基于IEC變電站自動化系統(tǒng)配置工具的分析與實(shí)現(xiàn)

　　O 引言

　　IEC61850是一種變電站自動化系統(tǒng)的配置工具，其中在IEC61850-6部分定義了變電站配置描述語言(SCL)。SCL語言是根據(jù)XML的語法規(guī)則和結(jié)構(gòu)定義，同時(shí)結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的需要定義的一種特定用途的、可擴(kuò)展的標(biāo)識性語言。SCL語言就相當(dāng)于XML語言在基于IEC61850變電站系統(tǒng)中的特定應(yīng)用。而XML具有平臺無關(guān)性，因而可使得文件中的數(shù)據(jù)能在不同廠家、不同平臺的工程化工具之間進(jìn)行交換。

　　引入SCL主要有以下兩個(gè)作用：一是對IED的功能和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行描述；二是對系統(tǒng)進(jìn)行描述。本文主要對基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)中配置工具進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了SCL系統(tǒng)配置工具的應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法。

　　1 SCL的文檔結(jié)構(gòu)

　　XML文檔包括DTD(文檔類型定義)文件、XML文件和式樣單三部分，SCL語言是基于XML的。同樣，SCL文檔也包括這三部分。

　　1．1 DTD文件

　　DTD文件定義了標(biāo)簽及其屬性，可完成聲明標(biāo)記任務(wù)。IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)中給出了SCL語言的DTD文件的詳細(xì)定義。理論上，可以在該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)根據(jù)需要任意定義標(biāo)簽及屬性，但在實(shí)際應(yīng)用中，DTD的定義有很高的難度，包括標(biāo)簽的可用性、簡潔性、從實(shí)際設(shè)備抽象出的良好的數(shù)據(jù)模型等，都需要有很豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。所有支持該標(biāo)準(zhǔn)的裝置將使用相同的DTD文件。

　　1．2 XML文件

　　該文件是采用DTD文件定義的標(biāo)簽，用于完成數(shù)據(jù)對象置標(biāo)的任務(wù)，也就是將IED、系統(tǒng)等數(shù)據(jù)對象描述出來。XML文件嚴(yán)格受DTD的定義約束。IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定功能，也沒有規(guī)定功能分配，各裝置功能各不相同，其配置在IED上的LN也不同。所以，XML文件的內(nèi)容也是不同的，但I(xiàn)ED具有處理XML文件的能力。

　　1．3 式樣單

　　式樣單是專門描述結(jié)構(gòu)性文檔表現(xiàn)方式的文檔。從應(yīng)用角度講，IED可直接處理SCL數(shù)據(jù)文件，只要獲取所需信息即可正常運(yùn)行并與系統(tǒng)交互，所以，式樣單文件一般不是系統(tǒng)所必須的。

　　2 SCL對象模型

　　根據(jù)變電站體系結(jié)構(gòu)，SCL描述了變電站、通訊和IED三種對象模型。

　　其中變電站模型主要用于描述一個(gè)變電站的功能結(jié)構(gòu)，標(biāo)識變電站內(nèi)的一次電力設(shè)備及其之間的連接關(guān)系。

　　通訊模型主要用于描述邏輯節(jié)點(diǎn)之間通過邏輯總線和IED訪問點(diǎn)所建立起的連接。該通訊結(jié)構(gòu)具體包括的對象模型有IED的mac地址、IP地址和子網(wǎng)掩碼，以及邏輯節(jié)點(diǎn)之間的客戶端／服務(wù)器關(guān)系等信息。

　　IED模型中描述了各IED的模型信息，包括報(bào)告接收者、邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例、數(shù)據(jù)對象實(shí)例等。

　　3 SCL數(shù)據(jù)交換模式

　　3．1 SCL信息流模型

　　SCL文件在變電站內(nèi)的通訊傳輸涉及到系統(tǒng)配置工具、IED配置工具、IED數(shù)據(jù)庫三個(gè)概念。

　　系統(tǒng)配置工具是使用SCL進(jìn)行變電站自動化系統(tǒng)的配置和管理的工具，可輸入、輸出按IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)定義的SCL文件。

　　IED配置工具是IED制造商提供的IED調(diào)試專用工具，該工具能生成特定的IED描述文件(以．ICD為后綴的SCL文件)并下載到IED中，同時(shí)可向系統(tǒng)配置工具提供ICD文件并能處理來自系統(tǒng)配置工具生成的SCD文件。

　　IED數(shù)據(jù)庫分為參數(shù)庫和實(shí)時(shí)庫，參數(shù)庫用于描述變電站模型和通訊模型，實(shí)時(shí)庫則用于描述IED模型。IED數(shù)據(jù)庫包括了變電站的各種信息數(shù)據(jù)和屬性，可以供配置工具和系統(tǒng)調(diào)用。

　　3．2 SCL信息流動過程

　　SCL數(shù)據(jù)流模型中不包含DTD文件，XML文件才是真正包含配置數(shù)據(jù)的文件，也是參與配置數(shù)據(jù)流動的主要文件。圖1所示是SCL文檔在整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換流程，也就是系統(tǒng)管理配置的過程。

　　IED配置工具可以獲取各IED的ICD文件并將其發(fā)給系統(tǒng)配置工具，該ICD文件只包含IED的基本信息，其相關(guān)參數(shù)(如網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等)都沒有進(jìn)行設(shè)置。

　　系統(tǒng)配置工具在接受全站的ICD文件后，將分析各IED信息，并結(jié)合IED數(shù)據(jù)庫取得各邏輯節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)對象的信息，以生成或人工輸入配置信息，同時(shí)生成SCD文件并返回給IED配置工具。

　　IED配置工具可接受并處理SCD文件，它可根據(jù)得到的各IED配置信息生成下載到具體IED的配置文件CID。

　　IED啟動時(shí)首先解析CID文件以獲取信息，并據(jù)此信息進(jìn)行IED初始化，例如網(wǎng)絡(luò)I／O將按獲取的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置并啟動。

　　IED正常運(yùn)行時(shí)可與IEC61850客戶端進(jìn)行通訊以交互數(shù)據(jù)，SCADA系統(tǒng)可根據(jù)SCD文件進(jìn)行參數(shù)配置，在實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，它將生成參數(shù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

　　4 SCL配置工具的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　IEC61850為變電站模型定義了分層結(jié)構(gòu)，與之對應(yīng)的SCL也采用了分層結(jié)構(gòu)來描述變電站的數(shù)據(jù)模型。基于SCL文件的這種分層模型，本程序利用網(wǎng)格式數(shù)據(jù)模型來模擬實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并通過基于SAX(Simple API for XML)的XML解析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)SCL文件的信息提取。使用嵌套圖表的方式將各層次數(shù)據(jù)、屬性以及他們之間的關(guān)聯(lián)顯示出來，其人機(jī)交互界面友好并可以進(jìn)行SCL文檔的配置。本程序整體上采用C／S架構(gòu)，可支持多IED的讀取和配置。設(shè)計(jì)時(shí)可以在某些細(xì)節(jié)部分(如XML膜塊)采用插件技術(shù)架構(gòu)，以便于利用成熟的軟件模塊，這樣更有利于以后的維護(hù)和升級。

　　本程序的開發(fā)環(huán)境為VC++6．0，可采用模塊化設(shè)計(jì)方案和基于COM的組件技術(shù)，并可大量采用成熟的軟件和開放的程序模塊，故可降低開發(fā)成本和開發(fā)周期，同時(shí)也便于軟件維護(hù)和升級。本設(shè)計(jì)主要由圖表控件模塊、XML解析模塊、信息庫模塊、配置界面模塊和通訊模塊組成。

　　4．1 配置界面模塊

　　本程序主要提供一個(gè)友好的可視化用戶配置界面，以打開相應(yīng)的SCL文件，如IED的ICD格式文件，點(diǎn)擊菜單或按鈕“Configuration”即可打開用戶配置界面，而點(diǎn)擊相應(yīng)的屬性頁即可對該IED進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、數(shù)據(jù)集、GOOSE等系統(tǒng)需求的配置，圖2所示是名為REF615的IED的基本參數(shù)配置界面。

　　4．2 XML解析模塊

　　本程序選用JAVA版本的Xerces-J1．4．4解析器，這是目前最健壯、最強(qiáng)大的XML解析器，可以保證程序處理SCL文件的高效性、可靠性、正確性，另外，利用JAVA語言跨平臺的優(yōu)點(diǎn)，對于程序的維護(hù)升級和移植也具有極大的便利性。Xerces-J解析器的XML解析功能可支持基于DOM、SAX、JAXP的三種XML解析技術(shù)。考慮到IEC61850變電站巨大的數(shù)據(jù)量，以及多層次的、關(guān)聯(lián)復(fù)雜的數(shù)據(jù)對象，數(shù)據(jù)豐富多樣的功能約束和屬性，需要使用一個(gè)高效且容錯(cuò)性較高的解析器。基于SAX的XML解析技術(shù)，本設(shè)計(jì)使用流的方式來讀入SCL文件并逐行解析且順序操作。該方法相對于DOM技術(shù)占用資源少、快速穩(wěn)定，同時(shí)也無需像在DOM中那樣為所有節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建對象，因此，本程序采用基于SAX技術(shù)的Xerces-J解析器。另外，SAX采用了處理XML事件的“推”模型，該模型無需將SCL文件一次加載到內(nèi)存中，這使得SAX解析器可以解析大于系統(tǒng)內(nèi)存的文檔，并且SAX“推”模型可用于廣播環(huán)境，能夠同時(shí)注冊多個(gè)ContentHandler。它可以并行接收事件，而不是像DOM只能在一個(gè)管道中一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行處理。

　　4．3 數(shù)據(jù)庫模塊

　　數(shù)據(jù)庫模塊主要是分析和存儲XML模塊解析出來的SCL文件的各種數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)對象存儲模型具體可按IEC61850-7部分的定義來實(shí)現(xiàn)，包括邏輯設(shè)備LD、邏輯節(jié)點(diǎn)LN、公共數(shù)據(jù)類CDC的基本信息、關(guān)聯(lián)服務(wù)、訪問接口等一系列的數(shù)據(jù)模型和對象實(shí)例。

　　4．4 圖表控件模塊

　　對于分層模型，目前比較先進(jìn)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)是使用樹形控件進(jìn)行控制和顯示，這種技術(shù)能直觀的顯示出層次間的關(guān)系，但是不能直觀顯示出數(shù)據(jù)和屬性、功能約束之間的關(guān)系，而使用圖表控件模型就可以用表格和圖形標(biāo)記的方式直觀立體的顯示出這種關(guān)聯(lián)，同時(shí)也能高效地添加、刪除和修改SCL元素節(jié)點(diǎn)。該模塊根據(jù)XML模塊獲取的數(shù)據(jù)信息可以形成網(wǎng)格關(guān)聯(lián)模型，并使用CrystalCell圖表控件顯示出來；每層可用一個(gè)相對獨(dú)立(每個(gè)SCL文件是一個(gè)大表格，數(shù)據(jù)層層嵌套在大表格的相應(yīng)單元格中)的表格顯示其全部數(shù)據(jù)元素，并可根據(jù)數(shù)據(jù)元素的數(shù)目和數(shù)據(jù)屬性的多少來自動確定行列的數(shù)目。同一層次下的數(shù)據(jù)在該層分行顯示，同一數(shù)據(jù)的類型、功能約束、引用標(biāo)記、文本描述等一列屬性則在該數(shù)據(jù)行分列顯示。在行列的相應(yīng)地方，還可以添加圖片、符號、觸發(fā)控件或表格等標(biāo)記，以用于注釋說明該數(shù)據(jù)元素功能和數(shù)據(jù)元素間的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)操作清晰直觀，數(shù)據(jù)關(guān)系更加立體形象。

　　4．5 通訊模塊

　　根據(jù)本文的信息交換過程，其使用的配置工具必需具有實(shí)時(shí)可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，該模塊根據(jù)IEC61850-7和IEC61850-8的定義，可以實(shí)現(xiàn)ACSI到MMS的映射，其中MMS包可選用SISCO的MMS 5．06版本，該版本能高速實(shí)時(shí)地傳送SCL文件和IED實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且不受具體IED通訊協(xié)議的限制。

　　5 結(jié)束語

　　相比傳統(tǒng)的工程化配置方式，SCL的功能和優(yōu)點(diǎn)更為突出。由于IED間具有互操作性和互換性，配置簡單且不易出錯(cuò)，而且數(shù)據(jù)對象意義清晰，故可極大地減少工程化的工作量，降低基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)工程化集成的難度。