IEC61850网关

IEC61850网关（精选7篇）

IEC61850网关 第1篇

IEC60870-5-102规约是关于电能累计量传输的配套标准,广泛应用于电能计量系统中。IEC61850是国际上关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准,用以实现来自不同厂家设备的互操作性。随着智能电网和数字化变电站的快速发展,设备智能化和网络化成为电力系统发展的主流趋势。由于现阶段变电站内的大部分智能电子设备(Intelligent Electronic Device,IED)主要采用的是IEC60870-5规范或厂家内部通信规范,短期内不可能全部淘汰,同时限于技术和成本,在变电站自动化系统中采用统一的IEC61850标准将经过一个较长的过渡阶段。本文提出了一种102规约向IEC61850标准转换的网关设计模型,实现将当前采用102规约的IED兼容到数字化变电站新系统中来。

1 102规约和IEC61850标准的比较

1.1 体系结构和数据服务

IEC61850标准将变电站自动化通信体系从逻辑上和物理上划分为变电站层、间隔层和过程层。变电站层主要是实现人机交互,间隔层用来汇总和传输数据,过程层直接与一次设备相结合。变电站层和间隔层之间定义了抽象通信服务接口(Abstract Communication Service Interface,ACSI),由特殊通信服务映射(Special Communication Service Mapping,SCSM)映射到特定的应用层标准制造报文规范(Manufacturing Message Specifi cation,MMS),实现了系统应用与具体通信方式的隔离,可以适应通信网络技术的快速发展。IEC60870-5-102协议的数据与服务是混合在一起定义的,基于增强性能结构(Enhanced Performance Architecture,EPA)三层参考模型(物理层、链路层、应用层),协议本身不作修改很难适应底层技术的变化。

1.2 建模方法和信息描述

IEC61850标准采用面向对象建模的方法对变电站自动化通信系统、设备、功能和数据进行建模,并使用变电站配置语言(Substation Configure Language,SCL)进行信息模型的描述,包括变电站模型、IED模型、通信系统模型等。其中IED模型逐级分解为IED、访问点、服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属性。IEC60870-5系列标准是面向点信息的远动传输标准,广泛适用于电力系统自动化的各种应用中。其中IEC60870-5-102协议是基于该系列标准的针对电能量传输的配套标准,大多应用于电能计量系统中,支持电能量采集装置上传数据的传输。点信息模型不能表达数据之间的关联性,数据点的具体含义也与实际工程的预定义密切相关。

1.3 报文格式和应用范围

IEC61850贯穿变电站自动化系统的系统需求、建模与设计、配置描述、工程和管理等整个系统生命周期。它的目标是形成统一标准的变电站自动化通信体系,使来自不同制造商的IED之间实现互操作,以适应变电站综合自动化通信朝统一建模、统一应用的无缝通信系统发展。而IEC60870-5-102协议只是针对电能计量系统中的一个系列的产品使用。IEC61850标准定义的报文传输包括MMS、面向对象的变电站通用事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)和分析采样值(Sampled Measured Value,SMV)3种方式。102规范采用FT1.2异步字节传输的帧格式,对EPA三层模型和过程作了许多具体的规定和定义。

1.4 协议转换的必要性

当前变电站中电能计量系统中的设备广泛采用的是IEC60870-5-102规约,而市场上各厂家生产销售的电能量采集终端设备也大多支持IEC60870-5-102标准,这使得在推广应用IEC61850系列产品的过程中,必然出现新旧标准的混用。通过对IEC60870-5-102协议与IEC61850标准的差异分析可知,实现IEC61850的开发不是一件简单的工程。同时由于不同厂家对IEC61850的认识、重视程度、研发水平和研发速度不同,支持IEC61850系统的时间也不同,使得现役设备中IEC61850设备和非IEC61850设备将在很长一段时间内共存,所以需要具有协议转换功能的网关实现对大量存在的非IEC61850设备的兼容,为最终实现向IEC61850的平稳过渡奠定基础。

2 协议转换网关的设计

2.1 网关的软硬件框架

IEC61850网关主要包括外部协议解析模块、IED配置模块、MMS服务器模块以及IEC61850实时数据库模块。外部协议解析模块将来自外部设备的数据解析为传统规约的点信息。IED配置模块用SCL描述接入设备的IED模型。MMS服务器主要实现解析IED配置文档和创建MMS对象的功能,并实现从IEC61850与MMS的映射。MMS映射是在MMS服务器中实现IED配置文档中对应的节点与创建的MMS对象映射,即MMS服务器在系统启动时完成实际设备和虚拟制造设备(Virtual Manufacturing Device,VMD)的映射。通信网关软硬件模块示意如图1所示。

2.2 网关的实现流程

网关实现传统规约102转换成IEC61850标准的流程如图2所示。

1)外部协议解析模块对IEC60870-5-102报文进行解析,并将解析出来的点信息表存入到IEC61850实时数据库里;

2)IED配置模块根据IEC61850所提供的SCL文档对网关接入设备A进行IEC61850信息建模,生成IED能力描述文件(ICD文件);

3)IEC61850实时数据库接收IED配置工具所生成的ICD文件,在内存中建立102规范的节点与IEC61850规范节点一一对应的映射;

4)MMS服务器建立与设备A的连接后,根据ICD文件的映射文件datamap.cfg启动MMS服务,网关接收设备A送来的数据,从数据库中获取IEC61850映射节点,将得到的点信息设置到相应的IEC61850数据对象属性中,则实现了IEC60870-5-102规范与IEC61850规范的转换。

3 网关协议转换功能与IED建模

3.1 通信网关功能

1)能够接入不同厂家、不同型号的电能量采集终端设备,并能实现对接入装置的IED建模。

2)网关与接入装置的通信采用原有的IEC60870-5-102协议,但是在站层及以上完全表现为IEC61850规范的输出,以一致的方式向上提供电能计量数据、事件信息、遥测量、终端设备信息等数据。

3)保证所转发的源数据的完整性和一致性,并产生相关报告和日志等。

3.2 电能量采集终端设备建模

对于电能量采集终端设备建模的过程,是将实际设备的信息和服务分解成多个用逻辑节点表示的最小功能单位,以逻辑设备(Logic Device,LD)、逻辑节点(Logic Node,LN)、数据对象(Data Object,DO)及数据属性(Data Attribute,DA)来描述设备信息和功能信息,将IEC60870-5-102协议所承载的数据转换到IEC61850的信息模型,统一以IED模型提供服务。常规的电能计量系统由电能计量主站、电能量采集终端和电能表构成,电能量采集终端设备介于电能计量主站与电能表之间,主要完成电能量数据的采集、处理、存储和转发等功能。因为大多采用的是以102规约上送数据,所以在实际中要实现电能量采集设备与IEC61850主站的兼容,可以把一个电能量采集终端设备映射为一个LD,通过协议转换网关实现电能量采集终端设备与IEC61850主站的通信。

电能量采集终端转发的数据包括电能数据、分时电量、遥测量和单点信息等。因此需要4个LN实现IED建模:①LLN0:逻辑节点零,描述逻辑设备本身的信息,如铭牌、设备运行状况信息;②LPHD:物理逻辑节点,描述逻辑设备所表征的物理设备的相关信息;③MMXU:测量逻辑节点,用于测量和计算三相系统中电流、电压和功率等基本量,供运行参考使用;④MMTR:计量逻辑节点,用于计算三相系统中的电能累计量,适用于计量计费。

为实现电能计量系统中对测量和计量功能的需要,需建立一种将电能量采集装置的信息和服务转换成IEC61850模型的信息和服务的机制,即对实际设备功能抽取逻辑节点,进行IED实例化建模。同时,引入XML标准格式的变电站配置描述文件SCL,对电能量采集装置进行IED模型描述,即生成该装置的ICD文件,向外体现此IED的符合IEC61850标准的数据和通信能力。设备建模的IED模型如图3所示,IED模型的树层结构如图4所示。

4 结语

IEC61850标准优势明显,终将取代变电站内传统通信协议,但是在相当长一段时间内,会出现采用IEC60870-5-102协议的电能计量系统装置与采用IEC61850的设备在变电站自动化系统内共存的过渡期,所以探讨技术上的兼容是一个现实问题。本文提出了一种IEC60870-5-102向IEC61850转换的解决方案,由于电量数据用于交易计费结算,作用与地位至关重要。从经济角度出发,未来老站新技术改造更倾向于部分实现数字化以及逐步过渡采用IEC61850通信标准。故IEC60870-5-102协议转换成IEC61850协议的网关将使现有的电能计量系统直接接入到支持IEC61850的网络当中,逐步实现变电站设备和系统的协议向IEC61850标准统一。

摘要：随着数字化变电站的发展,如何实现采用IEC61850协议的新系统和基于原有协议IEC60870-5-102规约的现役系统的兼容成为现实问题。由面向点信息的传统规约向面向对象技术的IEC61850规约转换也是智能电网发展的必然趋势。通过比较分析IEC61870-5-102规范和IEC61850标准的差异,提出了一种在当前系统与新系统之间过渡的通信网关模型,以保证变电站内非IEC61850装置与IEC61850新系统的兼容。

关键词：数字化变电站,IEC61850,IEC60870-5-102,智能电子设备,网关

参考文献

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[5]李强.IEC60870数据向IEC61850信息转换的研究[D].保定:华北电力大学,2007.

IEC61850网关 第2篇

IEC 61850是IEC TC57制定的关于变电站通信网络和系统的国际标准。它详细阐述了分层的变电站通信体系结构, 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口 (ACSI) , 具有很好的自描述能力和网络适应能力, 使得标准独立于特定的操作系统、协议栈和具体实现, 为不同厂商设备之间的互操作提供了实现途径[1]。

本文在对IEC 61850标准和常规变电站设备协议特点进行深入分析的基础上, 提出一种基于IEC 61850和MMS的常规变电站设备网关系统结构, 用以实现当前变电站中应用的诸多通信协议向IEC 61850标准的转换, 通过MMS服务器与IEC61850环境中的其它设备通信。

1、相关协议介绍

1.1 IEC 61850标准简介

IEC61850是最为完善的关于变电站自动化的通信标准, 同传统变电站通信协议相比, IEC61850更具开放性和面向未来的特点。

1.1.1 面向对象的信息模型

和采用"面向点"的数据描述方法不同, IEC 61850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。

IEC 61850标准将整个变电站的物理对象以及通信网络抽象为相应的逻辑系统, 每个逻辑系统中包含一个服务器, 一个服务器由一或多个逻辑设备组成;逻辑设备中的功能模块分为若干个相关子功能, 对应为各种逻辑节点;一个逻辑节点又包含一或多个数据对象, 其中数据对象是公共数据类的对象实例;一个数据对象具有多个数据属性, 数据属性含有各种数据类型、值和功能约束FC等[2,3]。

1.1.2 通信服务模型

IEC 61850标准采用客户/服务器方式建立通信模型。服务器和客户之间通过一套与实际网络应用层通信协议无关的抽象通信服务接口 (ACSI) 实现通信。一个设备根据其功能可以包含若干个服务器对象, 服务器对象封装了设备抽象信息模型中的逻辑设备、逻辑节点、数据类、数据属性等数据对象的所有数据属性和服务, 通过外部接口实现与客户之间的数据交换。

另外, IEC 61850引入了特殊通信服务映射SCSM, 它可将ACSI定义的服务、对象和参数映射到MMS、FMS、DNP或IEC60870-5等协议。多数ACSI服务通过SCSM映射到OSI通信模型的应用层而实现设备数据的网络传输。

1.1.3 变电站配置语言SCL

基于以上信息结构和所定义的数据对象统一代码, IEC61850-6部分以XML1.0为基础定义了变电站配置描述语言 (Substation Configuration Language, 简称SCL) [4], 它是一种用来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、开关间隔 (功能) 结构及它们之间关系的文件格式。SCL允许规范地描述变电站自动化系统和变电站 (开关设备) 的关系。在应用层上, 也可描述开关间隔拓扑本身以及开关间隔结构与配置在智能电子设备上的变电站自动化功能 (逻辑节点) 的关系。同时, SCL还允许将IED的描述传给通信和应用系统工程工具, 也可以以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给IED的配置工具。

1.2 MMS简介

MMS (制造报文规范) [5,6]是国际标准化组织制定的一套工业控制系统通信协议, 用于网络环境下计算机或智能电子设备之间交换实时数据和监控信息, 目的在于规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备、智能控制设备的通信行为, 使出自不同制造商的设备之间具有互操作性, 使系统集成变得简单、方便。

为了最大限度的实现互操作性, 在MMS中引入了VMD (虚拟制造设备) 的概念。它是实际设备的外部可见行为的抽象模型, 表征了各种不同的智能设备所共同具有的外部可见特性。完整意义上的VMD是实际制造设备上一组特定的资源和功能的抽象表示以及此抽象表示与实际制造设备的物理及功能方面的映射[7]。

当正确建立了VMD与实际设备之间的映射关系后, 远程控制器与实际设备之间的通信就可以在不考虑实际设备的具体物理特性的条件下进行, 作为客户一方的远程控制器可直接对服务器一方的VMD进行操作, 从而达到对VMD所对应实际设备进行控制的目的, 实现控制的设备无关性[8]。

对象和服务是MMS协议中两类最主要的概念。其中对象是静态的概念, 以一定的数据结构关系间接体现了实际设备各个部分的状态、工况以及功能等方面的属性。VMD本身被看作一个对象, 此外还定义了其他一些从属于VMD的对象。每个MMS应用都必须包含至少一个VMD对象, 在整个MMS的对象结构中处于"根"的位置。其他对象都包含于VMD对象中而成为它的子对象, 有些类型的对象还可包含于其它子对象中而成为更深层的子对象。

2、传统规约向IEC 61850转换的方法

目前用于电力系统的通信协议品种繁多, 有国际标准、国家标准, 也有行业标准, 甚至是企业标准。各种协议各不相同, 但它们有一个共同的特点, 即全部是面向点的通信协议。采用"面向点"的数据描述方法, 在信息传输时, 数据收发双方必须对数据库进行约定, 才能正确反应现场设备的状态。协议确立后, 若增加或删除某些信息就必须对协议进行修改。

为了将原有的监控系统的软件和硬件资源保留下来, 同时还能实现信息资源的共享和不同厂商设备的互操作, 可以通过设备网关的形式将原有设备接入IEC 61850通信环境和系统。分析认为可以将当前广泛应用的通信协议中的点信息映射到IEC 61850的面向对象的信息, 再通过SCSM映射到MMS的对象信息, 相应的信息传输通过MMS的标准服务实现。

针对常规变电站设备采用的通信协议的"面向点"的共性, 可在网关系统中设计一个点信息表。点信息表是一个对应设备发送的点信息而设计的数据结构。它应满足设备点信息的唯一标识, 例如通过一个点ID号实现;还应具备存储点信息值的能力;此外还可以包含点信息的含义、数据类型等信息。

IEC 61850保证IED设备实现互操作的基础是其定义的信息模型和服务模型。对IED设备的信息建模的过程体现为网关配置文档的生成过程, 所生成的信息模型最终映射到MMS服务器中的VMD结构之中。相应的服务模型可以直接映射到MMS服务器所提供的服务中去, 固化于MMS服务器的软件实现中。

配置文档可采用XML语言描述。它应该能够直接反映信息模型的结构, 即包含哪些信息模型类的实例, 它们之间的关系, 每个实例的结构及某些静态属性。此外, 它还应能够提供模型中数据属性同点信息的关联, 即数据源的链接。这可以通过为数据属性标记添加一个属性实现, 属性的值可以是点表中点信息的ID号。

3、基于IEC 61850和MMS的网关设计

本文在认真理解IEC 61850规约和ISO 9506制造报文规范标准的基础上, 提出一个基于IEC 61850和MMS的通信网关的系统结构, 如图1所示。

设备接口模块使用同常规变电站设备相同的通信协议, 实现同设备的通信, 并将收到的点信息存放到点信息表结构中。针对设备采用的通信协议不同, 可以设计不同的设备接口模块, 但它们完成的功能是相同的, 即点信息的采集和发送。

MMS服务器中的配置器模块主要用于系统启动时完成实际设备和虚拟制造设备VMD的映射。配置器根据配置文档信息创建各MMS对象类的实例, 初始化有关属性。配置器应该具有的功能如下:

1) 正确解析配置文档;

2) 根据解析结果创建MMS对象, 并初始化这些对象;

3) 创建映射表将MMS对象和点信息表的点信息联系起来。

当完成所有配置工作后, 就实现了实际设备和VMD的映射, VMD代表实际设备同客户端进行通信。上面3) 中的映射表是为了实现VMD和实际设备的动态交互。例如有名变量对象的V-Get和V-Put函数就可以简单的通过本地映射功能对点信息表的访问实现。

本地映射功能模块的主要功能是将MMS客户发来的服务请求对MMS对象的操作, 映射为对点信息表的访问操作。例如一个对有名变量对象的读服务请求, 有名变量对象本身并没有一个实际的值, 这就需要通过本地映射功能读取相应的点信息, 构造MMS有名变量的值, 并返回给MMS客户。相反的客户方使用写服务请求设置有名变量对象值的操作则反映为通过本地映射功能更新点表中的点信息。

ACSE服务模块实现面向实体连接的ACSE服务, 包括ACSE服务原语的组装与解析, 连接的初始化和终止, 异常中断处理, 应用连接上下文的协商与确定等功能。

事务管理模块是MMS服务器的基础部分, 它接收MMS服务请求, 并将请求发送到适当的对象, 由对象启动相应的服务;反之将服务响应发送到相关的MMS客户。当服务请求到达时, 首先创建一个事务对象, 然后进行服务执行条件检测, 如果不满足立即执行的条件, 则将该事务对象放入任务队列, 继续处理其他到来的服务。

MMPM (制造报文协议机) 模块是MMS服务器同下层网络支持的接口。一方面, MMPM模块根据事务管理模块发来的MMS服务原语及参数构造相应的MMS PDU, 发送到传输层模块。另一方面, MMPM对收到的MMS PDU进行解码后向事务管理模块传递相应的服务原语和参数。同时还负责差错检查和处理。

底层网络支持模块主要提供OSI传输层及以下各层服务功能。

4、结束语

IEC 61850对于现在和将来变电站自动化技术发展方向都将产生重大的影响。对于如何将原有的监控系统的软件和硬件资源保留下来, 加以充分利用, 保护原始投资, 同时还能实现信息资源的共享和不同厂商设备的互操作的研究, 有着现实意义和经济价值。本文提出的网关系统结构是对这一工作的一种尝试。系统实现的重点是MMS服务器的设计与实现, 这将是我们下一步工作的主要内容。

摘要：在分析当前变电站通信协议和IEC 61850标准及MMS特点基础上, 提出一种基于IEC 61850和MMS的常规变电站设备网关系统结构, 在保留原有监控系统软件和硬件资源情况下, 将常规变电站设备接入IEC 61850环境, 保护原始投资, 节省资源, 还能解决不同厂商设备的互操作问题。

关键词：IEC,61850,制造报文规范,网关

参考文献

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[7].吴介一, 费翔 (Wu Jieyi, Fei Xiang) .制造报文规范中的虚拟制造设备及实设备入网技术 (VMD Object in MMS and the Connection of RealDevices to Network) [J].微电子学与计算机 (MICROELECTRONICS&COMPUTER) , 1995, (6) :37-41

IEC61850网关 第3篇

IEC61850是IECTC57制定的变电站自动化系统通信的国际标准,所定义的文件传输模型可在服务器与客户端之间简洁、高效、可靠地管理和传输文件。使用该文件传输模型在微机故障录波装置和继电保护装置与各种后台应用之间实现扰动数据的传输,可极大提高传输过程的速度、性能和可靠性。结合使用与故障录波相关的其他信息模型,可使在不同制造商提供的微机故障录波装置和继电保护装置与各种后台应用之间实现无缝集成成为可能。

1 IEC61850标准

IEC61850系列标准是IEC TC57在总结UCA2.0的美国经验和IEC60870系列标准的欧洲经验的基础上提出的关于未来变电站自动化系统的通信体系标准。其目标是最大限度地应用现有的标准和被广泛接受的通信原理,在不同制造商的智能电子设备之间实现良好的互操作性,并且能适应通信及应用技术的快速发展[3]。

IEC61850系列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,IEC61850系列标准有如下特点:使用面向对象建模技术;使用分布、分层体系;使用抽象通信服务接口(ACSI)、特定通信服务映射(SCSM)技术;具有互操作性;具有面向未来的开放的体系结构[4]。

2 文件传输模型

2.1 ACSI文件传输模型[5]

在IEC61850-7-2部分定义的抽象通信服务接口(ACSI)中,对文件对象作出了如下抽象,参见表1。

其中,File Name表示文件名,File Size表示文件长度,Last Modified表示文件最后一次被修改的时间。

ACSI提供下列文件服务:

Get File为客户端使用,Get File服务将文件内容从服务器传输到客户端;

Set File为客户端使用,Set File服务将文件内容从客户端传输到服务器;

Delete File为客户端使用,Delete File服务在服务器的文件仓库中删除文件;

Get File Attribute Values为客户端使用,Get FileAttribute Values服务在服务器的文件仓库中获取指定文件的属性。

2.2 映射到MMS[6]

制造报文规范MMS(Manufacturing Message Specification)是IEC61850标准中特定通信服务映射SCSM的核心通信协议栈。在IEC61850-8-1部分中定义了核心ACSI对象和服务到MMS的映射。在ACSI中定义的文件类被映射到MMS的文件对象,具体的映射关系参见表2。

ACSI中定义的文件服务到MMS的映射关系为

ACSI Get File服务映射到MMS File Open、FileRead和File Close服务序列。

ACSI Set File服务映射到MMS Obtain File服务。ACSI Delete File服务映射到MMS File Delete服务。ACSI Get File Attribute Values服务映射到MMS File Directory服务序列。

3 与故障录波相关的标准逻辑节点[7]

在IEC61850-7-4部分定义了若干与故障录波相关的标准逻辑节点,这些逻辑节点均以字母R开头,如表3所示。

IEC61850标准通过上述逻辑节点为故障录波功能建立了一个标准、完善的信息模型,在其中明确定义了故障录波功能包含的所有数据属性和行为,如故障录波的触发行为、触发模式、触发条件、触发时间等。在该信息模型的基础上,结合ACSI的逻辑节点模型、数据模型、数据集模型、报告控制块模型、定值组控制块模型和控制模型,即可实现手动触发录波、录波状态的主动实时通知、录波选项的定制等各项基本的故障录波子功能[8,9,10]。

4 应用IEC61850标准实现扰动数据的记录和传输

4.1 COMTRADE格式文件

COMTRADE是IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式。IEEE于1991年提出,并于1999年进行了修订和完善。

IEC61850标准规定扰动数据必须以COMTRADE格式文件或压缩格式文件(后缀为zip,压缩了同名的COMTRADE hdr、cfg和dat文件)的形式存放在服务器的名为“COMTRADE”的文件目录中。该文件目录必须放置于适当的路径下,通常是LD目录或根目录。

4.2 扰动数据的记录

4.2.1 由服务器启动的扰动数据记录过程

在服务器侧,当录波条件满足时,扰动数据处理程序按照预先定义好的录波选项启动扰动数据记录过程,将记录到的扰动数据以COMTRADE文件的形式保存到服务器侧的文件仓库中。

4.2.2 由客户端启动的扰动数据记录过程

当客户端接收到启动录波请求时(一般来自操作员通过人机接口下发的手动录波命令),应用ACSI控制模型实施对服务器控制对象RDRE.Rcd Trg的实例的控制过程。服务器在响应控制过程的同时启动扰动数据记录过程,将结果保存到文件仓库中。

4.3 扰动数据的传输

4.3.1 传输启动模式

扰动数据的传输启动模式可分为3种。

a.服务器主动通知模式。应用ACSI数据集和报告控制块模型,在服务器侧定义一个包含下列数据对象的实例的数据集实例:

RDRE.Rcd Str(扰动数据记录过程开始)

RDRE.Rcd Made(扰动数据记录过程结束)

在服务器侧为该数据集定义一个带缓存报告控制块实例。在客户端侧使用ACSI Get-BRCBValues和Set BRCBValues对该报告控制块实例进行定制和激活,触发选项应定义为dchg(数据变化)。

当服务器侧的录波状态发生变化时,数据集实例中的数据对象实例值被更新,服务器随即向客户端发送一个包含被更新数据对象实例的报告,客户端收到报告后即可根据报告中包含的当前录波状态决定是否启动一次传输过程。

b.客户端自动定期循检模式。客户端每隔一段时间(时间间隔可定制)自动启动一次传输过程。

c.操作员手动召唤模式。由操作员通过人机接口下发手动召唤命令启动一次传输过程。

4.3.2 传输过程

一次完整的扰动数据传输过程应包含3个步骤。

a.召唤扰动记录列表。客户端使用ACSI Get Server Directory服务(对象类型为文件)读取指定录波文件目录(参见4.1)中所有文件的名称,然后使用ACSI Get File Attribute Values服务读取相关的文件属性,即可获得一张完整的扰动记录列表。

b.选择扰动记录。对于服务器主动通知模式和客户端定期循检模式,客户端可将在a步骤中召唤到的扰动记录列表中的文件名称和文件属性与文件仓库中已召唤的扰动记录的文件名称和文件属性进行对比,选择出尚未召唤过的扰动记录。对于操作员手动召唤模式,则由操作员在召唤到的扰动记录列表中选择出需要召唤的扰动记录。

c.召唤录波文件。客户端使用ACSI Get File服务从服务器侧获得在b步骤中所选择的扰动记录并将它们保存在文件仓库中。

当上述扰动数据传输过程结束后,就可以通过任何遵循COMTRADE标准的扰动数据分析软件(可以是第三方软件)对这些录波文件进行分析了。图1为扰动数据传输系统结构图。

4.4 与传统方法的比较

与采用传统通信规约实现扰动数据的记录和传输相比较,使用IEC61850标准在故障录波装置和继电保护装置上实现扰动数据的传输在开放性、互操作性、传输性能和功能上都具有无可比拟的优越性。目前,主要使用的传统规约为IEC60870-5-103规约和FTP,在表4中从各个不同的方面对3种实现方式的特点进行了比较[11,12,13,14,15]。

5 结论

IEC61850网关 第4篇

IEC 61850通信体系在中国已经得到广泛应用,目前的传统变电站及智能变电站均推荐采用IEC 61850通信标准,其代表了未来变电站的发展方向[1]。

日志服务是IEC 61850提出的一项重要通信服务,对日志控制块、日志模型、日志服务映射作了明确规定。但在实际的工程中,日志服务并没有得到很好的应用,原因在于如下几个关键问题没有得到解决:①IEC 61850对日志模型作了定义,但在实际工程中,对于是采用报告数据集还是单独创建数据集的问题没有明确规定,关于日志控制块、日志数据集的实例名称也没有明确规定。②IEC 61850对日志内容作了定义,提出了日志条目、条目列表的概念,但没有对日志范围、日志存储容量等日志管理方面的问题作出明确规定。③IEC 61850没有对日志触发方式作出明确规定,例如:品质变化是否需要存储日志?是否需要周期存储日志?检修状态下是否需要保存日志?监控、子站是否也需要保存一份与智能电子设备(IED)内部相同的日志?

以上几点涉及到互操作的问题,已经严重阻碍了日志功能的实际应用。从用户角度看,没有日志功能,就不能从远方获取历史故障信息,而只能通过IED本地查阅历史报告,给事故追忆带来很大不便。传统的IEC 61870-5-103协议可以实现远方调历史报告功能,到了IEC 61850时代,虽然缓存报告控制块(BRCB)报告功能很完善,但掉电后丢失使得报告服务并不能代替日志服务,不能实现历史报告功能,不免是一大遗憾。本文从实际工程应用角度出发,对日志互操作遇到的具体问题进行详细分析,提出解决方案,并给出服务器端日志的实现方法。

1 日志概述

IED生成的历史数据均可看成是日志,日志是按照先入先出的原则写入的。客户端可以通过日志服务检索IED的历史数据。日志与报告有所不同,日志数据的记录和存储相互独立,不依赖于外部客户端的连接和检索。历史数据要先生成,然后再提供检索服务[2]。

日志的范围很广,包括保护动作事件、告警、遥控操作记录、自检变位信息等,但究竟工程中需要哪些日志,业界内并没有一致的说法。笔者认为只要是曾经以BRCB或非缓存报告控制块(URCB)上送过的报告,都应该存储一份日志,这样可以保证:在保护动作过程中,如果IED与监控或子站通信异常,造成监控或子站没有收到即时报告的情况时,可以通过日志功能获取当时的故障信息。

2 日志模型

日志模型包括日志控制块和日志内容2个部分[3]。日志控制块的实例名称,本文推荐采用以lcb为前缀,取代数据集名称的ds,后面加上数据集名称后半部分构成,例如:数据集名称为dsTripInfo,则日志控制块名称为lcbTripInfo。如果需要对一些重要信息(如保护跳闸)单独创建日志数据集,则日志数据集的名称采用dsLog,此日志数据集可以跨逻辑设备添加不同的逻辑节点,本文推荐采用原有的报告数据集作为日志数据集。日志模型样例如图1所示。

对于使能日志LogEna,IED上电后,应自动置为True,同时允许客户端对日志使能标志进行修改。IED对客户端每次更改日志使能标志都应该作为一条单独的日志进行存储,以便日志功能失效时作追忆用。

对于日志触发选项TrgOp,主要包括数据变化dChg、品质变化qChg、周期上送period。对于dChg,每次变位都要存储;对于qChg,如果在检修状态下,如果IED存储容量有限,为保证不覆盖以前有用的历史报告,可考虑不存储日志;对于遥测量的period,在进行日志互操作试验时可验证其功能的正确性,但对于实际运行的IED,如果IED存储容量有限,可考虑不进行周期存储日志。

日志内容包括起始条目号OldEntr和结束条目号NewEntf,起始条目时间oldEntrTm和结束条目时间NewEntrTm,以及条目数据内容。起始、结束条目号由8位位串表示,从0开始递增,并保证IED掉电后不丢失,重新上电时以掉电前条目号为基准进行递增。起始、结束条目时间也一样,在IED掉电后保持,重新上电时加载掉电前的日志条目起始时间。日志内容采用与报告格式相同的面向对象结构,包括日志所对应数据集的数据对象或数据属性reference、数据值、原因代码reasonCode。日志条目的DataRef和Value参数分别填充日志数据集成员的引用名和数值,类似URCB和BRCB的处理,支持日志数据集成员为功能约束数据(FCD)及功能约束数据属性(FCDA)。

3 日志服务

IEC 61850的日志服务[4]包括读写索引和读条目2大类。读日志索引采用通用的读服务,读取lcb的起始、结束条目号和条目时间,读日志控制块值GetLCBValues映射到制造报文规范(MMS)的Read服务,设置日志控制块值SetLCBValues映射到MMS的Write服务。读日志内容服务映射到MMS的Journal对象。其中的按时间查询日志QueryLogByTime、查询某条目以后的日志QueryLogAfter均映射到MMS的ReadJournal服务,读日志状态值GetLogStatusValue映射到MMS的Read服务,读取日志控制块各成员数值,可以读取当前日志的条目数目。

如图2所示,描述了日志服务基于MMS实现的具体流程。

客户端通过关联服务与服务器端建立连接后,向服务器端发送初始化服务请求,服务器端响应初始化服务时,如果检测到模型包含日志控制块,则提供日志服务响应; 客户端通过读日志控制块获取标题信息,采用映射到MMS的Read服务读取日志控制块信息,服务器端响应读日志控制块服务,将相应的日志控制块起始、结束条目号及条目时间等信息发送到客户端;客户端根据服务器端提供的日志控制块信息设置检索条件,通过MMS的ReadJournal服务发送到服务器端,服务器端将符合条件的日志内容传输给客户端,从而完成一个日志传输过程。

3.1 日志格式

日志互操作的关键问题是服务器端与客户端对日志传输格式的理解要一致。本文考虑到日志服务与报告服务[5]的相似性,对每个日志条目包含的详细内容作了具体定义,如图3所示。

以单条日志为例,主要包括日志标题和日志数据2个部分内容。日志标题包括日志条目号、日志发生时间及名称等概要信息;日志数据是将IEC 61850标准中没有明确规定的内容作了约束,包括数据引用、数值、原因代码3项,其中,数据引用既支持FCD,又支持FCDA,原因代码以位串的格式表示日志产生原因。

3.2 服务器端实现方法

首先,服务器端的模型文件需要支持日志功能,配置日志控制块。在响应客户端初始请求时,需要增加ReadJournal服务定义。

其次,服务器端解析日志控制块,定义日志数据结构[6,7],创建日志扫描服务。如图4所示,描述了日志服务处理流程。

服务器端解析模型时,自动检索模型中是否具备日志控制块,如果检索成功,则创建日志控制块,匹配日志控制块中定义的数据集,创建日志周期扫描、变位扫描服务。本文提出的日志扫描服务方法与报告扫描服务方法相同。如果是服务器端刚上电,则需要加载历史日志信息,更新日志控制块对应的起始、结束条目号及条目时间。新生成的日志将在历史日志信息基础上进行累积。服务器端加载历史日志成功后,进行日志消息循环,在消息循环中实时响应数据集成员的数据变化、品质变化、周期存储及数据更新,与日志控制块中的标志位状态一致后,则生成日志条目,记录下日志生成时刻信息,包括数据对象reference及数值,并标记原因代码ReasonCode,存储到日志数据库中,同时更新日志索引信息,对于日志名称相同的不同日志控制块进行同步更新。

最后,服务器端响应客户端的ReadJournal服务,判断客户端是按条目时间还是按条目号读取日志,并与服务器端日志数据库内容进行匹配,将符合条件的日志进行打包,并上送至客户端。

4 日志管理

按照IEC 61850标准,每个逻辑设备记录一个日志,每个日志可以对应不同的日志控制块,日志控制块对应不同的数据集。为此,每个逻辑设备下的日志需要统一编号,且涵盖该日志下的所有控制块,为此,同一逻辑设备下的日志需要统一管理。但是,考虑到日志信息分类的要求,例如告警日志与事件日志的互不影响,又要将不同的日志控制块进行单独管理。

本文采用通用文件形式对日志进行存储,以iecLog为根目录,日志名为子目录,每个日志名下又包含以日志控制块名称命名的子目录。考虑到日志检索的快速性及方便性,每个日志控制块目录下包含日志简报和日志条目。日志数据库的检索通过日志简报实现,根据日志简报可以具体定位日志条目。服务器端上电加载日志及存储日志时,均对日志简报与日志条目的关联性进行严格校验,通过检验码核对日志的完整性。

考虑到IED服务器端日志存储空间有限,且IEC 61850规定日志为先进先出的队列数据结构,为此,需要对日志存储进行循环覆盖。每次覆盖掉旧的日志条目后,都要对日志控制块索引的起始、结束条目号和条目时间进行更新。同时,IED在模拟对点时也应该正常存储日志。

5 日志解析

监控或子站客户端提供人机交互界面确定要召唤日志的范围,再通过日志服务QueryLogByTime、QueryLogAfter获取服务器端的日志信息。获取日志信息后,按照报告解析的做法,提取日志数据对象reference及数值,由于服务器端上送的日志不含名称、描述等信息,需要客户端根据模型reference进行检索,检索成功后,按照用户使用习惯,将历史信息的名称及变位信息推到历史报告画面,同时提供日志的原因代码,每个日志响应报文中可能包含多条日志,处理方法与上述相同。

6 工程案例

以上海练塘变工程为例,客户端采用国内2个不同厂家的故障信息子站,服务器端为四方公司CSC-103A保护装置。采用如下方法测试日志:进行保护试验,客户端记录实时上送的报告信息,然后装置断电,再重新上电,客户端通过日志服务检索装置的日志信息,检索条件如附录A图A1所示,可以设置检索起始、结束条目时间。装置上送的检索结果如附录A图A2所示,以列表形式显示了报告时间、名称。然后将上送的日志信息与实时报告信息进行对比,按报告数目、报告时间、报告内容对比是否一致;将装置的检修压板投上,重复上述试验,验证在检修状态下保护装置存储的日志信息是否正确,同时观察品质的Test位是否置上。经过上述2项试验发现,装置的日志信息与实时报告信息完全相同。在确保功能试验正确的前提下,进行装置性能试验,测试装置日志存储容量,即达到最大容量时,循环覆盖旧日志功能是否正确,通过品质变位及周期存储日志功能,使日志发生数目达到上千次,经过上述试验发现,日志存储达到最大容量时,日志循环覆盖存储正确,且上送时间满足要求。通过上述的互操作试验,验证了IEC 61850日志功能在工程上的可用性。用户已决定在常熟南变电站中同样使用该日志功能。

通过实际的现场工程联调,站控层与间隔层对于日志的理解得到证实,解决了以下几个日志功能在工程应用中的突出问题:①明确了日志建模方式,同一逻辑设置下日志名称为逻辑设备名,采用报告数据集,日志控制块名称与数据集名称有一一对应关系;②明确了日志分类,只要是通过报告上送的信息均按日志存储;③明确了日志触发方式,品质变化、数据变化均存储日志;④明确了日志检索方式,可以按条目号和条目时间进行检索;⑤明确了日志解析方式,通过模型及日志中reference进行名称匹配,从而完成数据与名称的对应;⑥明确了监控、子站对日志各自的处理方式,由于监控、子站已经存在历史数据库,与装置日志有重叠部分,为此,笔者认为监控、子站可以不保存日志,但要提供召唤日志或透明转发主站查询日志的手段。

尚未明确的主要问题有:①日志如何按照数据集或日志控制块进行检索?在IEC 61850第1版本中仅规定了按日志名称检索日志,而同一日志的不同数据集信息统一管理,例如状态变位信息与保护动作信息统一管理,会造成日志内存储过多与故障无关的信息,不利于故障分析。②没有提供按日志控制块检索的方法,而日志控制块是与数据集密切相关的,可以对日志进行详细分类,按日志控制块检索日志的功能在IEC 61850第2版本中有所体现,但鉴于目前各厂家的装置大多数是基于IEC 61850第1版本进行的产品设计,因此,按日志控制块检索日志的功能还需在后续产品开发中增加。

7 结语

本文结合IEC 61850日志标准和国内工程的使用习惯,提出了能够在工程中广泛应用的日志实用功能。通过对日志范围、日志模型、日志传输、日志管理等几个方面的详细介绍,解决了各IED厂商对日志存在分歧的问题。本文提出的方案也可以作为主站与子站之间采用IEC 61850传输日志的方案借鉴,有一定的工程实用价值。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

参考文献

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[2]IEC 61850-7-2 Communication networks and systems insubstations:Part 7-2 basic communication structure forsubstation and feeder equipment—abstract communicationservice interface(ACSI)[S].2004.

[3]IEC 61850-8-1 Communication networks and systems insubstations:Part 8-1 specific communication service mapping(SCSM)—mappings to MMS(ISO9506-1 and ISO9506-2)andto ISO/IEC 8802-3[S].2004.

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IEC61850网关 第5篇

IEC 61850变电站通信网络和系统系列标准[1]已在实际变电站中得到越来越广泛的应用。目前,直流换流站的高压直流(HVDC)输电系统还没有使用IEC 61850。IEC 61850系列标准的设计对象是交流变电站系统,其中继电保护系统是其描述的重点[2]。由于IEC 61850系列标准是一个开放、可扩充的标准,任何变电站系统均可遵循一定规则[3,4],通过标准的补充(扩充)得到实现,HVDC输电系统也不例外。

交流站一个物理设备(如线路保护)仅面向少量的一次、二次设备;众多物理设备协同完成交流站全站一次、二次设备的操作和管理。然而,在直流换流站中一个物理设备(控制或保护系统)需要面向全站一次、二次设备。IEC 61850系列标准涉及的对象设备没有涵盖部分直流换流站中设备;HVDC输电控制保护系统中状态和控制方式更没有涉及。本文探讨了HVDC输电控制保护系统IEC 61850模型的实现,重点描述逻辑节点类型和数据对象类等的扩充。

1 保护模型

1.1 逻辑节点类型的扩充

直流输电系统保护原理和实现方法与交流保护大不相同,特别是定值配置。本文保留逻辑节点(LN)类(基类)不变,设计新的LN类型。部分扩充的LN类型如表1所示。

下面举例描述LN类型的详细设计。表1中PCFP-MAIN详细设计如表2所示(从状态信息开始;从通用LN类中继承的所有强制数据没有包括在表格中,下同),其中,M表示强制属性,O表示可选属性。

1.2 逻辑设备

直流保护系统通常有不同的保护分区,如换流器区、直流场区、线路区和双极区等。一般,所有保护在一个物理设备中完成。将不同的保护分区设计成不同的逻辑设备,有利于后台结构清晰地显示直流保护系统配置的信息。如果一个系统中存在保护和启动2种逻辑和算法,可以将它们设计成不同的逻辑设备。

表3所示为部分逻辑设备定义实例。其他逻辑设备还有LINEPR(线路区保护)、BIPOLEPR(双极区保护)、CONVQD(换流器区启动)、POLEQD(极区启动)、LINEQD(线路区启动)、BIPOLEQD(双极区启动)等。

1.3 保护动作矩阵(PAM)

直流系统保护动作后的处理策略有30余种。不同原理和类型保护选择的处理策略不同。直流PAM可灵活配置直流系统保护动作后的处理策略。

常规PAM为2020方阵;包含20个32位整型定值(实际使用低20位),20个输入和20个输出。这些信息均需通过IEC 61850模型在保护工程师工作站上显示或修改。其LN如表4所示(从状态信息开始)。表中,PamId用于区别不同的PAM。

2 控制模型

2.1 事件

直流换流站绝大部分设备运行方式的变化,以及控制保护系统中状态和控制方式的变化,均需通过“事件”在运行人员工作站上显示。在IEC 61850系列标准文档中几乎找不到直流控制系统中的事件设计模型。

数据对象类DOClass的扩充:直流系统事件带有数据信息,例如:电流值、操作台/操作员名称等,这些数据信息必须包含在数据对象类DOClass中。作者扩充一些数据对象类DOClass,例如:SPS-V1C(含带一个字符型数据信息的单点状态类)、SPS-V3F(含带3个浮点型数据信息的单点状态类)等。表5描述了SPS-V1C定义(仅显示增加部分(黑体),以及原SPS定义),其中,FC表示功能约束,C表示条件属性。

LN类LNClass的扩充:原则上按照直流控制系统功能模块进行LNClass的扩充,例如:EMSQ(模式顺序事件)、ECFC(触发控制事件)、EPPC(功率电流控制事件)、ERPC(无功控制事件)、EOLL(过负荷逻辑事件)、ESSQ(顺序控制事件)、ETCC(分接头控制事件)、EMOD(功率调制事件)、EOLT(开路试验事件)等。

表6列出了LN类EMSQ的部分定义(从状态信息开始)。

2.2 遥控

由于需要对换流站的大部分设备以及控制系统本身状态进行控制,所以HVDC输电控制系统需要控制的节点数目非常多。设计时需要充分考虑这一特点。标准中控制LN(如GGIO[5])不能完全满足这些特点。

扩充数据对象类DOClass分单点遥控和双点遥控。双点遥控如表7所示(其中黑体为扩充部分)。

扩充一个含10个控制节点的通用LN类LNClass(见表8,从控制开始)以适应直流控制系统包括众多遥控对象的特点。

为了方便查找和识别遥控LN的遥控对象,对遥控LNTypes进行扩充(基类LNClass都采用“通用的遥控逻辑节点类型”)。遥控LNTypes的扩充:原则上按照直流控制系统功能模块进行扩充,例如:CMSQ-RC(模式顺序控制)、CCFC-RC(触发控制)等。

2.3 遥调

扩充数据对象类DOClass:APC-HVDC。类似遥控表7,没有联锁信息(permit-open/permit-close),stVal用setMag(FC=MX)代替。

由于极控系统的遥调对象数目远小于遥控对象数目,扩充含5个调节节点的通用LN类LNClass以适应直流控制系统包括不多遥调对象的特点,类似表8。

同样,类似于遥控,对遥调LNTypes原则上按照直流控制系统功能模块进行扩充。

2.4 遥测[6]/遥信

常规直流输电控制系统约有50个遥测量;遥信量中开关/刀闸等位置信号占大部分。开关/刀闸等对象全部受运行人员工作站控制;也就是说,在遥控LN中有开关/刀闸的状态描述。在遥控LN中有状态描述的遥信量无需重复定义,可直接使用。

作者增添一个逻辑节点RMRS描述直流输电控制系统中的遥测量和遥信量(在遥控LN中没有状态描述)。部分内容如表9所示(从状态信息开始)。

2.5 讨论

本文控制系统LN采用功能进行分类:一是四遥类和事件类;二是直流控制系统功能模块类(面向对象)。属于部分面向对象分类。

直流输电控制系统LN的分类也可以采用IEC 61850推荐的面向对象的分类方法。可以预见,这样的全部面向对象分类会使部分LN中数据对象(DO)非常多;并且这些LN的重用性及各个工程间的互用性很差。另外,LN数目的异常庞大在实际使用中也可能带来其他问题。

3 系统相关的扩充

HVDC输电控制和保护系统通常有下列状态和属性(系统信息):值班/备用(Active/StandBy)系统、A/B系统、极1/极2系统等。

扩展公共数据属性类型中的Quality字[7]如表10所示,其中第13位、14位、15位为扩展位(用黑体突出显示)。

值班/备用等系统信息在直流输电系统后台显示和处理中有着重要意义,例如数据是否有效、事件过滤等。IEC 61850系列标准中,所有数据传送都可以选择携带Quality字。这也是作者选择扩展Quality字实现值班/备用等系统信息传送的原因。

4 结语

本文探讨了直流输电工程控制和保护系统的IEC 61850模型建立问题,重点对采用扩展DO和LN的方法加以描述。控制系统分事件和四遥进行模块分类,结合面向控制对象分类;保护系统采用面向对象模块分类方法,并对动作矩阵进行了IEC 61850建模。基于本文工作的科技项目已通过验收,相关IEC 61850模型完全实现了四遥、事件、保护定值等各项功能。

感谢冯亚东、陈未远同志以及本课题组相关同志对本文工作的帮助和有益的探讨。

参考文献

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IEC61850网关 第6篇

《IEC 61850变电站通信网络和系统》作为电力系统自动化领域乃至其他公用事业 (水电、风力发电等) 未来升级所采用的换代标准[1], 目前在国内外已经广泛开展了工程应用和试验研究[2], 而且随着2006年该系列标准第一版发布后第一批示范工程的陆续投入运行[3], 目前已经取得了部分现场互操作的反馈意见和扩展需求, 因此IEC TC57也正在着手起草第二版IEC61850, 预期也将于2008年年内正式发布[4]。

本文从IEC 61850-7-2部分设计的Report报告模型入手, 详细阐述了IEC 61850标准框架内, 传统的遥测、遥信值如何通过Report服务得以传送, 并针对第一版IEC61850中对Report模型规定不清晰和存在争议的地方, 进行了讨论和研究。

为了收集和研讨IEC 61850在应用中的疑问, 负责IEC 61850标准技术答疑的UCA International Users Group组织专门设立了www.tissues.iec61850.com网站, 征集了许多用户在应用和研究中发现的IEC 61850疑问Tissue (Technical Issue) , 并指定维护工作组对所有Tissue进行了讨论和意见统一, 最终将所有的统一意见在修订版IEC 61850中进行体现。本文列举的部分意见包括结论, 也来自以上网站。

1 报告模型的定义

1.1 报告模型的原理与组成

与GSE (通用变电站事件) 具有高传输性能而且按节律传输和重传并可以多路广播不同, Report模型主要基于双边应用关联TPAA、面向连接、每个报告只传输一次且可进行一定时间的缓存, 这种设计主要考虑到间隔层到变电站层的通信接口, 数据的实时性并不是最重要的指标, 间隔层设备应具有信息过滤、处理和组合能力, 便于变电站层IED进行基于报告的各类数据的信息提取。

如图1所示, IEC61850的Report模型主要由报告控制块、报告处理器和事件监视器三个逻辑组件合作完成对RCB报告控制块的读写操作实现报告内容的定制, 然后通过事件监视器监视报告控制块引用数据集的所有数据对象并在定制的触发条件下生成事件交由报告处理器进行缓存或直接主动上送, 实现变电站后台对间隔层设备遥测和遥信等信息的监测。

1.2 报告模型的分类

IEC 61850的Report模型主要设计了两个报告控制类, BRCB缓存报告控制块和URCB非缓存报告控制块。两者的主要区别是URCB由于不在服务器当地缓存事件而只在报告生成时立即发送, 在关联不存在或传输数据流速滞后于事件生成速度时会造成事件的丢失;而BRCB由于具有当地存储功能, 可以保证DATA值不被丢失而且在服务器当地保持事件顺序SOE属性。

BRCB比较适用于传输遥信变位、保护动作等重要性高、需要确保传输或重新调阅的事件数据, 而URCB在上送普通遥测等刷新较慢而且重要性低的数据时较为适用。

由于从传输机制上, BRCB与URCB并无较大区别, 因此以下只以BRCB为例, 介绍IEC61850的Report应用模型的使用。

2 报告的BRCB控制块类

2.1 BRCB控制块的组成

报告使能Rpt Ena:控制并指出BRCB的当前状态。使能传输时将使该BRCB仅对唯一的客户端开放使用, 而且仅能允许停止使能和激活总召唤GI两种控制操作。随着关联的中断, 服务器将Rpt Ena自动置为停止使能, 但当地仍然缓存发生的事件 (仅限data-change, quality-change和data-update触发条件产生) 并在再次使能Rpt Ena后上送。

数据集引用Dat Set:指明被监视DATA-SET的对象引用。在Dat Set配置发生改变时, 服务器将清空报告缓冲区, 以免以往定制的旧报告对客户端形成干扰。

配置版本号Conf Rev:Dat Set配置改变次数的计数器。由于IEC 61850禁止直接通过通信服务修改DATA-SET的成员, 因此Conf Rev的改变包括使用配置工具进行数据集成员的删除或重新排序, 或者客户远程Set RCBValues造成Dat Set属性值改变的两种情况 (见Tissue453, 可选) 。

选项域Opt Flds:BRCB所发出报告中的特定可选域。客户端可修改此属性, 实现对报告格式的定制。

缓存时间Buf Tm:对BRCB的dchg、qchg或dupd引起的内部事件的缓存时间间隔, 在间隔内产生的内部事件将只生成单个报告。为了避免同一个状态点在单个报告中重复出现带来的解析错误, 规定状态信息可以采用提前终止Buftm, 立即发送前一报告, 而后重启Buftm定时器, 缓存同一状态点的第二个变化事件;模拟量信息可以采用相同做法, 也可以用新值代替挂起报告中的当前值。

顺序号Seq Num:BRCB在生成报告并即将交由下层协议栈传输时所赋予报告的顺序号, 每次传输报告时加1, 并在再次Rpt Ena使能时进行复位。

触发选项Trg Op:BRCB监视对象产生报告的触发条件, 包括数据标号dchg、品质变化qchg、数据刷新dupd、完整性integrity、总召唤generalinterrogation。对于BRCB, Trg Op是核心的驱动机制。

完整性周期Intgpd:服务器启动上送所有Dat Set的成员对象值报告的周期。

总召唤GI:由客户端启动的召唤所有Dat Set的成员对象值报告的使能属性。

清除缓存Purge Buf:客户端请求舍弃所有BRCB所缓存的报告。

条目标识符Entry ID:任意的八位位组串, 用以标识缓存的顺序事件的条目, 其值为服务器初始设定, 在传输过程中可由客户端设置该属性, 完成续传未发送报告、重传已发送报告或确认已收到报告的特定功能。

条目时间属性Time Of Entry:条目写入缓冲区的时间, 而非事件发生的时间。

2.2 报告的数据组成和存储区

2.2.1 报告的格式

服务器在Rpt Ena使能之后, 根据BRCB的设置情况, 可以上送相应的Report报告, 其格式如表2, 包括了一些可选域 (客户端可以选择定制的信息, 见灰色部分) 和非可选域 (即必备要素) 。一个基本的报告应具有Rpt ID、Opt Flds和所有Entry的Value、Reason Code (触发原因) 。

2.2.2 报告的数据组成

如图1所示, 报告的数据对象来源于BRCB中配置的数据集, 事件监视器负责实时检测数据集中对象的数据变化以及何时生成一个事件指示给报告处理器。由于物理I/O设备和事件监视器的双重因素, 事件指示中的数据值个数并不是确定的。

事件指示在传送给事件处理器后, 并不一定立即生成条目Entry, 因为BRCB的一些控制参数如Buf Tim等可能会将一些事件指示进行组合形成仅一个Entry, 并赋予唯一的Entry ID, 而这个Entry ID对应的Timeof Entry将是事件处理器接收到这个Entry内第一个事件指示时的时间。

2.2.3 报告存储区

图2显示了一个典型的61850事件条目存储区的情况。在这个存储区内, 已发送的条目、正在组包等待传输的条目以及新的正在生成中的条目形成了一个循环队列, 先进先出, 而且在溢出时, 可以采用丢弃队列最旧条目的办法来确保新事件的存储空间。

2.3 报告的状态机

在第一版的7-2的14.2.2.5中, 由于对于客户端与服务器之间报告的同步方式缺乏具体的介绍, UCA维护工作组起草的文献[5]增加了resync状态, 即客户端为获取服务器上特定Entry ID以后或全部Entry而对Entry ID进行写的过程。

3 报告模型的应用问题讨论

3.1 事件条目的重传和同步

按文献[5]的说明, 在图3所示在Rpt Ena停止使能的条件下, 客户可以写Entry ID, 从“停止使能”进入“再次同步”状态, 且写的结果分三种情况:1.如果客户所写的Entry ID在服务器端的条目队列中不存在, 服务器可进行Service Error响应, 即写Entry ID失败;2.如果存在, 则表示客户需要同步所写Entry ID以后的所有Entry事件;3.如果所写的Entry ID为0, 则表示客户需要同步服务器上所有Entry事件。第2和3种情况下, 服务器需要回复写服务的response+, 并记录resync状态的Entry ID值。

在客户成功设置服务器BRCB的Entry ID后, 客户可以请求Rpt Ena使能, 从而进入“使能”状态。如果此前resync状态中设置Entry ID为0, 服务器将与从“停止使能”到“使能”的直接转换过程一样, 上送所有当地存储的Entry;如果设置的Entry ID为非0值, 则服务器上送Entry ID值之后的所有Entry。这样就顺利完成了已发送报告的重传或者遗漏报告的同步过程, 需要注意的是所有缓存Entry在上送时均应按照正确的时序。

3.2 Entry ID和Time Of Entry的值

针对Entry ID和Time Of Entry在客户Get BRCBValues时应上送的值, Tissue190提出了以下建议:

1) 当BRCB处于“停止使能“状态:返回最新进入缓冲区的entry ID值;

2) 当BRCB处于“resync”状态:返回客户Set BRCBValues时所写的Entry ID值;

3) 当BRCB处于“使能”状态:返回上次发送的最后一个Entry ID值。

Time Of Entry在Get BRCBValues读的值:应返回此时BRCB中Entry ID的Timeof Entry, 也就是此Entry ID在缓冲区形成或者说该事件进入缓冲区的时间。

Tissue190的建议说明了Entry ID、Time Of Entry的组合在整个IED的生命周期中将是唯一性存在的。

3.3 事件顺序记录

根据第一版7-2标准14.2.3.2.3.5, 由Trg Ops为总召唤GI或完整性Integrity产生的报告在分成子报告传输的过程中, 有可能被优先级更高的data-change等中断插入传输, 客户在接收这些报告时, 可以根据Sq Num的递增顺序来确定报告的时序, 即先生成的子报告即使后到达客户, 其包含的旧状态也不会被采纳, 因为其Sq Num小于先到达的高优先级报告。

但在文献[5]中, 提出了GI和Integrity报告不能被中断, 全部上送完毕后才上送其他报告以确保时序正确的新办法, 需要引起注意。

3.4 缓冲区溢出

Buf Ovfl参数主要向客户表示缓冲区的某些entry可能已经丢失。出现这种丢失可能由以下两种情况下发生:

1) 在Rpt Ena停止使能的情况下, 由于report monitor仍然不断的按照配置的trgops产生新的条目, 导致当地的物理存储区溢出, 删除了溢出以后报告队列中的最旧entry。如果此时Rpt Ena使能, 服务器应在上送的第一个报告中置Buf Ovfl为true, 随后的报告均置Buf Ovfl为false。

2) 在Rpt Ena使能的情况下, 由于传输带宽过窄或者事件发生过快过多, 也会导致服务器物理存储区溢出。但这时的溢出, 可分为以下两种情况:

情况1:部分entry已经发送 (13#Entry以前) , 但缓冲区已满。在产生新事件 (9#Entry) 时, 必须删除已发送的36#entry, 以循环占用存储空间。此时的event handler继续处理并传输未发送的1#Entry, 由于此时并没有发生事件的丢失, 因此1#Entry报告的Buf Ovfl是不需要置true的。

情况2:缓冲区的所有Entry均未发送, 但缓冲已满。这种情况下新9#事件的产生意味着需要将

1#Entry从缓冲区中删除, 从而Event Handler将不得不将发送任务指针指向12#事件, 这样就造成了未发送事件的丢失, 此时在上送12#事件的报告中需将Bufovfl置true, 表示此前有事件丢失。12#以后的Entry在上送时如果未继续发生删除事件的情况, 应保持Buf OVfl为false。

4 结论

报告控制模型涉及到变电站自动化系统的大部分监测功能, 因此各个应用细节值得推敲和讨论。在现阶段未发布正式的修正模型之前, 关注和跟踪IEC和UCA组织针对标准所作的修订意见 (如Tissue) , 有利于理解报告模型的设计思想, 为解决在设备运行互操作阶段遇到的问题提供了借鉴, 并为下一步顺利过渡到IEC 61850 Ed2.0做良好的铺垫。

摘要：解析了IEC61850标准中报告模型的原理和定义, 以缓存报告控制块BRCB为例, 概括性地描述了各个属性的应用方法和注意事项, 针对目前报告控制模型中存在的疑点和盲点, 特别是历史事件条目的重传和同步、缓冲区溢出的处理以及事件顺序记录的保证方法等, 引入了IEC61850维护工作组最新的观点进行了阐述和讨论, 有利于厂家在今后进一步合理的应用报告控制模型。

关键词：IEC61850,报告,BRCB,Tissue

参考文献

[1]IEC61850-1Communication Networks and Systems in Substations Part1:Introduction and Overview[S].

[2]辛耀中, 王永福, 任雁铭.中国IEC61850研发及互操作试验情况综述[J], 电力系统自动化, 2007, 31 (12) , 1-6.XIN Yao-zhong, WANG Yong-fu, REN Yan-ming.Survey on Research, Development and Interoperability Test of IEC61850in China[J].Automation of Electric Power Systems, 2007, 31 (12) :1-6, 72.

[3]高祥, 周健, 周红, 等.IEC61850标准在南桥变电站监控系统中应用[J].电力系统自动化, 2006, 30 (16) :105-107.GAO Xiang, ZHOU Jian, ZHOU Hong, et al.Application of IEC61850Standard in SCADASystem of Nanqiao Substation[J].Automation of Electric Power Systems, 2006, 30 (16) :105-107.

[4]http://www.iec.ch[EB/OL].

IEC61850网关 第7篇

关键词：IEC61850,IED,建模,工程,《DL/T860实施技术规范》

0 引言

IEC61850变电站通信网络和系统标准,是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统的唯一国际标准[1]。该标准详细阐述了分层的变电站通信体系结构,通过定义抽象的类和服务,实现了应用和通信的解耦,为不同生产厂商的智能电子设备(IED)之间实现互操作性和系统无缝集成提供了途径。它的推广和应用为变电站自动化系统实现全数字化奠定了基础。

IEC61850的核心内容包括:采用面向对象建模技术对变电站功能和智能电子设备建模;为实现应用与通信分离,采用抽象通信服务接口映射到具体通信协议栈;基于扩展标识语言(XML)的变电站配置语言(SCL)对系统和智能设备进行配置。其中,利用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口对实际IED进行建模是IEC61850标准应用的关键[2]。

IEC61850在保护建模方面与国内的继电保护应用现状还有一定的差距,为满足国内需求,国家电网公司发布了《DL/T 860实施技术规范》。本文依据IEC61850建模思想,以某中压线路微机保护装置为例,结合实施技术规范,重点阐述IED工程化建模时所遇到的一些问题及解决方法。

1 IEC61850中的IED建模技术

1.1 IEC61850建模技术

变电站自动化系统由IED组成,并由分布于IED中LD的LN交互完成其系统功能。IEC61850-7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、逻辑节点和数据对象等部分,如图1所示[3]。

IED的分层信息模型自上而下分为4个层级:Server(服务器)、Logical Device(逻辑设备)、Logical Node(逻辑点)、Data Object(数据对象)。每个IED包含一个或多个服务器,每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包括逻辑节点,逻辑节点包含数据对象,数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。任何一个客户都可以通过抽象通信服务接口(ASIC)和服务器通信访问数据。

1.2 IED建模思想

IEC61850关注的是可以在网络上传输的信息。所谓建模,就是把功能可以对外交互的信息组织在模型中,并建立合适的通信服务以确定信息的传输方式和过程。基于IEC61850的IED建模思想是:对实际间隔层设备功能进行抽象,依据面向对象思想分析设备的逻辑构成,对传统的过程化流程实现的功能进行解耦分析,抽象出设备所含有的逻辑节点以及每个逻辑节点所含的参数、属性,找出逻辑节点之间的数据流向,再利用统一建模语言工具对其进一步分析[4]。

在对一个IED装置进行建模时,首先要确定该IED具有哪些功能,哪些功能是用来交换数据的。然后,根据IEC61850-7-4标准,将每个需要进行数据交换的变电站自动化功能逐一分解为若干个逻辑节点。一旦确定了某个逻辑节点,就得到了逻辑节点类中所有的兼容数据。这些数据都分为“必选”和“可选”2类。“必须”数据是强制性的,逻辑节点的实例化必须具有,而“可选”数据应根据IED的实际情况而选取。如果“必选”和“可选”都不能满足该IED的实际功能需求时,需要扩展数据[5]。

建立好逻辑节点后,以这些逻辑节点的公共特征为依据,划分逻辑设备。一个逻辑设备至少包含3个逻辑节点1个LLN0(逻辑节点零)、1个LPHD(物理设备信息)和1~n个LN(待定逻辑节点)。

最后将IED建模为一个或多个Server类的实例,通信模式采用为客户/服务器模式或订阅者/发布者模式。

2 IED工程建模方法

由于IEC61850中定义的保护逻辑节点是按照国外的保护装置设计的,与国内的应用需求有一些不相适应的地方[6]。下面将分析工程化建模时所遇到的问题,并结合《DL/T 860实施技术规范》,给出解决方法。

2.1 软压板建模

保护装置中使用软压板来设置某个保护功能的投入或退出。但是在IEC61850标准中并没有给出软压板的表述。

《DL/T 860实施技术规范》指出:保护压板数据应建模于保护逻辑设备中。保护功能压板宜建模于LLN0。保护出口压板宜建模于PTRC(保护跳闸条件)和RREC(自动重合闸)中[7]。

建模时,dsRelayEna(保护压板数据集)建立于PROT(保护)逻辑设备中的LLN0(逻辑节点零)逻辑节点,还应建立引用了该数据集的报告控制块brcbRelayEna,实现保护压板信息的及时上送。

2.2 逻辑节点建模

在实际的保护功能建模中,有很多保护功能在IEC61850中并没有相应的保护逻辑节点。遇到这种情况,先分析一下保护功能,判断标准已有的LN类是否满足功能要求,若满足,则采用合适的LN类。若不满足被建模功能,则考虑是否可以用通用的LN类来描述,即GAPC(通用过程自动控制)和GGIO(通用过程输入/输出)。

比如说线路保护装置的加速保护。装置设立独立的加速保护段,当重合于故障或者手合于故障时,加速保护不带时限无选择性地动作跳闸加速故障的切除。逻辑框图如图2所示。

在IEC61850标准中,并没有定义加速保护这个逻辑节点。但是从保护逻辑框图中可看出,后加速保护中的两个定值电流和时限,和PTOC逻辑节点类的逻辑是相似的。因此,在保护功能建模的时候,可以用PTOC来表示加速保护。同理,过负荷保护、充电保护均是PTOC逻辑节点类的不同实例。

还有一个需要注意的地方,如果没有合适的LN类符合被建模功能的核心需求,则可以新建LN类。新建LN类的名称,则要符合标准所规定的逻辑节点组相关前缀的要求,不可以与已经存在的LN类名称相冲突。但是为了保证各个厂商IED之间的互操作性,一般不建议新建LN类。

2.3 数据扩展

IEC61850所定义的逻辑节点中的数据比较少,如果不进行扩充,很难满足保护装置的需要。扩展数据时,先判断LN类中已有的可选数据是否满足要求,若满足,则应使用可选数据。若不能满足建模需求,则在该LN类中新建数据。新建的数据不可与已有数据名称冲突,要采用标准所规定的通用数据类和基本数据类型,要提供详细的描述和用法等信息。此外,不宜扩充通用数据类、复杂数据类型和基本数据类型。

2.4 GOOSE建模

装置GOOSE输入定义采用虚端子的概念,在以“GOIN”为前缀的GGIO逻辑节点实例中定义DO信号,DO信号与GOOSE外部输入虚端子意义对应,通过该GGIO中DO的描述和d U(使用UNICODE字符的文字描述)可以明确描述该信号的含义,作为GOOSE连线的依据。在相应LD的LN0中定义GOOSE数据集和GOOSE控制块用来发送GOOSE信号。在GOOSE数据集中预先配置满足工程需要的GOOSE输出信号。

GOOSE通信中断应该送出告警信号,设置网络断链告警。在接收报文的允许生存时间的2倍时间内没有收到下一帧GOOSE报文时判断为中断。另外,GOOSE通信时对接收报文的配置不一致信息须送出告警信号,判断条件为配置版本号及DA类型不匹配。

另外,装置应该通过在ICD文件中支持多个Access Point(访问点)的方式支持多个独立的GOOSE网络。

2.5 逻辑设备建模

把某些具有共同特性的逻辑节点组合成一个逻辑设备。逻辑设备的划分以功能进行,一般分为以下几种:公用LD,测量LD,保护LD,控制LD,录波LD,智能终端LD等。

在工程实施中,根据工程需要适当地组合。

3 IED工程化建模实例

中压线路XRL-261微机保护装置适用于中低压输电线路出线,实现的功能有:三段过流保护、过负荷保护、接地保护、低周减载保护、低压解列保护、加速保护、重合闸、自动序位减载保护、模拟量测量、故障录波、开关量输入和告警等。根据IED工程建模方法,本文对其进行建模。

XRL-261可建模为两个服务访问点,S1(普通MMS服务)和G1(GOOSE专用服务)。在S1访问点,建模为一个Server类,通信方式采用服务器/客户端模式。在G1访问点,建模为一个Server类,通信方式采用订阅者/发布者信息。开入报文作为GOOSE的订阅者,定义该装置接收哪些GOOSE输入,每个输入相对应的Extref(外部引用)中DO信号的引用名。

XRL-261根据功能的划分,在S1访问点,可建立5个LD:LD0(公用LD),MEAS(测量LD),PROT(保护LD),CTRL(控制LD)和RCD(录波LD)。各逻辑设备的具体构成如表1所示。

逻辑设备LD0的LLN0包含:(1)装置的参数数据集dsParameter;(2)装置自检告警数据集dsWarning,包含了装置自检告警信息;(3)报告控制块brcbWarning,引用数据集dsWarning,实现装置自检告警信息的及时上传。GGIO1:保护装置自检。

逻辑设备MEAS的LLN0包含:(1)保护遥测数据集dsRelayAin,包含了电压、电流等模拟量的测量信息;(2)报告控制块urcbRelayAin,引用数据集dsRelayAin,实现模拟量测量信息的及时上送。MMXU1:保护测量。

逻辑设备PROT的LLN0包含:(1)保护压板数据集dsRelayEna及引用了该数据集的报告控制块brcbRelayEna;(2)保护定值数据集ds Setting;(3)保护事件数据集dsTripInfo及引用了该数据集的报告控制块brcb Trip Info;(4)保护故障数据集dsAlarm及引用了该数据集的报告控制块brcbAlarm。PTOC1、PTOC2、PTOC3:三段式过流保护;PTOC4:加速保护;PTOC5:过负荷保护;RREC1:自动重合闸;PTUF1:低周减载保护;PTUV1:低压解列保护;PSDE1:接地保护;GAPC1:自动序位减载保护;TCTR/TVTR:电流/电压互感器;GGIO1:保护压板;GGIO2:保护事件;GGIO3:保护告警。

逻辑设备CTRL的LLN0包含:(1)保护遥信数据集ds Relay Din及引用了该数据集的报告控制块brcbRelayDin;(2)通信工况数据集dsCommState及引用了该数据集的报告控制brcbComm State。GGIO1:保护开入;GGIO2:GOOSE接收软压板;GGIO3:GOOSE异常告警;GGIO4:GOOSE输入信息。

逻辑设备RCD的LLN0包含:故障录波数据集dsRelayRec及引用了该数据集的报告控制块brcbRelayRect。RDRE1:故障录波。

在S2访问点下,可建立1个LD:GOLD。逻辑设备GOLD是GOOSE的专用服务。它由LLN0、LPHD1、PTRC1(GOOSE跳闸)、GGIO1(GOOSE输入信息)构成。其中LLN0包括:(1)GOOSE信号数据集ds GOOSE0,包含了GOOSE的跳闸信号;(2)Inputs(绑定外部信号)部分定义了该装置输入的GOOSE连线,每一个GOOSE连线包含了装置内部输入虚端子信号和外部装置的输出信号信息。

4 结论

本文根据IEC61850建模思想,结合《DL/T 860实施技术规范》,针对进线保护装置XRL-261I、出线保护装置XRL-261A进行了建模研究,实例验证了通过这种建模方法得到的配置文件结构清晰、功能合理。在西安供电局10 kV数字化开闭所工程中得到应用,能够比较好地满足工程需要。

参考文献

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