数字化变电站IED互换性研究.pdf

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数字化变电站IED互换性研究1 数字化变电站IED互换性研究2 数字化变电站IED互换性研究3 数字化变电站IED互换性研究4 数字化变电站IED互换性研究5
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第39卷第8期2011年4月l6曰电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl0l_39NO.8Apr.16.20l1数字化变电站I印互换性研究罗建,钟加勇2黄益华,马泽菊(1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044;2.重庆电力科学试验研究院,重庆401123;3.重庆电力高等专科学校,重庆400053)摘要:受智能设备数据模型配置技术的限制,数字化变电站智能电子设备互换性还未能实现。在不改变IEC61850通信标准体系的前提下,提出了资源定义机制和基于需求激励的资源匹配机制,将IED的资源分为需求资源对象和生产资源对象。该定义机制在考虑IED拓扑关系的基础上,实现了变电站智能设备数据模型的自动配置,通过生产资源对象带语义的描述,屏蔽了IED内部的差异;通过该机制实现对IED资源的定义、激活、寻找、关联、交易和连接,以达到在数字化变电站内IED间互换性的实现。关键词:数字化变电站;lED;IEC6185O;互换性;资源对象;机制Theexchangeabilitystudyofdigitalsubstationintelligentelectricaldevices(IED)’LUOJian,ZHONGJia.yong,HUANGYi.hua,MAZe-juf1.StateKeyLaboratoryofTransmission&DistributionEquipmentandPowerSystemSafetyandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.ChongqingElectricPowerTest&ResearchInstitute,Chongqing401123,China;3.ChongqingElectricPowerCollege,Chongqing400053,China)Abstract:Limitedbythedatamodelconfigurationtechnologyofthesmartdevice,IEDexchangeabilityofdigitalsubstationhasnotbeenachieved.FollowingtheIEC61850communicationsystem,thispaperproposesresourcedefinitionmechanismandresourcematchingmechanismbasedondemandincentives,anddividestheresourceoflEDintoproductionresourceobjectanddemandresourceobject.Thedefinitionmechanism,consideringthelEDtopology,achievestheautomaticconfigurationofsubstationintelligentdevicesdatamode1.Throughthesemanticdescriptionofproductionresourceobjects,theinternaldifferencesinlEDareshielded.Throughthemechanism,theresourcesofIEDcanachievethedefinition,activation,search,association,transactionandconnection,thusIEDexchangeabilityinthedigitalsubstationisrealized.Keywords:digitalsubstation;IED;IEC61850;exchangeability;resourceobject;mechanism中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:1674.3415(2011)08.0090.050引言IEC61850是变电站自动化通信系统的国际标准,现已在国内外得到了广泛的贯彻应用。IEC61850给出了变电站自动化系统数据模型的定义和构建方法,给出了数据模型的通信服务体系。IEC61850的目标是实现变电站各智能设备(1ED)之间的互操作性和变电站智能设备的互换性I1]。IED的互换性指的是在不改变系统内的其他IED的情况下,不同厂商生产的具有相同功能的IED之间互相替换的能力。IED的互换性具有狭义互换性和广义互换性之分。lED的狭义互换性是指IED之间的相同功能具有完全相同的数据模型定义结构,在此基础上实现不同lED之间的互换。IED的广义互换性是指IED之间的相同功能的数据模型定义结构不相同,依据在IED之间对相同功能的数据模型定义结构进行自动匹配配置,在匹配配置的基础上实现不同IED之间的互换。实际上,具有狭义互换性的IED是依据相同IED配置文件在硬件上和软件上精心制作的,不同厂商因在硬件实现上和软件实现上的差异,其生产的IED是很难达到狭义互换性条件的【2J。由此,不同厂商生产的IED之间的互换,实际上是IED之间的广义互换。本文涉及的IED互换性是IED广义互罗建,等数字化变电站lED互换性研究一91一换性。1互换性实现原理在lED之间进行数据模型的自动配置是实现lED互换性的基础。现有的lED数据模型配置主要有两种方式IjJ,文件配置方式和服务配置方式。在文件配置方式下,在专有配置工具平台上,由人工通过配置文件完成lED数据模型的配置,其配置过程L4如下:(1)应用变电站配置语言(SCL),就变电站智能设备的数据模型,由设备制造商建立智能设备能力描述(ICD)文件;(2)应用SCL,就变电站的电压等级、拓扑结构和规模大小,由系统集成商建立系统说明描述(SSD)文件;(3)在现场工程化过程中,由系统集成商将变电站各智能设备的ICD文件和SSD文件输入到系统配置工具平台,在系统配置工具平台上就各ICD文件和SSD文件进行人工关联和匹配,形成工程事例化的变电站配置描述(SCD)文件;(4)在现场工程化过程中,将SCD文件中适配于智能设备的部分剥离,形成工程事例化的配置后智能设备描述(CID)文件;(5)将CID文件读入各智能设备,解析生成智能设备数据模型结构和通信接口;(6)在数据模型结构一致的基础上,变电站各智能设备之间实现数据信息的交换和共享。由此看出,文件配置方式是不能实现lED数据模型的自动配置,即不能实现IED的互换性。在服务配置方式下,通过IEC61850的通信服务来实现lED之间的数据模型的匹配配置,在不考虑实现困难性的前提下,服务配置方式能实现lED数据模型的自动配置,即能实现lED的互换性J。采用服务配置方式实现lED数据模型匹配配置的主要困难性有以下两点:(1)IED之间数据模型的供求关系不确定。(2)在基于IEC61850服务的配置方式下,通过lED支持的MMS(报文制造规范)服务,来获取lED的数据模型并自动复制到监控主站上。该方式在原理上是可行的。但是该方式存在以下问题,第一,未考虑变电站设备的拓扑关系;第二,未对lED的数据属性进行区分,在匹配时会发生紊乱。因此,以上方式均不能实现lED数据模型的自动配置。由此,在不改变IEC61850通信体系的基础上,本文提出建立一种IED的资源对象定义机制,以对lED数据属性进行划分;和一种基于需求激励的资源对象匹配机制,以实现IED数据模型的自动配置;在两种机制的共同作用下达到IED间的互换性。通过资源对象定义机制完成资源对象的定义。并将lED资源对象划分为生产资源对象(ProvidingObject)和需求资源对象(RequiringObject);(具体论述请见本文资源对象定义机制部分。)在完成lED资源对象定义的基础上,需要依靠基于需求激励的资源对象匹配机制来实现生产资源对象和需求资源对象自动匹配。即在需求资源对象的设备初始化或生产资源对象消失时,由需求激励机制驱动IEC61850服务实现需求资源对象与生产资源对象的自动匹配。其资源对象匹配过程如下:(1)需求资源对象与生产资源对象的激活:(2)需求资源对象对生产资源对象的寻找;(3)需求资源对象对生产资源对象的关联;(4)需求和生产资源对象的交易;(5)需求和生产资源对象的连接。通过lED资源对象问的自动匹配,来实现IED的互换性。资源定义机制确定了lED需要从系统获取的资源和可以为系统提供的资源。同只通过设备能力描述(ICD)文件对IED进行描述相比,该资源定义机制更加完整地表达了lED与资源的关系,使资源“”对象的匹配过程更加清晰和智能,从而避免了匹配过程的紊乱;在完成资源对象的定义之后,由资源对象匹配机制来实现资源对象间自动匹配和连接。生产资源对象和需求资源对象问的连接过程也就是lED自动接入系统的过程。通过资源定义机制和资源匹配机制的共同作用,实现了相同功能IED问的互换性,即实现了IED的即插即用。通过对IEC61850通信协议的理解和互换性机理的研究以及现有工作表明,由IED资源对象间的自动匹配,来实现IED的互换性是可行的。其可行性如下:(1)IEC61850数据模型具有自定义和自描述的特征,这将有助于资源对象的定义表示,有助于资源对象的拓扑关系描述。(2)IEC61850具有完善的通信服务体系,这可使资源对象的匹配过程变为现实。(3)智能设备网址的寻址已是成熟技术,这将有助于资源对象的遍历寻找。(4)接口组件是正在发展成熟的技术,这将有助于互换性组件的编制。虽然通过本文所提资源对象自动匹配方式,可以解决IED的互换性问题。但是要达到在数字化变电站内实现IED互换性的目标,必须解决以下的关.92.电力系统保护与控制键问题:(1)资源对象的定义表示;(2)资源对象的寻找;(3)资源对象的自动关联;(4)资源对象的交易选择;(5)资源对象的连接操作。2资源对象定义机制IEC61850采用了面向对象的建模方法,该方法是将实际IED的功能和数据虚拟成抽象的通信服务模型。如图1所示。图1IEC61850数据模型Fig.1IEC61850datamodel作为IED及其功能抽象化、标准化的映射,信“”息模型被定义为类,由属性和功能服务封装组成。其中属性代表信息模型的外部可视功能及设备信息,是访问和操作信息模型的对象。如图1左侧部分所示,信息模型的属性由逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性这四个不同层次的语义所构成loJ。功能服务则由若干个通信控制块组成,代表了控制块的具体通信规则。如图1右侧所示,包括了通信服务对象与方式(服务的请求、响应和过程)。通过变电站配置语言(SCL)对信息模型的属性和功能服务进行描述,这样就建立IED的通信模型。IEC61850采用了面向对象层次化建模的思路,IED由~个或多个逻辑设备组成;逻辑设备由不同的逻辑节点组成,在所有的逻辑设备都必须包含节点LLN0(标示逻辑设备的公用信息);逻辑节点由不同的数据组成,所有的逻辑节点都必须包含数据mod(标示设备的运行模式)。根据数据功能和用途的不同,将数据进行分类,并形成了18个不同的功能约束集(FC)。其中的描述功能约束集(DC),专用于对数据属性进行描述。描述功能约束集(DC)中数据对象的数值类型为字符串型。根据IEC61850以上的建模特点,本文采用资源对象定义机制来建立IED的通信数据模型。资源对象定义机制包括生产资源对象的定义和需求资源对象的定义。生产资源对象是相对于需求资源对象而言的。当IED在正常运行情况下,能够向系统提供的信息称为IED的生产资源对象;而当IED要实现其功能但自身又不能提供相应信息时,需要获取的信息就‘’称为IED的需求资源对象。也就是说,AIED的生产资源对象可成为系统中其他任何有相应需要的IED的需求资源对象;而其他任何有相应信息的‘’IED的生产资源对象也可成为AIED的需求资源对象。考虑到IEC61850通信模型的层次性,因而,本文采用分层标示法对生产资源对象和需求资源对象进行定义J。(1)当LLN0下功能约束DC中Mod取值为Requiring时,表明该逻辑设备为需求资源对象;当取值为其他值或为空时,表明该逻辑设备为生产资源对象。(2)当逻辑节点下功能约束DC中Mod取值为Requiring时,表明该逻辑节点为需求资源对象;当取值为其他值或为空时,表明该数据为生产资源对象。(3)当逻辑节点下某个具体的数据,在功能约束DC中的取值为Requiring时,表明该数据为需求资源对象;当取值为其他值或为空时,表明该逻辑节点为生产资源对象。该资源定义机制具有以下优点有:第一,数据定义的完整性。在该资源定义机制下,可以将IEC61850各层数据模型定义为需求资源对象;第二,完全遵循了IEC61850的建模方式;第三,能够与其他实现方式保持兼容。3资源对象匹配机制为了实现IED的即插即用以及资源对象问的自动匹配,本文提出一种需求激励的资源对象匹配机制,即:当需求资源对象需要从系统获取资源时,罗建,等数字化变电站lED互换性研究.93一由需求资源对象主动地在系统中寻找最优的生产资源对象。需求资源对象能否自动连接最优的生产资源对象关系到IED互换性能否实现,因而需求激励是该匹配机制的核心。资源对象的匹配过程由以下几个部分组成:需求资源对象与生产资源对象激活,需求资源对象对生产资源对象的寻找,需求资源对象对生产资源对象的关联,需求资源对象和生产资源对象的交易,需求资源对象和生产资源对象的连接。3.1资源对象的激活资源对象的激活是指资源对象自动加入通信系统的过程。在数字化变电站中,随着双网的组网方式和虚拟局域网(VirtualLocalAreaNetwork,VLAN)技术使用使得变电站的网络拓扑结构变得更为复杂。因此,要实现资源对象的自动匹配,就必须首先使资源对象自动加载到变电站通信系统中。于是,“”本文特提出采用组播的方式来实现资源对象的激活。组播支持发送一个可被任意多个实体接收的消息。它不是广播,因为它不是到达网络中所有实体,它只发送到那些在明确等待的实体;它也不是单播,单播需要分别向每个接收者发送消息,并且要求发送方事先知道每个接收者的IP地址。组播有效地利用了网络资源,因为在可能的情况下,发送到多个接收者的消息都是以单个消息在传输。资源对象的组播激活方式使资源对象的加入变得更灵活,也有助于lED从网络断连或机器失败的故障中恢复。3.2资源对象的寻找资源对象的寻找指的是IED的需求资源对象对符合要求和满足需要的资源对象的找寻过程。在需求资源对象的设备初始化或生产资源对象消失的情况下,由需求资源对象驱动IEC61850服务实现与需求资源对象名相关的生产资源对象的寻找。因为在IEC61850的通信体系中,采用SCL(变电站配置语言)来对资源对象进行描述,使资源对象中的数据和服务具有了语义性,所以可以通过语义匹配算法来实现资源对象间的匹配,完成需求资源对象对生产资源对象的寻找,在寻找的过程中,需要考虑分为以下三种情况:(1)需求资源对象名与生产资源对象名一致情况下的寻找:(2)需求资源对象名与生产资源对象名不一致情况下的寻找,此寻找机制的研究将有助于IEC61850数据模型与IEC61970数据模型或IEC61968数据模型的交换共享;(3)需求资源对象名未知情况下的寻找,此寻找机制将服务于系统未知设备的接入。3.3资源对象的关联资源对象的关联是整个匹配机制实现的重点和难点。资源对象的关联指的是需求资源对象和生产资源对象建立拓扑关系的过程。在完成资源对象寻找的基础上,就需求资源对象拓扑结构和生产资源对象拓扑结构的关联关系,可以从以下几个方面进行关联:(1)资源对象名。当需求资源对象和生产资源对象的名称相一致时,可以根据资源对象名进行关联,此关联方式是几种关联方式中最为简单的一种。(2)智能设备特征标志。当资源对象名不一致时,可用设备特征标志进行关联。(3)智能设备网络地址。当资源对象名和设备特征标志均不能实现资源对象的关联时,可用智能设备的网络地址进行关联。(4)资源对象间的逻辑推理。主要有:分析和综合、比较和分类、归纳和演绎等逻辑推理方法。3.4资源对象的交易资源对象的交易指的是需求资源对象和所寻找到的最佳的生产资源对象的相互获取过程。在实际的系统中,有可能满足需求资源对象拓扑关系的生产资源对象不止一个,如某回线路的相电流采样值可由多个智能设备生产,而需求资源对象只需要一个智能设备生产的相电流采样值。如何从多个满足需求的生产资源对象中选择一个最佳生产资源对象,这需要由用户内在需求决定。用户可以从服务要求、数据质量、拓扑关系等方面进行选择。因而用户选择标准不同,选择的结果也将不同。例如:在具体工程中,用户可能以快速找到生产资源对象为主要目标,也可能以系统的可靠性为主要目标。3.5资源对象的连接资源对象的连接指的是资源对象间资源的交互过程。在资源对象的拓扑关联和资源对象的交易选择完成后,将生成资源对象的参考,即资源对象的指针地址。通过资源对象的连接操作机制,实现资源对象问的连接。连接操作机制包括:生产资源对象的激活、需求资源对象的映射(需求资源对象名与生产资源对象名不一致情况)、需求资源对象的创建(需求资源对象名未知情况)、报告控制块和记录控制块的创建、生产资源对象的订阅和发布等。以上五个部分是互相依赖、密切联系的。资源对象的激活是资源对象的寻找的前提;资源对象的寻找是匹配机制实现的基础;资源对象的关联是匹配机制实现的关键;资源对象的交易保证了最佳资源对象的获取;资源对象的连接的实现使整个匹配电力系统保护与樘制机制的整个过程得以有效地完成。因此,它们是一个有机联系的整体。综上所述,在本文提出的资源对象的匹配机制作用下,实现了生产资源对象和需求资源对象间的自动匹配。当lED发生故障时,相应的资源对象将离开网络,与之一起协作的资源对象能够自动寻找其他合适的资源对象,并与之建立连接,屏蔽了故障对系统的影响,维持系统的正常运行;也就是说,对系统中所有的资源对象来说,一个资源对象的出现和消失都不会对其他资源对象产生影响。资源对象匹配机制可以实现需求资源对象对生产资源对象变化的感知,而无需静态配置或编辑系统配置文件以及配置网关等1作,就可以实现lED的自动接入。IED资源对象的这种匹配机制,实现了IED的“”自发连网。使通信系统具有很强的自修复能力,减轻了系统管理负担,方便了用户;增强了系统的容错能力,提高了系统的可靠性。4结论在IEC61850的通信系统中,并没有对IED内部的实现方式及内部特性进行规定,这也是作为一个通用标准的必然要求J。但是,这就使由不同厂家生产的具有相同功能的IED,其配置文件差异很大。这也是互换性不能很好实现的主要原因。本文提出的资源定义机制和机遇需求激励的资源匹配机制,将IED的资源分为需求资源对象和生产资源对象,该定义机制,在考虑IED拓扑关系的基础上,实现了变电站智能设备数据模型的自动配置,通过生产资源对象带语义的描述,屏蔽了IED内部的差异:通过匹配机制,实现了资源对缘的自动激活、寻找、关联、交易和连接。现有工作表明该资源对象的定义机制和匹配机制是解决IED互换性的有效机制。参考文献[1]张结.IEC61850的结构化模型分析}J1.电力系统自动—化,2004,28(18):9093.’ZHANGJie.TheanalysisofIEC61850Sstructuralmodel[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,—28(18:9093,[2TarlochanSidhuS,eta1.ImplementationissueswithIEC61850basedsubstationautomationsystems[C].//FifteenthNationalPowerSystemsConference,Dec,2008—473478.[3]IEC61850communicationnetworksandsystemsinsubstations/S].2005.[4]罗四倍,黄润长,等.基于IEC61850标准面向对象思想的IED建模[J].电力系统保护与控制,2009,37(17)—8892.—LUOSibei,HUANGRun-chang,eta1.1EDmodeling—basedonobjectorientedtechnologyofIEC61850standard[J].PowerSystemsProtectionandControl,2009,37(17):8892.[5]廖泽友,孙莉,贺岑,等.1ED遵循IEC61850标准的数据建模[J】_继电器,2006,34(20):4O.43.LIAOZe-you,SUNLi,HECen,eta1.IEDsdatamodelingbasedonIEC61850standards[J].Relay,2006,—34(20):4043.6范建中,战学牛,王海玲.基于IEC61850动态建立IED模型的构想【J1.电力系统自动化,2006,30(9):—7679.——FANJianzhong,ZHANXueniu,WANGHai-ling.AvisualizationofdynamicmodelingofIEDbasedonIEC61850[J].AutomationofElectricPowerSystems,—2006,30(9):7679.L7jLUOJian,eta1.ImplementingresearchforIEC61850.Powersystemsandcommunicationsinfrastructuresforthefuture[S].2002.[8]黄益庄.变电站自动化技术的发展方向[J】.继电器,200836(6):1.4.—HUANGYizhuang.Developmenttendencyofsubstationautomationtechnology[J].Relay,2008.36(6):1_4.—收稿日期:2010-0429;修回日期:2010-05-29作者简介:罗建(1960一),男,副教授,硕士生导师,从事电力系统继电保护,电力信息系统等方面的研究;钟加勇(1981一),男,研究生,研究方向为数字化变电—站、IEC61850;Email:1iaozhongl00o0@163.tom黄益华(1952一),男,副教授,主要从事变电站的研究和设计工作。
清华君
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