摘 要： IEC61850是將來變電站無縫通信體系的基礎(chǔ)，國內(nèi)對IEC61850的研究還主要停留在理論層面上，對它的實際應(yīng)用的研究并不多見，本文從實際應(yīng)用角度出發(fā)，以故障錄波通信系統(tǒng)為目標(biāo)，采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，詳盡分析了基于IEC61850的IED(故障錄波器)的建模，傳輸中數(shù)據(jù)庫的建立、數(shù)據(jù)鏈接以及ASCI到具體通信棧的映射的實現(xiàn)，并通過PC機得到模擬結(jié)果，取得了較理想的結(jié)果，為工業(yè)變電站自動化應(yīng)用IEC61850做了前瞻性工作。
關(guān)鍵詞： IEC61850；MMS；故障錄波；數(shù)據(jù)通信；面向?qū)ο?/font>
故障錄波信息系統(tǒng)構(gòu)成從故障錄波裝置到變電站子站、主站側(cè)的前置、主站側(cè)的數(shù)據(jù)庫、主站側(cè)的應(yīng)用服務(wù)器，直至主站側(cè)客戶端的一個完整的信息傳輸、處理、應(yīng)用的過程，是一個典型的分散分級數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)匯集的過程。采用IEC61850的故障錄波信息系統(tǒng)所提供的對象調(diào)用將極大地滿足主站實時數(shù)據(jù)調(diào)用的自由度和效率，從調(diào)度端的應(yīng)用出發(fā)，發(fā)揮最大效能最迫切、最實際的就是首先在變電站加速建立符合IEC61850和制造報文規(guī)范(MMS)的故障錄波信息系統(tǒng)模型，這樣，調(diào)度端對錄波數(shù)據(jù)獲取將完全是面向?qū)ο?、面向目?biāo)應(yīng)用和面向點對點通信。
完成錄波系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的主要工作有:建立錄波系統(tǒng)(IED)抽象模型、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、ASCI-MMS映射、網(wǎng)關(guān)設(shè)計和數(shù)據(jù)連接等。VMD中應(yīng)有唯一的標(biāo)識，同時其屬性不僅要滿足現(xiàn)有IED的屬性定義和操作，以實現(xiàn)對實設(shè)備IED的控制，并實現(xiàn)實設(shè)備VMD的屬性向IEC61850定義的邏輯節(jié)點(LN)構(gòu)成的邏輯設(shè)備的映射，同時實現(xiàn)其IEC61850和MMS與主站通信。
1 錄波系統(tǒng)通信建模
對于錄波系統(tǒng)通信模型，采用擴展的RADE和RBDE分別描述模擬通道和數(shù)字通道以便對IEEE-COMTRADE通道數(shù)據(jù)進行全局性標(biāo)識。由于IEC61850沒有規(guī)定以文件方式交換錄波系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信方式，本文建立了錄波系統(tǒng)的通信功能模型，如圖1所示。
RADE和RBDE分別描述模擬通道和數(shù)字通道。對每一通道建模一個RADE或RBDE實例。以對IEEE-COMTRADE通道數(shù)據(jù)進行全局性標(biāo)識以及進行配置描述。RADE和RBDE的cmtCfg數(shù)據(jù)項(CHNDT類型)用于描述該通道與信號源設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系以及描述承載該通道數(shù)據(jù)的IEEE-COMTRADE文件和與文件中通道編號的對應(yīng)關(guān)系。IEDM用于建模錄波系統(tǒng)的通知和交換功能。擾動記錄裝置每次動作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要形成或分解成多個IEEE-COMTRADE數(shù)據(jù)文件(.DAT)，根據(jù)數(shù)據(jù)文件的個數(shù)，建模IEDM實例的個數(shù)。IEDM的chgEvt數(shù)據(jù)項用于通知新擾動記錄的產(chǎn)生以及對應(yīng)的.HDR.CFG.INF文件的更改。其中，
ehgEvt.eelssx(x=1到5)將反應(yīng)本次事件的觸發(fā)條件：ChgEvt.eClssl為TRUE表示發(fā)生了1類事件，一般指
.HDR.CFG.INF文件的更改事件；
chgEvt.eclss2為TRUE表示發(fā)生了2類事件，一般指新擾動記錄產(chǎn)生的事件；
chgEvt.eclss3為TRUE表示發(fā)生了3類事件，一般指有持續(xù)5 ms以內(nèi)的模擬量波形的突變；
chgEvt.eclss4為TRUE表示發(fā)生了4類事件，一般指有持續(xù)5 ms以上的模擬量波形的突變；
chgEvt.eclss5為TRUE表示發(fā)生了5類事件，一般指有數(shù)字量波形的突變。
chgEvt.FileName屬性用于指定事件所涉及文件的文件名。
2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
2.1 實時數(shù)據(jù)庫的總體規(guī)劃
實時數(shù)據(jù)庫管理實時數(shù)據(jù)以及與實時數(shù)據(jù)有關(guān)的信息，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比，主要在調(diào)度機制、并發(fā)控制機制和事務(wù)管理方面有較大的區(qū)別。實時應(yīng)用是具有定時限制的數(shù)據(jù)庫任務(wù)，它是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的服務(wù)對象，也是實時事務(wù)產(chǎn)生的源泉?；诖?，本文將從實時調(diào)度、實時并發(fā)控制與數(shù)據(jù)管理三方面設(shè)計面向?qū)ο髮崟r數(shù)據(jù)庫。
2.2 實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法
通過解析IEC 61850中的變電站描述語言SCL，根據(jù)SCL的內(nèi)容，動態(tài)創(chuàng)建和管理實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，調(diào)用IEC61850類庫中相關(guān)類的定義，動態(tài)地創(chuàng)建面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)和服務(wù)。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建基于IEC61850協(xié)議的面向?qū)ο髢?nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并通過對此面向?qū)ο髢?nèi)存數(shù)據(jù)庫添加相應(yīng)的實時性約束，將其最終創(chuàng)建為滿足實時性要求的基于IEC61850協(xié)議規(guī)定的面向?qū)ο髮崟r數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
主要步驟如圖2所示，包括以下3步：
(1)利用XMLDOM，依據(jù)IEC61850-6中SCL的描述，動態(tài)創(chuàng)建內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
(2)根據(jù)IEC61850類庫提供的相關(guān)類的定義，創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和服務(wù)，并將這些數(shù)據(jù)和服務(wù)添加到對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
(3)為面向?qū)ο蟮膬?nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，添加實時調(diào)度算法和并發(fā)控制策略等實時性約束條件，使之最終能夠建成面向?qū)ο蟮膶崟r數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
在這3步中，對于第一部分而言，主要工作包括數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的動態(tài)創(chuàng)建、動態(tài)管理、數(shù)據(jù)對象的添加和刪除等基本工作；第二部分的工作主要是根據(jù)IEC61850類庫所提供的數(shù)據(jù)類和相關(guān)服務(wù)，初步實現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象的一些基本操作功能，如數(shù)據(jù)對象的基本讀、寫、修改等操作。這兩步工作的結(jié)果在內(nèi)存中動態(tài)創(chuàng)建基于IEC61850協(xié)議的面向?qū)ο蟮膬?nèi)存數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)存數(shù)據(jù)對象和服務(wù)。第三部分工作的主要功能是為這個基于IEC61850協(xié)議的面向?qū)ο蟮膬?nèi)存數(shù)據(jù)庫添加實時性約束，根據(jù)實時事務(wù)的輕重緩急決定哪個實時事務(wù)在何時執(zhí)行，使之既能夠滿足實時性的要求，又能夠滿足數(shù)據(jù)庫邏輯一致性，并最終將此內(nèi)存數(shù)據(jù)庫設(shè)計成為滿足實時性要求的面向?qū)ο蟮膶崟r數(shù)據(jù)庫。
3 ASCI類到MMS的映射實現(xiàn)
ASCI類向MMS映射需要將ACSI類的屬性結(jié)構(gòu)映射為MMS類的一個或多個字段的值。這種映射可以看作是ACSI類的MMS封裝。下面以邏輯節(jié)點類的映射為例加以說明。邏輯節(jié)點類的實例被映射為一個MMS的有名變量對象。MMS有名變量類的ASN.1描述如下：
NAMED-VARIABLE ::= CLASS
{ &name ObjectName，
&accessControl Identifier，
&typeDescription TypeDescription，
&value Data，
&accessMethod ENUMERATED
{
public ，
anythingElse ，
... }，
&address Address ，
&meaning ObjectName
}
以上類定義中的字段類型TypeDescription是一個用于嵌套的、分層的描述一個數(shù)據(jù)類型的結(jié)構(gòu)，它的值可以完整地確定一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Data則是用于存儲相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)的值的結(jié)構(gòu)。在實現(xiàn)MMS映射時，邏輯節(jié)點的屬性結(jié)構(gòu)可以映射為MMS有名變量的TypeDescription的一個值，相應(yīng)的邏輯節(jié)點實例的值映射為按TypeDescription指定的用Data結(jié)構(gòu)存儲的值。這個類型描述的生成可按如下算法實現(xiàn)：
針對IEC61850定義的每一功能約束(FC)的值c，進行如下操作：
(1)對于邏輯節(jié)點中的每一成員DATA(d)，
?、俪跏蓟豢战Y(jié)構(gòu)s；
②如果在功能約束c下產(chǎn)生的功能約束數(shù)據(jù)FCD非空，則在結(jié)構(gòu)s中添加一個成員到結(jié)構(gòu)s，成員的名稱為d，類型為由FCD確定的類型。
③重復(fù)①、②，直到邏輯節(jié)點所有成員被處理。
(2)如果結(jié)構(gòu)s非空，則在生成的TypeDescription中添加一個以功能約束值c為名稱成員，其類型為結(jié)構(gòu)s。
(3)重復(fù)(1)、(2)，直到所有功能約束值被處理。
如果一個功能約束值在任何成員上產(chǎn)生的FCD均空，則這個功能約束值將不作為有名變量的TypeDescription的一個成員出現(xiàn)。
4 通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計
設(shè)備接口模塊使用同設(shè)備相同的通信協(xié)議，實現(xiàn)同設(shè)備的通信，并將收到的點信息存放到一個點信息表結(jié)構(gòu)中。針對設(shè)備采用的通信協(xié)議不同，可以設(shè)計不同的設(shè)備接口模塊，但它們完成的功能是相同的，即點信息的采集和發(fā)送。基于IEC 61850和MMS的通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
點信息表是一個針對設(shè)備發(fā)送的點信息設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它應(yīng)滿足設(shè)備點信息的唯一標(biāo)識，例如通過一個點ID號，還應(yīng)具備存儲點信息值的能力。由于設(shè)備接口模塊和MMS服務(wù)器可能同時訪問(讀寫操作)點表中信息，因此應(yīng)為每一個點信息增加一個標(biāo)志(互斥信號量)，以實現(xiàn)對點表信息的互斥訪問。此外還可以包含點信息的含義、數(shù)據(jù)類型等信息。點信息表的結(jié)構(gòu)也會因設(shè)備傳輸?shù)狞c信息的不同而不同。
5 數(shù)據(jù)連接過程
在故障錄波數(shù)據(jù)傳輸中采用客戶-服務(wù)器模型，服務(wù)器端程序?qū)崿F(xiàn)IEC61850的變電站智能電子設(shè)備代理功能，主要是調(diào)用前面定義的SCL解析程序，根據(jù)配置文件描述，采用ACSI動態(tài)連接庫的調(diào)用，生成IEDs的代理并初始化，然后發(fā)布61850 Server服務(wù)器，等待客戶訪問，同時啟動服務(wù)器端的事件監(jiān)視功能，完成報告、記錄的更新。客戶端程序調(diào)用ACSI動態(tài)連接庫中沒有具體實現(xiàn)的版本，也就是接口定義部分，接口定義的主要作用就是讓客戶程序知道每個類的具體方法，客戶并不關(guān)心實現(xiàn)，只要調(diào)用所需方法，就可以獲得所需要的結(jié)果：
InitClient()；//本地安全控制；
TcpChannel chan=new TcpChannel()；
ChannelServices.RegisterChannel(chan)；//注冊信道；
abc=(SERVER)Activator.GetObject(typeof(SERVER)，'tcp://202.206.215.119:8085/SERVER')；//得到遠程對象；
…………//遠程調(diào)用過程；
5.1 建立連接階段
建立連接的過程可以用一個服務(wù)原語的序列來描述：首先客戶端發(fā)出N-CONNECT.REQUEST原語，服務(wù)器端接收N-CONNECT.INDICATION原語并返回N-CONNECT.RESPONSE原語，客戶端接收N-CONNECT.CONFIRMATION原語。當(dāng)用TCP實現(xiàn)時，為了實現(xiàn)N-CONNECT.REQUEST，客戶端TS(OSI傳輸服務(wù))提供者使用指定的IP地址和特定的端口執(zhí)行TCP-OPEN_PORT操作。在服務(wù)器端通過N-CONNECT.INDICATION事件通知連接指示的產(chǎn)生。為了捕獲N-CONNECT.INDICATION事件，服務(wù)器端需預(yù)先執(zhí)行TCP-LISTEN_PORT動作，監(jiān)聽特定端口(102端口)，當(dāng)一個客戶成功連接到這個端口，TCP-CONNECTED事件發(fā)生時，執(zhí)行N-CONNCET.RESPONSE動作。在這個過程中，服務(wù)器端的地址是IP地址加上端口號，客戶端地址是一個IP地址，其他參數(shù)不進行映射。
5.2 數(shù)據(jù)傳輸階段
為了執(zhí)行N-DATA.REQUEST動作，TS提供者首先將構(gòu)造好的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元(TPDU)傳遞給NS(網(wǎng)絡(luò)層服務(wù))服務(wù)提供者，NS服務(wù)提供者再將TPDU封裝成稱為TPKT的報文單元(TPKT的定義將在下節(jié)介紹)，然后利用TCP-SEND_DATA傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達對端后，TCP通過TCP-DATA_READY事件表示數(shù)據(jù)到達，并觸發(fā)N-DATA.INDICATION事件，TS用戶通過TCP-READ_DATA讀取數(shù)據(jù)。
5.3 釋放連接階段
為了執(zhí)行N-DISCONNECT.REQUEST動作，TS提供者只需通過TCP-CLOSE原語關(guān)閉TCP連接即可。TCP-CLOSED事件表明連接已關(guān)閉。
作為未來電力系統(tǒng)無縫通信的基礎(chǔ)，IEC61850定義了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的抽象通信服務(wù)接口，并采用特殊通信服務(wù)映射的方式映射到多種具體的通信協(xié)議。MMS是其中最為重要的一個應(yīng)用層通信協(xié)議，本文研究了基于IEC61850/MMS的電力錄波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了錄波數(shù)據(jù)傳輸中對61850規(guī)約的解析，以及到通信棧的映射，取得一定的成果。
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