變電站通信標(biāo)準(zhǔn)系列iec61850的解讀

80年代末，以微型計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)為主的自動(dòng)裝置（sas）在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展，并出現(xiàn)了無(wú)人壽權(quán)墻。但是隨著SAS的大量使用和推廣,人們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)暴露出許多弊端,例如:各廠家SAS體系結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一,設(shè)備間通信協(xié)議和接口自成體系,給同一廠家不同期產(chǎn)品維護(hù)帶來(lái)困難,使得不同廠家設(shè)備間的互操作性不易實(shí)現(xiàn);間隔層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)不統(tǒng)一,采用Canbus,Lonworks等現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、串行總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),這樣在通信鏈路和協(xié)議上造成不同廠家設(shè)備間互操作性差、兼容性差。這些問題給SAS的設(shè)計(jì)、集成、測(cè)試、后期維護(hù)、升級(jí)帶來(lái)了很大的困難。根據(jù)技術(shù)發(fā)展的需要,國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)(IECTC57)制定了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)系列——IEC61850,該標(biāo)準(zhǔn)具有信息分層、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)統(tǒng)一建模、采用映射的方法和具體網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立等特點(diǎn),在2000年SPAG會(huì)議上被確定為無(wú)縫遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)。本文介紹了IEC61850的主要內(nèi)容,同時(shí),探討了基于可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語(yǔ)言(XML)的IEC60870-5-101和IEC61850的遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議轉(zhuǎn)換方法,為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的互操作性、可擴(kuò)展性和高可靠性要求的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。1iec61850標(biāo)準(zhǔn)1.1分布式控制接口IEC61850將變電站系統(tǒng)明確地劃分為變電站層、間隔層和過程層3層,給不同層間定義了清晰的接口。在變電站層,與遠(yuǎn)動(dòng)控制中心通信有接口,與間隔層通信有接口;間隔層內(nèi)部有數(shù)據(jù)交換接口,間隔區(qū)之間有數(shù)據(jù)交換接口;過程層與間隔層之間有交換采樣數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)有接口。這種分層通過抽象通信服務(wù)接口(ACSI)建立一個(gè)應(yīng)用層上的抽象模型,描述了各接口間的數(shù)據(jù)交換,給出了各種對(duì)象的統(tǒng)一邏輯模型。間隔層裝有智能電子裝置(IED),IED之間通過以太網(wǎng)通信建立邏輯聯(lián)系,根據(jù)分配的任務(wù),由IED完成諸如控制、保護(hù)、計(jì)量、記錄等功能。過程層由智能傳感器、控制電路等構(gòu)成的二次智能電子設(shè)備組成,反映一次設(shè)備的狀態(tài)、信號(hào),實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備控制。IEC61850建議變電站間隔層采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),保證各層間能夠高速地傳輸信息。1.2iec61850的主要特點(diǎn)1.2.1分層模式系統(tǒng)層次化IEC61850提出了變電站內(nèi)信息分層的概念,無(wú)論從邏輯概念上還是從物理概念上,都將變電站的通信體系分為變電站層、間隔層和過程層3個(gè)層次。IEC61850的分層模式與現(xiàn)有大多數(shù)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)不同,現(xiàn)有系統(tǒng)中過程層的功能都是在間隔層設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的,而不是由智能傳感器等電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著光電流、電壓互感器的使用,現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是將越來(lái)越多的間隔層功能放下到過程層。可見IEC61850是面向未來(lái)的開放式標(biāo)準(zhǔn)。1.2.2邏輯設(shè)備及數(shù)據(jù)對(duì)象IEC61850采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù),定義了基于客戶機(jī)–服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個(gè)IED包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn),邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)對(duì)象。數(shù)據(jù)對(duì)象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實(shí)例。從通信而言,IED同時(shí)也扮演客戶的角色。任何一個(gè)客戶可通過ACSI和服務(wù)器通信訪問數(shù)據(jù)對(duì)象,如圖1所示。1.2.3形勢(shì)發(fā)展的要求IEC61850對(duì)于信息均采用面向?qū)ο笞晕颐枋龅姆椒āＳ捎诩夹g(shù)的不斷發(fā)展,變電站內(nèi)的應(yīng)用功能不斷涌現(xiàn),需要傳輸新的信息,采用面向?qū)ο笞晕颐枋龇椒ň涂梢赃m應(yīng)這種形勢(shì)發(fā)展的要求。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自我描述在數(shù)據(jù)源就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自我描述,傳輸?shù)浇邮芊降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明,不需要再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對(duì)應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。因?yàn)閿?shù)據(jù)本身帶有說明,這就不受預(yù)先定義的限制進(jìn)行傳輸,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作。IEC61850提供了80多種邏輯節(jié)點(diǎn)名字代碼和350多種數(shù)據(jù)對(duì)象代碼,23個(gè)公共數(shù)據(jù)類,涵蓋了變電站所有功能和數(shù)據(jù)對(duì)象,提供了擴(kuò)展新的邏輯節(jié)點(diǎn)的方法,并規(guī)定了由一套數(shù)據(jù)對(duì)象代碼組成的方法,這些方法有機(jī)地結(jié)合在一起,完全解決了面向?qū)ο笞晕颐枋龅膯栴}。1.2.4acsi新技術(shù)電力系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn)是信息傳輸有輕重緩急之分,并且應(yīng)能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。IEC61850總結(jié)了電力生產(chǎn)過程的特點(diǎn)和要求,歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)服務(wù),設(shè)計(jì)出ACSI,它獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議(例如目前采用的MMS),和采用的網(wǎng)絡(luò)(例如現(xiàn)在采用的IP)無(wú)關(guān)。客戶服務(wù)通過ACSI,由特殊通信服務(wù)映射(SCSM)來(lái)映射到采用的通信棧或協(xié)議子集。在服務(wù)器側(cè),通信棧或協(xié)議子集通過SCSM和ACSI接口。IEC61850使用ACSI和SCSM技術(shù),解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾,即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展時(shí)只要改動(dòng)SCSM,而不需要修改ACSI。2通信模型和通信網(wǎng)絡(luò)2.1ied數(shù)據(jù)的執(zhí)行IEC61850建立了一套統(tǒng)一的功能邏輯和通信模型。IEC61850的系統(tǒng)邏輯模型如圖2所示。它認(rèn)為變電站的功能是分層分布的,從邏輯上講,系統(tǒng)功能由分布位于邏輯設(shè)備(logicaldevice,LD)上的邏輯節(jié)點(diǎn)(logicalnode,LN)共同協(xié)調(diào)完成,LN之間由邏輯連接(logicalconnection,LC)相連接,通信信息片(PICOM)明確地描述出LN之間的交換信息和通信要求(包括數(shù)據(jù)、類型、性能、邏輯連接等)。多個(gè)LN之間交互作用完成某個(gè)邏輯功能。IED中的LN通過IED內(nèi)部的服務(wù)器接口被其他LN訪問。過程層的數(shù)字式設(shè)備向間隔層IED傳送數(shù)據(jù),并接受控制命令操作一次設(shè)備。IEC61850將邏輯節(jié)點(diǎn)劃分為保護(hù)、監(jiān)視控制、物理裝置、系統(tǒng)和裝置安全、一次設(shè)備相關(guān)節(jié)點(diǎn)、有關(guān)系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)等六大類,約80種,涵蓋了變電站的所有功能。2.2工業(yè)聯(lián)網(wǎng)規(guī)范及應(yīng)用現(xiàn)有SAS的通信方式較多,有串行總線、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)等,性能各不相同,其中以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用較為成熟。IEC61850推薦在間隔層采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),IAONA,IDA,ODVA等組織已推出適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范,均在物理層和數(shù)據(jù)鏈路采用基于CSMA/CD的IEEE802.3協(xié)議,在網(wǎng)絡(luò)和傳輸層采用TCP/IP,將應(yīng)用層協(xié)議加以改進(jìn)可提高傳輸?shù)目煽啃?提供10Mbps,100Mbps的速率,較好地保證了傳輸?shù)目煽啃浴?shí)時(shí)性。變電站層和間隔層之間采用ACSI,間隔層和過程層采用單點(diǎn)到多點(diǎn)的單向傳輸。為了改善傳輸性能,IEC61850根據(jù)變電站的不同需求和緊急程度,將報(bào)文分為7類:即快速報(bào)文、中速報(bào)文、低速報(bào)文、生數(shù)據(jù)報(bào)文、文件、時(shí)間同步報(bào)文和存取控制的命令報(bào)文,級(jí)別由高到低,并為它們IP報(bào)文設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突和碰撞。3等同標(biāo)準(zhǔn)dl/t334—基于XML的遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議轉(zhuǎn)換目前,在我國(guó)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸中使用較為廣泛的是與IEC60870-5-101等同的標(biāo)準(zhǔn)DL/T634—1997。在新的網(wǎng)絡(luò)化國(guó)際規(guī)約陸續(xù)出臺(tái)的今天,如何將采用舊通信規(guī)約的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)納入新型網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中,在保持原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備不變的情況下與最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌,是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。3.1模型構(gòu)建邏輯節(jié)點(diǎn)IECTC57在2002年的無(wú)縫遠(yuǎn)動(dòng)通信體系會(huì)議上對(duì)IEC60870-5-101向IEC61850的過渡提出了如圖3所示的方法。即在傳統(tǒng)RTU外增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換后,變電站與控制中心以及其他變電站之間才能通過高速?gòu)V域網(wǎng)進(jìn)行連接。IEC61850中定義的邏輯節(jié)點(diǎn)是功能信息的載體,它標(biāo)識(shí)了相應(yīng)的變電站功能。變電站內(nèi)所有需要進(jìn)行通信的設(shè)備應(yīng)為其相應(yīng)功能建立邏輯節(jié)點(diǎn),該邏輯節(jié)點(diǎn)中包含此功能的數(shù)據(jù)信息。在網(wǎng)關(guān)中構(gòu)建邏輯節(jié)點(diǎn),不需要考慮邏輯節(jié)點(diǎn)彼此間的關(guān)聯(lián)問題。IEC61850中邏輯節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的目的在于實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備功能之間的配合,而對(duì)于網(wǎng)關(guān)來(lái)說,它只是單個(gè)設(shè)備。在網(wǎng)關(guān)中構(gòu)建變電站內(nèi)不同功能的邏輯節(jié)點(diǎn),采用IEC61850中規(guī)定的抽象通信服務(wù),再通過特殊服務(wù)映射來(lái)映射到相應(yīng)的協(xié)議棧,那么,從控制中心看來(lái),網(wǎng)關(guān)完全采用了IEC61850的結(jié)構(gòu)體系。網(wǎng)關(guān)等同于一個(gè)采用IEC61850通信規(guī)約的IED,同樣擁有即插即用的能力,易于實(shí)現(xiàn)同調(diào)度中心以及其他變電站的互聯(lián)。3.2基于前后數(shù)據(jù)的映射關(guān)系XML是萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)制定的用于描述數(shù)據(jù)文檔中數(shù)據(jù)組織和安排結(jié)構(gòu)的語(yǔ)言。它定義了利用簡(jiǎn)單、易懂的標(biāo)簽對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)進(jìn)行標(biāo)記所采用的一般語(yǔ)法,提供了計(jì)算機(jī)文檔的一種標(biāo)準(zhǔn)格式。XML是一種元標(biāo)記語(yǔ)言,不提供適用于所有領(lǐng)域中所有用戶的固定的標(biāo)簽和元素,但它允許開發(fā)者和編寫者根據(jù)需要定義自己的元素,同時(shí)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)本身的描述和數(shù)據(jù)內(nèi)容的組織存放結(jié)構(gòu),可被不同的使用者按照自身的需要從中提取相關(guān)數(shù)據(jù),用于不同的目的。IEC60870-5-101中的信息體是一組預(yù)先定義好的信息,它是具有不同品質(zhì)、時(shí)標(biāo)的測(cè)量值、累計(jì)值、狀態(tài)值或是控制命令等數(shù)據(jù)信息的載體。IEC60870-5-101通過應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中的公共地址和信息體地址來(lái)區(qū)分不同的信息體元素,信息體的地址由遠(yuǎn)動(dòng)工程師預(yù)先分配,帶有隨意性。IEC61850的數(shù)據(jù)屬性則包含在不同邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)象中。對(duì)于不同的變電站,其需要建立的邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)象的類型、個(gè)數(shù)不盡相同。兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換,首先要解決的就是建立數(shù)據(jù)地址和邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性之間的映射關(guān)系。應(yīng)用XML文檔存儲(chǔ)IEC60870-5-101中信息體數(shù)據(jù)與IEC61850中數(shù)據(jù)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,符合IEC61850數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次性,當(dāng)變電站配置發(fā)生變化時(shí),只需更改其相應(yīng)的XML文檔。同時(shí)XML文檔與平臺(tái)、具體編程語(yǔ)言無(wú)關(guān),并且與Internet具有良好的結(jié)合性,對(duì)文檔的處理和瀏覽相當(dāng)簡(jiǎn)單和方便,有利于變電站信息的管理。DOM(documentobjectmodel),SAX(simpleAPIforXML)和XSLT(XSLtransformations)等XML編程接口提供的API,可以非常方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)文檔的導(dǎo)航和增加、修改、刪除元素或修改文檔內(nèi)容等操作。在建立XML映射關(guān)系文檔之前,首先要確定XML文檔所采用的語(yǔ)義和語(yǔ)法,即用XML-Schema來(lái)定義XML文檔中采用的元素、標(biāo)記屬性和實(shí)體以及元素之間的邏輯關(guān)系。制定了這個(gè)Schema,對(duì)于采用IEC60870-5-101的變電站,在向IEC61850轉(zhuǎn)換過程中,數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)XML文檔的結(jié)構(gòu)得到保證,而且文檔開發(fā)也變得更加容易。3.3調(diào)用dv軟件MSXML是微軟提供的一種XML語(yǔ)法解析器,它是一個(gè)COM對(duì)象庫(kù),封裝了所有XML解析需要的對(duì)象。COM是一種以二進(jìn)制格式出現(xiàn)的和語(yǔ)言無(wú)關(guān)的可重用對(duì)象,可以用任何編程語(yǔ)言如VB,VC,DELPHI,C++Builder以及腳本語(yǔ)言等對(duì)它進(jìn)行調(diào)用。MSXML調(diào)用DOM對(duì)XML文檔進(jìn)行解析,在內(nèi)存中生成一個(gè)描述該文檔的DOM樹,DOM樹主要包括Document對(duì)象、Text對(duì)象、Element和Attr對(duì)象。在得到對(duì)象樹以后,一般通過nodeF