基于IEC61850標準中SCL的智能電子設備建模

宋金澮，康 怡，張 旭，郭力潔

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003)

IEC61850是基于網絡通信平臺的變電站自動化系統的國際標準。其主要目標在于通過信息分層、面向對象自我描述、數據對象統一建模和抽象通信服務映射等技術形成一個標準的開放式變電站自動化體系，從而使來自不同制造商的IED(Intelligent Electronic Device)之間建立無縫通信并實現良好的互操作性，以此滿足電力系統對提高系統可靠性、降低重復投資及維護成本的要求。最終實現“一個世界、一種技術、一個標準”。

目前，不論是對變電站進行升級改造，還是建立符合IEC61850標準的新的變電站，都需要對大量的智能電子設備進行建模，并且搭建需要符合IEC61850－6變電站配置描述語言(SCL)標準的模型。因此，掌握一種甚至多種建模方法是非常必要并具有實用價值的。文中主要介紹了運用Kalkitech SCL Manager軟件建模的基本方法并搭建了一個簡單的間隔單元模型，此模型的搭建依據的是IEC61850標準中模型描述語言SCL的語法規則。

1 變電站配置描述語言SCL

1.1 SCL簡介

SCL(Substation Configuration Description Language)文件是IEC61850第六部分介紹的一種用來配置變電站自動化系統的描述語言，稱為變電站配置描述語言。它用來進行智能電子設備(IED)和通信系統的配置，包括變電站自動化系統和變電站的關系、一次系統拓撲、變電站與變電站功能的關系等。該語言的主要目的是實現不同廠商IED配置工具和系統配置工具之間的互操作，實現可共同使用的通信系統配置數據的交換。一個完整的SCL文件分為兩個基本部分:首部(Header)和內容(Content)。其中，首部用來標識SCL配置文件和它的版本號;內容主要包括變電站描述部分、IED描述部分和通信系統描述部分［1］。

在模型搭建過程中，根據不同的目的生成相應的SCL文件，以便在不同的工具間進行數據交換。主要包括:(1)SCD(Substation Configuration Description)文件:變電站配置描述文件。(2)SSD(System Specification Description)文件:系統規范描述文件。(3)CID(Configured IED Description)文件:配置 IED描述文件。(4)ICD(IED Capability Description)文件:IED能力描述文件。

1.2 SCL語法結構

SCL文件語法遵循可擴展標記式語言(XML)，主要包括頭(Header)、變電站描述(Substation)、智能電子設備描述(IED)、通信系統描述(Communication)，以及邏輯節點數據類型模板(DataTypeTemplates)5部分［2］。每一部分都對數據組件進行了細化，并對配置文檔的內容做出了嚴格限制。這5部分分別是SCL配置文檔中SCL根元素的子元素。其中Header包含SCL文檔的版本和修訂號以及名稱映射信息;Substation包含了變電站的功能結構、主元件及其電氣連接;IED描述了IED的預配置信息，包括邏輯裝置、邏輯節點、數據對象和所具備的通信服務能力;DataTypeTemplates詳細定義了在文件中出現的邏輯節點，包括它的類型以及該邏輯節點所包含的數據對象(DO);Communication定義了邏輯節點之間通過邏輯總線和IED接入點之間的聯系方式［3］。這些元素各有其子元素和相關屬性，它們層層包含，最終完成IED模型描述。圖1所示為SCL文檔的結構模型。

圖1 SCL結構模型

2 利用SCL進行模型搭建

2.1 模型簡介

IEC61850標準的核心是通信模型和數據模型，包括服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據和數據集等模型，通過抽象通信服務接口(ACSI)由特定通信服務映射(SCSM)映射到具體的協議棧，如制造報文規范(MMS)［4］。

圖2為數據模型結構圖，其模型是一個樹狀結構。模型包括多個邏輯設備，每個邏輯設備中有多個邏輯節點，每個邏輯節點由若干個數據對象或數據屬性對象組成，不同的數據對象有不同的數據對象屬性。

由圖2可以看出，數據模型搭建主要分為邏輯設備建模、邏輯節點和數據建模。

2.1.1 邏輯設備建模

圖2 數據模型結構圖

邏輯設備是服務器內的虛擬設備，匯集相關邏輯節點和數據集，為訪問和引用數據進行通信提供便利，提供物理設備或由它控制的外部設備的信息［5］。但IEC61850標準中，邏輯設備的建模并沒有統一的規范參考。在目前主流的邏輯設備建模方法中，考慮到控制中心對變電站以間隔為單位進行監控，即將變電站根據不同的功能劃分的不同的間隔，每個間隔裝有與所包含指定回路相關的開關設備和控制裝置等，例如饋線間隔、變壓器間隔等，其目的是方便檢修和操作。因此把一個間隔內的遠動信息劃分為一個邏輯設備，相關邏輯按照斷路器、變壓器或母線序號進行劃分。物理設備到網關采用的是邏輯設備復制的方法，即將所有邏輯設備復制到網關。

2.1.2 邏輯節點與數據建模

IEC61850規約定義了約90種邏輯節點，包括斷路器(XCBR)、距離保護(PDIS)等，每個邏輯節點由代表特定意義的若干數據組成。

圖3所示為邏輯節點和數據關系圖，由圖可以看出邏輯節點中包含的數據，這些數據構成了通過網絡進行交換的大多數信息的基礎內容，與設備的大多數交互都是通過邏輯節點的數據和服務進行的，數據又可以擴展到數據屬性，為一個樹形結構。信息模型包含許多邏輯節點、數據、數據屬性。

圖3 MMXU邏輯節點結構

2.2 整體信息模型的搭建

數據采用分層結構，因此模型搭建的主要思路是先建立一個IED設備;再建立這個IED所需的邏輯節點;然后對建立的每個邏輯節點進行必要的數據和數據屬性描述。這樣就完成了一個完整的模型。為進一步說明整體信息模型的搭建方法，采用Kalkitech SCL Manager軟件建立了一個名為“pq”模型。圖4～圖7為采用上述軟件搭建的簡單模型的過程。

由上述過程可以看出，每個模型均為樹形結構的數據。樹的每個元素是數據:最上面的IED是“pq”，它包含邏輯物理設備(LPHD)、測量(MMXU)。MMXU包含數據，例如“啟動(Str)”，每個數據又具有不同的數據屬性。由上圖可以看出，模型包括了邏輯設備、邏輯節點、數據屬性等。

圖7 pq模型

3 文件一致性檢測

一致性測試是指驗證IED通信接口與IEC 61850標準要求的一致性，驗證串行鏈路上數據流與有關標準條件的一致性，例如信號形式和電平，位順序、幀格式、時間同步、定時、訪問組織以及對錯誤的處理［5］，每個IED產品在投入運行前都必須通過一致性測試。IEC 61850－10部分規定了一致性測試的詳細內容和要求來保證各廠商和用戶都能真實評價IED設備對標準的支持情況。一條IEC 61850的信息能夠被理解，依賴于以下要素［6］:

(1)承載信息語義的模型結構層次。

(2)承載信息的條目名稱，信息的一致取決于名稱空間的一致。

(3)承載信息的數據類型，信息一致要求具有相同的數據類型。

有關模型配置文件測試主要包括:按照IEC 61850－6檢測CID配置文件與SCL XML模式定義是否一致;檢測CID配置文件與網絡上的由DUT實際數據、數據類型和服務是否相符合。有關數據的測試項主要包括:檢測每個邏輯節點的強制項是否存在;檢測每一個存在項的數據類型是否與標準相符;檢測ACSI模型和服務映射是否與標準規定相一致。圖8為對上述搭建模型進行的一致性檢測結果。

圖8 SCL文件一致性測試

如圖8所示實例，可以看出有一處不一致，出現不一致的原因是標準中定義stVal的數據類型與配置不符合，必須將所有不能通過標準一致性檢測的部分進行修正，這是SCL文件可用的前提，只有通過一致性監測的文件才可用。雖然此種方法搭建的模型簡單明了，層次清楚，但實踐中發現SCL模型尚有缺陷:它不能搭建出完全滿足IEC61850中定義的對象模型;公共數據類、邏輯節點類中的一些信息無法在SCL模型中找到對應的部分。因此為完整表述公共數據類、邏輯節點類模型的信息，在實際應用當中還需要對SCL模型作一些修改。

4 結束語

介紹了SCL的語法結構、對象模型，描述了基于SCL的IEC61850變電站自動化系統中智能電子設備的配置過程。相對于傳統的變電站自動化系統，IEC61850的配置方式有著較強的優勢:減少了變電站自動化系統工程化的工作量、易于實現各廠商產品之間的互操作等。文章還根據IEC61850協議中SCL的語法規則，數據模型的定義等，介紹了用Kalkitech SCL Manager軟件搭建的變電站內IED模型的方法，并對所搭建的模型進行了一致性檢測，敘述了搭建模型過程中發現的優點與缺陷。

［1］ 殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.一種遵循IEC 6185標準的合并單元同步的實現新方法［J］.電力系統自動化，2004(28):57－61.

［2］ 鄒小虎，何星.基于純XML數據庫的SCL文件管理［J］.計算機工程，2008(16):265－267.

［3］ 陳少君，程曉.智能電子裝置的SCL文檔配置工具的設計與實現［J］.繼電器，2007(20):47－50.

［4］ 周文瑜，溫剛，王釔，等.SCL在變電站自動化系統的應用［J］.繼電器，2007(15):42 －44.

［5］ 崔厚坤，湯效軍，梁志成，等.IEC 61850一致性測試研究［J］.電力系統自動化，2006，30(8):80 －88.

［6］ APOST O A.Object models of protection devices in IEC 61850［C］.Sanfrancisco，CA，USA:Proceedings of IEEE PES TD 2005/2006，2006:915 －920.

［7］ 王德文.基于IEC 61850和MMS的網絡化電力遠動通信的研究［D］.保定:華北電力大學，2009.

［8］ IEC.61850 － 71 Communication networks and systems in substations［M］.USA:BasicCommunication Structure Press，2006.