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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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