智能電子設(shè)備面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法

范瑾，郭歌，牛利濤，兀鵬越，羅四倍（.西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安7006；.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，平頂山6700；.西安熱工研究院有限公司，西安700；.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，洛陽700）

智能電子設(shè)備面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法

范瑾1，郭歌2，牛利濤3，兀鵬越3，羅四倍4
（1.西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710061；2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，平頂山467001；3.西安熱工研究院有限公司，西安710032；4.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，洛陽471003）

為解決數(shù)據(jù)映射帶來的智能電子設(shè)備軟件復(fù)雜、低效和無法利用SCL文件對(duì)功能進(jìn)行靈活組態(tài)的問題，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的面向?qū)ο笏枷?，在信息源頭采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)；根據(jù)IED能力描述文件，構(gòu)建智能電子設(shè)備對(duì)象；使用IED組態(tài)工具，導(dǎo)入IED實(shí)例配置文件，靈活配置IED運(yùn)行需要的對(duì)象；當(dāng)IED運(yùn)行時(shí)，通過多個(gè)對(duì)象交互完成裝置功能，進(jìn)一步討論了該方法在不同硬件平臺(tái)上的適用性。最后，將該方法應(yīng)用于間隔層保護(hù)測(cè)控IED的軟件設(shè)計(jì)，達(dá)到IED功能軟件與IEC61850面向?qū)ο笮畔⒛Ｐ蜔o縫融合和可靈活組態(tài)的效果。關(guān)鍵詞：智能變電站；IEC61850；智能電子設(shè)備；面向?qū)ο?；軟件設(shè)計(jì)

變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)不斷深化的數(shù)字化過程，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變電站的智能化。目前，智能變電站已從試點(diǎn)逐步開始推廣應(yīng)用。IEC61850應(yīng)用了一系列較為完善的技術(shù)[1]，可實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)智能電子設(shè)備IED（intelligent electronic device）間的互操作，降低工程實(shí)施難度和成本，是智能變電站的核心技術(shù)之一。IEC61850采用自描述的面向?qū)ο蠼７椒?，定義了標(biāo)準(zhǔn)化的面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ?。IED信息模型是分層的結(jié)構(gòu)化的類模型，以抽象的方式刻畫了IED通信特征，使其可視和可訪問，解決了數(shù)據(jù)的相互理解問題，是實(shí)現(xiàn)互操作性的基礎(chǔ)之一[2-5]。

目前實(shí)際使用的傳統(tǒng)IED一直采用二維表的機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，即將所有變電站信息分類，建立起測(cè)量、信號(hào)、保護(hù)事件、定值和壓板等若干張關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)表格[6-7]。IED的信息源頭面向數(shù)據(jù)和點(diǎn)，但I(xiàn)ED對(duì)外通信需要使用IEC61850面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ汀Ｒ虼?，IED需要通過廠商私有的方法實(shí)現(xiàn)分類數(shù)據(jù)表到IEC61850面向?qū)ο竽Ｐ偷挠成鋄6-7]，邏輯上相當(dāng)于在裝置內(nèi)部進(jìn)行了規(guī)約轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)映射工作往往需要人工干預(yù)，效率較低且錯(cuò)誤排查困難。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)IED對(duì)外通信信息和方式進(jìn)行了強(qiáng)制約束，并未規(guī)定裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)功能的具體方式，允許廠家采用各種合適的方法來實(shí)現(xiàn)。

IEC61850規(guī)定變電站配置描述語言SCL（substation configuration description language）用于描述變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和各種IED配置，規(guī)范了4種類型SCL文件，其中包括IED能力描述文件ICD（IED capability description）和IED實(shí)例配置文件CID（configured IED description）。鑒于上述局限，傳統(tǒng)IED無法利用這些配置文件對(duì)功能進(jìn)行靈活組態(tài)，不能充分發(fā)揮SCL文件在工程實(shí)施中的作用。

本文提出智能電子設(shè)備面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法，在信息源頭采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，使IED功能軟件與IEC61850面向?qū)ο笮畔⒛Ｐ蜔o縫融合，不需要數(shù)據(jù)映射就能夠利用SCL文件進(jìn)行IED靈活組態(tài)，提高軟件的可維護(hù)性。

圖1 IED對(duì)象與IEC61850信息模型的關(guān)系Fig.1 Relationship between IED objects and IEC61850 information model

1 面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法

1.1 基本原理

根據(jù)IEC61850，IED能力描述文件ICD描述IED所能提供的IEC61850面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ图胺?wù)，是IED能力的最大化描述；可設(shè)計(jì)IED的全部對(duì)象；IED實(shí)例配置文件CID描述具體工程中應(yīng)用的IED，使用ICD文件描述的全部或部分信息模型及服務(wù)，并加以實(shí)例化，得到IED運(yùn)行時(shí)使用的全部對(duì)象。

IED對(duì)象與IEC61850信息模型的關(guān)系如圖1所示。IED對(duì)象包括：①公有屬性和行為，是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的與實(shí)現(xiàn)IED功能有關(guān)的屬性和行為，對(duì)外完全可見；②廠家特定的私有屬性和行為，對(duì)外完全不可見。IED對(duì)象將數(shù)據(jù)及操作方法封裝在一起，多個(gè)對(duì)象交互完成裝置的應(yīng)用功能，對(duì)外只呈現(xiàn)公有屬性和行為，并與其他IED通信，實(shí)現(xiàn)互操作。

圖1中的重合區(qū)就是公有屬性和行為，如何對(duì)其靈活高效地處理，是面向?qū)ο蠓椒▽?shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，重合區(qū)可伸縮，如果令私有屬性變?yōu)楣袑傩?，就可以?duì)外開放私有的信息，例如實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)動(dòng)作過程透明化等。

IEC61850面向?qū)ο笮畔⒛Ｐ筒捎脴錉罱Y(jié)構(gòu)，分為4個(gè)層級(jí)：服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)（DATA），位于最低層級(jí)的DATA類又由若干數(shù)據(jù)屬性組成[1]。為了提高執(zhí)行效率，降低IED功能軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，IED對(duì)象以邏輯節(jié)點(diǎn)和控制塊為基本單位，直接由數(shù)據(jù)屬性及相應(yīng)的行為構(gòu)成。

1.2 設(shè)計(jì)方法

面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法如圖2所示，包括以下3個(gè)步驟。

步驟1根據(jù)ICD，以邏輯節(jié)點(diǎn)和控制塊為基本單位，定義對(duì)象的數(shù)據(jù)類型。該數(shù)據(jù)類型封裝IED的屬性和行為，并聲明IED的所有對(duì)象。

步驟2系統(tǒng)組態(tài)。使用可視化IED組態(tài)工具，導(dǎo)入IED實(shí)例配置文件，對(duì)IED運(yùn)行需要的對(duì)象進(jìn)行配置，自動(dòng)生成規(guī)范化的對(duì)象組態(tài)接口文件。

步驟3 IED運(yùn)行時(shí)，讀取CID文件，生成IEC61850通信實(shí)時(shí)信息庫(kù)，導(dǎo)入對(duì)象組態(tài)接口文件，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建并初始化配置的對(duì)象，使對(duì)象的公有屬性與相應(yīng)的IEC61850通信實(shí)時(shí)信息庫(kù)關(guān)聯(lián)起來，并按照配置的行為實(shí)現(xiàn)裝置的各種功能。

1.3 硬件平臺(tái)的適用性

IED的硬件平臺(tái)分為多CPU結(jié)構(gòu)和單CPU結(jié)構(gòu)。多CPU硬件平臺(tái)一般采用3個(gè)CPU，一個(gè)實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控功能，一個(gè)實(shí)現(xiàn)IEC61850通信功能，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。多CPU間的數(shù)據(jù)交換可以采用以太網(wǎng)、高速串行總線和雙端口RAM等。IED的硬件平臺(tái)限制了其內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的方法和效率[7]。單CPU硬件平臺(tái)具有一系列優(yōu)點(diǎn)[8]，尤其對(duì)于成本敏感的中低電壓等級(jí)的IED，采用單CPU結(jié)構(gòu)較為合適。

上述面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法可直接應(yīng)用于單CPU硬件平臺(tái)。對(duì)于多CPU結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)，只需稍作改變，該方法仍適用。按照每個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)的功能，將單CPU情況下完成整個(gè)裝置功能的IED對(duì)象分配到相應(yīng)的CPU，使得每個(gè)CPU都具有完成自身功能的IED對(duì)象，即實(shí)現(xiàn)IEC61850倡導(dǎo)的功能自由分布。

圖2 面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)方法的實(shí)施步驟Fig.2 Steps ofobject oriented software design method

以線路保護(hù)測(cè)控裝置為例設(shè)置IED對(duì)象：①主保護(hù)即縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)PDIF（differentialprotection）；②后備保護(hù)即距離保護(hù)PDIS（distance protection）和零序過流保護(hù)PTOC（time overcurrent protection）；③測(cè)控功能CSWI（switch controller）。這些IED對(duì)象既可以集中在單CPU上，也可以自由分布于多個(gè)CPU上，如主保護(hù)CPU、后備保護(hù)CPU和測(cè)控CPU。保護(hù)測(cè)控CPU與通信CPU之間數(shù)據(jù)交換方式較多，如以太網(wǎng)、高速串行總線和雙端口RAM等。多CPU平臺(tái)下面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法略有變化，實(shí)施步驟如下。

步驟1保護(hù)測(cè)控CPU和人機(jī)界面CPU的IED對(duì)象的公有屬性采用變量，通信CPU的IED對(duì)象保留公有屬性采用指針變量。鑒于處理器間的數(shù)據(jù)交換，增加其私有行為，采用統(tǒng)一的訪問接口完成數(shù)據(jù)傳輸，屏蔽具體的數(shù)據(jù)交換方式。

步驟2根據(jù)每個(gè)CPU的IED對(duì)象的配置情況，生成各CPU所需的對(duì)象組態(tài)接口文件。

步驟3通信CPU的功能任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)其與保護(hù)測(cè)控CPU和（或）人機(jī)界面CPU的數(shù)據(jù)交換。其數(shù)據(jù)交換功能如圖3所示。公有屬性初始值通過與通信CPU的數(shù)據(jù)交換得到。

圖3 保護(hù)測(cè)控CPU和人機(jī)界面CPU的數(shù)據(jù)交換Fig.3 Data exchange for protection CPU and HMICPU

完成IED功能的IED對(duì)象以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)構(gòu)建，在多CPU硬件平臺(tái)中，IEC61850的功能自由分布特點(diǎn)得到了很好的體現(xiàn)。

2 應(yīng)用實(shí)例

智能變電站的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，以單CPU結(jié)構(gòu)的間隔層保護(hù)測(cè)控IED為例具體說明面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)方法的實(shí)施過程。

1）定義對(duì)象數(shù)據(jù)類型實(shí)例

作為構(gòu)建IED對(duì)象的基本單位，保護(hù)測(cè)控IED的邏輯節(jié)點(diǎn)既包括IEC61850-7-4定義的與保護(hù)、測(cè)量和控制功能有關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)，也包括一些擴(kuò)展的邏輯節(jié)點(diǎn)[9]；控制塊除了包括IEC61850-7-2定義的報(bào)告控制塊、日志控制塊、GOOSE（generic objectoriented substation event）控制塊和定值組控制塊，還包括GOOSE報(bào)文接收控制塊和采樣值SV（sampled value）報(bào)文接收控制塊。

IED對(duì)象的屬性和行為包括：①IEC61850所規(guī)范的與保護(hù)、測(cè)量和控制功能有關(guān)的公有屬性和行為，此公有屬性只是IEC61850面向?qū)ο笮畔⒛Ｐ偷牟糠謨?nèi)容；②該保護(hù)測(cè)控IED完成特定功能所必需的私有屬性和行為。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的定義：公有屬性采用指針變量，命名采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化的名稱；私有屬性采用變量，命名盡量采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化的名稱。以上命名方式便于熟悉IEC61850的開發(fā)人員快速進(jìn)行功能軟件的開發(fā)。行為均采用函數(shù)指針變量，聲明的對(duì)象均采用全局指針變量。

保護(hù)測(cè)控IED的保護(hù)跳閘條件邏輯節(jié)點(diǎn)PTRC（protection trip conditioning）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型定義如表1所示。PTRC對(duì)象采用PTRC和*PTRC 2種方式。

圖4 智能變電站的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Typicalstructure ofsmartsubstation

2）系統(tǒng)組態(tài)實(shí)例

可視化IED組態(tài)工具一方面可導(dǎo)入CID文件，自動(dòng)完成對(duì)象公有屬性和行為的組態(tài)，另一方面提供友好的圖形化界面和工程人員熟知的方式來完成對(duì)象私有屬性和行為的組態(tài)，無需使用者懂得IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)象的具體定義，降低對(duì)使用者的技術(shù)要求。

對(duì)象組態(tài)接口文件以規(guī)范化的文本文件形式保存了保護(hù)測(cè)控IED對(duì)象的配置結(jié)果：使用哪些對(duì)象、對(duì)象的哪些屬性和行為可用、對(duì)象的屬性初始值是多少、對(duì)象的行為具體采用哪一種等。例如，若PTRC對(duì)象的相電流突變量啟動(dòng)元件行為可用，對(duì)象組態(tài)接口文件只需要采用簡(jiǎn)單的方式描述，即deltaI_Strtrue。

IED組態(tài)工具作為裝置配置工具的一部分，既可以供研發(fā)人員使用，也可以供工程人員使用，結(jié)合IED實(shí)例配置文件完成IED的組態(tài)。

3）動(dòng)態(tài)創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例

可使用諸如mmslite等軟件讀取CID文件，生成IEC61850通信實(shí)時(shí)信息庫(kù)。動(dòng)態(tài)創(chuàng)建配置的對(duì)象是依據(jù)對(duì)象組態(tài)接口文件為配置的對(duì)象動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間，并將該存儲(chǔ)空間的起始地址賦給相應(yīng)的表示對(duì)象的全局指針變量，未配置的對(duì)象其全局指針變量為空指針。例如，若配置了PTRC對(duì)象，則此時(shí)應(yīng)為其動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間，并將分配存儲(chǔ)空間的起始地址賦給全局指針變量PTRC1。

初始化對(duì)象是依據(jù)對(duì)象組態(tài)接口文件給表示對(duì)象私有屬性的變量賦初始值，給函數(shù)指針變量賦值以執(zhí)行配置的行為。保護(hù)測(cè)控IED的對(duì)象屬性與IEC61850通信實(shí)時(shí)信息庫(kù)關(guān)聯(lián)是依據(jù)對(duì)象組態(tài)接口文件把IEC61850通信實(shí)時(shí)信息庫(kù)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址賦給表示對(duì)象公有屬性的指針變量。

以三段式電流保護(hù)功能為例，IED對(duì)象之間的相互關(guān)系以及工作過程如圖5所示。報(bào)告和日志的管理、定值的操作、跳閘和重合閘報(bào)文的發(fā)布均嚴(yán)格遵循IEC61850-7-2。

圖5 三段式電流保護(hù)功能的IED對(duì)象交互圖Fig.5 Interaction diagram of IED objects of triple-segmentcurrentprotection

本文提出的面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法并不要求必須使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，可使用C語言。與使用分類數(shù)據(jù)表進(jìn)行數(shù)據(jù)映射的方法相比，本方法在空間和效率上更優(yōu)。

應(yīng)用本文方法，已開發(fā)了中低壓線路保護(hù)測(cè)控IED的功能軟件，并在基于PC機(jī)的智能變電站閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試，如圖6所示，結(jié)果表明保護(hù)測(cè)控功能和IEC61850通信功能均能夠正確實(shí)現(xiàn)。下一步工作是在嵌入式平臺(tái)上完成移植，滿足保護(hù)測(cè)控IED的各項(xiàng)性能要求。IED若使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，例如VxWorks，支持多任務(wù)處理和優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度，至少應(yīng)包括保護(hù)測(cè)控功能和IEC61850通信兩方面的任務(wù)，任務(wù)劃分方法可參考文獻(xiàn)[8，10]。

圖6 智能變電站閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 Closed-loop simulation testing system of smart substation

3 結(jié)語

本文提出了一種智能電子設(shè)備面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法，使IED功能軟件與IEC61850面向?qū)ο笮畔⒛Ｐ蜔o縫融合，不需要數(shù)據(jù)映射，易于實(shí)現(xiàn)IED功能的自由分布，軟件可擴(kuò)展性好，升級(jí)維護(hù)方便。不熟悉IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的工程人員通過使用可視化IED組態(tài)工具也能夠進(jìn)行IED的靈活組態(tài)，有利于智能變電站工程實(shí)施效率的提高。

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Object Oriented Software Design Method of Intelligent Electronic Device

FAN Jin1，GUO Ge2，NIU Litao3，WU Pengyue3，LUO Sibei4
（1.SchoolofElectronic Engineering，Xi'an University ofPosts and Telecommunications，Xi'an 710061，China；2.Pingdingshan IndustrialCollege ofTechnology，Pingdingshan 467001，China；3.Xi'an ThermalPower Research Institute Co.Ltd.，Xi'an 710032，China；4.SchoolofAgricultural Engineering，Henan University ofScience&Technology，Luoyang 471003，China）

Data mapping method brings aboutthe complexity and low efficiency ofintelligentelectronic device（IED）software，and can not utilize SCL files to flexibly configure IED functions.In order to resolve this problem，the object oriented design based on the objectorientation of IEC61850 is adopted at the information source.According to IED capability description（ICD）file，IED objects are constructed；through importing configured IED description（CID）file，an IED configuration tool is used to flexibly configure the objects required for the IED running；when IED runs，multiple IED objects interactto implementthe device functions.And then，the applicability ofthis method under differentkinds ofhardware platforms is discussed.Finally，this method is applied to the software design ofbay protection and control IED，and the purposes ofmerging seamlessly the functionalsoftware of IED and the objectoriented information modelofIEC61850 and configuring flexible IED functions via SCL files are achieved.

smartsubstation；InternotionalElectrotechnicalCommission 61850（IEC61850）；intelligentelectronic device（IED）；objectoriented；softwaredesign

TM73

A

1003-8930（2015）03-0087-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.16

范瑾（1983—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與電磁波、軟件設(shè)計(jì)。Email：preetyfj@sina.com

2013-08-13；

2013-11-27

專利項(xiàng)目：一種數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)方法（ZL2010 0247359.0）

郭歌（1986—），女，本科，助教，研究方向?yàn)檐浖こ毯蛙浖_發(fā)。Email：bagegg718@163.com

牛利濤（1980—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備調(diào)試。Email：niulitao1980@126.com