104规约向IEC61850信息模型转换的研究与实现
收稿日期:20072052301
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60574037)1
104规约向IEC 61850信息
模型转换的研究与实现
李 强,朱永利,董志敏
(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003)
摘要:面向点的传统规约向面向对象技术的IEC 61850转换是网络技术发展的必然趋势。文章在深入研究
IEC 60870-5-104和IEC 61850协议的基础上,建立了一种兼顾现有系统又遵循IEC 61850的新型电力远动
通信系统网络结构。通过应用XML Schema 技术对协议映射建模这种新的规约映射方法来设计规约转换网关。该转换网关是利用以太网通信、信息建模以及XML 等技术来实现传统通信协议与IEC 61850协议的无缝转换,它具有配制灵活、通用性强的优点。
关键词:IEC 60870-5-104;IEC 61850;XML Schema ;转换网关;无缝通信
中图分类号:TM764 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2008)02-0098-05
Research and implementation of conversion of 104
protocol toward IEC 61850information model
L I Qiang ,ZHU Y ong 2li ,Dong Zhi 2min
(School of Electrical and Electronic Engineering ,North China Electric Power University ,Baoding 071003,China )Abstract :The conversion of traditional protocol of the dot 2oriented technique toward object 2oriented IEC 61850is an inevitable trend.Based on the in 2depth study on IEC60870-5-104and IEC 61850,a new network architecture of telecontrol communication which puts both the existing system and IEC 61850into consideration is established .Through applying a new protocol mapping method that uses XML Schema technology to model the protocol mapping ,a conversion gateway is designed.The gateway uses the technique of Ethernet Communication ,Information Modeling and XML to realize the seamlessly conversion between the traditional communication protocol and IEC 61850,it is en 2abled to have the characteristics of smart configuration and strong universality.
K ey w ords :IEC 60870-5-104;IEC 61850;XML Schema ;conversion gateway ;seamless communication
0 引 言
目前,在我国电力系统远动信息交换中使用较多的是IEC60870-5-104。在新的网络化规约陆续出台的今天,将采用旧通信规约的远动系统纳入新型网络化远动系统的体系结构中,在保持原有系统结构和设备不变的情况下使其与最新的国际标准接轨。这是实现电力系统无缝远动通信
的重要环节。
文章在对IEC60870-5-104和IEC 61850协议进行深入研究的基础上,针对IEC 61850所定义的数据结构和104数据单元格式的特点,提出了104规约向IEC 61850规约进行映射和转换的方法,并详细描述了它基于XML 技术的具体实现过程,为新旧规约之间的转换创造了条件。
1 IEC 60870-5-104标准简介
IEC60870-5-104远动规约(以下简称104规约)的网络参考模型可分为5层:物理层、链
第35卷第2期2008年3月
华北电力大学学报Journal of
North China Electric Power University
Vol 135,No 12
Mar 1,2008
路层、网络层、传输层和应用层。在应用层以下
104规约采用标准的TCP/IP网络传输协议,从而得到可靠的连接。在应用层,应用规约数据单元由应用规约控制信息(APCI)和应用服务数据单元(ASDU)组成。
ASDU的结构如图1所示。104的ASDU中仅存在公共地址域,取消了原来101的ASDU中的链路地址域,这是因为104规约的IP层已经通过IP地址确认了主站和子站的位置,不需要再通过其他地址来确认。公共地址既可以是实际存在的R TU地址,也可以是虚拟R TU地址以扩充容量。
ASDU ASDU域
数据单元标识数据单元类型类型标识
可变结构限定词
传送原因
公共地址
信息体信息体地址
信息体元素
信息体时标
图1 应用服务数据单元结构
Fig11 Architecture of ASDU
2 IEC61850的特性分析
IEC TC57技术委员会于2004年正式出台了IEC61850标准,即变电站内通信网络和系统的标准。它实现了在变电站内从过程层到间隔层到变电站层和从变电站到调度中心通信的一致性,并且彻底解决了不同厂商产品之间的互操作性问题。
与传统的电力系统通信规约相比IEC61850具有如下突出特点:采用分层、分布的体系结构,便于功能的自由分配;采用面向对象的信息建模技术,在信息源定义数据和数据属性,使维护和管理更加方便;使用抽象通信服务接口AC2 SI、特殊通信服务映射SCSM技术,与具体的网络应用层协议无关,能适应网络技术的不断发展;采用配置描述语言进行设备自描述,易于实现功能扩展和设备即插即用;整个电力系统统一建模,易于实现无缝体系结构;采用面向未来的、开放的体系,能有效延长自动化系统的生命周期,有效节省人力、物力。另外还定义了系统的一致性测试内容[6]。3 基于XML的远动通信协议转换
311 规约转换的理论
为了使现有变电站自动化系统向完全遵循IEC61850标准的变电站自动化系统平滑过渡,新型远动系统必须既要满足现有系统要求又能符合未来发展趋势。本文建立的基于IEC61850的无缝远动通信体系结构如图2所示。该系统可利用SDH电力通信专网的高带宽、高传输速率及高可靠性等特点将多个调度中心和多个变电站的远程终端设备及智能电子设备通过广域网相连。变电站的协议转换网关和遵循IEC61850标准并具有网络接口的IED都可作为独立的网络节点而被分配IP地址,
它们可直接向站控层的局域网或控制中心通信服务器传送信息,这种变电站IED直接上网的通信方式与传统方式相比,能极大提高数据传输速度。
图2 基于IEC61850的无缝远动通信体系结构
Fig12 The seamless telecontrol communication
structure figure of IEC61850
104规约同IEC61850的转换工作主要在转换网关中完成。网关一方面作为主站通过104规约把变电站的远动信息收集上来;另一方面,又充当服务器,采用IEC61850通信规约为控制中心提供服务。104规约和IEC61850分别采用面向点和面向对象的信息描述方法,它们有不同的信息模型。因此要把104规约上传的远动数据按IEC61850规约定义的信息模型重新组织起来。如图3所示,具体的规约转换工作可分为以下3步:
(1)规约接收和解析。104报文通过以太网通信方式来接收,然后,解析成遥测遥信等变电站信息,并将这些信息存入实时数据库中。
(2)IEC61850信息模型的建立。根据IEC
99
第2期 李 强,等:104规约向IEC61850信息模型转换的研究与实现
61850标准中的定义以及变电站信息,建立104规约向IEC61850转换网关的信息模型。
(3)数据映射。将实时数据库中解析完成的变电站信息向对应的转换网关模型的数据对象属性进行映射
。图3 104规约向IEC 61850转换流程
Fig 13 Conversion of 104protocol to IEC 61850
312 规约转换的实现
(1)以太网通信
IEC60870-5-104是基于TCP/IP 的,因此
接收程序必然涉及到基于TCP/IP 的网络编程。MFC 提供了CAsyncSocket 类和派生于它的CSocket 类,它们完全封装了TCP/IP 协议,使得
传输层、网络层、链路层的工作自动完成。具体设计中运用CSocket 类来实现以太网通
信。首先,初始化socket 库,调用Create ()函数创建连接;创建成功之后,调用Listen ()侦听链路连接请求。如果没有请求,则程序一直阻塞在这里;一旦侦听到请求,则调用Accept ()接受实际的连接。当实际的连接建立以后,如果有来自IED 的数据,程序自动响应接收消息,调用OnReceive ()函数,对接收到的报文即APDU 进行解析。
(2)实时数据库的应用
采用传统规约通信的IED 建立的IEC 61850模型和从变电站上传来的实时数据要想保存在内存中,要通过应用实时数据库来实现。实时数据库是内存数据库,选择一种高效可靠的内存管理机制生成数据库实体十分重要。目前主要有共享内存方式和文件映射方式2种实现机制。
从数据库设计模式来看,实时数据库可分为关系型、层次型、对象型。IEC 61850数据模型虽然是按照对象建模的,但总体结构是按逻辑设备LD 、逻辑节点LN 、数据对象划分的层次结构,因此选择了基于层次模型的实时数据库产品,能够将IEC 61850模型以最直观的方式实现在内存中。如果选择关系型实时数据库产品,需要按照一定的映射原则将IEC 61850模型实现在实时库中。
(3)信息模型的建立
变电站自动化系统的信息交换机制主要依赖于良好的信息模型定义。虚拟是IEC 61850建模的主要方法。标准定义了信息模型和信息模型交换信息的方式。信息的交换是在抽象模型之间进行的,这些抽象模型都是现实设备通过虚拟化而生成的模型。在IEC 61850标准下,整个转换网关可以看成一个IED ,下面划分多个间隔(可以看成是逻辑设备),这些间隔按照变电站的具体功能分解成各个逻辑节点(LN )[7],运用面向对象的方法对子功能建立信息模型。这里的关键就是要实现104规约的遥测、遥信、遥调、遥控等信息在IEC 61850中的建模。下面就以遥测信息建模为例,说明转换网关信息模型实现过程。
例如,某变电站有一线路遥测信息如下:有功、无功和电流值。要建立其信息模型,首先就要选择合适的逻辑节点,IEC 61850-7部分[8,9]中定义的逻辑节点MMXU 与其相对应。MMXU 包含了有功功率和、无功功率和、总视在功率和、平均功率因数等数据,是电网运行信息测量值的集合。变电站线路中的有功、无功、电流值,可以建立逻辑节点MMXU 实例如表1所示。
表1 测量单元逻辑节点实例
Tab 11 Instance of MMUX MMUX (测量单元逻辑节点实例)
Mode :INC Beh :INS Health :INS NamPlt :L PL
继承公共逻辑节点类中所有必须的数据对象
TotW :MV 有功功率之和TotVar :MV 无功功率之和A :WYE
相电流
由于在变电站线路中上传的有功、无功都是三相之和,所以选用了Tot W 和TotVar 数据。
以下用VC ++实现兼容逻辑节点类MMX 2U :
class MMXU :public LO GICAL 2NODE {
Public ;
MMXU ();
virtual ～MMXU ();protected ;
///common Logical Node Information////INC Mode ;//Mode INS Beh ;//Behaviour
001华北电力大学学报 2008年
INS Health;//Health
L PL NamPlt;//Name plate
/////Measured values///////////////
MV Tot W;//Total Active Power
MV TotVar;//Total Reactive Power
W YE A;//Phase currents
…
以上就完成了对遥测的建模,对于其他信息的建模可参见IEC61850-7-4部分,对于标准中没有定义的数据对象,我们可以按照标准的定义进行扩展。在完成了逻辑节点的建模后,就可以将变电站给出的信息一一对应到相应逻辑节点的数据对象的属性中。
(4)基于XML Schema的协议映射建模
XML是一种元标记语言[10],它强调数据本身的描述和数据内容的组织存放结构。可被不同的使用者按照自身的需要从中提取相关数据。XML Schema是一种特殊的XML文档,IEC 61850采用结构化的、人机可读的元数据描述技术———XML Schema技术来定义变电站模型、通信模型、IED模型,以达到在不同厂家提供的IED管理工具和系统管理工具之间,交换智能电子装置信息和变电站自动化系统信息的目的[11]。采用XML Schema技术的另一个优势是使IED设备的通信模块具有可配置性。当协议或变电站配置发生变化时,只需更改其相应的XML文档。XML文档与平台无关、与具体编程语言无关、并且与Interent具有良好的结合性。这使得文档的处理和浏览相当简单和方便,有利于变电站信息的管理。
所以本文拟采用XML Schema技术对映射规则建模。表2详细列出了两种规约之间的映射规则[12],表明IEC60870-5-104中的信息体是一组预先定义好的信息,它是具有不同品质、时标的测量值、累计值、状态值或是控制命令等数据信息的载体。104规约通过应用服务数据单元中的公共地址和信息体地址来区分不同的信息体元素,信息体的地址由远动工程师预先分配,带有随意性。IEC61850的数据属性则包含在不同逻辑节点的数据对象中。对于不同的变电站,其需要建立逻辑节点对象的类型、个数不尽相同。两种协议的转换,首先要解决的就是建立数据地址和逻辑节点数据属性之间映射关系。表2 IEC60870-5-104与IEC61850映射的基本规则
Tab12 Part of rules of map between IEC60870-5-104 and IEC61850
IEC60870-5中定义的ASDU IEC61850-7-x/8-x 类型标识符
隐含定义每个元素的
信息类型作为MMS/
ASN11的标记传送可变结构限定词隐含定义
传送原因包含原因/服务参数
发信方地址关联/服务参数(发信方)应用服务数据单元
公共地址功能类型、
信息序号
LD,LN数据对象,
属性(命名原理)信息元素集(数据对象/
品质描述比特位)
数据属性(Val、q)
时标数据属性(t)
下面摘录了映射关系XML Schema的一段程序,该Schema文件名为MappingSchema1xsd。[1]
[2] XML ns:dt=”urn:schemas-microsoft-com: datatypes”> [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] …… 101 第2期 李 强,等:104规约向IEC61850信息模型转换的研究与实现 [17] [18] [19] [20] [21] …… IEC61850的数据是104数据的超集,所以在映射建立过程中,只能根据104所能包含的数据来选择需要转换的数据属性,并确定相应的数据对象、逻辑节点及逻辑设备。对于上述Schema程序,[3]到[6]是信息对象地址元素类型定义语句。 [7]到[16]、[7]到[21]分别定义了逻辑节点元素类型和逻辑设备元素类型,它们之间是嵌套关系,是按IEC61850的数据结构进行组织的。 在104远动规约向IEC61850转换过程中, Schema程序的实现使得IEC61850数据对应的XML文档的结构更加合理,开发更加容易。 4 调试运行情况 此软件虽是针对104规约转换的,但其设计思路也适合于101、CD T等其他的传统规约向IEC61850转换。它们对于IEC61850建模以及创建对象部分基本相同,只是对应的网口或串口程序以及映射方法不同。 本程序已经进行了调试与运行,步骤如下: (1)以太网通信程序编写完成而且调试运行良好,能顺利对报文进行解析。 (2)据IEC61850规约建立模型,并以此模型和现场变电站配制创建具体对象实例。再将解析数据与实例对象下面数据属性关系进行映射。 (3)最后,编写基于SCL的变电站配置工具,生成XML文档并说明其配制关系。文档可嵌入程序中,供用户随时调用。 实验运行情况良好,但也有部分需要改进之处。 (1)软件的界面比较简单,操作不太方便。 (2)SCL配置工具对用户的专业知识要求较高,用户需要对规约有一定的了解;在配置工具中已添加了一些对文档有效性的约束,但仍未添加完全;容错方面的处理有待加强,以降低用户可能的误操作。5 结 论 本文在深入研究IEC60870-5-104和IEC 61850信息模型的基础上,并结合XML技术,设计了规约转换网关。通过以太网通信,IEC61850信息建模,变电站信息映射和配制文档描述等一系列过程来实现规约转换。 参考文献: [1]洪宪平.走向网络化的远动系统[J].电力系统自 动化,2001,25(6):1-3. [2]IEC.IEC61850,Communication networks and sys2 tems in substations[S].G eneva:IEC,2004. [3]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍 [J].电网技术,2001,25(9):8-11. [4]SIDHU T S,G AN G ADHARAN P K.Control and au2 tomation of power system substation using IEC61850 communication//Proceedings of2005IEEE Conference on Control Application:Vol2,Aug28-31,2005, Toronto,Canada.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2005: 1331-1336. [5]赵渊,沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-5-104 远动规约在电力系统中的应用[J].电网技术, 2003,27(10):56-60. [6]吴在军,胡敏强.基于IEC61850标准的变电站自动化 系统研究[J].电网技术,2003,27(10):61-65. [7]章坚民,朱炳铨,赵舫,等.基于IEC61850的变电 站子站系统建模与实现[J].电力系统自动化,2004 ,28(21):43-48. [8]IEC61850-7- 3.Basic communication structure for substation and feeder equipment-Common data classes. 2004. [9]IEC61850-7- 4.Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes.2004. [10]Extensible Markup Language[EB/OL].[2006-05- 01].https://www.360docs.net/doc/2d4987821.html,/XML/. [11]张结.应用IEC61850实现产品互操作性的思考 [J].电力系统自动化,2005,29(3):90-94. [12]DL/T634.5104-2002.远动设备及系统第5-104 部分.传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870 -5-101网络访问[s]. 作者简介:李强(1982-),男,华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生,主要研究方向为电力系统分析、运行与控制;朱永利(1963-),男,华北电力大学电气与电子工程学院教授,博士生导师,主要研究方向为人工智能在电力系统中的应用及电力系统分析、运行与控制。 201华北电力大学学报 2008年