IEC61850擴(kuò)展應(yīng)用方法

額爾德木吐 汪巨森 肖政

摘 要：當(dāng)代信息化和自動(dòng)化項(xiàng)目面臨不同專業(yè)領(lǐng)域之間的資源共享和互操作等難題，IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)處理這方面問(wèn)題具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，掌握和采用IEC61850建模和信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍之外的擴(kuò)展應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)裝置、項(xiàng)目和系統(tǒng)的全生命周期管理，以及同類技術(shù)可無(wú)縫重用、消除信息壁壘、實(shí)現(xiàn)互操作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：互操作;資源共享;全生命周期管理;通信接口;業(yè)務(wù)模型;智能系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-06

0 引 言

在信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展形勢(shì)下，在國(guó)家的大力推動(dòng)下，諸如智能樓宇、智慧園區(qū)、智慧城市、智慧工場(chǎng)等涉及多個(gè)專業(yè)的綜合性項(xiàng)目需求越來(lái)越多，信息深度融合的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。

在涉及多個(gè)不同專業(yè)信息融合應(yīng)用的過(guò)程中，原本各自自成體系的應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)了互操作的需求，作為系統(tǒng)提供商，如何提高系統(tǒng)效率、充分共享資源、減少開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本，成為當(dāng)今產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)。

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)是以解決電網(wǎng)智能設(shè)備之間互操作問(wèn)題為目的的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在電網(wǎng)系統(tǒng)之外掌握和擴(kuò)展應(yīng)用IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)方法同樣具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 當(dāng)前的問(wèn)題

從當(dāng)前智能電網(wǎng)、智能樓宇、智慧園區(qū)、智慧城市、智慧工場(chǎng)等項(xiàng)目的實(shí)施情況看，在實(shí)現(xiàn)互操作和信息的融合過(guò)程中，不同標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行適應(yīng)的代價(jià)凸顯，主要表現(xiàn)為需要花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換;另一方面，資源浪費(fèi)的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，表現(xiàn)為各專業(yè)都獨(dú)自開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)共享能力差、信息壁壘，缺乏分工協(xié)作的紐帶，導(dǎo)致軟硬件及數(shù)據(jù)無(wú)法共用、無(wú)法統(tǒng)一部署等問(wèn)題。隨著項(xiàng)目的建設(shè)和發(fā)展，系統(tǒng)的可維護(hù)性、可操作性及實(shí)施成本都面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

作為技術(shù)和產(chǎn)品供應(yīng)商，如果不及時(shí)注意調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)思路，會(huì)給產(chǎn)品推廣帶來(lái)不同程度的障礙。作為項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位，若不能有效約束供應(yīng)商的行為，很難保證設(shè)計(jì)性能與裝備及系統(tǒng)制造商提供的性能一致，項(xiàng)目維護(hù)方面、使用方面都面臨極大的維護(hù)工作量和管理難度。

由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)裝置、項(xiàng)目和系統(tǒng)的全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)同類技術(shù)可無(wú)縫重用、消除信息壁壘、實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的互操作是當(dāng)務(wù)之急。

2 解決方法及措施

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程和原理角度分析，不同領(lǐng)域的自動(dòng)化和信息化產(chǎn)業(yè)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程和原理上存在諸多共性，這為實(shí)現(xiàn)技術(shù)可無(wú)縫重用、資源共享提供了條件，這些共性往往是平臺(tái)級(jí)別的，若實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和業(yè)務(wù)去除耦合，即可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)級(jí)別的資源共享。在未出臺(tái)正式的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之前，選擇這方面相對(duì)完善的領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用是較好的解決方法。

電力自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)作為整個(gè)自動(dòng)化和信息化產(chǎn)業(yè)的一個(gè)分支，在實(shí)現(xiàn)裝置、項(xiàng)目和系統(tǒng)的全生命周期管理，以及同類技術(shù)可無(wú)縫重用、消除信息壁壘、實(shí)現(xiàn)互操作等方面有較早的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其中最有代表性的是IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)。

自從國(guó)際電工委員會(huì)TC57在2004年制定并頒布第一版IEC61850標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，IEC61850建模技術(shù)和通信技術(shù)在數(shù)字化變電站和智能站得到了大量應(yīng)用。IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是：采用配置語(yǔ)言，在信息源定義數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性;采用對(duì)象建模技術(shù)，面向設(shè)備建模和自我描述以適應(yīng)應(yīng)用功能的需要和發(fā)展，滿足應(yīng)用開(kāi)放互操作性要求;根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，制定了滿足實(shí)時(shí)信息和其他信息傳輸要求的服務(wù)模型;采用抽象通信服務(wù)接口并可映射到具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧;定義和傳輸元數(shù)據(jù)，擴(kuò)充數(shù)據(jù)和設(shè)備管理功能;快速傳輸變化值;數(shù)字化傳輸采樣測(cè)量值等。IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)還提出了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的總體要求，制訂了系統(tǒng)、項(xiàng)目管理規(guī)范和一致性測(cè)試規(guī)范，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系為裝置、項(xiàng)目和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全生命周期管理提供了技術(shù)手段。

因IEC61850標(biāo)準(zhǔn)具有極強(qiáng)的兼容性，TC57在IEC61850正式版發(fā)布之后相繼制訂了IEC61850-7-4x，IEC61850-80和IEC61850-90等系列擴(kuò)展應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，原來(lái)的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)正發(fā)展推廣應(yīng)用到配電自動(dòng)化、分布式能源、電動(dòng)汽車、水電廠、廣域網(wǎng)、Web應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)工程、主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)等領(lǐng)域。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)組織“一個(gè)世界一個(gè)技術(shù)”的理念有助于解決自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)中的技術(shù)重用性差、信息壁壘、互操作困難等問(wèn)題。

下面從IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)項(xiàng)目和系統(tǒng)產(chǎn)生作用的原理出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目需求，通過(guò)舉例說(shuō)明利用IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前IEC61850標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍之外領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用的可行性和帶來(lái)的好處。

2.1 基本原理

從智能設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及使用角度看，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作用于智能設(shè)備和系統(tǒng)的一般過(guò)程是：按照IEC61850 建模規(guī)則構(gòu)建智能電子設(shè)備（IED）模型（icd文件），進(jìn)而通過(guò)配置工具構(gòu)建系統(tǒng)模型（scd文件），智能電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)加載經(jīng)配置好的模型文件（cid文件），并與一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的統(tǒng)一的IEC61850服務(wù)內(nèi)核關(guān)聯(lián)，生成智能電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互引擎和對(duì)外信息通信功能，智能電子設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)交互引擎與設(shè)備本地功能模塊進(jìn)行信息交互，通過(guò)對(duì)外信息通信功能與系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備或主站進(jìn)行信息交互。智能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的IEC61850系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的通信，智能系統(tǒng)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)的方式可以是加載scd模型或者通過(guò)通信獲取設(shè)備信息建立，智能系統(tǒng)還可通過(guò)IEC61850系統(tǒng)內(nèi)核與系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步生成系統(tǒng)功能引擎，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化。設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間通過(guò)通信功能攜帶操作語(yǔ)義和數(shù)據(jù)完成互操作。

對(duì)于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)模型模版尚未覆蓋的領(lǐng)域，若采用IEC61850方式進(jìn)行建模，上述方法仍然適用。

在智能電子設(shè)備命名空間（IEDstruct）情形下，IEC61850對(duì)智能電子設(shè)備建模的方式是：把一個(gè)物理設(shè)備劃分為一個(gè)或多個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的邏輯設(shè)備（LD），每個(gè)LD由若干具有特定功能的邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）構(gòu)成，每個(gè)LD通常包含兩個(gè)缺省的邏輯節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是帶有公共屬性的邏輯節(jié)點(diǎn)零（LLN0），一個(gè)是物理裝置信息邏輯節(jié)點(diǎn)（LPHD），此外便是專用邏輯節(jié)點(diǎn)。所有邏輯節(jié)點(diǎn)的建模原則都是從IEC61850-7-4或IEC61850-7-4X選擇兼容的邏輯節(jié)點(diǎn)類模版進(jìn)行建模。每個(gè)兼容的邏輯節(jié)點(diǎn)類模版由若干個(gè)數(shù)據(jù)（DO）組成，IEC61850-7-3為數(shù)據(jù)定義了兼容的數(shù)據(jù)類，邏輯節(jié)點(diǎn)模版中的每個(gè)DO是基于這些兼容數(shù)據(jù)類的實(shí)例，兼容數(shù)據(jù)類指明了數(shù)據(jù)的屬性組成和功能特性。這些數(shù)據(jù)類具有很強(qiáng)的兼容性，被證明可以被大多自動(dòng)化過(guò)程引用。

國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)中其他技術(shù)委員會(huì)推薦使用的分類標(biāo)識(shí)為：H，水電;F，燃料電池;W，風(fēng)能;O，太陽(yáng)能;B，電池;N，發(fā)電廠。在沒(méi)有兼容邏輯節(jié)點(diǎn)模版可供參考的情況下，可以參照兼容邏輯節(jié)點(diǎn)模版的定義規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展方法所建立的模型仍然可以具有較好的自動(dòng)化特性和互操作特性，如果據(jù)此進(jìn)一步申請(qǐng)TC57的支持，還可能被吸收為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 應(yīng)用舉例

目前IEC61850標(biāo)準(zhǔn)尚未覆蓋視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識(shí)別系統(tǒng)這兩個(gè)系統(tǒng)，本文選取這兩個(gè)有交互需求的案例舉例說(shuō)明IEC61850建模和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前IEC61850標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍之外領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用方法。

2.2.1 需求分析

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能組成是視頻數(shù)字化、視頻控制、視頻存取、視頻檢索、視頻播放。

人臉識(shí)別系統(tǒng)的基本功能組成是特征庫(kù)的建立、視頻數(shù)字化采樣、特征抽取、特征比對(duì)、分析結(jié)果存儲(chǔ)、分析結(jié)果應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)兩者的互操作，可以實(shí)現(xiàn)很多新的應(yīng)用。例如，可對(duì)原有錄制的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行人臉識(shí)別分析，得出某一段時(shí)間內(nèi)某一場(chǎng)合的活動(dòng)人數(shù)，各人員的活動(dòng)軌跡及同行人員情況，還可按人員、時(shí)間、地點(diǎn)結(jié)合對(duì)原有視頻系統(tǒng)進(jìn)行檢索和播放，大大提高檢索效率。

兩者在功能模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中如果實(shí)現(xiàn)功能模塊之間的通信標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口，便可以充分利用資源，提升開(kāi)發(fā)效率。如共用攝像頭技術(shù)、視頻圖像存取技術(shù)及視頻采集與控制技術(shù)等。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識(shí)別系統(tǒng)模塊交互需求如圖2所示。

2.2.2 解決措施

本文采用IEC61850信息建模和通信規(guī)范解決上述需求。

首先，從操作需求和通信需求的角度出發(fā)，找出視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人臉識(shí)別系統(tǒng)各功能，以及兩者結(jié)合時(shí)功能之間的相互操作需求（也可稱之為通信需求）。本文案例中，攝像功能模塊的操作需求為：獲取攝像機(jī)配置信息，包括型號(hào)、安裝位置、出廠日期、設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前模式等信息;控制攝像機(jī)的云臺(tái)方向和圖像捕獲、圖像輸出等參數(shù);接收攝像機(jī)數(shù)據(jù)，包括塊序號(hào)、塊類型、存儲(chǔ)塊大小、格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容、時(shí)間范圍等。視頻存取模塊的操作需求為：設(shè)定視頻存取的位置、文件名，啟動(dòng)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)等。人臉?lè)治瞿K的操作需求為：分析特征設(shè)定，包括特征文件路徑;分析對(duì)象設(shè)定，包括源路徑、源位置范圍/源時(shí)間范圍;分析控制，包括源路徑、啟動(dòng)標(biāo)志等;分析結(jié)果信息獲取，包括源路徑、結(jié)果類別、結(jié)果值等。視頻播放模塊的操作需求為：設(shè)定播放的源路徑，設(shè)定播放的起始位置，設(shè)定播放的圖像參數(shù)，包括播放速度、播放幅面、畫(huà)面明暗度等。視頻檢索模塊的操作需求為：設(shè)定檢索方式，輸入檢索條件，啟動(dòng)檢索等。

其次，為每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作功能建模，分別形成可供復(fù)用的邏輯節(jié)點(diǎn)模版。與電力系統(tǒng)同樣的道理，可以將視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行分層處理，攝像機(jī)作為圖像數(shù)字化轉(zhuǎn)換設(shè)備可以列入過(guò)程層設(shè)備，視頻在線記錄存儲(chǔ)和人臉?lè)治鲈O(shè)備可以列入間隔層設(shè)備，分析結(jié)果記錄存取、視頻檢索、視頻播放功能劃歸站級(jí)設(shè)備。但由于目前標(biāo)準(zhǔn)尚未給視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識(shí)別系統(tǒng)分配邏輯節(jié)點(diǎn)名，為了向標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡，這里不創(chuàng)建新的邏輯節(jié)點(diǎn)名，僅以“GGIO（通用輸入輸出）”為基本模版，演示如何創(chuàng)建符合IEC61850建模規(guī)則的擴(kuò)展應(yīng)用模型。根據(jù)第一步互操作需求分析的結(jié)果及引用通用建模方法，可以創(chuàng)建類似下面的邏輯節(jié)點(diǎn)模版，以下邏輯節(jié)點(diǎn)模版創(chuàng)建了部分新的數(shù)據(jù)關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字通過(guò)字段“desc”進(jìn)行表述，在實(shí)現(xiàn)互操作過(guò)程中將有確切的含義。

3 工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

從上文介紹的方法可以看出，應(yīng)用上述方法可以從根本上改變項(xiàng)目、裝備和系統(tǒng)的工程實(shí)施模式，工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)可歸納為如下幾個(gè)方面：

（1）資源共享：充分利用數(shù)據(jù)的數(shù)字化共享特性，保證了系統(tǒng)內(nèi)軟硬件資源共享。

（2）業(yè)務(wù)與計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了解耦：業(yè)務(wù)可以形成組件庫(kù)，從而在資源具備的前提下靈活分配，也為平臺(tái)的批量化制造提供了解決方案。

（3）互操作性：設(shè)備和系統(tǒng)模型包含的確定的語(yǔ)義，提供了設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與系統(tǒng)之間良好的互操作特性。

（4）管理：模型可以作為核心紐帶，貫穿設(shè)備和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、功能開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、測(cè)試、維護(hù)全過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期管理。

（5）快速構(gòu)建新的應(yīng)用：通過(guò)模型配置可以快速定義新的功能搭配關(guān)系，從而快速實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從當(dāng)代信息化和自動(dòng)化項(xiàng)目面臨的實(shí)際問(wèn)題和客觀需求出發(fā)，圍繞互操作、資源共享等問(wèn)題，介紹了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建模和通信技術(shù)的基本原理，并舉例說(shuō)明了擴(kuò)展利用IEC61850進(jìn)行項(xiàng)目需求分析、業(yè)務(wù)建模、實(shí)例化裝置及裝置自動(dòng)化的方法。該方法具有眾多優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了資源共享、互操作、對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期管控的需求，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]全國(guó)電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)委會(huì).變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（第6部分）：與智能電子設(shè)備有關(guān)的變電站內(nèi)通信描述語(yǔ)言DL/T 860.6-2008/IEC61850-6：2004[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2008：6.

[2]全國(guó)電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)委會(huì).變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（第7-1部分）：變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)原理和模型DL/T 860.71-2006/IEC61850-7-1：2003[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2006：9.

[3]全國(guó)電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)委會(huì).變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（第7-2部分）：變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)抽象通信服務(wù)接口（ACSI）DL/T 860.72-2004/IEC61850-7-2：2003[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2004：4.

[4]全國(guó)電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)委會(huì).變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（第7-3部分）：變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)公共數(shù)據(jù)類DL/T 860.73-2004/IEC61850-7-3：2003[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2004：10.

[5]全國(guó)電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)委會(huì).變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（第7-4部分）：變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)兼容邏輯節(jié)點(diǎn)類和數(shù)據(jù)類DL/T 860.74-2006/IEC61850-7-4：2003[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2006：9.

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