IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现

第30卷第2期电网技术Vol.30No.22006年1月PowerSystemTechnologyJan.2006文章编号：1000-3673（2006）02-0080-07中图分类号：TM63；TM734文献标识码：A学科代码：470⋅4054IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现窦晓波，吴在军，胡敏强，徐科（东南大学电气工程系，江苏省南京市210096）InformationModelandMappingImplementationofMergingUnitBasedonIEC61850DOUXiao-bo，WUZai-jun，HUMin-qiang，XUKe（DepartmentofElectricalEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096，JiangsuProvince，China）ABSTRACT:AlongwiththeapplicationofECTandEVTthemergingunitsappear,andtocertainextentthedigitizationandsharingofdataoftheprocesslayerareimplemented.Here,firstlythebasicfeaturesofstandIEC61850andthegeneralapproachtorealizethisstandardarepresented;onthebasisofresearchingtheintensionofIEC61850informationmodelandstartingwiththefunctionanalysisofmergingunit,theattributeofmergingunitinformationmodelandabstractcommunicationserviceinterfaceareresearched,andthemethodtoconstructinformationmodelofmergingunitisexpounded.Then,thecommunicationmappingmethodforabstractfunctionserviceofmergingunitandtheframeformatareanalyzed.Finally,thebasicformatoftheconfigurationfilefortheself-descriptionofdevicesbySubstationConfigurationdescriptionLanguage(SCL)isbrieflyintroduced.KEYWORDS:IEC61850；Mergingunit；Informationmodel；Mappingimplementation；Substationconfigurationdescriptionlanguage(SCL)摘要：合并单元是随着电子式电流、电压互感器的产生而出现的，在一定程度上实现了过程层数据的数字化和共享化。文章首先介绍了IEC61850标准的基本特点和实现的一般方法。在研究IEC61850信息模型内涵的基础上，从分析合并单元的功能入手，研究了合并单元信息模型的属性和抽象通信服务接口，阐述了合并单元信息模型的构建方法。然后讨论、分析了合并单元抽象功能服务的通信映射方法和帧格式。最后简单介绍了用于装置自我描述的SCL（SubstationConfigurationdescriptionLanguage）配置文件的基本格式。关键词：IEC61850；合并单元；信息模型；映射实现；变电站配置语言1引言合并单元是随着非磁芯的电子式电流互感器（ElectronicCurrentTransformers，ECT）、电子式电压互感器（ElectronicVoltageTransformers，EVT）的产生而出现的，其主要功能是接收ECT/EVT输出的数字采样值（为兼容原有系统，合并单元也可接收电磁式互感器输出的模拟信号并进行A/D转换）并对采样值进行验证、合并，以通信的方式向变电站间隔层传递数字采样合并值。IEC61850标准对变电站过程层的访问和操作有数字化的要求。由于技术和投资的限制，变电站过程层完全“总线化”将是个较长的过程，在这一过程中，合并单元为变电站过程层数据的数字化、共享化提供了解决方案，因此，作为变电站过程层数字化的一种实现方式，合并单元不可避免地被纳入了IEC61850标准体系中。作为变电站乃至整个电网保护测控数据的来源，合并单元具有十分重要的作用，研究合并单元在IEC61850标准下的实现具有现实意义。2IEC61850标准的特征及其实现方法IEC61850标准的特征可简单概括为：以实现互操作性为目的，以构建信息模型为手段，以规范数据通信为途径，以面向对象的功能服务为承载。它提供了5大类标准：逻辑节点库、公共数据类及派生的数据对象和属性、抽象通信服务接口及映射规范、自我描述规范、一致性测试规范。IEC61850标准具有以下两个最突出的特点：（1）应用和通信的解耦[1]。为实现互操作性，IEC61850通过构建强制约束的信息模型来描述应用功能，而实现功能的通信方式却是开放和发展的，为标准的不断拓展预留了空间。（2）信息采用面向对象的自我描述方法[2]，实现了信息的自识别和易维护，为系统功能的不断拓PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建展预留了空间。变电站自动化系统由多个自动化装置组成，这些装置的外部可视或可访问行为是一种或多种自动化功能。从这一角度看，变电站自动化系统就是驻留或分散在各个自动化装置中的功能单元互相提供和享用功能服务的实现。因此，IEC61850标准的实现是紧紧围绕自动化功能服务的实现展开的（前提是这些功能服务必须以通信的方式实现），可简单描述成以下4个步骤[1-4]：（1）分配、合并、定义装置的自动化功能，从逻辑节点库中提取对应的逻辑节点（LogicalNode，LN），组建成装置对应的逻辑设备（LogicalDevice，LD），构建出信息模型的框架；用数据对象（DataObject，DO）及其属性（DataAttribute，DA）对模型进行填充、描述，实例化信息模型的属性。（2）依照抽象通信服务接口（AbstractCommunicationServiceInterface，ACSI），根据信息模型的属性构建出信息模型的服务（Services）。（3）依照特殊通信服务映射（SpecificCommunicationServiceMapping，SCSM）将抽象的通信服务映射到具体的通信网络及协议上，服务借助通信得以实现。（4）依照变电站配置语言（SubstationConfigurationdescriptionLanguage，SCL）组织并发布装置的配置文件，实现装置信息和功能服务的自我描述，服务可被识别和享用。本文正是依据上述步骤研究IEC61850标准下合并单元的实现方法。3合并单元的信息模型3.1信息模型的内涵信息模型的作用是将自动化装置的实际功能描述成抽象的功能通信服务，是一个对象信息化的过程，是IEC61850标准的核心。信息模型在IEC61850中被定义成“类”[5]，从类的角度比较容易理解信息模型的内涵：（1）对应类的成员变量和成员函数，信息模型由属性和服务封装组成，其中属性代表信息模型的外部可视功能，服务代表抽象通信服务接口。（2）调用类的成员函数可实现从外部对类中成员变量的读写；类似地，抽象通信服务接口是外部访问和操作信息模型中功能的途径。（3）类中的成员变量和成员函数之间互相对应，在信息模型中这种对应关系更加紧密，信息模型中不存在没有属性对象的服务和没有对应服务的属性。为描述方便，标准中常将信息模型中的属性作为信息模型（InformationModels），而将服务作为属性对应的信息交换服务（InformationExchangeServices），在某种程度上分开描述[5]。为更联贯地说明问题，本文将属性和服务聚合在一起，按照类的本意分析信息模型（成员函数的存在也是类区别于其它信息聚合体的重要特征）。3.2合并单元的功能电子式互感器分为无源和有源两种，前者基于磁光、电光效应原理，后者采用罗氏线圈和电容分压的方法。有源电子式互感器有效解决了无源电子式互感器对温度敏感和振动的问题[6]，在实际中应用较广泛。实际应用中常将2个有源ECT和1个有源EVT构成1个采集器装置，用于接收1相线路上的3路模拟量输入：保护电流、测量电流和电压。采集器将这3路模拟量在高压侧就地数字化后通过光纤传输至合并单元。合并单元也分为两种：标准合并单元和功能扩展的合并单元，后者在前者的基础上通过扩展保护、测控模块增加了部分间隔层的功能。为突出合并单元的基本功能，本文将标准合并单元作为研究对象。IEC61850标准规范的是自动化功能服务的方式而非装置本身的功能，合并单元的功能是由IEC60044-7/8标准规定的，主要功能如图1所示。合并单元的输入由数字信息和模拟信号两部分组成。数字信息包括采集器输出的采样值、电源状态信息及变电站同步信号等，通过100BASE-FX或10BASE-FL光纤接入合并单元，由现场可编程门阵列（FPGA）对其进行同步接收处理；模拟信号就是由电磁式互感器输入的模拟量，在合并单元内完成A/D转换。合并单元通过光纤向间隔层输出采样合并数据，向采集器输出采样同步信号；此外还通过光纤以光能的形式向高压侧采集器提供电源能量。IEC60044-7/8标准规定合并单元的输入通道为12路，IEC61850-9-1部分也沿用了这个设定（合并单元输出的参考以太网帧格式中编排了12组采样值数据项），但在实际应用中会出现以下两种情况：（1）输入通道数小于12。为了与标准信息模型结构一致，仍按12路通道建模，在输出报文中PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建窦晓波等：IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现Vol.30No.2A相ECT电流二次转换值（保护用）A相ECT电流二次转换值（测量用）A相EVT电压二次转换值采集器B相ECT电流二次转换值（保护用）B相ECT电流二次转换值（测量用）B相EVT电压二次转换值采集器C相ECT电流二次转换值（保护用）C相ECT电流二次转换值（测量用）C相EVT电压二次转换值采集器光纤中性点ECT电流二次转换值中性点EVT电压二次转换值采集器母线EVT电压二次转换值采集器光纤光纤光纤光纤FPGA光纤A/DA/D电磁式互感器电磁式互感器光纤合并单元间隔层网络同步信号③②①注：①数字采样值及电源状态；②采样脉冲信号及光能量；③经电缆传送的模拟信号图1合并单元的基本功能Fig.1Basicfunctionsofmergingunit通过设定通道状态字来标注多余通道的数据无效。（2）输入通道数大于12。实际应用中会有大于12路采样的需求（如3圈变3侧的保护测控），除了采用多组合并单元外还可通过扩展光纤接收或采样插件来增加合并单元的输入通道数。发送采样合并数据时可参照IEC61850-9-2部分重新组织并发布合并单元的数据集模型；或以12路（或小于12路）通道为一组将单个合并单元划分为多个逻辑设备，通过多个光纤口或单个光纤口依次向外发送标准的数据集数据。3.3合并单元信息模型的属性IEC61850标准的基本实现过程如图2所示。其中，信息模型的属性代表装置的外部可视功能，采用结构化的描述方法，由逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性4个层次组成。信息模型属性逻辑节点数据对象数据属性逻辑设备抽象服务接口自动化装置实际功能抽象抽象功能通信服务通信映射功能实现图2IEC61850的基本实现过程Fig.2BasicflowchartofIEC61850（1）合并单元逻辑