基于變電站自動(dòng)化IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)仿真技術(shù)的探究

習(xí) 偉,陳 波,陳浩敏,林 峻,李 響,王 達(dá)

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州,510080；2.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，佛山,528000；3.長園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，深圳,518057)

0 引言

IEC 61850通過采用“抽象”定義的數(shù)據(jù)項(xiàng)和服務(wù)構(gòu)建架構(gòu)，使得創(chuàng)建數(shù)據(jù)項(xiàng)/對(duì)象和服務(wù)獨(dú)立于任何底層的協(xié)議，抽象的定義使數(shù)據(jù)對(duì)象和服務(wù)可以映射至任何協(xié)議以滿足數(shù)據(jù)和服務(wù)的要求;IEC 61850基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）的變電站配置語言（SCL）來對(duì)進(jìn)行基于61850體系的配置，SCL通過指定配置文件的層次使系統(tǒng)的多個(gè)層次分別在明確的標(biāo)準(zhǔn)化的XML文件中得以描述；由于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的特性，其解決了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變電站自動(dòng)化具有自描述、自診斷和即插即用的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。

但同時(shí)由于IEC 61850建模復(fù)雜，當(dāng)前沒有實(shí)現(xiàn)能夠同時(shí)模擬和操作61850服務(wù)器的仿真測(cè)試工具，導(dǎo)致在測(cè)試或?qū)嶒?yàn)過程中，需要使用大量實(shí)體裝置搭建較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，耗費(fèi)大量資源和時(shí)間；另未來是否可以通過少量的計(jì)算機(jī)仿真甚至替代變電站的保護(hù)測(cè)控裝置是個(gè)值得研究的話題。

在本次系統(tǒng)仿真項(xiàng)目的技術(shù)研究中，已實(shí)現(xiàn)對(duì)于61850服務(wù)器的抽象和數(shù)據(jù)服務(wù)操作的抽象，能夠完全模擬仿真實(shí)際61850設(shè)備與61850客戶端之間的MMS通信服務(wù)，同時(shí)由于對(duì)于61850服務(wù)器模型的抽象，實(shí)現(xiàn)了通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)仿真和操作上百臺(tái)虛擬61850裝置的目的。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

在本次仿真測(cè)試系統(tǒng)項(xiàng)目研究中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)于IEC 61850裝置的模擬仿真，必須針對(duì)61850模型建立和61850 對(duì)MMS的目標(biāo)、功能映射進(jìn)行研究，以下是對(duì)于對(duì)相關(guān)技術(shù)的簡要介紹。

1.1 IEC 61850建模方法

傳統(tǒng)協(xié)議通常會(huì)定義在字節(jié)如何傳輸，然而它們并沒有從應(yīng)用的角度指定數(shù)據(jù)應(yīng)該如何組織，這種方法要求電力系統(tǒng)工程師手動(dòng)配置對(duì)象并將它們映射至電力系統(tǒng)對(duì)象和低級(jí)寄存器數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、I / O模塊等。IEC 61850除了規(guī)范的協(xié)議功能（定義字節(jié)如何傳輸），IEC 61850對(duì)于所有類型和品牌的裝置提供了一致的對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該如何有規(guī)則的組織數(shù)據(jù)的綜合模型，這樣就消除了大部分的乏味的無意義的系統(tǒng)配置的工作，因?yàn)檫@些設(shè)備可以自行配置。例如：如果你把一個(gè)CT/VT輸入到一個(gè)IEC 61850繼電器,通過檢測(cè)這個(gè)模塊,并自動(dòng)把它賦值給一個(gè)浮點(diǎn)計(jì)量單位而無需用戶交互。

IEC 61850設(shè)備模型開始于一個(gè)物理設(shè)備。一個(gè)物理設(shè)備是一個(gè)連接至網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備且通過網(wǎng)絡(luò)地址明確定義。對(duì)于每個(gè)物理設(shè)備，可能有一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。

每個(gè)邏輯設(shè)備包含一個(gè)或多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)是一個(gè)命名的分組的數(shù)據(jù)和相關(guān)的服務(wù),是邏輯上相關(guān)的一些電力系統(tǒng)功能。每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)有一個(gè)LN實(shí)例ID作為后綴的邏輯節(jié)點(diǎn)名稱。

每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)元素的數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)元素都有一個(gè)唯一的名稱，這些名稱由標(biāo)準(zhǔn)以及與電力系統(tǒng)相關(guān)的功能決定。每個(gè)元素的邏輯節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)符合規(guī)范的公共數(shù)據(jù)類(CDC)，每個(gè)CDC描述了邏輯節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)的類型和結(jié)構(gòu)，每個(gè)CDC有一個(gè)定義的名稱和一個(gè)CDC屬性集合，屬性根據(jù)功能約束FC進(jìn)行分類。

數(shù)據(jù)模型層次結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)抽象模型層次

IEC 61850采用抽象模型的方式定義信息和信息交換，將應(yīng)用功能分解為與之交換信息最小實(shí)體，合理分配這些實(shí)體到專用設(shè)備（IED）。這些實(shí)體稱為邏輯節(jié)點(diǎn)（例如上圖中斷路器類的虛擬表示，實(shí)例名為XCBR1，代表某個(gè)特定的斷路器）,IEC 61850從視窗的概念應(yīng)用觀點(diǎn)出發(fā)建模和定義邏輯節(jié)點(diǎn)，幾個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)建邏輯設(shè)備（例如上圖中的Relay1）。邏輯節(jié)點(diǎn)的語義由數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性表示，每個(gè)數(shù)據(jù)由若干數(shù)據(jù)屬性組成，邏輯節(jié)點(diǎn)XCBR1中定義斷路器的就地/遠(yuǎn)方狀態(tài)為數(shù)據(jù)（名為“Los”），數(shù)據(jù)屬性Loc.stlVal代表斷路器遠(yuǎn)方/就地狀態(tài)值，功能約束FC=ST，故該數(shù)據(jù)屬性為狀態(tài)量，取值0或1。

1.2 IEC 61850映射方法

IEC 61850定義的一個(gè)使用抽象數(shù)據(jù)和對(duì)象模型的標(biāo)準(zhǔn)化方法描述電力系統(tǒng)設(shè)備，使所有的IED所展示的數(shù)據(jù)使用相同的結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)至它們的電力系統(tǒng)功能。IEC 61850的抽象通信服務(wù)接口（ACSI）定義了一組服務(wù)和對(duì)應(yīng)服務(wù)的回應(yīng)使所有的IED在網(wǎng)絡(luò)通信行為上表現(xiàn)出相同的方式，然而抽象模型在實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的互操作性上是至關(guān)重要的，這些模型需要能在電力行業(yè)中普遍存在的計(jì)算機(jī)環(huán)境中的協(xié)議中進(jìn)行可行的操作。IEC 61850-8-1中將抽象數(shù)據(jù)和服務(wù)映射至ISO9506的MMS協(xié)議，MMS是當(dāng)前唯一可以輕松實(shí)現(xiàn)支持復(fù)雜命名和服務(wù)的IEC61850協(xié)議的公共（ISO 標(biāo)準(zhǔn)）的協(xié)議。雖然理論上可以講61850協(xié)議映射至任何協(xié)議，但試圖將IEC61850協(xié)議映射至一個(gè)只能提供通過寄存器或索引訪問簡單變量的讀/寫/報(bào)告服務(wù)的協(xié)議是非常復(fù)雜和繁瑣的，而MMS協(xié)議支持復(fù)雜的命名對(duì)象和大量靈活的服務(wù)能夠非常直接地與IEC61850協(xié)議進(jìn)行映射。

IEC 61850數(shù)據(jù)對(duì)象和服務(wù)與MMS的映射是基于一種特定服務(wù)的映射關(guān)系，這些服務(wù)是作為實(shí)現(xiàn)抽象通信服務(wù)接口（ACSI）各種服務(wù)的方法。例如：ACSI的控制模型映射到MMS的讀寫服務(wù)，然后，IEC 61850的各種對(duì)象模型被映射到特定的MMS對(duì)象；又如：IEC 61850 邏輯設(shè)備（LD）對(duì)象映射至一個(gè)MMS域。

通過這種方式將IEC 61850信息模型和各個(gè)控制塊映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS），IEC 61850的各類服務(wù)映射到MMS類的對(duì)應(yīng)服務(wù)，攜帶信息的報(bào)文映射到MMS報(bào)文（GOOSE,GSSE，SV），報(bào)告映射至MMS報(bào)告。使61850協(xié)議能夠方便地

表2中舉例說明了IEC 61850對(duì)象的映射關(guān)系，表3中則表示了IEC 61850 部分服務(wù)映射。

表1 IEC 61850與MMS對(duì)象映射關(guān)系

表2 IEC 61850部分服務(wù)映射

1.3 SCL配置語言解析

IEC 61850-6-1指定基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（xml）的變電站配置語言（SCL）來對(duì)基于61850體系的配置。SCL通過指定配置文件的層次使系統(tǒng)的多個(gè)層次分別在明確的標(biāo)準(zhǔn)化的XML文件中得以描述。

SCL語言可滿足各個(gè)用戶的需求，用戶可以決定使用CID文件在現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行IED配置。SCL可用于重組整個(gè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程來消除手動(dòng)配置，消除手動(dòng)輸入錯(cuò)誤，減少系統(tǒng)能力和需求之間的誤解，提高終端系統(tǒng)的互操作性，大大提高生產(chǎn)力和電力系統(tǒng)工程師的效率。

在本次項(xiàng)目中，CID/ICD文件作為模型建立的輸入，通過對(duì)于CID/ICD的解析進(jìn)行虛擬61850服務(wù)器的建模。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

使用虛擬模型

除了通過協(xié)議定義數(shù)據(jù)如何傳輸以外，邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、抽象通信服務(wù)接口、公共數(shù)據(jù)類的虛擬模型的使用允許定義數(shù)據(jù)、服務(wù)以及設(shè)備行為。

在本次項(xiàng)目研究中，通過利用虛擬模型結(jié)構(gòu)，仿真系統(tǒng)可以通過將裝置實(shí)例抽象化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的抽象和61850服務(wù)器的功能抽象

對(duì)所有數(shù)據(jù)命名IEC 61850數(shù)據(jù)的每個(gè)元素通過描述性字符串來命名以描述數(shù)據(jù)。

在本次研究中，由于IEC 61850每個(gè)數(shù)據(jù)元素通過描述性字符串來命名，保證了數(shù)據(jù)描述的準(zhǔn)確性和唯一性，保證了仿真過程中虛擬裝置數(shù)據(jù)映射的正確相關(guān)。

所有對(duì)象名稱標(biāo)準(zhǔn)化定義

在IEC 61850設(shè)備中數(shù)據(jù)的名稱不是由設(shè)備供應(yīng)商或用戶配置。所有的名稱都在標(biāo)準(zhǔn)中定義且在電力系統(tǒng)信息中提供。通過這樣標(biāo)準(zhǔn)化定義對(duì)象名稱，極大程度上降低了不同廠家或人為配置上造成的差異性，提高了裝置了通用性和互操作性。

2.1 IEC 61850的特性與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

裝置自描述

客戶端應(yīng)用程序通過與IEC 61850設(shè)備通訊可以從設(shè)備下載設(shè)備支持的所有數(shù)據(jù)描述而無需任何對(duì)于數(shù)據(jù)對(duì)象或名字的手動(dòng)配置。

標(biāo)準(zhǔn)配置語言

SCL配置語言通過使用XML語言能使裝置的配置和在電力系統(tǒng)中的角色得到精確定義。

在本項(xiàng)目研究中，虛擬61850裝置也是通過SCL文件中描述進(jìn)行定義和建模，確保通信行為與實(shí)際裝置的一致性。

2.2 61850服務(wù)器消息響應(yīng)模式

Sisco 61850服務(wù)器的運(yùn)行流程結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2 Sisco 61850服務(wù)器運(yùn)行流程

正常運(yùn)行情況下，裝置導(dǎo)入ICD/CID文件進(jìn)行結(jié)構(gòu)后在裝置內(nèi)部根據(jù)SCL文件內(nèi)容進(jìn)行抽象建模，61850服務(wù)器運(yùn)行后開始等待接收61850消息，并根據(jù)獲得的61850消息觸發(fā)對(duì)應(yīng)功能服務(wù)進(jìn)行反饋。運(yùn)行過程中，消息從來源分為兩類，一類來源于服務(wù)器自身，即服務(wù)器的總召、完整性周期等觸發(fā)服務(wù)器的主動(dòng)上送；另一類來源于客戶端，客戶端向服務(wù)器發(fā)送讀取命令，召喚相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

對(duì)于遙信數(shù)據(jù)的處理，遙信發(fā)生變位，服務(wù)端會(huì)將遙信變位的SOE以報(bào)告形式主動(dòng)上送；如果停止主動(dòng)上送，服務(wù)端總召喚或客戶端發(fā)送讀取命令時(shí)，服務(wù)器會(huì)比較當(dāng)前值與上次發(fā)送值是否有變化，如果有變化，觸發(fā)數(shù)據(jù)上送；

對(duì)于定值數(shù)據(jù)的處理，則只有在客戶端發(fā)送讀取命令，服務(wù)器接受消息后，響應(yīng)讀取命令觸發(fā)對(duì)應(yīng)的服務(wù)上送裝置定值。

2.3 61850模型的抽象在仿真測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

在變電站駕駛艙仿真測(cè)試系統(tǒng)中，系統(tǒng)主要特點(diǎn)是通過一臺(tái)PC機(jī)模擬幾百臺(tái)虛擬61850保護(hù)測(cè)控裝置的通信行為，實(shí)現(xiàn)四遙數(shù)據(jù)、保護(hù)定值、事件信息的上送；

在這個(gè)系統(tǒng)中主要涉及3個(gè)部分的數(shù)據(jù)抽象模型：

1.6 18 50模型建模的抽象，即61850服務(wù)器；

2.虛擬裝置數(shù)據(jù)源的抽象；

3.虛擬裝置內(nèi)部消息處理服務(wù)的抽象；

仿真測(cè)試系統(tǒng)底層通信結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖3 仿真測(cè)試系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

其中數(shù)據(jù)源和服務(wù)器的61850建模源自相同的SCL文件，具有相同的模型結(jié)構(gòu)，在61850服務(wù)器和61850客戶端發(fā)生交互的過程中，需要查詢上送數(shù)據(jù)時(shí)，通過觸發(fā)虛擬裝置內(nèi)部消息服務(wù)向虛擬數(shù)據(jù)源進(jìn)行調(diào)取，另外用戶通過仿真測(cè)試系統(tǒng)的界面手動(dòng)修改虛擬數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶對(duì)于數(shù)據(jù)源的操作也會(huì)觸發(fā)61850服務(wù)器對(duì)應(yīng)的行為。

因?yàn)橥ㄐ拍Ｐ偷慕⑹腔贗EC 61850，所以在模型的通信上繼承了IEC 61850的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過ICD文件中對(duì)象的DA數(shù)據(jù)屬性是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查找和交互，確保了交互過程中的正確性。

3 仿真測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

圖4 仿真測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

在本次仿真測(cè)試項(xiàng)目應(yīng)用中，系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示，通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)模擬多臺(tái)虛擬61850服務(wù)器，各個(gè)虛擬服務(wù)器以線程的方式分離，通過仿真測(cè)試系統(tǒng)控制端導(dǎo)入ICD/CID文件進(jìn)行建模，輸入對(duì)應(yīng)IP信息對(duì)虛擬61850服務(wù)器進(jìn)行初始化后，在對(duì)61850客戶端的MMS信息交互功能上，虛擬61850服務(wù)器具備與實(shí)際裝置具備一致的特性。通過仿真測(cè)試系統(tǒng)控制端操作虛擬61850服務(wù)器的遙測(cè)、遙信、定值等參數(shù)，對(duì)于61850客戶端接收到得信息，與更改實(shí)際裝置的遙測(cè)、遙信輸入，裝置定值完全一致；通過仿真測(cè)試系統(tǒng)控制虛擬保護(hù)裝置也在61850客戶端可以產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作或告警信息提示。通過61850客戶端對(duì)61850服務(wù)器進(jìn)行信息讀取，也可以得到和仿真測(cè)試系統(tǒng)控制的遙測(cè)、遙信、定值的設(shè)置值，且虛擬61850服務(wù)器可以模擬實(shí)際裝置的遙控功能，通過客戶端下發(fā)遙控命令，虛擬服務(wù)器可以按用戶選擇執(zhí)行遙控命令并自動(dòng)更改被控遙信點(diǎn)。

本次仿真測(cè)試項(xiàng)目成功實(shí)踐了基于61850模型通過計(jì)算機(jī)對(duì)大量61850服務(wù)器的模擬和仿真。

4 結(jié)論

通過本次項(xiàng)目實(shí)踐證明了通過接口和模型抽象可以實(shí)現(xiàn)不同廠家ICD和裝置通信功能的全兼容的可能性，加快了不同廠家設(shè)備的通用和互操作的實(shí)現(xiàn)。

另本次項(xiàng)目的研究已實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)保護(hù)測(cè)控裝置對(duì)上MMS通信的模擬，假設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)裝置對(duì)下通信的模擬，即能夠接受解析MU報(bào)文且通過軟件的方式滿足相關(guān)要求，則可能在未來可實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)完全模擬或取代保護(hù)測(cè)控裝置，達(dá)到僅通過少量計(jì)算機(jī)替代全站保護(hù)測(cè)控裝置的目標(biāo)。

[1]The Impact of Standardized Models,Programming Interfaces,and Protocols on Substations,Part 1-5:The Generic Interface Definition (GID).

[2]IEC 8824-1,Information Technology-Abstract Syntax Notation One(ASN.1)-Part 1:Specification of BasicNotation[S].

[3]丁力，王曉茹，王 林 等.IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中MMS映射分析及其編碼_解碼模塊的設(shè)計(jì).電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，5(1)：22-25.

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