摘 要： IEC61850是將來變電站無縫通信體系的基礎，國內對IEC61850的研究還主要停留在理論層面上，對它的實際應用的研究并不多見，本文從實際應用角度出發(fā)，以故障錄波通信系統(tǒng)為目標，采用了面向對象的技術，詳盡分析了基于IEC61850的IED(故障錄波器)的建模，傳輸中數據庫的建立、數據鏈接以及ASCI到具體通信棧的映射的實現，并通過PC機得到模擬結果，取得了較理想的結果，為工業(yè)變電站自動化應用IEC61850做了前瞻性工作。
關鍵詞： IEC61850；MMS；故障錄波；數據通信；面向對象
故障錄波信息系統(tǒng)構成從故障錄波裝置到變電站子站、主站側的前置、主站側的數據庫、主站側的應用服務器，直至主站側客戶端的一個完整的信息傳輸、處理、應用的過程，是一個典型的分散分級數據采集、傳輸、數據匯集的過程。采用IEC61850的故障錄波信息系統(tǒng)所提供的對象調用將極大地滿足主站實時數據調用的自由度和效率，從調度端的應用出發(fā)，發(fā)揮最大效能最迫切、最實際的就是首先在變電站加速建立符合IEC61850和制造報文規(guī)范(MMS)的故障錄波信息系統(tǒng)模型，這樣，調度端對錄波數據獲取將完全是面向對象、面向目標應用和面向點對點通信。
完成錄波系統(tǒng)數據通信的主要工作有:建立錄波系統(tǒng)(IED)抽象模型、數據庫設計、ASCI-MMS映射、網關設計和數據連接等。VMD中應有唯一的標識，同時其屬性不僅要滿足現有IED的屬性定義和操作，以實現對實設備IED的控制，并實現實設備VMD的屬性向IEC61850定義的邏輯節(jié)點(LN)構成的邏輯設備的映射，同時實現其IEC61850和MMS與主站通信。
1 錄波系統(tǒng)通信建模
對于錄波系統(tǒng)通信模型，采用擴展的RADE和RBDE分別描述模擬通道和數字通道以便對IEEE-COMTRADE通道數據進行全局性標識。由于IEC61850沒有規(guī)定以文件方式交換錄波系統(tǒng)數據的通信方式，本文建立了錄波系統(tǒng)的通信功能模型，如圖1所示。
RADE和RBDE分別描述模擬通道和數字通道。對每一通道建模一個RADE或RBDE實例。以對IEEE-COMTRADE通道數據進行全局性標識以及進行配置描述。RADE和RBDE的cmtCfg數據項(CHNDT類型)用于描述該通道與信號源設備的對應關系以及描述承載該通道數據的IEEE-COMTRADE文件和與文件中通道編號的對應關系。IEDM用于建模錄波系統(tǒng)的通知和交換功能。擾動記錄裝置每次動作產生的數據可以根據需要形成或分解成多個IEEE-COMTRADE數據文件(.DAT)，根據數據文件的個數，建模IEDM實例的個數。IEDM的chgEvt數據項用于通知新擾動記錄的產生以及對應的.HDR.CFG.INF文件的更改。其中，
ehgEvt.eelssx(x=1到5)將反應本次事件的觸發(fā)條件：ChgEvt.eClssl為TRUE表示發(fā)生了1類事件，一般指
.HDR.CFG.INF文件的更改事件；
chgEvt.eclss2為TRUE表示發(fā)生了2類事件，一般指新擾動記錄產生的事件；
chgEvt.eclss3為TRUE表示發(fā)生了3類事件，一般指有持續(xù)5 ms以內的模擬量波形的突變；
chgEvt.eclss4為TRUE表示發(fā)生了4類事件，一般指有持續(xù)5 ms以上的模擬量波形的突變；
chgEvt.eclss5為TRUE表示發(fā)生了5類事件，一般指有數字量波形的突變。
chgEvt.FileName屬性用于指定事件所涉及文件的文件名。
2 數據庫設計
2.1 實時數據庫的總體規(guī)劃
實時數據庫管理實時數據以及與實時數據有關的信息，與傳統(tǒng)數據庫相比，主要在調度機制、并發(fā)控制機制和事務管理方面有較大的區(qū)別。實時應用是具有定時限制的數據庫任務，它是實時數據庫系統(tǒng)的服務對象，也是實時事務產生的源泉?；诖?，本文將從實時調度、實時并發(fā)控制與數據管理三方面設計面向對象實時數據庫。
2.2 實時數據庫的實現方法
通過解析IEC 61850中的變電站描述語言SCL，根據SCL的內容，動態(tài)創(chuàng)建和管理實時數據庫的數據結構，調用IEC61850類庫中相關類的定義，動態(tài)地創(chuàng)建面向對象的數據和服務。在此基礎上創(chuàng)建基于IEC61850協議的面向對象內存數據庫系統(tǒng)，并通過對此面向對象內存數據庫添加相應的實時性約束，將其最終創(chuàng)建為滿足實時性要求的基于IEC61850協議規(guī)定的面向對象實時數據庫系統(tǒng)。
主要步驟如圖2所示，包括以下3步：
(1)利用XMLDOM，依據IEC61850-6中SCL的描述，動態(tài)創(chuàng)建內存數據庫的數據結構。
(2)根據IEC61850類庫提供的相關類的定義，創(chuàng)建實時數據庫數據和服務，并將這些數據和服務添加到對應的數據結構中。
(3)為面向對象的內存數據庫系統(tǒng)，添加實時調度算法和并發(fā)控制策略等實時性約束條件，使之最終能夠建成面向對象的實時數據庫系統(tǒng)。
在這3步中，對于第一部分而言，主要工作包括數據庫結構的動態(tài)創(chuàng)建、動態(tài)管理、數據對象的添加和刪除等基本工作；第二部分的工作主要是根據IEC61850類庫所提供的數據類和相關服務，初步實現內存數據庫中的數據對象的一些基本操作功能，如數據對象的基本讀、寫、修改等操作。這兩步工作的結果在內存中動態(tài)創(chuàng)建基于IEC61850協議的面向對象的內存數據庫的數據結構和內存數據對象和服務。第三部分工作的主要功能是為這個基于IEC61850協議的面向對象的內存數據庫添加實時性約束，根據實時事務的輕重緩急決定哪個實時事務在何時執(zhí)行，使之既能夠滿足實時性的要求，又能夠滿足數據庫邏輯一致性，并最終將此內存數據庫設計成為滿足實時性要求的面向對象的實時數據庫。
3 ASCI類到MMS的映射實現
ASCI類向MMS映射需要將ACSI類的屬性結構映射為MMS類的一個或多個字段的值。這種映射可以看作是ACSI類的MMS封裝。下面以邏輯節(jié)點類的映射為例加以說明。邏輯節(jié)點類的實例被映射為一個MMS的有名變量對象。MMS有名變量類的ASN.1描述如下：
NAMED-VARIABLE ::= CLASS
{ &name ObjectName，
&accessControl Identifier，
&typeDescription TypeDescription，
&value Data，
&accessMethod ENUMERATED
{
public ，
anythingElse ，
... }，
&address Address ，
&meaning ObjectName
}
以上類定義中的字段類型TypeDescription是一個用于嵌套的、分層的描述一個數據類型的結構，它的值可以完整地確定一個數據結構。Data則是用于存儲相對應的結構的值的結構。在實現MMS映射時，邏輯節(jié)點的屬性結構可以映射為MMS有名變量的TypeDescription的一個值，相應的邏輯節(jié)點實例的值映射為按TypeDescription指定的用Data結構存儲的值。這個類型描述的生成可按如下算法實現：
針對IEC61850定義的每一功能約束(FC)的值c，進行如下操作：
(1)對于邏輯節(jié)點中的每一成員DATA(d)，
?、俪跏蓟豢战Y構s；
②如果在功能約束c下產生的功能約束數據FCD非空，則在結構s中添加一個成員到結構s，成員的名稱為d，類型為由FCD確定的類型。
③重復①、②，直到邏輯節(jié)點所有成員被處理。
(2)如果結構s非空，則在生成的TypeDescription中添加一個以功能約束值c為名稱成員，其類型為結構s。
(3)重復(1)、(2)，直到所有功能約束值被處理。
如果一個功能約束值在任何成員上產生的FCD均空，則這個功能約束值將不作為有名變量的TypeDescription的一個成員出現。
4 通信網關的設計
設備接口模塊使用同設備相同的通信協議，實現同設備的通信，并將收到的點信息存放到一個點信息表結構中。針對設備采用的通信協議不同，可以設計不同的設備接口模塊，但它們完成的功能是相同的，即點信息的采集和發(fā)送?；贗EC 61850和MMS的通信網關系統(tǒng)結構如圖3所示。
點信息表是一個針對設備發(fā)送的點信息設計的數據結構，它應滿足設備點信息的唯一標識，例如通過一個點ID號，還應具備存儲點信息值的能力。由于設備接口模塊和MMS服務器可能同時訪問(讀寫操作)點表中信息，因此應為每一個點信息增加一個標志(互斥信號量)，以實現對點表信息的互斥訪問。此外還可以包含點信息的含義、數據類型等信息。點信息表的結構也會因設備傳輸的點信息的不同而不同。
5 數據連接過程
在故障錄波數據傳輸中采用客戶-服務器模型，服務器端程序實現IEC61850的變電站智能電子設備代理功能，主要是調用前面定義的SCL解析程序，根據配置文件描述，采用ACSI動態(tài)連接庫的調用，生成IEDs的代理并初始化，然后發(fā)布61850 Server服務器，等待客戶訪問，同時啟動服務器端的事件監(jiān)視功能，完成報告、記錄的更新。客戶端程序調用ACSI動態(tài)連接庫中沒有具體實現的版本，也就是接口定義部分，接口定義的主要作用就是讓客戶程序知道每個類的具體方法，客戶并不關心實現，只要調用所需方法，就可以獲得所需要的結果：
InitClient()；//本地安全控制；
TcpChannel chan=new TcpChannel()；
ChannelServices.RegisterChannel(chan)；//注冊信道；
abc=(SERVER)Activator.GetObject(typeof(SERVER)，'tcp://202.206.215.119:8085/SERVER')；//得到遠程對象；
…………//遠程調用過程；
5.1 建立連接階段
建立連接的過程可以用一個服務原語的序列來描述：首先客戶端發(fā)出N-CONNECT.REQUEST原語，服務器端接收N-CONNECT.INDICATION原語并返回N-CONNECT.RESPONSE原語，客戶端接收N-CONNECT.CONFIRMATION原語。當用TCP實現時，為了實現N-CONNECT.REQUEST，客戶端TS(OSI傳輸服務)提供者使用指定的IP地址和特定的端口執(zhí)行TCP-OPEN_PORT操作。在服務器端通過N-CONNECT.INDICATION事件通知連接指示的產生。為了捕獲N-CONNECT.INDICATION事件，服務器端需預先執(zhí)行TCP-LISTEN_PORT動作，監(jiān)聽特定端口(102端口)，當一個客戶成功連接到這個端口，TCP-CONNECTED事件發(fā)生時，執(zhí)行N-CONNCET.RESPONSE動作。在這個過程中，服務器端的地址是IP地址加上端口號，客戶端地址是一個IP地址，其他參數不進行映射。
5.2 數據傳輸階段
為了執(zhí)行N-DATA.REQUEST動作，TS提供者首先將構造好的傳輸協議數據單元(TPDU)傳遞給NS(網絡層服務)服務提供者，NS服務提供者再將TPDU封裝成稱為TPKT的報文單元(TPKT的定義將在下節(jié)介紹)，然后利用TCP-SEND_DATA傳輸數據。當數據到達對端后，TCP通過TCP-DATA_READY事件表示數據到達，并觸發(fā)N-DATA.INDICATION事件，TS用戶通過TCP-READ_DATA讀取數據。
5.3 釋放連接階段
為了執(zhí)行N-DISCONNECT.REQUEST動作，TS提供者只需通過TCP-CLOSE原語關閉TCP連接即可。TCP-CLOSED事件表明連接已關閉。
作為未來電力系統(tǒng)無縫通信的基礎，IEC61850定義了變電站通信網絡和系統(tǒng)的抽象通信服務接口，并采用特殊通信服務映射的方式映射到多種具體的通信協議。MMS是其中最為重要的一個應用層通信協議，本文研究了基于IEC61850/MMS的電力錄波數據通信系統(tǒng)，實現了錄波數據傳輸中對61850規(guī)約的解析，以及到通信棧的映射，取得一定的成果。
參考文獻
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