文 和间隔层之间控制数据的交换；6 ：间隔层和变电站层之间控制的数据交换；7 - 变电站 层和远方工程师工作站之间数据的交换；8 ：间隔层之间数据的交换；9 ：变电站层之间 数据的交换；1 0 ：变电站层和控制中心之间控制数据的交换。 2 2 3 提供自我描述的数据对象及其服务 i e c6 1 8 5 0 6 中定义了变电站配置语言s c l t l o i ，该语言用于描述l e d 的配置和通信 系统配置。在应用层上，也可描述开关间隔拓扑本身以及配置在l e d 上的变电站自动化 功能，即逻辑节点的关系。s c l 允许将i e d 配置的描述传给通信和应用系统管理工具， 也可以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给l e d 的配置工具。s c l 的主要作用 就是使得通信系统配置语言可在制造商提供的i e d 装置和系统配置工具之间进行相互 交换。图2 2 说明了s c l 对设备数据的描述过程。 | e c 6 1 8 5 - 一4 絷密数据类变也鳓凸动他设备模璎数据s c i 堤鍪描述 图2 2s c l 描述设备数据信息 2 2 4 使用a c s i 和s c s m 技术 i e c6 1 8 5 0 标准归纳出变电站自动化系统所必须的信息传输服务，并对其进行了模 块化，设计出抽象通信服务接口a c s i ，使得抽象建模与具体的网络应用层协议独立， 即与采用的网络类型无关。考虑到各种各样的通信体系的建立，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、对象和参数映射到应用 层，适用于多种传送协议。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，它的改变不受七层协议栈的影响。当变电站使用不同的网络类型只需要更改相应的 特定通信服务映射s c s m ，如图2 3 中应用过程和抽象通信服务接口一样，不同的网络 应用层协议和通信栈与不同的s c s m l - s c s m n 相对应。 6 2i e c 6 18 5 0 标准的分析 通信栈 接口 映射 图2 3a c s i 到通信栈协议子集的映射 目前只定义了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 i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) ，但也指出了a c s i 映射到其它通信标准应用层的可能性。a c s i 的映射实 现可参看图2 4 ，其中包含通过t c p i p 协议完成m m s 部分服务。s c s m 使用2 种方式 来实现a c s i 中的通信服务：将a c s i 服务映射到制造报文规范m m s ，并按照a s n 1 ( a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o no n e ) 的b e r ( b a s i ce n c o d i n gr u l e s ) 标准来编码，该映射保证了 不同制造商生产的设备之间的协调配合；描述了采样值报文传输在点对点及 i s o i e c 8 8 0 2 3 网络上的实现方式，定义了完整的采样值传送报文。通信服务在链路层 上实现a c s i 服务，使通信与物理层无关。a c s i 及s c s m 技术的应用保证了抽象建模 与具体实现的独立性，服务与通信网络独立性。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 4a c s i 通信映射 7 7 耋 西安科技大学硕士学位论文 2 3i e c6 1 8 5 0 标准对保护装置的影响 i e c6 1 8 5 0 标准体现出的是一种系统的概念，与传统的变电站自动化系统的工程设 计和通信实现相比，i e c6 1 8 5 0 标准更加侧重于统一系统平台的建立，这个平台包括了 通信平台、管理平台和测试平台，并可在这一平台上进行一致性测试，从而保证设备达 到良好的互操作性。良好的互操作性是建立在设备强大的通信能力和面向对象的设计方 法上的。 i e c6 1 8 5 0 标准将面向对象的服务方式引入了保护装置中，面向对象的方式比面向 过程的方式对c p u 计算能力和系统的内存容量上都有更高的要求。i e c6 1 8 5 0 的自描述 特性和严格的逻辑节点间通信要求的实现依赖于保护装置强大的通信能力。i e c6 1 8 5 0 标准的应用对保护装置的性能和通信能力提出了较高的要求。现有的保护装置基本以面 向特定功能，通过面向过程的结构化设计方法来实现保护的功能，保护装置无论从硬件， 还是从通信能力上都无法完全满足i e c6 1 8 5 0 标准的要求。 i e c6 1 8 5 0 标准做为变电站自动化的通信标准，仅对变电站通信的相关内容做出了 规范，没有对保护装置的结构做出具体的要求，也未对装置内部逻辑节点的组合方式做 出具体要求，装置以逻辑节点组合的方式来体现装置的具体功能，使设计一种开放式、 通用的保护结构成为可能。通用的保护结构将为变电站自动化系统带来很高的灵活性， 可以增强组件的组合灵活性。各种保护之间的组件差异的减小，将有利于保护装置的开 发和应用。 8 3 基于i e c6 1 8 5 0 标准的线路间隔i e d 建模与配置 3 基于i e c6 18 5 0 标准的线路间隔i e d 建模与配置 3 1i e c6 1 8 5 0 标准的信息模型分析 变电站自动化系统由i e d 组成，并由分布于i e d 中l d 的l n 交互完成其系统功能。 i e c6 1 8 5 0 7 部分采用面向对象的建模技术，描述了若干类以及这些类的特征和类的服 务。这些类描述了变电站自动化通信系统模型的层次结构：服务器、逻辑设备、逻辑节 点、数据和数据属性等部分，如图3 1 所示。 图3 1 模型的层次结构 在i e c 6 1 8 5 0 - 7 定义了约9 0 个逻辑节点，例如测量节点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l l n 0 、物理设备节点l p h d ) ，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，由此看出微机保护设备建模在i e d 建模中占非常重要的地位。 3 2 建立符合i e c6 18 5 0 模型的基本原则 从系统的角度需要分层实现模型的构建：首先对逻辑节点及其数据对象建模；其次 聚合逻辑节点形成逻辑设备，并确定逻辑设备的物理位置；根据系统功能划分确定分布 结构和间隔组成。 针对系统中的具体设备则是采用抽象的方法将物理设备转化为信息模型，在信息模 型间进行数据交换。实现过程是：对具有实用功能的电力设备依据标准将应用功能分解 为最小实体即逻辑节点，而每个逻辑节点由代表特定应用意义的若干个专用数据及其属 性组成。当通信两端的逻辑节点能够解释并处理接收的数据和采用的通信服务时，逻辑 9 西安科技大学硕士学位论文 节点才能够彼此进行互操作，所以需要对逻辑节点应用的数据进行标准化建模。其中应 用的数据和服务可以按照如下三个层次来进行建模：( 1 ) 描述抽象模型以及在逻辑节点间 交换信息的通信服务；( 2 ) 定义公共数据类，它是由多个属性组成的结构信息；( 3 ) 定义 兼容逻辑节点类和数据类，数据类为应用中公共数据类的实例。 3 3 线路间隔i e d 模型建立 3 3 1 线路间隔i e d 抽象模型的建立 依据上述原则，对线路间隔l e d 进行建模。该模型适用于高压输电线路出线，实现 的主要功能是：控制功能；监视告警功能；计量、测量功能：保护功能。现将 线路间隔l e d 作为一个服务端s e r v e r ，继而根据功能不同将其分解为4 个l d ，如图3 2 所示： 图3 2 线路间隔功能示意 ( a ) l l n 0 为逻辑设备l d 的公共信息，l p d h 为物理装置i e d 的公共信息，比如铭 牌信息、装置自检结果等。 ( b ) l d l 为控制功能模块：x s w l l 、x s w l 2 代表断路器两侧的隔离开关；x c b r 为 该出线的断路器；c i l o 表示x c b r 与x s w i 的连锁功能：c s w i 控制x c b r 的定相分 合能力。 ( c ) l d 2 为监视告警功能模块：r d r e 为扰动记录功能，在i e c6 1 8 5 0 中被分解为两 个逻辑节点类，一个是模拟量通道逻辑节点类r a d r ，另一个是状态量通道节点类 r b d r 。 1 0 3 基于i e c6 1 8 5 0 标准的线路间隔i e d 建模与配置 f d ) l d 3 为测量功能模块：m h a i 用于计算三相系统中谐波和间谐波；m m t r 用于 计算三相系统电能量，适用于计费；m m x u 用于计算三相系统中电流、电压、功率和 阻抗，供运行时使用。 ( e ) l d 4 为保护功能模块，本模块是i e d 主要部分，包括了线路差动保护的主保护 及其后备保护( 参考x r l 2 1 5 高压线路差动保护装置【3 2 1 ) ，详细逻辑节点列表如表3 1 。 表3 1 保护l d 逻辑节点列表 西安科技大学硕士学位论丈 3 3 2 保护l d 信息模型建立 信息模型由逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性四个不同层次的语义所构成 的语义空间承载【3 3 1 。本节将以保护l d 为例，通过对这四个不同层次语义的详细分析， 深入研究信息模型的建立。 ( 1 ) 数据对象及其数据属性 a c s i 从数据模型、数据集模型、报告模型三个方面概括了变电站基本信息模型， 并以类的方式对模型进行描述，包含了属性和服务两方面。为简化建模过程，将属性中 共有的数据类定义为公共数据类【3 3 1 ，分别从状态属性、取代属性、配置、描述和扩展属 性几个方面定义了数据属性。针对l n 提出了兼容的逻辑节点和数据类】，其中的属性 类型继承公共数据类。 建模的一般方法根据逻辑节点列表得到专有数据及其属性类型、触发条件、存在性 要求。作为数据对象的内涵，数据属性不能脱离数据对象而单独存在，它由属性类型 ( d a t a a t t r i b u t e t y p e ，即基本数据类型) 、功能约束( f u n c t i o n a lc o n s t r a i n t ，用于区分数据属 性的功能类别，表明该数据属性允许的服务) 、触发任选项( t r i g g e ro p t i o n ，即产生报告 日志条目的条件) 和有特殊要求的值值域4 个基本元素构成。数据属性是信息模型信息 的最终承载者，对信息模型的一切操作都将最终归结到对数据属性的读写上。通过分层 迭代就得到实例化的兼容数据，并有唯一的实例名。现将保护l d 实例化为d 1 ，其中 逻辑节点m m x u a 建模过程如图3 3 。 实例化 图3 3 逻辑节点的建模过程 图3 3 中“数据类”包含了三种属性，公共数据类“i n s ”( 整数状态值) 作为数据类细 化的例子是建立在数据类基础上，“i n s ”细化数据属性包括：“s t v a l ( 状态值) ”、“q ( 品质) ”、 1 2 3 基于i e c6 1 8 5 0 标准的线路间隔l e d 建模与配置 领时标) ”，但这些数据并没有说明“i n s ”导出数据属性的应用和语义。在兼容数据类中 准确定义了它的应用，m m x u 中“h e a l t h ”类定义了名“h e a l t h ”，这个名字用于从这个类 导出的全部实例，状态值“s t v a l ”定义了三个值：“o k ( 好) = 1 ”、“w a r n i n g ( 预告警) = 2 ”、 “a l a r m ( 告警) = 3 ”。 通过上述过程建立了d 1 m m x u a 的部分数据属性，如图3 4 所示。 d 1 m m 圣u a 兼容逻辑节点 扣譬船一 广类实例 + 数据对象 ( a 相电压值) 数据属性 属f功甲 t v e c t o rm v e e t o rm x e m m e r a l e dm q u a l i t y n i x t i m e s t a m p m x ii 束 图3 4d 1 m m x u a 包含的部分数据属性 ( 2 ) 数据集 如图3 4 所示，信息模型的属性对外显现出2 种组织形态，即单个数据对象和由多 个数据对象组成的数据集。另由上文分析可知，信息模型中的每一个数据对象都位于各 自特定的语义空间中，所以数据集不能用来存放数据对象，它并不是数据对象的真正的 集合，而是一个索引数据对象的序列，并且这个序列是可以被设置和修改的。i e c6 1 8 5 0 定义数据集的目的是通过数据集所支持的一些特定功能服务，方便用户对成组数据对象 同时进行操作和访问( 如采样值、定值组、事件报告、遥测遥信等) 。 3 4s c l 配置描述语言 变电站配置语言s c l 是i e c6 1 8 5 0 采用的变电站专用描述语言i l o i ，它采用可扩展 的标记语言清楚地描述与通信相关的智能电子设备结构和参数、通信系统结构及它们 之间的关系，并采用x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 作为信息交换格式。由于x m l 的信息独立于平台，从而使得文件中的数据能够在不同厂家的i e d 配置工具和系统配 置工具间以某种兼容的方式进行交换。使用s c l 能够方便地收集不同厂家设备的配置 信息并对设备进行配置，使系统维护升级、智能电子器件控制变得更为简单易行。使 用s c l 形成标准的i e d 数据传输文件，可以避免转换的开销，同时大大减少数据集成 和维护的成本。 3 4 1x m l 与s c l 的关系 做为变电站配置语言，语法上s c l 遵循x m l 的语法规则；语义上s c l 遵循i e c 1 3 眦 洲 哗 q 。 酽上旷hl； 西安科技大学硕士学位论文 6 1 8 5 0 定义的语义规范。x m l 由万维网联盟( w 3 c ) 设计，是通用标记语言s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a lm a r k u pl a n g u a g e ) 的一个子集。x m l 提供了一种独立运行程序的方法 来共享数据，它是用来自动描述信息的一种新的标准语言，所以x m l 最适合作为数据 交换的标准。在s c l 中规定了特殊的一系列符合x m l 语法的面向变电站自动化系统 的标记。 3 4 2 配置描述文件类型 配置描述文件用于在不同工具间交换配置数据，在工具间交换数据类型的不同配置 文件是用不同的扩展名来区分。遵循定义的变电站配置语言的文件为s c l 文件，i e c 6 1 8 5 0 标准规定了下面四种类型的s c l 文件【l o 】： ( 1 ) i e d 功能描述文件( i e dc a p a b i l i t yd e s c r i p t i o n ，i c d ) - 该文件描述了i e d 的能力，用 于i e d 配置工具和系统配置工具之间进行数据交换。通常由设备制造商以某种媒介如光 盘、磁盘等提供，并满足x m l 格式。其中要求i e d 的名称必须使用“t e m p l a t e ”，并且文 件中要包含数据类型模板，给出逻辑节点的定义，以及可选的符合模板定义的变电站部 分。所有使用这些i e d 的变电站，应匹配变电站拓扑结构。 ( 2 ) 系统规格描述文件( s y s t e ms p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o n ，s s d ) 该文件描述变电站功 能需求及通讯配置，用于描述系统说明工具与系统配置工具之间的数据交换。文件描述 变电站的主接线图及其需要的逻辑节点，其中包括变电站描述以及所需要的数据类型模 板和逻辑节点类型定义。 ( 3 ) 变电站功能配置文件( s y s t e mc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o i l s c d ) ：该文件说明了各个 孤立的智能电子设备是怎样整合成为功能完善的变电站自动化系统。构成变电站自动化 系统运行时，用s c d 文件进行配置。 ( 4 ) 配置i e d 功能的描述文件( c o n f i g u r e di e dd e s c r i p t i o n , c i d ) ：该文件是对i e d 各参 量进行功能配置的文件。例如间隔层线路差动保护装置，根据要实现的保护功能的相关 逻辑节点信息完成配置文件。 3 4 3 变电站自动化系统的s c l 文件 s c l 对象模型如图3 5 所示，可以看出变电站对象层和i e d 对象层形成分层结构。 对象模型包含三部分： 变电站部分：是基于变电站功能结构的对象分层，用于描述变电站的功能结构、 标识主设备及它们之间的电气连接。在s c l 模型中使用了以下变电站功能对象： ( 1 ) 变电站( s u n s t a t i o n ) ，用于标识整个变电站的对象； 1 4 3 基于i e c6 1 8 5 0 标准的线路间隔l e d 建模与配置 i c o m m u n i c a t i o ns t t u c t u r e 图3 5 变电站配置方式 ( 2 ) 电压等级( v o l t a g el e v e l ) ，识别同一电压等级的变电站部分，如不需要则这一级 采用空字符串( 名) ，不规定电压值； ( 3 ) 间隔( b a y ) ，一个电压等级具有相同功能的变电站部分； ( 4 ) 设备( d e v i c e ) ，变电站内的设备如断路器、隔离开关、电压互感器、变压器等。用 变电站的单线图表示这些一次设备的电气连接，由连接节点对这些连接进行建 模； ( 5 ) 子设备( s u b d e v i c e ) ，一次设备的一部分，特别是三相设备中的一相； ( 6 ) 连接节点( c o n n o d e ) ，连接节点连接不同的一次设备，如母线是几个设备的端子 连接点； ( 7 ) 端子( t e r m i n a l ) ，单线连接图中一次设备的电气连接点，端子与连接节点相链接， 在s c l 中端子会被实例化。 i e d 部分：描述了i e d 的访问点、逻辑设备和实例化的逻辑节点。另外还定义了 i e d 提供的通信服务、逻辑节点类及数据对象实例。由硬件和软件两部分构成。从产品 方面来看s c l