基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中SCL的智能電子設(shè)備建模

摘要 IEC61850是國際標(biāo)準(zhǔn)組織最新頒布的變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，SCL是IEC61850推薦的變電站配置語言，可以清楚地描述裝置的配置信息，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的共享。文中針對(duì)目前變電站的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信模型的建立規(guī)則，并根據(jù)SCL對(duì)模型搭建的要求搭建了一個(gè)簡單的模型，最后對(duì)所建模型進(jìn)行了檢測(cè)與驗(yàn)證，證實(shí)了其正確性。
關(guān)鍵詞 IEC61850；SCL；智能電子設(shè)備；數(shù)字化變電站

    IEC61850是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。其主要目標(biāo)在于通過信息分層、面向?qū)ο笞晕颐枋觥?shù)據(jù)對(duì)象統(tǒng)一建模和抽象通信服務(wù)映射等技術(shù)形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的開放式變電站自動(dòng)化體系，從而使來自不同制造商的IED(Intelligent Electronic Device)之間建立無縫通信并實(shí)現(xiàn)良好的互操作性，以此滿足電力系統(tǒng)對(duì)提高系統(tǒng)可靠性、降低重復(fù)投資及維護(hù)成本的要求。最終實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”。
    目前，不論是對(duì)變電站進(jìn)行升級(jí)改造，還是建立符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新的變電站，都需要對(duì)大量的智能電子設(shè)備進(jìn)行建模，并且搭建需要符合IEC61850—6變電站配置描述語言(SCL)標(biāo)準(zhǔn)的模型。因此，掌握一種甚至多種建模方法是非常必要并具有實(shí)用價(jià)值的。文中主要介紹了運(yùn)用Kalkitech SCL Manager軟件建模的基本方法并搭建了一個(gè)簡單的間隔單元模型，此模型的搭建依據(jù)的是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中模型描述語言SCL的語法規(guī)則。

1 變電站配置描述語言SCL
1．1 SCL簡介
    SCL(Substation Configuration Description Language)文件是IEC61850第六部分介紹的一種用來配置變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的描述語言，稱為變電站配置描述語言。它用來進(jìn)行智能電子設(shè)備(IED)和通信系統(tǒng)的配置，包括變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和變電站的關(guān)系、一次系統(tǒng)拓?fù)?、變電站與變電站功能的關(guān)系等。該語言的主要目的是實(shí)現(xiàn)不同廠商IED配置工具和系統(tǒng)配置工具之間的互操作，實(shí)現(xiàn)可共同使用的通信系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)的交換。一個(gè)完整的SCL文件分為兩個(gè)基本部分：首部(Header)和內(nèi)容(Content)。其中，首部用來標(biāo)識(shí)SCL配置文件和它的版本號(hào)；內(nèi)容主要包括變電站描述部分、IED描述部分和通信系統(tǒng)描述部分。
    在模型搭建過程中，根據(jù)不同的目的生成相應(yīng)的SCL文件，以便在不同的工具間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主要包括：(1)SCD(Substation Configur ation Description)文件：變電站配置描述文件。(2)SSD(System Specification Description)文件：系統(tǒng)規(guī)范描述文件。(3)CID(Configur ed IEDDescription)文件：配置IED捕述文件。(4)ICD(IEDCapability Description)文件：IED能力描述文件。
1．2 SCL語法結(jié)構(gòu)
    SCL文件語法遵循可擴(kuò)展標(biāo)記式語言(XML)，主要包括頭(Header)、變電站描述(Substation)、智能電子設(shè)備描述(IED)、通信系統(tǒng)描述(Communication)，以及邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型模板(DataTypeTemplates)5部分。每一部分都對(duì)數(shù)據(jù)組件進(jìn)行了細(xì)化，并對(duì)配置文檔的內(nèi)容做出了嚴(yán)格限制。這5部分分別是SCL配置文檔中SCL根元素的子元素。其中Header包含SCL文檔的版本和修訂號(hào)以及名稱映射信息；Substation包含了變電站的功能結(jié)構(gòu)、主元件及其電氣連接；IED描述了IED的預(yù)配置信息，包括邏輯裝置、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象和所具備的通信服務(wù)能力；DataTypeTemplates詳細(xì)定義了在文件中出現(xiàn)的邏輯節(jié)點(diǎn)，包括它的類型以及該邏輯節(jié)點(diǎn)所包含的數(shù)據(jù)對(duì)象(DO)；Communication定義了邏輯節(jié)點(diǎn)之間通過邏輯總線和IED接入點(diǎn)之間的聯(lián)系方式。這些元素各有其子元素和相關(guān)屬性，它們層層包含，最終完成IED模型描述。圖1所示為SCL文檔的結(jié)構(gòu)模型。

2 利用SCL進(jìn)行模型搭建
2．1 模型簡介
    IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的核心是通信模型和數(shù)據(jù)模型，包括服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集等模型，通過抽象通信服務(wù)接口(ACSI)由特定通信服務(wù)映射(SCSM)映射到具體的協(xié)議棧，如制造報(bào)文規(guī)范(MMS)。
    圖2為數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖，其模型是一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)。模型包括多個(gè)邏輯設(shè)備，每個(gè)邏輯設(shè)備中有多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)由若干個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象或數(shù)據(jù)屬性對(duì)象組成，不同的數(shù)據(jù)對(duì)象有不同的數(shù)據(jù)對(duì)象屬性。

    由圖2可以看出，數(shù)據(jù)模型搭建主要分為邏輯設(shè)備建模、邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)建模。
2．1．1 邏輯設(shè)備建模
    邏輯設(shè)備是服務(wù)器內(nèi)的虛擬設(shè)備，匯集相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集，為訪問和引用數(shù)據(jù)進(jìn)行通信提供便利，提供物理設(shè)備或由它控制的外部設(shè)備的信息。但I(xiàn)EC61850標(biāo)準(zhǔn)中，邏輯設(shè)備的建模并沒有統(tǒng)一的規(guī)范參考。在目前主流的邏輯設(shè)備建模方法中，考慮到控制中心對(duì)變電站以間隔為單位進(jìn)行監(jiān)控，即將變電站根據(jù)不同的功能劃分的不同的間隔，每個(gè)間隔裝有與所包含指定回路相關(guān)的開關(guān)設(shè)備和控制裝置等，例如
饋線間隔、變壓器間隔等，其目的是方便檢修和操作。因此把一個(gè)間隔內(nèi)的遠(yuǎn)動(dòng)信息劃分為一個(gè)邏輯設(shè)備，相關(guān)邏輯按照斷路器、變壓器或母線序號(hào)進(jìn)行劃分。物理設(shè)備到網(wǎng)關(guān)采用的是邏輯設(shè)備復(fù)制的方法，即將所有邏輯設(shè)備復(fù)制到網(wǎng)關(guān)。
2．1．2 邏輯節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)建模
    IEC61850規(guī)約定義了約90種邏輯節(jié)點(diǎn)，包括斷路器(XCBR)、距離保護(hù)(PDIS)等，每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)由代表特定意義的若干數(shù)據(jù)組成。

    圖3所示為邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)關(guān)系圖，由圖可以看出邏輯節(jié)點(diǎn)中包含的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換的大多數(shù)信息的基礎(chǔ)內(nèi)容，與設(shè)備的大多數(shù)交互都是通過邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和服務(wù)進(jìn)行的，數(shù)據(jù)又可以擴(kuò)展到數(shù)據(jù)屬性，為一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)。信息模型包含許多邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性。
2．2 整體信息模型的搭建
    數(shù)據(jù)采用分層結(jié)構(gòu)，因此模型搭建的主要思路是先建立一個(gè)IED設(shè)備；再建立這個(gè)IED所需的邏輯節(jié)點(diǎn)；然后對(duì)建立的每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性描述。這樣就完成了一個(gè)完整的模型。為進(jìn)一步說明整體信息模型的搭建方法，采用Kalkitech SCLManager軟件建立了一個(gè)名為“pq”模型。圖4～圖7為采用上述軟件搭建的簡單模型的過程。

    由上述過程可以看出，每個(gè)模型均為樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。樹的每個(gè)元素是數(shù)據(jù)：最上面的IED是“pq”，它包含邏輯物理設(shè)備(LPHD)、測(cè)量(MMXU)。MMXU包含數(shù)據(jù)，例如“啟動(dòng)(Str)”，每個(gè)數(shù)據(jù)又具有不同的數(shù)據(jù)屬性。由上圖可以看出，模型包括了邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)屬性等。

3 文件一致性檢測(cè)
    一致性測(cè)試是指驗(yàn)證IED通信接口與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性，驗(yàn)證串行鏈路上數(shù)據(jù)流與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條件的一致性，例如信號(hào)形式和電平，位順序、幀格式、時(shí)間同步、定時(shí)、訪問組織以及對(duì)錯(cuò)誤的處理，每個(gè)IED產(chǎn)品在投入運(yùn)行前都必須通過一致性測(cè)試。IEC 61850—10部分規(guī)定了一致性測(cè)試的詳細(xì)內(nèi)容和要求來保證各廠商和用戶都能真實(shí)評(píng)價(jià)IED設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的支持情況。一條IEC 61850的信息能夠被理解，依賴于以下要素：
    (1)承載信息語義的模型結(jié)構(gòu)層次。
    (2)承載信息的條目名稱，信息的一致取決于名稱空間的一致。
    (3)承載信息的數(shù)據(jù)類型，信息一致要求具有相同的數(shù)據(jù)類型。
    有關(guān)模型配置文件測(cè)試主要包括：按照IEC 61850—6檢測(cè)CID配置文件與SCL XML模式定義是否一致；檢測(cè)CID配置文件與網(wǎng)絡(luò)上的由DUT實(shí)際數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型和服務(wù)是否相符合。有關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試項(xiàng)主要包括：檢測(cè)每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制項(xiàng)是否存在；檢測(cè)每一個(gè)存在項(xiàng)的數(shù)據(jù)類型是否與標(biāo)準(zhǔn)相符；檢測(cè)ACSI模型和服務(wù)映射是否與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相一致。圖8為對(duì)上述搭建模型進(jìn)行的一致性檢測(cè)結(jié)果。

    如圖8所示實(shí)例，可以看出有一處不一致，出現(xiàn)不一致的原因是標(biāo)準(zhǔn)中定義stVal的數(shù)據(jù)類型與配置不符合，必須將所有不能通過標(biāo)準(zhǔn)一致性檢測(cè)的部分進(jìn)行修正，這是SCL文件可剛的前提，只有通過一致性監(jiān)測(cè)的文件才可用。雖然此種方法搭建的模型簡單明了，層次清楚，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)SCL模型尚有缺陷：它不能搭建出完全滿足IEC61850中定義的對(duì)象模型；公共數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點(diǎn)類中的一些信息無法在SCL模型中找到對(duì)應(yīng)的部分。因此為完整表述公共數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點(diǎn)類模型的信息，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中還需要對(duì)SCL模型作一些修改。

4 結(jié)束語
    介紹了SCL的語法結(jié)構(gòu)、對(duì)象模型，描述了基于SCL的IEC61850變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中智能電子設(shè)備的配置過程。相對(duì)于傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，IEC61850的配置方式有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)：減少了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)工程化的工作量、易于實(shí)現(xiàn)各廠商產(chǎn)品之間的互操作等。文章還根據(jù)IEC61850協(xié)議中SCL的語法規(guī)則，數(shù)據(jù)模型的定義等，介紹了用Kalkitech SCL Manager軟件搭建的變電站內(nèi)IED模型的方法，并對(duì)所搭建的模型進(jìn)行了一致性檢測(cè)，敘述了搭建模型過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)與缺陷。