电气设备在线监测信号转换板的设计
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摘要：在变电站自动化系统的发展过程中，由于缺少统一的电力规约，导致采用不同规约的设备之间进行互操作之前，要进行大量的规约转换工作，严重影响了变电站自动化系统的开发和运行的效率。为了解决这一问题，以实现设备互操作性为目标的IEC61850标准被提出，并得到了广泛的研究和推广。
关键词:IEC61850 变电站自动化设备互操作
前言
随着光电技术在传感器应用领域研究的突破，IEC61850标准的颁布实施，以太网通信技术的应用，以及智能断路器技术的发展，使变电站自动化技术面临了一个崭新的发展机遇。这些相关技术的发展和应用意味着可能突破体现为“信息孤岛”现象的变电站自动化技术发展瓶颈，实现变电站内各种信息的有机结合，提高系统的集成化度和信息应用的效率，以交换式以太网技术和光缆为媒介的信息通信模式将有效的实现整个变电站自动化水平。
国内研究现状
在国外研究IEC61850的同时，中国也察觉到了其中巨大利益，于是2005年由国家电网公司牵头组织了国电南瑞、北京容克联创公司、南瑞继保、四方继保、电科院变电站自动化公司、国电南自、山东积成、东方电子、许继电气、中国电科院质检中心等10家国内电力自动化系统生产厂家和质检部门，组成IEC61850互操作实验工作组，以促进IEC61850在中来的推行，提高中国的变电站自动化水平。
1 IEC61850标准的实现过程
开发者只要根据所要开发的产品，并结合IEC61850-5中对变电站自动化系统的功能和逻辑节点分类，提出产品的通信要求，然后从IEC61850-7-4中选择标准数据类(标准中没有的数据类，开发者可以自己定义私有逻辑节点类)，从IEC61850-7-3中选择出标准数据对象类，以这些类作为模板，派生出所需的实例，这些实例包括逻辑设备和逻辑节点，IEC61850-7-2中定义的ACSI模型和服务规范了逻辑节点通信模型和服务，然后根据实际使用的网络和协议栈，利用IEC61850-8/-9-1/-9-2定义的SCSM，将ACSI映射到SCSM中去，到这一步，就完成了产品的设计。最后根据IEC61850-10的规定，完成兼容性检测。
整个过程是先提出通信要求，然后从标准所提供的模型中派生出实例的过程，这是使用面向对象建模技术通信标准的显著特点。按照以上方法，整个协议的实现过程均有明确严格的规范和步骤，因此符合该标准的协议开发在理论和方法上都是有保证的。
由于IEC61850建模了大多数公共实际设备和设备组件，这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，充分利用IEC61850的自我描述，可重复使用的建模用标准名和类型信息这一特性，降低整个系统设计、工程、运行、维护等费用，节约时间。
以下从功能的建模过程、数据的建模过程、通信服务的映射、工程与一致性测试四个方面予以分析。
1.1 功能建模
整个变电站对象从逻辑上可以看作由分布于变电站自动化系统中完成各个功能模块的逻辑设备构成。而逻辑设备中的各个功能模块又由若干个相关子功能块，即逻辑节点(Logic Node)组成，并通过它的载体IED设备实现运行。逻辑节点是功能组合的基础块，也是通信功能的具体体现。逻辑节点类似积木块，可以搭建组成任意功能，而且可分布于各个IED设备中。逻辑节点本身进行了很好的封装，各个逻辑节点之间通过逻辑连接(Logic Connect)进行信息交换。
1.2 数据建模
逻辑节点由若干个数据对象组成，数据对象是ACSI服务访问的基本元素，也是设备问交换信息的基本单元，IEC61850根据标准的命名规则，定义了近30种数据对象名。数据对象是由公共数据类CDC(Common Data Class)定义产生的对象实体。
对象的继承性和多态性使同一公共数据类产生的对象属性不同。如逻辑节点LLN0中的数据对象Beh和Health都是由公共数据类的“整型状态信息类ISI”定义产生的，但二者产生的实例定义有很大不同。Beh对象的stVal值定义为：On、Block、Test、Test／Block、Off，而Health对象的stVal值定义为：Ok、Warning、Alarm。正是这一特性实现了用不到20个的公共数据类产生近400种不同的数据
对象。
1.3 通信服务映射
变电站网络通信采用客户／服务器模式，设备充当服务器角色，通过端口102侦听来自客户(一般是变电站当地监控主机或调度中心)的请求，并做出响应，所以变电站网络通信是多服务器少客户形式。该模式不同于常规的CDT和Polling模式，而是采取事件驱动的方式，当定义的事件(数据值改变、数据质量变化等)触发时，服务器才通过报告服务向主站报告预先定义好要求报告的数据或数据集，并可通过日志服务向循环缓冲区中写入事件日志，以供客户随时访问。另外采用面向无连接的通信方式，可以使设备通过组播同时向多个设备或客户发送信息。
1.3.1 变电站层与间隔层的网络映射
在IEC61850-7-2、-7-3与-7-4中定义的信息模型通过IEC61850-7-2提供的抽象服务来实现不同设备之间的信息交换。为了达到信息交换的目的，IEC61850- 8-1部分定义了抽象服务到MMS的标准映射，即特殊通信服务映射(SCSM)。IEC61850-8-1中定义的特殊通信服务映射SCSM就是将IEC61850-7-2提供的抽象服务映射到MMS以及其它的TCP/IP与以太网[19]。在IEC61850-7-2中定义的不同控制模块通过SCSM被映射到MMS中的各个部分(如虚拟制造设备VMD、域Domain、命名变量、命名变量列表、日志、文件管理等)，控制模块包含的服务则被映射到MMS类的相应服务中去。通过特殊通信服务映射SCSM，ACSI与MMS之间建立起一一对应的关系，ACSI的对象(即IEC61850-7-2中定义的类模型)与MMS的对象一一对应，每个对象内所提供的服务也一一对应。
1.3.2 间隔层与过程层的网络映射
ACSI到单向多路点对点的串行通信连接用于电子式电流互感器和电压互感器，输出的数字信号通过合并单元(MergingUnit)传输到电子式测量仪器和电子式保护设备IEC61850-7-2定义的采样值传输类模型及其服务通过IEC61850-9-1定义的特殊通信服务映射SCSM与OSI通信栈的链路层直接建立单向多路点对点的连接，从而实现采样值的传输，其中链路层遵循ISO／IEC 8802．3标准。IEC61850-9-2定义的特殊通信服务映射SCSM是对IEC61850-9-1的补充，目的在于实现采样值模型及其服务到通信栈的完全映射。IEC61850-7-2定义的采样值传输类模型及其服务通过特殊通信服务映射SCSM，在混合通信栈的基础上，利用对ISO／IEC 8802．3过程总线的直接访问来实现采样值的传输。
2 GOOSE的工作方式
GOOSE／GSSE报文传输服务的抽象模型采用者／订阅者通信结构，原因除了此种通信结构支持多节点之间的快速、直接通信外，还有重要一点：者／订阅者通信结构与GO OSE／GSSE报文传输的本质一样，是事件驱动的．GOOSE／GSSE报文传输利用多路广播／多播服务，从而有效地保证了向多个物理设备同时传输同一个通用变电站事件信息[20]。实际应用中，报文传输有以下特殊要求：
(1)时序性控制。对时序进行控制是实时应用所必须的，例如GOOSE／GSSE报文传输的时间延迟规定在4 in8内。此外，者发送报文的有效保持时间有些情况下也是很重要的。
(2)可靠性控制。GOOSE／GSSE报文传输的可靠性要求很高，它的经典应用之一是过程层上跳闸命令的传输，故在实际应用中，需对GOOSE／GSSE报文传输的可靠性与时间确定性之间具有折衷选择的能力，即在这一矛盾因素中找到平衡点。
(3)询问一响应。在复杂的实时应用中要求订阅者具备主动询问、者具备响应询问的功能。例如，为实现对站内智能电子设备(IED)配置文件的互操作性，IEC61850规范了基于XML的配置文件，这是一种静态配置，当利用其对者和订阅者配置后，配置结果的有效性可通过订阅者和者之问的询问一响应这种动态过程进行验证。为了满足以上要求，改进后的者／订阅者通信结构不仅支持订阅者以客户／服务器的通信方式读或设置者的控制块属性块(如图所示)，
2.1 GOOSE报文的目的地址
GOOSE报文属于组播信息，由于没有通过TCP/IP协议栈，因此报文的传输地址不是一个IP地址。既然目的地址不是IP地址，那么GOOSE报文不能通过路由器组播而只能通过二层链路（交换机）在局域网内组播。IEC61850标准指出GOOSE报文的组播MAC地址范围为01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-01-FF,前3个字节被IEEE 定为01-0C-CD,第4个字节对于GOOSE取01。当GOOSE进程启动时，将组播地址加入以太网接收列表中，这样就可以对接受的报文进行硬件过滤。
2.2 GOOSE报文的发送和接收
在报文的发送和接收过程中，系统会自动分配一个Struct sk_buff数据结构的缓存区给将发送和接收的报文，sk_buff数据结构包括控制区和数据区两部分。
2.3 IEC61850协议转换电路的设计
LAN91C111是SMSC公司生产的专门用于嵌入式产品的10/100M快速以太网控制器，该器件具有可编程、CRC校验、同步或异步工作方式、低功耗CMOS设计、小尺寸等特点，是设计嵌入式以太网网络接口的良好选择。LXT971A是一种网络通讯接口电路。HR601680是一种网络变压器，用于传输数据。RJ45是一种网卡接口。HFBR5103是场效应管，可用于电子开关。
2.4 GOOSE报文的传输可靠性
由于GOOSE 报文是组播信息,报文传输的可靠性低。为了增加报文传输可靠性则要重发报文,但若重发报文次数过多,则网络通信负荷加重。通过报文重发和报文定时重发机制，在下一次GOOSE报文未发送之前，定期定量向网络重新发送报文可以改变增强GOOSE报文传输的可靠性而导致网络通信负荷增加的状况[26]。
3 总结
IEC61850标准经过多年的酝酿和讨论，吸收了面对对象建模、网络和分布式处理等领域的最新成果,IEC61850标准定义了用来交换数据的功能最小单元逻辑节点LN，通过逻辑节点之间通过逻辑连接交换数据，使得变电站自动化系统基础的IED功能模块化实现方式具备了极大的灵活性。本文主要论述了IEC61850标准的技术特点及其实现过程，GOOSE报文通信的方法及IEC61850信号转换板的设计。
参考文献
[1] 任雁铭．变电站计算机通信网络和系统的研究[D]．北京：华北电力大学，2000．
[2] 任雁铭，秦立军，杨奇逊．IEC61850通信协议体系介绍和分析[J]．电力系统自动化，2000，8：62．64．
[3] 谭文恕．电力系统无缝通信系统体系[J]．电力自动化设备，2001，21(11)：1．4．
[4] 谭文恕．变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J]．电网技术，2001，25(9)：8―9．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。