IEC61850模型

IEC61850模型（精选7篇）

IEC61850模型 第1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模型 第2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模型 第3篇

电动汽车作为新能源领域的一个重要组成部分,由于其很好地实现了低碳环保和与生活密切相关而受到广泛关注。各地对电动汽车充电站的建设相继展开并投入试运行[1]。新建的充电站普遍实行少人值守,这就要求具高可靠、高效率的电动汽车充电站监控系统的支持。

电动汽车充电站监控系统主要包括了站内电力设备运行监控、保护以及对充电桩运行的监控。目前随着IEC61850标准的推广,各厂家的数据采集装置及保护装置均可使用IEC61850标准进行通信[2,3,4,5],可方便地将充电站中对配电设备的监控和保护接入到监控系统中。而对于充电桩这一新兴产品的监测和控制以及信息通信目前还没有统一的标准,其研究及使用较多的是现场总线及自定义协议进行通信[6,7,8],互操作性差。本文讨论应用IEC61850标准技术,运用UML分析方法[9],在间隔层的通信管理机中建立符合IEC61850标准的交流充电桩信息模型,研究通信管理机与站控层的监控主机之间遵循IEC61850标准的交流充电桩信息交换。使对充电桩的监测和控制进一步标准化,提高电动汽车充电站监控系统的实际应用水平,提升管理能力。

1 充电桩监控功能及信息量

电动汽车充电站监控系统对充电桩的监测功能主要包括:采集充电桩运行过程中的电压、电流等的交流输出,监测充电桩运行状态及各开关状态,计量输出电能,对充电桩的保护以及各动作告警。对充电桩的控制功能包括开始充电、结束充电及紧急停止。监测信息包括测量信息、状态信息、计量信息、保护信息、告警信息。控制信息包括对充电桩的控制量。

1)测量信息

充电桩交流输出接口的交流电压、交流充电电流的测量。

2)状态信息

充电桩的当前充电状态,终端有电状态,维护门状态的监测。

3)计量信息

对输出的电能量进行计量。

4)保护信息

对充电桩的过电压保护、过电流保护的信息。

5)告警信息

维护门开告警、关告警;开始充电告警、充电结束告警、装置故障告警信号。

6)控制信息

充电桩安装有远方控制开始充电、结束充电和紧急断开充电装置,用于远方控制开始充电、结束充电及紧急断开。

2 信息模型

IEC61850标准以面向对象的概念方法定义了设备的基本信息模型[6]。充电桩监控功能及信息量与IEC61850标准的基本信息模型的对应关系如图1所示。其中充电桩监控模型对应服务器Server,包括通信参数等,代表外部可视行为。将充电桩的监控功能进行逻辑上的分类,对应逻辑设备LD。具体功能实现对应逻辑节点LN。信息量对应数据DATA。

2.1 逻辑设备及逻辑节点建模

通信管理机中建立的充电桩LD和LN模型如图2所示,将充电桩监控功能逻辑上划分为三个LD。LD1完成测量、控制及告警功能。LD2完成计量功能。LD3完成保护功能。每一个LD包含物理逻辑节点LPHD和逻辑节点零LLN0。LPHD表示物理装置的公用信息。LLN0表示逻辑设备的公用信息。

LD1包含测量MMUX、通用过程I/OGGIO逻辑节点。MMXU实现测量监测功能,监测充电桩的交流电流、电压;GGIO实现状态监测、告警和控制功能。LD2包含计量MMTR逻辑节点,MMTR实现电能计量。LD3包含限时过电流PTOC、限时过电压PTOV逻辑节点,PTOC和PTOV分别实现对充电桩的过电流和过电压保护。

GGIO用于对标准未定义信息建模,状态监测、告警和控制功能通过此LN实现。MMTR通过获取MMXU的所采集的电流、电压有效值并进行计算,得到输出的电能量。PTOC和PTOV获取MMXU的电流、电压值,根据保护动作设定值进行判断,当出现过流、过压时,通过GGIO控制充电桩停止充电。

2.2 数据建模

LN包含必选或可选DATA,并可进行DATA的扩展。所以数据建模时根据充电桩监控信息需求选取或扩展DATA以组成LN,同时需确定DATA中包含的数据属性DA。

1)测量及控制/告警逻辑节点数据

测量MMXU数据组成及相关类型如图3所示。MMXU包含数据Phv和A,Phv描述交流充电桩的输出相电压,A描述输出相电流。Ph V、A的属性类型是相对地相关测量值WYE,WYE包括属性类型为CMV的phs A,phs B,phs C。进一步确定CMV所包含数据属性有测量值c Val、品质属性q和时间戳t。另外,每个逻辑节点还包含从公共逻辑节点类继承模式、性能、健康状况和铭牌等描述性数据。

IEC61850标准中定义的GGIO包含了描述状态信息的整数状态输入Int In、描述告警的数据Alm、描述控制的双点可控状态输出DPCSO。对GGIO的数据进行扩展,以描述充电桩的状态、告警和控制信息。

如图4所示,本文在GGIO中扩展定义IntIn1、IntIn2、IntIn3描述充电桩的充电状态,终端有电状态,维护门开关状态信息。属性类型为INS,其数据属性st Val具体表示各种相应的状态值。同样对报警信息、控制信息的数据进行扩展。报警数据Alm的属性类型为SPS,维护门开告警、关告警、开始充电告警、充电结束告警、装置故障告警信息具体使用数据属性stVal表示。控制数据DPCSO属性类型是DPC,支持常规安全的操作前选择控制或常规安全的直接控制。通过控制模式ctl Model、SBO类sboclass、超时时间sboTimeOut等数据属性的配合来完成控制操作。充电桩开始充电和结束充电使用常规安全的操作前选择控制,紧急停止使用常规安全的直接控制。

2)计量逻辑节点数据

计量MMTR包含数据净有功电能Tot Wh。Tot Wh的数据属性act Val描述充电桩的输出电能量。MMTR的数据组成及相关类型如图5所示。

3)保护逻辑节点数据

保护功能逻辑节点PTOV和PTOC的数据包括启动Str、动作Op、启动值Str Val及保护动作时间Rlt Tmms Relative Time。Str的属性类型是ACD,数据属性包括总动作和三相保护设置。Op的属性类型是ACT,数据属性包括总动作及三相保护动作。Str Val为动作启动值。Rlt Tmms描述动作延迟时间。PTOC的数据组成及相关类型如图6所示。

3 信息交换

间隔层通信管理机与站控层监控主机之间的充电桩监控信息交换主要包括通信管理机上传监测信息,以及监控主机下发控制信息。信息传输需满足较高实时性。监测信息中测量数据的重要性低,其他类型数据的重要性高,需要确保不丢失传输。在IEC61850标准定义的ACSI服务中,通过GetDataValues或GetDataSetValue等可获取数据。然而这些服务的信息交换过程效率低,且不能确保传输。而报告模型具有传输效率高并可缓存的特点[10,11,12],满足充电桩监测信息交换实时性及确保传输的要求。充电桩监控信息交换的概念性模型如图7所示。

模型基于服务器/客户端通信模式。通信管理机作为服务器,监控主机作为客户端。图中包含了双边应用关联模型,数据集,报告模型和控制模型。双边应用关联模型建立客户端与服务器之间的通信连接。充电桩监测信息的信息交换通过报告模型完成。控制信息的信息交换通过控制模型[10,13]完成。

3.1 监测信息的信息交换

实现监测信息交换的报告模型通过报告控制块RCB进行控制。RCB分为缓存报告控制块BRCB和非缓存报告控制块URCB两种类型。根据BRCB具有通信中断后进行数据缓存的特点,充电桩状态信息、计量信息、保护信息和告警信息使用BRCB机制,测量信息使用URCB机制。

1)RCB的定义

RCB主要包括数据集DataSet和报告控制块RCB的定义。DataSet是报告模型中监视和上传的引用数据,根据功能约束FC将数据分组构成,包括了逻辑节点中数据标识和数据属性标识。图8给出了测量信息数据集Measureds和状态/告警信息数据集StatusAlarm的SCL配置实例。其中Measureds引用MMXU里FC为MX的数据,StatusAlarm引用GGIO里FC为ST的数据。

RCB的定义通过设置各个属性来完成:属性buffered表示是否缓存;datSet表示引用的数据集;触发选项TrgOps表示产生内部事件的触发条件(数据变化、品质变化、数据刷新);完整性周期IntgPd描述由服务器主动发送完整数据值的时间间隔;缓存时间BufTm规定缓存的时间间隔。报告选项域OptFlds指定所发出报告中的包含内容。图8给出了测量URCB和状态/告警BRCB的SCL配置实例,RCB中分别引用了Measureds和Status Alarm数据集。

2)监测信息交换服务流程

监测信息通过报告模型所提供的Set BRCB Values及Report服务实现信息交换。

a)客户端调用双边应用关联服务连接服务器。

b)客户端通过Set BRCBValues服务设置报告使能Rpt Ena。

c)客户端通过SetBRCBValues服务设置GI启动总召唤,获取DataSet全数据。

d)服务器监视DataSet中所引用的数据,满足触发条件则触发一个报告,使用Report服务主动上报信息。

e)服务器根据IntgPd时间循环上报DataSet全部数据属性值。

f)对于BRCB报告模型,客户端与服务器断开连接后,继续进行DataSet的监视并缓存数据。重新建立应用关联后,服务器端继续主动报告、循环上送数据。

3.2 控制信息的信息交换

对充电桩的控制包括充电桩的开始/停止充电的控制和紧急停止,相应的使用常规安全的操作前选择操作控制和的常规安全的直接操作控制实现。

1)控制属性

通过设置DPC类数据的ctlModel、sboclass和sboTime Out等数据属性进行操作的控制。各属性语义如表1所示。

2)控制信息交换服务流程

实现控制信息交换的服务包括Select、Operate和Cannel。

a.常规安全的操作前选择控制,客户端首先向服务器发送操作前选点的Select服务请求。收到服务端有效响应后可继续发送Cannel或Operate服务请求。服务器收到Operate服务并在sbo Timeout间隔内检查控制的有效性,无效时对客户端进行否定响应,有效则对客户端进行肯定响应并执行。

b.常规安全的直接控制,客户端向服务端发出Operate服务请求,服务端检查控制的有效性。无效时对客户端进行否定响应,有效则对客户端进行肯定响应并执行。

4 结语

IEC61850为变电站设备间互操作提供了标准,其技术和方法逐渐推广到变电站自动化以外及其他的领域。本文遵照IEC61850标准,研究了电动汽车充电站监控系统中交流充电桩的信息建模及信息交换。该研究应用于广东电网公司深圳供电局的电动汽车充电站运行支撑体系技术研究项目中。其内容对提高充电站运行管理水平具有较大的参考价值。

摘要：为了实现电动汽车充电站监控系统的标准化管理,应用IEC61850建模技术和UML建模方法,在分析交流充电桩的监控功能及信息量基础上,在间隔层通信管理机中建立交流充电桩的逻辑设备、逻辑节点、数据的信息模型。讨论了通信管理机与站控层监控主机之间的报告和控制机制的信息交换模型,分别给出了实现交流充电桩信息交换的数据集/报告控制块实例、控制属性及服务流程。应用表明,该研究内容可提高电动汽车充电站监控系统设备间互操作性和运行管理效率。

IEC61850模型 第4篇

IEC 61850定义了标准的配置模型和信息模型[1,2,3,4],该模型已被广泛应用。文献[5,6]针对制造报文规范(MMS)通信映射方式的数据结构、数据流和实现架构,分别提出了保护信息管理系统和智能电子设备(IED)基于IEC 61850的建模方法,具有重要参考意义。

随着智能变电站的推广应用,工程调试和维护复杂的问题日益突出[7]。变电站主要设备是一次设备,它组成了输送和分配电能的功能实体。然而,在系统集成时,国内过于重视IED的一致性测试,忽略了系统规格建模,导致变电站配置文件(SCD)普遍缺少一次设备描述,模型描述不完备。2011年完成了国家电网公司智能变电站和主站共享建模科技项目的研究,在SCD基础上,补充一次设备模型定义,建立一次设备与二次设备逻辑节点之间的关联关系,通过共享建模技术,将变电站配置模型转换成公共信息模型(CIM),同时生成图形和通信配置信息,直接应用于主站系统,基本满足源端维护要求[8,9]。

IEC 61850对二次设备产生了很大影响,但给一次设备带来的变化却较小,因此,虽然变电站内部通信发生了巨大变化,但功能需求相对不变。IEC 61850 与传统规约不同,它不仅定义了数据,还定义了与数据密切相关的服务。变电站自动化系统若能直接采用统一配置模型生成数据库,保持数据和服务的完整性,无需人工映射,将大大简化工程的调试和维护。随着IEC 61850模型不断扩充更新,这种需求尤为迫切[10]。但是,国内变电站自动化系统集成厂家为了兼容常规变电站,一般在IEC 60870-5-103 的基础上,扩充IEC 61850数据库模型定义。因此,各厂家的数据库模型结构是私有的,通常采用映射方式建立标准配置模型与私有数据库模型之间的映射关系,不仅工程调试复杂,同时难以保证信息的完整性。

本文提出了基于IEC 61850通用数据类的数据库信息模型的设计方法,旨在解决站控层设备模型维护复杂、信息不完整的问题,实现标准模型的复用和自动导入、导出。

1 设计方法

在软件工程中,“开闭原则”是一项最基本的原则,即“对扩展开放,对修改关闭”,这也是软件复用的基础。本文严格遵循这一原则,设计了通用的数据库建模方法,信息模型采用IEC 61850定义的通用数据类(CDC),设备模型采用IEC 61970-301定义的CIM,在信息模型与设备模型之间建立关联关系。数据库信息模型由SCD模型文件自动生成,设备模型由CIM自动生成,其中CIM通过共享建模技术由SCD转换生成[9]。基于CDC的变电站数据库建模流程如图1所示。

1.1 通用数据类

IEC 61850定义了包含逻辑设备(LD)、逻辑节点、数据对象(DO)、数据属性(DA)的层次化对象模型。IEC 61850-7-3定义了38个CDC类,国内扩充定义了1个CDC类(STG,字符串定值),总计39个CDC类。CDC类包含的数据属性,其类型包括基本数据类型、简单的复合数据类型,以及嵌套的CDC类。CDC类的数据属性既有强制性的,也有可选的。数据属性的名称及其数据类型必须符合IEC 61850定义,否则须在数据类型模板中扩充定义。

1.2 信息模型结构

为了实现通用数据库设计,本文定义了4类数据库表,分别是模型类、模板类、数据类和通信类。其中,模型类17个表、模板类8个表、数据类41个表、通信类1个表,总计67个表。信息模型的关系型数据库结构如图2所示。

模型类定义了IED的模型结构,包括智能电子设备表(IED)、访问点表(ACC_POINT)、逻辑设备表(LG_DEV)、逻辑节点表(LG_NODE)、数据对象表(DAT_OBJ)、数据集表(DATSET)、功能约束数据属性表(FC_DA)、功能约束控制块表(FC_CB)、报告控制块表(RPT_CB)、日志控制块表(LOG_CB)、事件控制块表(GSE_CB)、采样值控制块表(SMV_CB)、定值区控制块表(SG_CB)、外部引用表(EXT_REF)、静态目录表(STATIC_DIR)、动态目录表(RUNTIME_DIR)、基本数据属性索引表(BDA_INDEX)、量测索引表(MEAS_INDEX)。其中,静态目录表的记录通过SCD文件自动生成,动态目录表的记录则在运行时通过服务动态创建,基本数据属性索引表和量测索引表用于数据检索。基本数据属性索引表包含自身的引用(ref),还有检索关键字域,即所属IED(ied_id)、所属LD(ld_id)、所属LN(ln_id)、所属数据对象(do_id)、所属CDC对象(cdc_id),分别与IED,LG_DEV,LG_NODE,DAT_OBJ,CDC对象表建立关联关系。量测索引表包含自身的引用(ref),所属IED(ied_id)和量测ID(meas_id),分别与智能电子设备表和数据采集与监控(SCADA)应用的参数类表建立关联关系。这里的参数类表是指遥信、遥测、保护信号等表,是SCADA应用的一部分。

模板类定义了数据类型的模型结构,包括逻辑节点类型表(LN_TYPE)、数据对象类型表(DO_TYPE)、数据属性类型表(DA_TYPE)、数据对象定义表(DO_DEF)、嵌套数据对象定义表(SDO_DEF)、数据属性定义表(DA_DEF)、基本数据属性定义表(BDA_DEF)。

数据类是通用数据库的核心,变电站IED的实例化数据展开后生成CDC类对象,存储在相应的CDC表记录中。数据类包括单点状态表(CDC_SPS)、双点状态表(CDC_DPS)、整数状态表(CDC_INS)、枚举状态表(CDC_ENS)、保护启动信息表(CDC_ACT)、方向保护启动信息表(CDC_ACD)、安全违规计数表(CDC_SEC)、二进制计数器读数表(CDC_BCR)、直方图表(CDC_HST)、测量值表(CDC_MV)、复合测量值表(CDC_CMV)、采样值表(CDC_SAV)、分相测量值表(CDC_WYE)、相间测量值表(CDC_DEL)、序列表(CDC_SEQ)、谐波值表(CDC_HMV)、分相谐波值表(CDC_HWYE)、相间谐波值表(CDC_HDEL)、单点控制表(CDC_SPC)、双点控制表(CDC_DPC)、整数控制表(CDC_INC)、枚举控制表(CDC_ENC)、二进制步进位置控制表(CDC_BSC)、整数步进位置控制表(CDC_ISC)、模拟过程量控制表(CDC_APC)、二进制模拟过程值控制表(CDC_BAC)、单点定值表(CDC_SPG)、整数定值表(CDC_ING)、枚举定值表(CDC_ENG)、对象引用定值表(CDC_ORG)、时间定值表(CDC_TSG)、货币定值表(CDC_CUG)、模拟定值表(CDC_ASG)、曲线定值表(CDC_CURVE)、曲线形状定值表(CDC_CSG)、设备铭牌表(CDC_DPL)、逻辑节点铭牌表(CDC_LPL)、曲线形状描述表(CDC_CSD)、整数阵列表(CDC_INT_ARRAY)、点阵列表(CDC_POINT_ARRAY)、方块阵列表(CDC_CELL_ARRAY)、字符串定值表(CDC_STG)。数据类表都有通用的数据属性,包括ID号(id)、英文名(code)、中文名(name)、所属IED(ied_id)、所属LD(ld_id)、所属LN(ln_id)、所属DO(do_id)、引用(ref),可定义数据实例的描述、外键和索引。此外,还定义了层次化描述数据属性,包括装置名(ied_name)、逻辑设备实例名(ld_name)、前缀(prefix)、逻辑节点类(ln_class)、逻辑节点实例名(ln_inst)、逻辑节点名(ln_name)、数据对象名(do_name),方便查询。这样,每个CDC类实例数据在数据库记录中的描述都整齐、规范。

以上数据库表的设计,除了静态目录表、动态目录表、基本数据属性索引表、量测索引表提供检索查询外,其他表域的名称和数据类型严格参照IEC 61850-6 和IEC 61850-7-3定义,根据IED、逻辑设备、逻辑节点、数据对象的层次关系,通过表中的ID号域(ied_id,ld_id,ln_id,do_id)定义各表之间的关联关系(如图2虚线所示)。此外,模板类的逻辑节点类型、数据对象类型、数据属性类型及其定义,与逻辑节点、数据对象、数据属性实例数据通过类型名建立关联关系。数据库信息模型能够直接由SCD配置文件生成,实例数据可通过字符串格式的引用检索,数据库信息模型也能直接导出生成SCD配置文件,无论是编程,还是工程调试和升级维护,都可以简化。

由于IEC 61850仅发布了MMS通信服务映射方式,因此通信类目前定义了1个表,该表为MMS规约表(IEC 61850_MMS_INFO),其数据属性包括装置描述、通信地址、订阅参数、非缓冲报告控制块(URCB)实例、缓冲报告控制块(BRCB)实例等。若IEC 61850发布新的通信服务映射方式,如IEC 61850-8-2 Web服务映射,可参照此表,增加其他的数据属性,定义IEC 61850_WEBSERVICES_INFO表。

1.3 复合数据的描述方法

复合数据包含于CDC类中,构成实例化对象的嵌套数据对象(SDO)、DA、基本数据属性(BDA),其中DA和BDA属于简单的复合数据,SDO是嵌套的DO,也是某个CDC类的一个实例。为了方便建库,需将CDC类实例中的DA和BDA展开成基本数据类型,嵌套的SDO则以INT64类型的索引值保存,其实际数据作为一条新记录存储,通过do_id 建立与其父DO的关联关系。为了便于访问数据,本文采用对象引用的检索方式,封装了表域名与IEC 61850数据名之间的映射关系,保留功能约束。CDC表的记录数据包括3个部分:索引、命名描述以及IEC 61850数据。索引部分用于检索数据,描述部分用于提取数据对象的引用,IEC 61850数据用于实际存储。根据IEC 61850的定义,数据对象引用可以描述为ld_name/ln_name.do_name,其中do_name采取了必要的数据冗余,可通过其余3项组合而成,即$prefix$ln_class$ln_inst,其中$表示取字符串值。每条数据对象记录中,字符串格式的引用是关键词。

1.4 数据库访问接口

根据上文定义的表结构,可设计C++类,用以封装表中的域数据和对象访问接口。这些接口包括记录的增加、删除、修改、查询,以及关联设备的查询等。通过封装类和主键值,可以实现数据库表记录和内存对象数据之间的双向访问。

数据库访问接口的UML类图见图3。

下面以CDC对象的访问为例,介绍接口调用方法。对应每个CDC类,本文封装了一个类,它们派生于cdc_base 基类。cdc_base类派生于dbo_adapter数据库对象接口类,其中封装了CDC对象数据的读写接口。table_operate类封装了数据库与对象之间的访问接口。实际编程时,先定义一个table_operate对象,并设定特定的数据库接口,例如SQLite3、达梦、Oracle等,然后添加需要操作的CDC对象,最后调用read,write,modify,delete通用接口执行数据库操作。以上对象检索方式都基于字符串格式的引用,非常直观、方便。

为了支持多种数据库平台,可开放底层接口封装在基础接口类中。若需增加新的数据库接口,可从接口类派生子类,实现其中虚拟的接口函数。打开数据库时,需要加载具体的访问接口,才能对特定的数据库进行操作。

为了方便访问,本文定义的接口接受字符串格式的对象引用参数,查询并获取对象数据。例如,某开关位置信号为P5021ACTRL/Q0CSWI1.Pos.stVal,调用接口函数,首先解析对应DO的引用,即P5021ACTRL/Q0XCBR1.Pos,然后从DAT_OBJ表中检索对象INT64类型的索引值,从该索引值中可以解析DO的类型,即可知道表名(CDC_DPS)和记录索引。通过上面的对象访问接口,可以生成对象实例,提供应用程序操作。以上过程封装在一个接口函数中。

除此之外,在以上接口的基础上,还设计了通过数据对象引用查询关联SCADA应用模型的信号和设备,通过设备查询关联信息模型中的逻辑节点等访问接口,方便上行和下行通信数据的检索。

2 数据库的自动生成方法

以上建立的数据库可通过编程实现由SCD文件直接生成数据库表记录。自动生成的表包括:设备模型表、信息模型表、SCADA模型表、前置模型表。本文只讨论信息模型表的自动生成方法,设备模型和应用模型只做简单描述。

设备模型采用IEC 61970模型,一是因为IEC 61850 一次设备模型的定义没有IEC 61970完善,二是为了适应调度和变电环节技术融合的发展趋势。文献[9]提供了SCD模型文件生成CIM模型文件的方法。一次设备模型通过LNode与二次设备模型(信息模型)建立关联关系。

SCADA模型和前置模型属于应用模型。SCADA模型自动创建的记录主要包括遥信、遥测、遥控等信号表,可以通过读取SCD文件中的数据集,解析相关内容自动生成。前置模型自动创建的记录主要是IEC 61850_MMS_INFO通信表记录的创建,可以通过解析IED的通信参数、报告控制块等参数生成。

实际生成数据库时,先建立设备模型,然后建立信息模型,最后建立SCADA模型和前置模型等应用模型。生成信息模型时,先生成模板类数据库表,然后生成模型类部分数据库表,最后生成数据类数据库表和数据对象相关的模型类数据库表。

信息模型中模板类表的自动生成较为直接,但因其嵌套复杂,又要为后续实例化的生成提供模板类型检索,因而处理较为复杂,需要创建模板类型映射。模型类的IED,LG_DEV,LG_NODE,RPT_CB,DATSET,FC_DA等数据对象以外的表可通过解析SCD相关内容直接生成。生成DATSET表时,需要同时在MEAS_INDEX中创建记录,以便检索信号。

数据类数据库表的生成需要建立复杂的关联和嵌套关系。编程时,需要通过使用的逻辑节点类型模板,查询数据对象定义;通过数据对象类型模板,查询数据属性定义;通过数据属性类型,查询基本数据属性定义。如此嵌套反复,才能自动生成CDC类数据对象记录。生成数据对象的同时,需要建立数据对象的索引,即在DAT_OBJ和BDA_INDEX中增加记录。

上述过程完成后,需要建立信息模型与SCADA应用模型之间的关联关系。例如,若SCD文件中的设备配置了关联的LNode,则先获取SCADA应用模型的设备ID,将其写入逻辑节点表记录中的dev_id域,便可在数据库中建立逻辑节点与SCADA设备表的关联关系。所有FC_DA表中的记录,都是报告数据集中的数据,也是SCADA要采集的信号。须生成SCADA遥信、遥测等表记录,并将其记录索引值写入MEAS_INDEX表的meas_id域,建立关联关系,以便检索信号。

3 技术验证

为了验证国家电网公司组织开发的新一代智能电网调度技术支持系统基础平台(以下简称“调度平台”)可以应用于变电站自动化系统,项目组承担了调度变电一体化监控系统软件的前期研发工作。在调度平台上开发了信息模型访问接口和MMS通信进程mms_client,搭建了变电站监控系统软件测试环境,完成了通用数据库信息模型的验证工作。测试环境包括系统配置工具、D-5000平台主机和测控装置。首先采用系统配置工具绘制变电站主接线图,输出变电站SCD统一配置模型,转换生成变电站电网模型文件(CIM/E)模型,导出电网图形文件(CIM/G)。通过模型导入工具,导入CIM/E,生成D-5000调度变电一体化平台的设备模型;通过本文实现的信息模型导入工具,导入SCD模型,生成D-5000调度变电一体化平台的信息模型;通过图形导入工具,导入CIM/G,生成主接线图。mms_client进程打开IEC 61850_MMS_INFO表,读取全部记录,解析IED通信地址和报告控制块等参数,自动订阅装置报告。在装置上模拟产生数据变化,mms_client解析报告后通过MEAS_INDEX表检索关联的设备,通过消息总线发送变化数据给SCADA应用,SCADA分析处理后刷新实时库,并在界面上显示最后变化的数据。整个流程以往至少需要1周的调试时间,采用本文的建库方法后1 h即可完成。

上述测试系统基于D-5000平台的实时数据库,本文编写了1.4节中所述的IEC 61850信息模型的访问接口。另外,为了验证不同的数据库平台,同时开发了SQLite3嵌入式数据库访问接口,完成了以上信息模型的测试。实验表明,本文所述的数据库信息模型通用性强、接口开放、对象查询方便,可显著提高工作效率。

4 结语

本文设计并实现了基于IEC 61850通用数据类的数据库信息模型及其接口的实现方法,提出了信息模型、设备模型、应用模型3层架构,主要优点如下。

1) 信息模型遵循IEC 61850,设备模型遵循IEC 61970,实现了标准模型的复用,且信息最为完整。

2) 能够直接由SCD配置文件自动生成数据库,也可以由数据库自动生成SCD配置文件,与具体变电站模型无关,明显减少了工程调试周期和维护成本。

3) 建立了基于通用数据类的数据库信息模型,设计了基于字符串格式的数据对象引用的检索方式,提供开放的访问接口,适用于不同的数据库平台。

参考文献

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[3]IEC61850-7-3Communication networks and systems in substations:Part7-3basic communication structure for substation and feeder equipment—common data classes.2004.

[4]IEC61850-7-4Communication networks and systems in substations:Part7-4basic communication structure for substation and feeder equipment—compatible logical node classes and data classes.2004.

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[8]陈爱林,乐全明,冯军,等.代理服务器在智能变电站和调度主站无缝通信中的应用[J].电力系统自动化,2010,34(20):99-102.CHEN Ailin,YUE Quanming,FENG Jun,et al.Application of IEC61850proxy server in seamless communication between smart substation and control center[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(20):99-102.

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IEC61850模型 第5篇

智能变电站是在数字化变电站基础上的进一步发展, 以一次设备数字化、数据传输网络化和信息共享标准化为基本要求, 充分利用了网络环境下的信息共享, 支持智能告警、故障信息综合分析决策、站域保护和控制等高级应用功能[1,2], 全面提升了变电站自动化系统的技术水平, 受到工业界和学术界的广泛关注。

实时、可靠的通信网络将成为智能变电站的重要组成部分, 是各种二次设备数据传输和信息交互的桥梁[3]。交换机作为智能变电站通信网络的核心元件, 承担着数据汇集和交换的任务, 其性能异常往往引起报文传输延迟增大或报文丢失, 影响保护、测控和稳控等设备的正常工作。此外, 随着IEEE 1588标准精确时钟技术的成熟与应用, 交换机还作为时钟同步系统中的透明时钟 (TC) 或边界时钟 (BC) , 测量和修正时钟同步报文在交换机内的驻留时间以及通信链路延迟 (BC仅测量通信链路延迟) , 是实现高精度时钟同步的重要保障[4,5]。因此, 交换机在智能变电站中将发挥数据交换和时钟同步的双重作用, 其重要性日益突出。

然而, 目前交换机存在参数管理方式不统一、运行状态无法监视等问题, 给智能变电站的安全运行带来了较为严重的隐患。例如, 交换机中某些参数的设置, 决定了交换机的数据转发方式, 关系到采样值、跳闸命令等关键信息的发送和接收, 与继电保护的定值具有同等重要程度。但不同厂家对上述参数的命名和描述不一致, 配置工具互不兼容, 给交换机的参数配置和管理带来了一定的困难。为此, 国内外提出了将交换机智能电子设备 (IED) 化的解决思路, 将交换机作为独立的变电站二次设备进行性能监视、配置及管理[6]。建立基于IEC 61850标准的交换机信息模型, 统一描述状态信息和配置信息, 是实现交换机IED化的重要前提, 但目前尚未见关于交换机信息模型的文献报道。本文在分析智能变电站中交换机IED功能的基础上, 提出了基于IEC 61850的智能变电站交换机IED信息模型。

1 交换机统一信息模型的作用

建立符合IEC 61850标准的交换机IED信息模型, 对能够表征网络运行状态的参数和可配置参数进行统一表达, 一方面可以利用报告等方式将网络故障、告警等信息及时发送给运行人员, 另一方面可以借鉴继电保护定值的管理方法对交换机的可配置参数进行管理, 保证交换机及通信系统的正常工作, 因而具有重要意义。交换机统一信息模型在网络监视和参数管理中的作用如图1所示。

交换机统一信息模型也有助于交换机的标准化、自动化配置。现阶段, 交换机的各项配置工作需要在系统集成阶段人工完成, 无法自动完成[6], 给交换机设备的检修和维护带来了不便。然而, 在交换机统一信息模型的基础上, 可以对模型进行描述, 形成交换机的各种配置文件, 如IED能力描述 (ICD) 文件、配置IED描述 (CID) 文件、系统规范文件 (SSD) 和变电站系统配置文件 (SCD) 等, 将交换机的配置纳入变电站系统和设备的统一配置流程中, 如图2所示。这为实现交换机设备的标准化、自动化配置提供了技术条件。

2 智能变电站中交换机的主要功能

在未来的智能变电站中, 交换机既作为网络元件, 实现不同IED之间的数据传输和信息交互, 又作为TC或BC, 保障主从时钟之间的高精度时钟同步。此外, 交换机的IED化还意味着交换机与保护IED、测控IED等类似, 支持运行状态监视、参数管理和异常告警等功能。下文将主要阐述交换机在数据交换和时钟同步这2个方面的功能。

2.1 数据交换功能

交换机是整个变电站通信网络的核心元件, 要保证各种数据的实时和可靠传输。交换机可能同时传输采样值 (SV) 、通用面向对象变电站事件 (GOOSE) 、制造报文规范 (MMS) 和时钟同步等多种信息, 各种信息的重要程度和信息传输延迟要求各不相同, 需要为不同的信息提供不同的服务, 并且保证各类信息的服务质量 (QoS) , 应支持IEEE 802.1p标准协议[7]。冗余是提高网络可靠性的主要方式。为避免形成逻辑环网, 交换机应遵循生成树协议 (STP) 、快速生成树协议 (RSTP) 等对冗余网络拓扑进行管理。通过根网桥标识、端口状态设置和备用链路阻塞等措施保证任意2个节点之间存在唯一的信息传输途径, 并在故障时启用备用链路或端口, 保证网络的连通性和可靠性[8,9]。

此外, 交换机在数据交换方面还应具有以太网/IP报文多播[10,11]、支持虚拟局域网[12]、端口镜像、广播风暴抑制、链路聚合、以太网统计、自检和异常告警、网络管理[13]和信息安全防护[14]等功能。

2.2 时钟同步功能

从时钟同步的角度来看, 交换机一般作为时钟同步系统中的TC或BC。若作为BC, 将形成多层“主从”级联的时钟同步体系, 时钟信息的层层转发导致累积误差较大, 相隔越远的时钟同步精度越低。而作为TC可避免形成“主从”级联的时钟同步体系, 从而克服BC的缺点。因此, 在智能变电站中应采用TC。

根据测量原理的不同, TC可分为端到端 (E2E) TC和对等 (P2P) TC。以P2PTC为例介绍交换机在时钟同步方面的功能。主从时钟之间传输路径的延迟由交换机内的驻留延迟和通信链路延迟2部分组成。若交换机为P2P TC, 应在Sync和Delay_Req报文进入和离开交换机时加盖硬件时标 (图3中用圆点表示) , 测量并修正报文在交换机内的驻留时间。此外, 交换机还应与相邻的交换机、主时钟或从时钟通过交互Pdelay_Req, Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up等报文, 对整个通信链路延迟进行分段测量和修正。其中, Pdelay_Req和Pdelay_Resp进入或离开交换机时应加盖硬件时标。

3 交换机IED的信息模型

3.1 建模方法

IEC 61850标准采用了面向对象的建模方法, 将IED的功能进行分解, 再对各个子功能 (如距离保护、差动保护) 中需要与其他IED进行交互的信息进行抽象表达。IEC 61850标准的分层信息模型由物理设备 (PHD) 、逻辑设备 (LD) 、逻辑节点 (LN) 、数据对象 (DO) 和数据属性 (DA) 组成。

本文将整个交换机IED视为一个PHD。在LD建模方面, 目前一般按照功能将PHD划分为多个LD, 文献[15]定义了7种LD:公共LD、测量LD、保护LD、控制及开入LD、录波LD、过程层访问点LD和智能终端LD。本文也采用按照功能划分的方法, 在文献[15]的基础上新增2类LD:数据交换LD和时钟同步LD。

LN表示与其他IED进行信息交互的最小功能单元, 是整个模型体系的核心部分。本文主要以不同的网络协议为对象, 建立交换机IED监视信息和配置信息的LN类模型。LN类的建模采用了以下5种方法。

1) 对于仅描述交换机整体的信息, 可通过简单的划分形成相应的LN, 如交换机的基本参数和交换机自检、告警信息。

2) 若网络协议主要描述交换机端口的逻辑组合方式, 如虚拟局域网 (VLAN) 、端口镜像等, 则应根据不同的功能建立LN类, 并为每1个端口组合创建1个LN实例。

3) 若网络协议同时涉及交换机全局参数和交换机端口的逻辑组合方式, 应设立2个LN类分别进行描述, 如多播组动态配置协议。

4) 若网络协议同时涉及交换机全局参数和交换机各端口的参数, 则应设立2个LN类分别进行描述。例如, 对于IEEE 1588标准时钟同步协议, 应建立2个LN类对交换机的本地时钟和交换机端口分别进行描述。

5) 对于仅描述交换机各个端口的信息, 应为每个端口创建1个LN实例, 例如广播风暴抑制。

由于上述LN类所描述信息均与通信网络相关, 其名称可用“N”表示 (N:通信网络) , LN类扩展原则和命名方法符合IEC 61850标准和国内相关要求[16,17]。

本文初步建立了基于IEC 61850标准的交换机IED信息模型, 如图4所示。该模型共包含3个LD:公共LD、数据交换LD和时钟同步LD。下文将分别对上述3个LD及其LN类模型进行阐述。限于篇幅, 文中只列出了LD和LN的名称, LN及其DO的详细模型见附录A。

3.2 公共LD模型

公共LD用于描述交换机自身的相关信息以及与交换机中多个功能相关的公共信息。公共LD所包含的扩展LN类如表1所示。其中, 物理装置信息 (LPHD) 和逻辑节点0 (LLN0) 分别描述PHD和LD的公共信息, 是LD的必要组成部分。

以交换机GGIO为例对扩展LN类进行说明, 如表2所示。M/O/C分别表明该DO为必选、可选和依条件存在。

注:SPS为单点状态公用数据类。

根据前文所述建模方法1, GGIO是在原IEC 61850-7-4标准LN类基础上的扩展, 原GGIO中包含的DO仍应保留。表2中只列出了新增的DO, 交换机的各种GGIO利用带后缀的Ind进行描述。

3.3 数据交换LD模型

数据交换LD主要描述交换机与数据交换相关的监视信息和配置信息, 所包含的LN类如表3所示。

VLAN、端口镜像和链路聚合采用建模方法2建立LN类, 而多播过滤采用建模方法3进行建模, 并根据支持协议的不同, 划分为3个LN类。由于上述的LN类所描述的信息均为一组端口的集合, 本文定义集合型公共数据类SET用于描述此类端口组合信息, 如表4所示。其中, Num为该端口组合的成员数, Mem[i]为各成员端口号。此外, 应用建模方法4和5, 可建立对交换机优先级、生成树和广播风暴抑制等信息进行描述的LN类。

3.4 时钟同步LD模型

时钟同步LD主要描述交换机与时钟同步功能相关监视信息和配置信息。由于IEEE 1588标准的相关信息涉及交换机的本地时钟和各个交换机端口, 因此需建立2个LN类分别进行描述。例如, 交换机作为TC时, 用NTCL和NTCP分别描述TC的本地时钟和TC的端口。实际应用中, 对每个交换机端口创建1个实例。类似地, 交换机作为BC时, 宜采用NBCL和NBCP进行建模。时钟同步LD包含的LN类如表5所示。

3.5 模型的进一步完善

本文所提出的模型可作为交换机信息模型的通用模板, 交换机信息建模时可直接从该模型中继承, 因而能满足各种交换机的建模要求。若交换机有新功能或协议, 可根据IEC 61850标准和国内有关规范中的扩展方法, 自定义新功能和新协议部分。

测试中对所建模型的正确性进行了验证, 运行参数能够通过GOOSE、报告等服务正确反映交换机的运行状态, 通过定值组控制块 (SGCB) 服务可以完成交换机参数的配置。但是, 该模型仍需要在以下几个方面完善。

1) 智能变电站中的交换机还应具备哪些功能, 支持哪些协议是进一步完善交换机信息模型的前提, 但目前国内外还没有对交换机的功能进行统一规范。

2) 为实现交换机与监控系统基于IEC 61850标准的通信, 还应当建立面向IEC 61850标准的报告、控制、日志和定值管理等多种服务的不同数据集。其中, 交换机定值数据集最为重要, 应包括VLAN、多播过滤、优先级和STP等协议的关键参数, 与继电保护定值一同进行管理。

3) IEC 61850-6标准定义了规范化的配置描述语言 (SCL) , 可对变电站的一次设备、二次设备和通信系统的模型进行描述, 但目前还缺乏对交换机IED的有效描述, 对变电站通信系统的描述还不够充分。建议在SCD的IED部分增加对交换机信息模型的描述, 并在COMMUNICATION部分对含交换机的通信网络进行完整的描述, 包括网络的物理拓扑结构、多播地址和端口组合方式等。

4) 本文所建模型还应包含基于IEC 62351标准的网络安全协议、简单网络管理、简单网络时间协议 (SNTP) 、基于IEC 62439标准的信息模型等。本文的后续研究工作将围绕上述内容开展。

4 结语

随着智能变电站技术的进一步成熟与发展, 交换机将发挥数据交换和时钟同步的双重作用, 其重要性更为突出。交换机某些参数的设置决定了交换机对报文的处理方式, 关系到采样值和跳闸命令等重要信息的发送和接收, 应与继电保护定值具备等同的重要程度。本文建立了基于IEC 61850标准的交换机IED信息模型, 可实现对交换机的运行状态监视和参数统一管理, 对于保障智能变电站的安全运行具有重要意义。

摘要：分析了智能变电站中交换机在数据交换和时钟同步方面的功能, 建立了基于IEC 61850标准的交换机智能电子设备 (IED) 信息模型, 该模型由公共逻辑设备、数据交换逻辑设备和时钟同步逻辑设备组成。以不同的网络协议为对象, 提出了一组新的逻辑节点类模型以描述交换机的监视信息和各种网络协议的可配置参数。最后对模型的进一步完善进行了探讨。

IEC61850模型 第6篇

构建电力系统位置透明[1]、综合多来源信息进行策略决断的分布式应用以及各种复合性应用,如电网一、二次设备监控及管理系统都需要明确和一致的电力系统信息模型。信息模型根据其描述对象分为一次模型和二次模型。一次模型主要包括电网参数、一次设备及其参数、拓扑关系等;二次模型是二次设备信息模型,涵盖一、二次设备之间的关联信息。IEC TC 57公共信息模型(CIM)[2,3]和IEC 61850变电站配置描述语言(SCL)[4]中分别规定和描述了一、二次模型。

CIM包含IEC 61970和IEC 61968标准中的公共模型,侧重于电力系统模型在控制中心及企业级别的交换;SCL模型则对变电站内系统和设备涉及的模型给出详尽的描述。IEC 61850在一次设备定义方面与IEC 61970部分有较好的对应关系,但更侧重于通信系统的描述。CIM与SCL的建模方式和模型内容都有差别,因此不能直接作为一个集成模型使用,实际应用时可以针对特定系统需求对2个模型协调考虑[5],或者在映射的基础上集成构建统一公共信息模型(UCIM)[6]。本文提出了一套CIM和SCL数据到UCIM的映射处理规则定义,简述了基于UCIM构建全电网模型的方法,为解决CIM和SCL的整合应用奠定了基础。

1 构建UCIM

以CIM和SCL模型为基础构建UCIM的步骤如下(见图1):

1)基础信息模型形成。以IEC TC 57 CIM11(2008年IEC 61970-301第2版的参考信息模型)为基础,作必要调整。

2)融合SCL模型到基础信息模型:①参考IEC 61850 SCL模型层次调整CIM的层次体系;②相同或类似的类型描述采用CIM类型;③补充IEC 61850中存在而CIM缺少的类型、属性和关联。

3)增加应用系统需要但信息模型中不包含的内容,包括缺失的属性取值枚举、缺失的属性定义及关联定义和缺失的类型。

基于上述原则构建的UCIM作为信息模型合集,与CIM和SCL模型的映射关系是明确、可描述的。因此,基于UCIM的模型与基于CIM或SCL的模型可以方便地转换。

1.1 基础信息模型形成

1.1.1 继承层次根

基础信息模型形成是指在CIM基础上确立UCIM的整体类体系框架。在单根模式的类体系框架中,越靠近继承体系根的元素对体系的影响越大,因此在UCIM形成时首先确定继承根。

CIM11和SCL有共同使用的根类BaseElement(SCL中类型名为tBaseElement),采用BaseElement类作为UCIM类层次体系的根。CIM11中与BaseElement关联的Text和Private没有定义属性,在UCIM中增加。

CIM11用IdentifiedObject替代了CIM10中的Naming类,IdentifiedObject类中的属性增加到6个(数据类型都是String),分别是:name,aliasName,localName,pathname,description,mRID;SCL模型中有部分类继承自tBaseElement,还有部分类继承自tUnNaming,tNaming类。因此,在UCIM中,将Naming和UnNaming类作为IdentifiedObject和BaseElement的中间层次类定义出来,原属于IdentifiedObject类的6个属性分配到层次中相应类。

1.1.2 类继承层次调整

CIM11中,使用多重继承在原有体系中引入了部分IEC 61850中的类,目的是处理对LNode等类的包容关系。为消除多重继承在软件设计及实现方面的负面作用,UCIM调整原有继承链,在保证语义不变的情况下将多重继承调整为单根继承方式。

图2是将多重继承调整成单根继承后一个较为完整的包含变电站设备包容关系的类图。

继承层次调整中被调整类的原有关联保持不变,对CIM11的改变主要是LNodeContainer类、SubEquipmentContainer类和FunctionContainer类增加了继承层次。因此,调整过的模型完全兼容(超出了)原有模型,这种兼容性保证了原有模型与调整后模型可无损地进行双向转换。

类层次体系根的确定和层次调整涉及的修改可概括为:①确认BaseElement是继承主根;②命名体系上显式定义UnNaming和Naming,与IdentifiedObject一起构成良好的命名层次;③在PowerSystemResource与IdentifiedObject之间加入LNodeContainer;④在ConductingEquipment与Equipment之间加入SubEquipmentContainer;⑤在Substation与EquipmentContainer之间加入FunctionContainer。CIM11完成这些调整形成UCIM基础信息模型。

1.2 合并SCL模型到UCIM

SCL模型合并到UCIM以SCL整体描述(SCL.xsd)为起点,分别处理变电站部分(SCL_Substation.xsd)、智能电子设备部分(SCL_IED.xsd)、通信部分(SCL_Communication.xsd)和数据类型模板部分(SCL_DataTypeTemplate.xsd),其中智能电子设备、通信和数据类型模板部分建立相应的包。

XML Schema(xsd文件)模式描述具有明确的面向对象语义,因此SCL模型到UCIM的UML表述映射主要包括:ComplexType映射到类;类型中指定的extension为指定元素的亲类(继承类);attribute和attributeGroup中的内容映射为类的属性;Element的层次化嵌套关系映射为类之间的聚合或简单关联。

转换到UCIM中的类和属性采用SCL中的对应命名和数据类型,关联的多重性根据SCL中多重性确定,角色名以对端类名配合多重性确定。SCL中类型间关系描述为单向关联,在UCIM中全部采用双向关联表示。

1.3 根据应用扩展UCIM

即使将SCL模型整合到UCIM,具体应用中仍然有需要补充的类型。如在生产管理系统中需要补充部分常用的导电设备子类型,包括Bushing、Arrester、WaveTrapper等,按照IEC 61970-301中对扩展CIM的指导意见,在模型中增加相应类型。

随着应用的增加,对UCIM中缺失的、在处理中需要使用的性质(属性和关联)、特化类型等,可以逐步添加到UCIM。

2 SCL,CIM与UCIM的映射

在建立UCIM1之后,需定义规则实现基于SCL,CIM的模型到基于UCIM的模型之间的转换。

2.1 SCL模型到UCIM的映射

SCL模型是一个层次化的树形结构,可从树根开始逐级遍历整个模型,映射规则只需给出SCL文件中每个元素如何映射到统一模型类,以及类对象间关联的建立方式。SCL模型的层次化结构由模式文件(SCL.xsd及其引用的其他xsd文件)定义,这些模式文件应视为SCL模型到统一模型映射规则的一部分。

SCL到UCIM的映射描述由图3所示内容构成。

根据上述映射内容建立每个SCL类到UCIM类的映射,形成SCL模型到UCIM的映射规则。

2.1.1 关联处理

在对象层级/关联的处理上,采用上级关联、下级关联相结合的处理方式。如果某类对象层次结构上级类对象只有1种,则采用对象到层次结构上级的关联;如果多于1种到上级类的关联,可采用到上级对象的关联,也可在上级对象处描述关联。同一个关联或者在上级对象处描述,或者在下级对象处描述,但只能描述1次。

2.1.2 对象URI构成方式

UCIM对象需要使用确定的通用资源标识符(URI)标识每个对象。从SCL模型到UCIM转换时考虑的是用已有的变电站模型建立整个电网模型。变电站名字信息能够提供一定范围内的唯一性,在变电站名字基础上形成的层级对象路径名也因此具有唯一性,因而路径名可直接用做部分对象的URI。实际转换时,根据对象类型的不同分别使用路径名、类型结合对象序列号、通用唯一识别码(UUID)等多种不同形式。最理想的情况是能够根据对象的特征值确定对象编码,但这需要一个集中式的编码管理中心的支持。

2.2 CIM到UCIM的映射

CIM是UCIM的子集,基于CIM的模型到UCIM 的映射采用的描述与SCL模型到UCIM的方式类同。基于CIM的模型中各对象本身具有URI,映射规则中无须定义URI生成规则。

2.3 UCIM提取与UCIM到SCL模型的映射

基于UCIM生成SCL模型,是从网状模型转换成树形模型的过程,也是从全集模型提取子集模型的过程。UCIM中类之间的关联关系形成网状,选取一个树形层次结构作为对象提取路径,配合类映射规则,形成完整的UCIM到SCL模型的转换规则。

根据提取路径定义获得树状组织的部分UCIM,这部分模型中的类与SCL类型一一对应,再根据类映射规则将这些类的对象转换成SCL类型对象,即完成从UCIM提取信息转换成SCL模型。

2.3.1 信息提取树形结构的定义

信息提取树形结构包括对需要提取的UCIM对象的类型、属性性质以及关联性质的约束的描述。具体而言,信息提取树形结构规定信息提取的起始类或起始对象、定位到下级对象使用的关联、每类对象需要处理的属性和对象选择过滤条件等。

UCIM信息提取配置模型设计为信息提取模式和信息提取路径2个部分。信息提取模式是指某种类型的对象在被提取时需要处理的性质集合,是对提取内容类、性质范围的约束。提取模式主要有2个子节点:性质的包含序列和排除序列。信息提取路径也称为交换路径,由一组用于限定所要交换的对象范围的路径节点组成。存在3种类型的路径节点:类起始交换路径节点、对象起始交换路径节点,以及关联交换路径节点。每一个交换路径总是由一个类起始交换路径节点或对象起始交换路径节点起始,后跟一个或多个关联交换节点链。信息提取配置中可以使用IEC 61970-403[7]中规定的所有过滤条件定义。

2.3.2 类映射规则

从UCIM到SCL模型的类映射规则与从SCL模型到UCIM的类映射规则相似,是其反向映射。

2.4 UCIM提取与UCIM到CIM的映射

利用2.3.1节定义的提取模式和提取路径,可以完成从UCIM提取CIM。

3 UCIM的可用性及模型转换验证

通过建立基于UCIM的标准通用数据访问(GDA)[7]服务器并实现SCL模型及CIM与UCIM的无损转换,验证UCIM及相应的转换规则。验证环境整体构成如图4所示。

UCIM GDA Server是基于UCIM的GDA服务器,为各转换软件提供CIS GDA服务;SCL2UCIM 、UCIM2SCL、CIMXML导入、CIMXML导出分别是SCL模型到UCIM、UCIM到SCL模型、CIM到UCIM、UCIM到CIM转换所用软件;数据查看包括对GDA服务器中数据、SCL模型文件内容和CIM/XML文件内容的查看。利用数据查看软件对转换前后的模型内容进行一致性比对。

图4中验证步骤①、②为一组,验证SCL模型与UCIM的转换;步骤③、④为一组,验证CIM与UCIM的转换。SCL2UCIM和CIMXML导入软件分别使用SCL模型与UCIM映射规则、CIM与UCIM映射规则;UCIM2SCL和CIMXML导出软件需先定义信息提取树形结构再应用SCL模型与UCIM映射及CIM与UCIM映射规则。

验证使用的SCL模型文件为IEC 61850标准中附带的示例SCL模型文件、220 kV湖北沙湖变电站、500 kV武汉武东变电站及广东电网已投运的数字化变电站的实际SCL模型文件,CIMXML文件使用的是用于国内互操作[8]的Siemens 100母线模型。实际验证情况令人满意,SCL模型和CIM/XML模型在转换前后完全一致。为仿真模型合并的情形,在验证过程中修改变电站名称,使多次导入的模型在UCIM GDA Server中实现直接融合。

验证证明了CIM与SCL模型整合和UCIM与CIM、SCL模型之间映射规则的可行性和正确性。

4 基于UCIM的电网模型的形成与应用

UCIM的庞大与复杂决定了基于UCIM的电网模型应分步构建再合并完善。在构成电网全模型过程中,哪些局部模型先建立,哪些模型或属性、关联后写入应遵循模型构建规律,电网完整模型的构成过程是有“方向”的。从变电站模型到覆盖整个网络的能量管理系统(EMS)/配电管理系统(DMS)模型,再到生产维护等使用的全模型,逐级丰富,是理想的模型构建过程(见图5)。

在模型构建及应用过程中,UCIM使得数据冗余度降到了最低,不同系统间的映射也不再需要,结合企业范围内明确的对象编码体系及符合标准的组件接口规范,构建位置透明的应用不再有任何障碍。

5 结论

通过对UCIM构建的研究,得出以下结论:

1)随着国内数字化变电站技术的推广应用,控制中心的各类应用系统和变电站自动化系统之间的信息(模型)标准化交互协调问题会越发突出。本文阐述的CIM和SCL模型的整合及UCIM的构建可以解决此问题,并可作为一种策略及思路供IEC TC 57第19工作组参考。

2)基于UCIM的电网模型合并[9,10]将不限于CIM涵盖的范围,可同时协调处理SCL模型描述的部分;可在控制中心构建完整的一、二次模型,直接用于统一设计、生成电网系统全模型,为实现电力系统一、二次设备的统一监控和管理奠定了基础。

3)UCIM与CIM及SCL模型之间可以实现正确的转换及导入导出,为确保变电站自动化系统与控制中心各应用系统模型和数据的一致性、消除安全隐患、实现厂站及设备的即插即用提供了解决方案,实现了各应用系统之间的模型一致性和数据互操作性。

摘要：基于IECTC57公共信息模型(CIM)与IEC61850变电站配置描述语言(SCL)信息模型整合,构建涵盖从变电站过程级、间隔级和站级应用到控制中心应用的电力系统统一公共信息模型(UCIM)。研究SCL模型和CIM到UCIM的映射处理规则,以及在UCIM和映射规则的基础上构建电力系统模型及应用系统的方式,为实现电网一、二次设备的统一和关联性建模奠定了基础,可用于整合现有各种电力系统应用,开发位置透明的新一代电力系统应用。

关键词：变电站配置描述语言,公共信息模型,统一公共信息模型,模式映射规则

参考文献

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IEC61850模型 第7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)。

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