基于IEC61850标准的电力参数监控模型设计

曾昌国，乔正洪

(重庆三峡水利电力(集团)公司 a.供电公司;b.信息中心，重庆 404000)

IEC61850是变电站自动化的最新国际标准［1－4］，它不仅是传统意义上的通信协议，而且其实质是一种变电站自动化功能建模方法。由于它采用抽象的功能建模和分析方法，引入了许多相关学科领域的技术思想、概念与支撑工具，因此，该标准庞大而复杂，对变电站自动化系统设计的软硬件水平提出了更高的要求。要全面实现该标准有相当的技术难度，实施中也存在一系列需要深入研究解决的问题。为此，本文对基于IEC61850标准的电力参数监控模型设计进行探讨。

1 IEC61850标准的技术内涵

如图1所示［5］，该标准共分为10个部分，分别给出了一致性测试、通信服务、通信语义、通信实现与配置描述语言等5类规范。Part－10对系统和设备一致性测试的方法、等级和环境以及设备要求等作了规定，以验证系统和设备的一致性。对设备信息交互与过程作了约定:Part－7－2定义了规范各种功能服务的抽象通信服务接口ACSI;Partr－5对自动化功能提出了基本通信要求;Part－7－3定义了具备SAS/SCADA基本语义的公共数据类;Part－7－1/4定义了表征基本自动化功能的逻辑节点及兼容逻辑节点类，构成了设备之间交互信息的语义约定;Part－9－2定义了向基于IEC 8802－3的过程总线的映射;Part－9－1定义了向串行单向多路点对点传输网络的映射;Paer－8－1定义了向MMS的映射;Part－8－x/9－x定义了ACSI向具体的通信网络及协议映射的方法;Part－6定义了变电站配置描述语言SCL。由上述可知，IEC 61850不是一般意义下的通信协议，它蕴涵着全新的设计思想和方法。

2 功能服务、信息、通信网络与系统标准

智能电子设备IED间的信息交互借助通信方式实现，其目标是实现设备间的互操作，而实现互操作的最直接方法是制订统一的通信协议和报文传输格式。规范功能服务就是从变电站自动化功能入手，规范各类自动化功能服务，借助服务模型与功能语义约定实现互操作。必须指出的是，IEC61850不是自动化功能的标准，仅仅是一个自动化功能的服务标准，自动化功能的性能与内容由应用标准规定。SAS的功能是自由分布的，借助信息化手段，可将有关功能从不同实体中准确分离出来，结合通信服务模型构成信息模型。变电站内的信息直接在虚拟的信息模型之间进行交互，如图2所示。关于变电站通信网络与系统标准，IEC61850规定了与具体网纶无关的抽象通信服务接口，但是它没有规定通信的具体实现形式，这是与以往通信协议不同的。因此针对不同的通信网络和协议，可采取不同的通信映射方法，这不仅可以满足不同自动化功能对通信过程、通信性能和可靠性的不同要求，而且为标准的不断拓展预留了广阔的空间，以方便规范数据的通信途径［6］。

图1 IEC61850标准涵盖内容

图2 IED信息化的过程

3 IEC61850标准的技术特征

与以往的变电站通信标准相比，其突出的技术特征表现在以下5个方面:

3.1 变电站功能层划分

IEC61850按照SAS要求完成控制、监视与保护的任务，从逻辑上将变电站的功能划分为变电站层、间隔层和过程层，如图3所示。变电站层功能划分为过程相关功能与接口相关功能。前者功能借助逻辑接口8进行通信;后者是指变电站与工程师站、人机接口和远方控制中心的通信。逻辑接口9用于实现变电站层内部的数据交换;接口7与接口10用于实现与远方控制中心及工程师站的数据交换;接口1与接口6用于实现与间隔层间测控、保护的数据交换。

图3 变电站的功能分成与逻辑接口

3.2 基于IEC61850标准的信息模型

该标准将IED视为客户机/服务器运行方式，采用面向对象的建模方法。首先定义若干语义模型类;然后将IED的自动化功能和相关信息抽象分解，借助语义模型类的继承、重载或直接引用，生成特定的应用实例;最后将其实例按照“类”的层次化形式构成一个具有一致性和确定性的信息模型(即服务器)。信息模型的属性包含逻辑设备(logic device，LD)、逻辑节点、数据对象和数据属性4个层次，其中数据属性是模型中信息的最终承载者。信息模型实质上是对IED间信息交互内容和方式的约定，图4为实现互操作的层次化结构。

3.3 功能与通信解耦

数据交换由信息模型的功能服务实现。IEC61850定义的14类ACSI模型规范了信息模型的功能服务［7］。ACSI模型中的通信服务分为客户机/服务器模式与发布者/订阅者或对等交换模式2种，通信方法如图5所示。

图4 层次化的信息模型结构

图5 ASCI通信方法

ACSI规范信息模型的功能服务独立于具体网络，通信功能最终经过SCSM实现。ACSI向不同SCSM映射的过程，如图6所示。IEC61850标准采用ACSI和SCSM技术实现了功能与通信之间的解耦，可采用多种形式实现灵活的通信。

图6 ASCI向不同SCSM的映射

3.4 变电站配置语言

IEC61850标准基于可扩展标记语言XML定义了SCL语言以描述自动化设备的配置与功能信息，生成的是标准的XML文件。SCL配置文件包含变电站、IED和通信3个层次的对象模型。借助3个层次的对象模型，SCL配置文件可以准确和完整地描述SAS的全部信息。借助特定功能服务，IEC61850标准提供了在线获取设备信息的方法，如图7所示。

3.5 面向对象的数据自描述

IEC61850标准采用面向对象的数据自描述方法，接收方收到的数据都带有自我说明，它将面向对象的功能服务与数据自描述有机结合，实现了面向对象的数据自描述。

4 监控系统数据模型设计

4.1 建立实时应用平台

1)实时数据库环境。它是实时自动化系统的开放式软件平台，用于提供人机交互式管理工具和应用编程接口(API)，其优势在于采用了当前最流行的面向对象技术与独特的事件触发机制，数据库中的每一个点都包含了对象的属性(点的属性)及方法(点的计算引擎)，因此，通过读该点就可全面了解该点所对应实体的所有信息。由于前置系统采集数据全部存储在SSMA(扫描共享内存)中，所以只有当SSMA中的数据变化超过一定阈值时才触发该点的计算引擎，有效地降低了对主机的配置要求。

2)面向对象的点类设计与实现。每个设备抽象为一个对象模板，它是多个相关属性的有机组合，称之为点类。建立变电站参数监控模型就是将相关数据组织为一个点类，再将点类实例化，以完成变电站参数监控主站模型的建立。

3)层次结构模型。实时应用平台的数据库是由点和子点组成的层次树结构。相关数据组织的点是实体数据属性的集合，树结构最高节点是根节点，在其下的是各级子点。树状结构满足:模型起始于根节点;下级每个点必须与上级的一个仅且一个点相连接;一个点可有一个或多子点作为它的从属点。

4.2 数据类型的映射

基于点类的建立，按照标准定义，首先要建立实时应用平台所支持的数据类型与IEC61850标准中基本数据类型的映射关系。按照基本数据类型与实时应用平台表的定义格式要求，建立公共数据属性的表定义模板文本与公共数据类对应的点类。表定义文本包含表的名称、表的字段数量、每一个表字段的名称及其对应基本数据类犁的编码。

4.3 建立监控模型

为了满足设备更新的技术改造需要，在此仅讨论借助IED支持的MMS服务实现对监控模型的动态建立。一个设备在接入现场后，基于底层通讯MMS可实现对设备的自我描述。在标准中，对每个IED设备保证了主站端可通过向设备IED设备请求其服务以获取设备的模型构成，结合标准定义的基本数据模型，主站端可自动建立其监控模型。设备管理模块是实现动态建模的核心组件，它负责组织管理模型的建立过程。在其定义了必要的信息结构后，设备管理模块可动态地建立设备的模型结构。

4.4 模型生成工具

实时应用平台提供的ActiveX控件可被各种编程语言使用，与编程语言无关，它可快速地建立实时应用平台环境与第三方应用的连接，因此ActiveX控件提供的COM接口可实现对实时环境的操作与数据交互。ActiveX控件提供对数据库及其配置的程序访问接口，借助其接口可实现与实时应用平台的连接，建立变电站监控主站的数据模型。

5 结束语

IEC61850标准不同于以往通信协议，它仅仅规定了与具体网纶无关的抽象通信服务接口，并没有规定通信的具体实现形式。本文将IEC61850标准作为研究对象，深入分析了标准的技术内涵与技术特征，探讨了电力参数监控模型的动态建立过程，研究了设备即插即用的功能设计框架。随着变电站自动化系统的发展，数字化变电站已经成为变电站自动化系统的发展方向，基于IEC61850标准的正确认识和理解为电力参数监控模型设计预留了广阔的应用空间。

［1］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 7－3:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Common data classes Ed1.0［S］.

［2］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 7－4:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes Ed1.0［S］.

［3］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 7－2:Basic communication structure for substation and feeder equipment－Abstract communication service interface(ACSI)Ed1.0［S］.

［4］IEC.IEC 61850.Communication networks and systems in substations-Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs Ed1.0［S］.

［5］关于标准系列［EB/OL］.［2005－05－21］.http://www.zjbew.com/Article_Show.asp?ArticleID=768

［6］窦晓波，吴在军，胡敏强，等.IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现［J］.电网技术，2006，30(2):80－86.

［7］窦晓波.基于IEC61850的新型数字化变电站通信网络的研究与实践［D］.南京:东南大学，2006.