IEC61850和IEC60870-5-104协议转换网关的研究

IEC61850和IEC60870-5-104协议转换网关的研究

仵俊刚,王楠,姬周珂

特变电工西安电气科技有限公司 陕西 西安 710100

摘要：为了使采用IEC60870-5-104标准的系统能够和新型数字化变电站（采用IEC61850标准）相互兼容，在远动系统侧有必要针对IEC61850到IEC60870-5-104安装一个协议转换网关。本文介绍了IEC61850及IEC60870-5-104标准内容及其特性，阐述了规约转换理论，并设计一种遵循IEC61850~智能变电站通信网关，以促进104规约和IEC6l850标准二者的无缝隙转换。

关键词：IEC61850，IEC60870-5-104，协议转换，网关

引言

IEC61850协议作为变电站通信系统普遍性适用的标准，为过程层建立了统一的通信协议。目前，IEC61850及其草案仍处于制定阶段，在未来的较长时间里，IEC61850、非IEC61850系统仍旧长期共存，并逐步过渡。所以，确保非IEC61850到IEC61850系统的顺利过渡，推广IEC61850系统的应用，有着重要的探索意义和研究价值。在电力系统中，IEC60870-5-104属于使用频繁的一种远动通信协议。为了使系统能够和新型数字化变电站保持兼容，我们在远动系统侧需要安装一个网关，使数据能够从IEC61850成功转换到IEC60870-5-104系统。

1 两种标准的特性分析及比较

1.1 tEG60870-5-04标准简介

IEC60870-5-104协议表示：“将1EC60870-5-101的应用层、TCP/IP传输功能相进行组合，赋予相同的定义。IEC60870-5配套标准提及的ASDUs均可以和TCP/IP组合，不过本标准并未做详细的阐述”。在应用层，IEC60870-5-104规约遵从的是TCP/IP网络传输协议，以获取安全的连接。本层级中，应用协议数据单元（APDU）涵盖了两个核心的部分：一是规约控制信息（APCI），二是服务数据单元（ASDU）。APDU中，启动字符68H界定了数据流中的起始点，而APDU主体长度受到APDU长度的影响。IEC60870-5-104介绍了3种不同的控制域格式：①信息传输（I格式）、②监视功能（s格式）、③控制功能（u格式，无编号）。以启停方式来控制数据的传输，U帧的STARTDT代表激活链接，而STOPDT则代表解除激活。发送序列号N（s）、接受序列N（R）的作用，是避免报文丢失或是重复发送。104规约ASDU中，只规定了公共地址域，却取消了之前101规约ASDU中设定的链路地址域。究其根源，利用IP地址，104规约中的IP层早就明确了主站、子站各自的位置，无需利用其他地址进行二次确认。

1.2 IEC61850的特性分析

2004年，IECTC57技术委员会正式颁布了IEC61850标准，为过程层、间隔层以及变电站层三者的通信建立了统一的标准。同时，解决了多个厂家在产品方面的兼容性问题。到现在，IEC61850标准成为变电站内通用性的系统标准。相较于之前的通信规约，IEC61850标准存在如下显著的特征：1）分层体系结构，能够对功能进行灵活配置；2）依托ACSI、映射SCSM技术，和应用层协议不存在关联，对网络技术有较高的适用性；3）利用信息建模技术，构建了一套信息模型，简化了运维流程；4）设备自描述，构建了语义空间，支持一致性声明，为后期的功能扩展提供可能，在设备方面也支持即插即用；5）开放性体系，有助于延长自动化系统本身的周期，省去大量的人力、财力；6）对电力系统进行统一建模，确立无缝体系结构。IEC61850第2版同时还新增了IEC61850-80-1，以保证IEC61850、IEC60870-5-101/104二者的数据转换，该转换协议对变电站、控制中心二者的通信十分有利。另外，对终端、主站通信也有较高的参考意义。不过，两种标准建立了不同的服务模型。IEC61850-80-1在某些情况下并不支持整个服务模型，其中无法映射的部分，需改为MMS。

2 规约转换的理论研究

IEC61850，实质上是面向对象实现的一种建模方式。相比之下，IEC60870-5-104协议有较大的区别，属于面向点的服务协议。面向点，也就是依靠不同的数据地址“点”，对海量信息进行区分，如开关状态、电压、功率等。为了促进变电站、控制中心二者的无缝连接，比较理想的做法是参照协议转换网关，将IEC60870-5-104协议无缝地转换为IEC61850标准，如图1。

图1 采用通信协议转换网关的变电站系统结构

IEC60870-5-104、IEC61850两条规约之间的转换，均需依靠通信协议转换网关来完成。一是IEC60870-5-104规约可以搜集变电站在不同时段的远动信息；二是该规约同时也是一个服务器，能够为控制中心提供通信方面的服务。通信网关涵盖了4个不同的模块：IED配置工具、IEC6185oN业务以及协议转换模块，包括IEC61850实时数据库，如图2。

图2 协议转换网关软件结构

2.1元数据和lED配置工具

元数据是一组清晰、直观的词汇，可以描述数据的变化。模型文件，又叫元数据实例。通常，XML语言是元数据最常用的表现形式。IEC61850规约中，需依托SCLSchema技术来描述变电站中各类数据、接口包括通信。整个模型文件，均可交给计算机进行解析、操作。IEC61850模型文件同样也有4个主类：①ICD（IED功能描述文件）、②SSD（变电站功能模型描述文件）、③SCD（变电站及通信配置文件）、④CID（IED最终配置描述文件）。而IED配置工具，同样也可以提供元数据及其相关的映射服务。根据元数据相关描述，可以配置协议转换模块中的具体结构。IEC61850实时库，构建了IEC61850模型，其中就有部分遗留的IED。根据元数据映射得到的信息，原遗留协议、1EC61850模型之间同样也可以完成自动映射，如图3。

图3 1EC61850网关模型

2.2协议转换模块

协议转换模块，其功能在于协议转换，利用解析工具可以获得元数据相关信息，对环境予以初始化。结合模型配置，协议转换模块可以对IEC60870-5-104报文进行解析，得到遥测、遥信等必要的数据，接着，根据映射模型将这些数据快速地写入IEC61850实时库中。同时，其他IEC61850装置在和遗留装置之间建立通信时，该协议转换模块同样也可以先对IEC61850数据或是服务进行转化，使其成为IEC60870-5-104协议下的单元格式（ASDU）和对应的控制信息。

2.3 IEC61850实时库

实时数据库，其用途是对遗留lED传递的各类实时数据进行存储，属于内存数据库。从实现机制分析，实时数据库有两种不同的存在方式，一是共享内存，二是文件映射。实践得知，确立一种安全、高效的内存管理机制，得到数据库实体是非常关键的。从设计模式上分析，我们可以价格实时库归为三种：一是关系型、二是层次型、三是对象型。IEC61850是一种层次结构，按逻辑设备、数据对象以及数据属性进行逐层划分，建议引入实时库设计模式，在内存中实现整个IEC61850模型。

2.4 IEC 61850服务模块

以协议转换模块、实时库为前提，IEC61850nE务模块需借助编程工具、语言来为间隔层设备提供IEC61850-8-x、IEC61850-9-l服务子集。

3 IEC60870-5-104向IEC 61850标准的转换

（1）服务映射，IEC60870-5-lO4、IEC61850~E服务映射需遵从行业的规则。协议转换，前提是处理好数据地址、逻辑节点二者在数据属性方面的映射关系。

（2）信息模型的构建。选取合适的逻辑节点，代表遥信、遥测和遥调信息，完成服务映射，如IEC6185-5-104规约提到的保护装置、事故告警、测量值以及断路器开合，它们依次对应IEC61850的PDIF、PDIS、PDIR，GGIO，MMXU -MV -instMag-i/f，CSW I-pos-stval。

（3）根据IED配置工具来自动生成和获得一份CID模型文件；在104协议中，点信息也要和1EC61850模型中的节点数据属性保持对应。结合映射关系，将IEC60870-5-104量值更改为IEC61850逻辑节点上对应的数据属性。

4 lEC61850向IEC6087 10砖换

IEC61850映射~t]IEC60870-5-104，其目的在于对过程信息进行实时交换，提供IEC61850传输文件和必要的日志服务。IEC61850-80-1中详细阐述了IEC61850模型、IEC60870-5-101/104完成映射过程必要的数据类型和具体方法。选取面向对象的描述方法，坚持同样的命名规范，使用配置描述语言SCL来完成描述。

结语

由于接入能力和通道建设因素的限制，电力调度仍沿用IEC60870-5-101/104规约。在今后的很长一段时间，非IEC61850系统、IEC61850系统还将继续共存、循序过渡。本阶段，促进IEC60870-5-104、IEC61850两种规约的转换十分迫切。本文分析了IEC60870-5-104、IEC61850的信息模型，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、信息映射以及配置文档描述来实现规约转换，对后续研究有重要的指导意义。

参考文献：

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