通信技术-专业知识模块-学习单元1

学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议1概述1.1参考架构的范围和目的参考架构的第一个目标是描述所有现有的对象模型，服务和协议，以及它们是如何相互关联的。然后进行策略开发以满足所有类型系统的需要，如果可能的话，建议设法实现一个共同的模型。也许有些成熟的现有系统标准无法进行转化，那么建议使用适配器进行适当的转换，以达到统一的效果。此报告涉及以下标准化组织，以及它们之间的关系：a.IEC技术委员会57，负责制定标准电力系统控制和相关通信标准。b.电力科学研究院（EPRI）图1以图形描绘了这些活动和领域的应用。下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议图2所示了活动的范围所包含的IEC技术委员会57工作组以上确定。1.2参考文件IEC60870-5（所有部分），远动设备及系统——第5部分：传输协议。IEC60870-6（所有部分），远动设备和系统——第6部分：与ISO标准和ITU-T建议兼容的远动协议。IEC61334（所有部分），采用配电线载波系统的配电自动化。IEC61850（所有部分），变电站通信网络和系统。IEC61968（所有部分），应用在电动工具—系统接口集成分销管理。IEC62056（所有部分），电气仪表—抄表，费率和负荷控制的数据交换。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议ISO/IEC8824-1，信息技术—抽象语法符号（ASN.1）：基本记法规范。ISO/IEC8824-2，信息技术—抽象语法符号（ASN.1）：信息客体规范。ISO/IEC9506（所有部分），工业自动化系统—报文规范。2IEC技术委员会57标准和大多数标准制定活动一样，IEC技术委员会57的工作文件，最终成为IEC技术委员会57各个工作组内的标准起源。这些工作组，最初形成从下往上的设想，而不是采用常用的伞框架或参考架构。IEC技术委员会57标准，是“电力系统控制和相关电信”领域内广泛使用的指导思想。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议第一工作组重点描述控制中心、变电站和控制中心（IEC技术委员会57工作组3和7）的数据链接协议和服务。这项工作主要是提供标准的SCADA数据交换和控制变电站设备。2.1IEC技术委员会57工作组3的IEC60870-5标准IEC技术委员会57工作组3最初致力于开发、利用窄带串行数据链路，提供传统SCADA主控制中心和RTU之间在现场变电站之间的可靠通信的通信标准。IEC技术委员会57工作组3制定的第一个标准IEC60870-5-101实现了利用电缆完成高可靠性和低比特率三层协议栈的设计。后来，IEC技术委员会57工作组3的范围扩大到包括映射到数据网络的远程控制协议，如基于路由器的广域网。这导致了IEC60870-5-104的出现，它利用IEC60870-5-101标准传输，主要实现了TCP/IP的网络接入。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议2.2IEC技术委员会57工作组7的IEC60870-6标准IEC技术委员会57工作组7，专注于提供通过广域网（WAN）协议，以进行控制中心互连异构数据库和EMS应用。目标是开发符合OSI7层结构的230电力通信规约参考模型，以最大限度地利用现有的ISO标准的协议和服务范围。2.3IEC技术委员会57工作组9的IEC61334标准IEC技术委员会57工作组9提供采用配电线载波系统的配电自动化标准。这些标准协议利用该领域现有的配电线路，访问配电设备分销业务管理系统。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议2.3.1与“外部”标准由IEC技术委员会13工作组04完成的DLMS标准IEC61334-4-41形成了一系列的标准，用于计量应用开发。特别是，IEC62056系列提供了一个完整的通信协议栈，包括仪表设备模型，同时符合IEC61334-4-41的要求。2.4IEC技术委员会57工作组10~12的IEC61850标准以需要为标准，以解决变电站自动化为目的，形成了新的工作组（IEC技术委员会57工作组10，11和12），以在变电站和配电馈线上开发架构和接口标准，从而直接访问现场设备，而不是间接通过RTU标准访问。这也是希望采用一个共同的方式能够访问来自不同厂商的设备来，从而完成工程任务，如重新配置设备、取得新安装的设备资产管理或其他目的数据实时控制。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议2.5未来的IEC61970标准（IEC技术委员会57工作组13）IEC技术委员会57工作组13形成发展了EMSAPI标准，方便不同厂商独立开发的EMS应用程序的集成，整个EMS系统之间独立开发，或一个EMS系统和其他涉及电力系统操作系统之间进行集成（如配送管理）。这是通过定义标准的应用程序接口，使这些应用程序或系统访问公共数据和独立的内部信息，同时完成内部信息的表示与交流。这些标准都是围绕公共信息模型（CIM），提供了一个完整的电源系统，使用统一建模语言（UML）符号的抽象模型。同时，CIM是EMS-API整体框架中的一部分，CIM用于指定API的语义。本标准的其他部分采用API指定的语法。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议2.5.1通用信息模型（CIM）CIM是一个抽象的模型，代表所有电力公用事业企业中的主要对象。通常包含在一个EMS信息模型中。该模型包括公共类对象和这些对象的属性，以及它们之间的关系。技术委员会57在整个发电系统多个方面的内容中，更多关注的是如何在CIM中有效地完成建模，发电设备，发电动态，日程安排，能源时刻表，资金和预留资金。电力系统中的其他部分会在CIM和其他地方同时完成建模，例如变电站设备包括变压器，开关，断路器等。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议2.5.2信息交换的组件接口规范（CIS）对于特定类型的应用程序和特定类型的交换，有必要定义被交换对象的类型和属性。这意味着要通过定义接口的消息结构来保存数据。这些结构可以是CIM对象类的子集或视图的CIM对象类。换句话说，CIM作为一个数据字典，可以定义应用程序之间交换的信息的内容。组件接口规范（CIS）实际上为每个EMS应用程序定义数据内容和行为。2.5.3未来的IEC61970标准作为一个集成框架图3说明了在使用EMS-API标准的基础上控制中心内的关键接口。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议SCADA数据和EMS应用程序可通过EMS-APICIS标准中指定的组件接口进行衔接。用于互连应用程序的实际中间件技术（以下简称为CES，在图3中的组件执行系统）这样就可以由系统实施者选择非EMS-API标准的应用程序进行使用。在SCADA组件接口处，只要CES使用的SCADA数据符合SCADA数据格式，那么任何应用程序，将都能够接收和解释EMS-API标准数据。图4给出了相关接口及通信所需的转换。2.6IEC技术委员会57工作组14的IEC61968标准IEC技术委员会57工作组13成立后不久，IEC技术委员会57工作组14便建立了，专门开发系统接口配电管理系统（SIDMS）的标准。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议IEC61968系列的目的是方便跨应用集成各种分布式的软件应用系统，配套公用配电网络管理。这些标准定义，集成架构和接口公用事业的配电管理系统（DMS）和其他相关的外部IT系统的主要元素。DMS的例子包括资产管理系统，工单管理系统、地理信息系统和客户信息系统。基于消息的技术连成一个统一的框架网格，这些应用程序通常被称为企业应用集成（EAI）；IEC61968是EAI工具的使用。图5阐明了IEC61968-1在业务功能方面的范围。2.7IEC技术委员会57工作组15的数据和通信安全标准IEC技术委员会57工作组15负遭责制定安全标准，覆盖IEC技术委员会57所有工作组的研究范围。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议截至目前（2003），此工作刚开始，其结果是，目前还没有开发出任何一个标准。预计，本技术报告的未来版本将纳入这些标准。2.8IEC技术委员会57工作组16的能源市场通信标准该工作组负责制定解除管制的能源市场通信发展的框架。截至目前（2003年），这工作才刚刚开始，其结果是，目前还没有开发出任何一个标准。据预计，未来的版本中将涉及这些标准。3参考架构在本节中，我们试图将这些标准纳入一个综合框架，此后称为IEC技术委员会57参考架构。它的主要目的是确定所需的数据变换的接口。图6是本参考架构的一个视图。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议3.1SCADA接口应用SCADA实时数据采集和设备控制。如图6所示，IEC技术委员会57片外接口SCADA操作的参考架构中有多种协议/服务和接口标准，将来，IEC61970的SCADACIS将定义SCADA数据交换和其他标准的SCADA数据表示和行为，而EMS/DMS是作为应用软件实时操作和控制的片内接口。正如可以看到的，有多个标准对访问的变电站和现场设备进行定义。这些标准包括IEC技术委员会57工作组7，9，10和11的标准，及其他技术委员会的标准。数据表示是不同的，这些工作组所定义的数据采取用各自的标准（即，IEC60870-5，IEC60870-6和IEC61850）。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议因此，有必要对这些SCADA服务的每种SCADA数据表示进行协调，以保证CIMSCADA数据表示形式的统一。有两种方法可以做到这一点：1.使用现有的标准模型，在SDADA系统或SCADA系统的接口，提供数240电力通信规约据变换处理。2.以解决分歧为目的制定统一标准模型，不再进行实时数据转化。3.2Inter-CC数据链接控制中心间的数据链路服务/协议是由IEC60870-6-503，IEC60870-6-702和IEC60870-6-802所提供的。这项服务在IEC技术委员会57没有其他标准。现在，这些标准应用在完整的商业产品领域，在世界各地的许多公用事业都广泛部署和使用。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议3.3EMS应用大多数EMS应用程序依赖于SCADA应用程序或控制中心间的数据链接，提供实时的业务数据。其结果是，没有相关的IEC技术委员会57应用程序的外置接口方面的标准，所以IEC技术委员会57标准没有涉及数据或对象模型之间的协调问题。不过，也有许多EMS应用目前可从EMS供应商和CIM/CIS标准（包含在未来的IEC技术委员会57工作组13正在制定的IEC61970标准中）所使用的专有的数据格式之中实现。这些标准在实际部署中，有两种可行的整合方案：上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议1.对现有的EMS应用程序“包装”，改造CIM专有应用程序接口中现有的接口和数据表示的方式。2.将来EMS应用程序被改写，IEC61970标准中包含指定的提供的API。3.4DMS应用和外部的IT应用DMS应用被设计主要作为独立系统中，所以片内接口和片外接口之间的区别有点模糊，如资产管理，工单管理，地理信息，客户信息等。所有这些系统之间的接口和其他外部的IT系统不是严格意义上的实用系统，如客户资源管理，这是IEC61968标准涉及的主要内容。由于CIM提供这些系统之间的信息交换模型，接口被视为片内接口如图6。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议3.5变电站/现场设备开关柜，变压器，其他变电站或现场设备可以通过RTU或直接通过变电站自动化和智能化设备进行使用或间接访问。提供有限的访问权限的典型的SCADA面向点的数据只能采用IEC60870-5标准。由于这些标准相当成熟，唯一可行的方法是在控制中心进行数据转换。4IEC技术委员会57的数据建模正如从上面的描述可以看出，数据建模的过程中也有许多不同的方式。也就是说，通过IEC技术委员会57系列标准所提供的数据链路、数据接口，进行数据重现的方式也是有很多种的。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议在较低层的协议，数据表现方式是关注解决产品的互操作性。从统一的角度来看，唯一的方法，是在接口处必须实现一个标准的软件接口，通过软件在接口两端实现不同的标准。或者以另一种方式来看待协调，数据以对象模型的角度来交换。如果这些对象模型旨在代表相同的物理对象，理想情况下，对于所有的接口应当使用一致的模型。在本节中，我们描述了IEC技术委员会57使用的对象模型。4.1通用信息模型（CIM）和组件接口规范（CIS）4.1.1CIMCIM的出发点比较合乎逻辑，因为它试图既从操作的角度，也从资产管242电力通信规约理的角度，来模拟整个电力系统。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议CIM是一个抽象的模型，代表所有电力公用事业企业中的主要对象，通常包含在一个EMS信息模型中。该模型包括这些对象的公共类和属性，以及它们之间的关系。在CIM表示的对象实质上是抽象的，并且可用于各种各样的应用。在类图CIM使用UML进行描述。为方便起见这些模型被划分成几个包，如图7所示的，它实际上是一个连接的类图。包是通过通用的手段把相关的模型元素整合，没有具体的语义含义。采用包的形式，使模型更易于设计，理解和审查。通用信息模型包含一套完整的模型包。实体对象可以跨越许多包边界。每个应用程序将使用表示在几个不同包中的信息。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议4.1.2CIM类和相互关系UML类图为每个CIM包定义所有类和它们之间的关系。凡关系存在于其他类包中的类，还显示识别类包的一个字符。类和对象模型，是在电力系统需要表达的EMS应用程序的常用方法。类可以描述在现实世界中找到一个对象，如电力变压器、发电机，或负载，需要被表示为在EMS的整体电力系统模型的一部分。其他类型的对象包括EMS应用程序需要处理、分析和存储的东西，如时间表和测量值。这些对象需要一个共同的代表性，以实现EMS-API标准插件的兼容性和互操作性。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议4.1.3CIS由于CIM是一个静态的模型，所以文件定义的行为必须模拟现实世界的对象，同时需要进行数据交换，以及公共服务，这便是未来的IEC61970-4XX标准的主题。未来的IEC61970参考模型是基于组件体系结构的定义，是在软件行业的实际标准，如CORBA构件模型，企业JavaBeans（EJB），和微软的COM/DCOM组件模型。CIS组件模型定义事件，方法和属性，完全独立于底层基础架构组件之间的通信接口。因此，CIS定义语法信息交流，而CIM提供语义或传输的内容。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议4.2IEC61850的ACSI和逻辑设备IEC61850中，逻辑设备模型代表实际设备的行为。这是通过定义标准的类和对象（类的实例），通过建立抽象通信服务器接口（ACSI）类定义一组共同的衍生类和集合。IEC61850-7-2中ACSI，基本上定义了用于与现场设备进行通信的，而不是信息内容传送的服务器对象。逻辑设备是IEC61850-7-3和IEC61850-7-4的主题，定义传输的信息的内容。基于ACSI设备的用户通过定义良好的网络服务可以访问该设备的功能操作对象。ACSI的数据访问模型定义按行业分组到指定的对象，可用于通信的对象模型的定义和组织的规则。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议4.2.1IEC61850的ACSI在ACSI中，假设一个客户机/服务器模型，在客户端启动服务器所处理的交换。ACSI服务器隐藏真实的数据和设备，使用对象来代表他们。数据交换是由客户端通过网络直接访问对象，其中包含对象到服务器的访问、与真正的设备进行通信的服务器、和它们所包含的对象被映射到的通信栈。图8说明了这一概念。4.2.2IEC61850的逻辑设备逻辑设备是真正的变电站和现场设备的虚拟表示。在实际器件中，逻辑器件是一个综合的多个部分，用来表示的逻辑节点。这些逻辑节点的集合，提供完整的设备的功能。例如，分配中继设备可能包括几个标准化的中继功246电力通信规约能。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议如电子分配中继器就可以有这样的能力，它便可以同时控制导体中电压和电流的测量。在IEC61850中要表示这样的移动设备，需要创建一个逻辑设备，其中要求包含名牌，移动设备身份，测量单元，逻辑节点，和一个或多个标准化的中继功能的逻辑节点。4.2.3TASE.2TASE.2模型代表一个虚拟的控制中心，而不是具体变电站或现场设备的控制中心。如前所述，SCADA操作使用的TASE.2模型是点对面式的。即，被监视或控制的物理设备的模型是不存在的。在现场物理设备的管理不是IEC技术委员会57工作组7的研究范围，所以在IEC61850标准中未对设备配置或发现新设备的内容进行定义。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议4.2.4数据模型的比较数据模型的形式已经发展成为开放的多层次数据模型，以适应不同用户。从广义上讲，模型可以被分类为：1.有大量的网络简化设备的控制中心和配送管理视图（即EMS，DMS）。2.变电站（例如，保护）视图中，数目较少的更复杂的装置。5.1参考架构的确定第一步是对一个共同的参考架构的术语和接口达成共识，以便可以识别和推出一致的架构。这种架构可以作为一个参考模型以指导今后的工作。据建议，本文提出的参考模型进行审议和修改，直到达成共识的一个模型。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议5.2通用对象建模语言的使用下一个步骤是统一到一个共同的建模语言。建议使用建模语言（UML）作为IEC技术委员会57统一的对象建模语言。UML中的类图，状态图，事件序列图，以及一系列其他类型的模型符号都可以以符号形式表达。其中最主要优点是：有多个模型准备所使用的CASE工具和可以自动生成IEC开发标准时所需的Word文档。IEC技术委员会57个工作组13和14已广泛使用UML作为对象建模语言。5.3模型边界的协调如前所述，从统一的角度来看，真正的问题是最重要的两个地方应具有相同的模型：上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议1.在接口软件使用一个接口标准，同时软件实施又使用另一个标准。一个例子是，当SCADA服务器获取数据，要求使用一个模型（例如，IEC60870-5-101、TASE.2或ACSI），而为它服务的应用程序又使用了另一个模式（例如，CIM）。2.旨在代表相同的物理现实世界对象的对象模型。理想的情况下，最可取的方案是：所有接口使用一组一致的模型它似乎是可取的。作为最低要求，两个模型共享的属性应该有一致的命名和数据表示。EMS应用程序所需要的对象模型，应有一个控制中心视图的设备模型。5.4差异化的解决在解决模型的存在多重差异时，建议与该模型每个受影响的工作组的专家见面，以确定模型所具有的共同性和一致性,以及它是如何实现的。上一页下一页返回学习单元1IEC62357电力系统控制和相关通信——参考架构的对象模型、服务和协议然后分析模型共同的类型或属性，采用一致的名称和数据表示，以消除命名映射和数据转换的需要，当模型中缺少重要的类型或属性，可以尝试添加缺少的248电力通信规约模型项目，从而解决差异化的问题。事实上，CIM和ACSI中的SCADA数据项已经完成了这方面的工作。6结论IEC技术委员会57为参考模型提出了提供一个框架，目前正在开发的标准内为未来标准的发展和对象模型差异的解决提供了方向。我们希望通过提供一个概述和标准制定的框架，这将更好地深入了解所有IEC技术委员会57个对象模型。这又会导致，在实施新的计算机系统和网络的电力系统控制系统，IEC技术委员会57标准在新产品的开发和减少自定义适配器和网关不兼容问题上更广泛的应用。上一页返回TECHNICALREPORTPublicationnumberingAsfrom1January1997allIECpublicationsareissuedwithadesignationinthe60000series.Forexample,IEC34-1isnowreferredtoasIEC60034-1.ConsolidatededitionsTheIECisnowpublishingconsolidatedversionsofitspublications.Forexample,editionnumbers1.0,1.1and1.2refer,respectively,tothebasepublication,thebasepublicationincorporatingamendment1andthebasepublicationincorporatingamendments1and2.下一页返回TECHNICALREPORTFurtherinformationonIECpublicationsThetechnicalcontentofIECpublicationsiskeptunderconstantreviewbytheIEC,thusensuringthatthecontentreflectscurrenttechnology.Informationrelatingtothispublication,includingitsvalidity,isavailableintheIECCatalogueofpublications(seebel