CN101652975A - 配置智能电子设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变电站自动化(SA)***、尤其是用于配置SA***100中的符合国际电工委员会(IEC)61850标准的智能电子设备(IED)104的方法及***。代理IED104是被增强以在非IEC61850与IEC61850通信协议之间转换数据的NCC网关设备。基于在SA配置描述(SCD)文件中被编码的映射的集合来配置代理IED104。该SCD文件包括用于在非IEC61850与IEC61850通信协议之间数据转换的映射。

Description

配置智能电子设备的方法
技术领域
本发明涉及具有标准化配置表示的变电站自动化(SA)***领域。尤其是，本发明涉及把数据从简单协议转换为具有标准化应用语义(例如，由IEC61850所定义的标准化应用语义)的协议的方法。本发明从在权利要求1的前序部分中所述的用于配置符合IEC61850的智能电子设备(IED)的方法出发。
背景技术
高压和中压电力网中的变电站包括诸如电缆、电线、母线、开关、电力变压器以及仪用互感器等的一次设备，通常把这些一次设备布置在开关场和/或间隔内。这些一次设备通过变电站自动化(SA)***以自动方式***作。在SA***中存在二次设备，其负责保护、控制、测量和监测。SA***包括诸如数字继电器的二次SA设备，这些二次设备在SA通信网络中互连并通过过程接口与一次设备交互。SA***的站级层(station level)包括具有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)。而且，SA***包括到网络控制中心(NCC)的网关。NCC控制中央能量管理***(EMS)和/或数据采集与监控(SCADA)***以管理发电和至用户的负载流量。用于保护、控制以及测量的间隔单元彼此连接并且通过间隔间的总线或站级总线连接到前面提到的在站级层上的其它SA设备。
目前，SA***要求在所有变电站设备之间的互操作性。这要求来自不同制造商的变电站设备彼此之间应该能够互操作。为了实现这一点，用于变电站二次设备之间通信的国际公认通信标准已经由国际电工委员会(IEC)作为标题为“communication networks and systems insubstations(变电站中的通信网络与***)”的标准IEC61850的一部分提出。被连接到SA网络的所有符合IEC61850的设备被称为智能电子设备(IED)。
IEC61850定义了符合的变电站的抽象对象模型以及通过网络访问这些对象的方法。这允许诸如OWS的变电站专用应用软件能够利用标准对象进行操作，而变电站中的实际对象可以由不同制造商的I ED来不同地实现。根据以上标准的抽象对象模型表示在作为物理设备而被分配给IED的逻辑设备内的逻辑节点方面的SA功能。对于非时间临界报文(non-time critical message)，通过IEC61850协议利用基于开放***互连(OSI)、传输控制协议(TCP)、网际协议(IP)以及以太网的制造报文规范(MMS)通信栈来处理IED之间的实际通信。IEC61850协议是基于客户机-服务器的，其允许多个客户机从同一服务器访问数据，并以标准化面向对象的方式定义变电站内数据的语义，以及提供在不同的设计工具之间以标准化格式来传输数据的标准化方法。
上述互操作性要求的一个结果是可以把来自不同供应商的IED组合成一个SA***。由于IED最初在设计阶段期间被配置，所以不同供应商的相应专用设计工具或SA配置工具必须能够交换关于IED的信息。为此，整个SA***连同它的所有的一次设备、IED以及通信链路都必须被以计算机可读的方式加以规定。这通过全面的基于XML的变电站配置描述语言(SCL)(其是IEC61850标准的一部分)来实现。简言之，IEC61850SCL语言提供一次设备、二次设备连同它们的保护、控制以及监测(PCM)功能、通信***的逻辑结构、以及IED与一次设备之间的关系的标准化描述。因此，IEC61850SCL实现通信和IED二者的自动配置。
SCL语言用于在IED能力描述(ICD)文件中描述特定IED或IED类型的能力。IED能力描述(ICD)文件列出物理设备的应用功能，例如其被实施的保护功能。SCL语言中的变电站配置描述(SCD)文件描述一次对象、在每个IED中在逻辑节点方面实现的功能、以及特定变电站的通信连接。因此，SCD文件包括：(1)开关场命名及拓扑描述，(2)IED配置描述，(3)开关场元件与IED功能之间的关系，以及(4)通信网络的描述。因此，如果在SA***中使用特定的IED，则把IED类型的对象实例***相应的SCD文件中。然后，SCL语言允许与特定的IED相关地为由该数据实例携带的数据属性规定典型或单独的值，例如配置属性和设置参数的值。通过将逻辑节点分配给或连接到一次设备的元件来用SCL描述电力过程与SA***之间的连接。SA***中的功能的语义是由逻辑节点类型或分类、结合其被分配给的开关场和/或间隔来确定的。
尽管存在用于变电站自动化(SA)***的标准IEC61850协议，但是仍然存在使用以前使用的传输协议(比如IEC 60870-5-101(基本远动报文)、60870-5-104(针对IEC60870-5-101的网络接入)或60870-5-103(保护设备的接口))以及制造商专用协议的SA设备。这些SA设备需要被包括在符合IEC61850的SA***中。同样，现有的网络控制中心(NCC)仍使用旧协议(比如IEC 60870-101，IEC60870-104)或旧的制造商专用协议与站级层的网关通信。所有这些协议都统称为IEC61850以前的协议，并且基本上是数据值传输协议，其中仅IEC60870-5-103协议包括来自保护区域的一些语义。此外，它们的通信程序通常很简单、即为主-从型，其仅允许每个从设备有一个主设备。
因此，为了IED的互操作性以及以后的二次***改型，从早期协议到IEC61850协议的转换提供很多好处。NCC和代理网关已经被公知一段时间了。它们容易地把IEC61850协议数据转换并翻译为仍被许多现有的NCC和SA设备使用的早期协议。然而，这些协议转换器的设计和配置测试易于出错并且是费时的。它易出错是因为仅使用非正式的信号描述，且在一侧的一些“数字”地址必须被逐个信号地映射到在另一侧的一些其它“数字”地址。
在WO2005/055538A1中描述了到IEC61850的专用代理网关，其把数据从“旧”协议转换到以太网作为公共介质，然后把该介质传送到代理网关，该代理网关把该报文转换为IEC61850格式并再次把它发送到同一物理以太网总线。因为每条报文以旧格式发送一次并且以新格式发送一次，所以这种“隧道效应(tunneling)”方法使以太网总线上的负载加倍。
发明内容
因此，本发明的目的是简化变电站自动化(SA)***(该***包括符合IEC61850的智能电子设备(IED)与不遵守IEC61850通信协议的SA设备的混合)的设计。这些目标分别由根据权利要求1和6的方法和设备来实现。而且，根据本专利从属权利要求，优选实施例是显而易见的。
根据本发明，通常通过从不遵守IEC61850通信协议的SA设备或远程网络控制中心(NCC)的主-从连接而被接收的、并且将被根据IEC61850协议发送的示例性数据(比如状态信号、事件、警告、测量以及干扰记录)被代理I ED(即充当执行保护、监测和控制任务的另一个IED的代理的特定I ED)在两个协议之间转换。借助于根据IEC61850的变电站配置描述(SCD)文件来配置用于将数据从IEC61850以前的通信协议转换到IEC61850协议和/或用于以相反方向转换数据的这个代理IED。因此，在***设计过程期间配置该保护、控制以及监测I ED所需的专用***设计工具或SA配置工具可以同样用于配置该代理IED。这导致越来越简化和自动化的SA应用设计，因此导致更少的调试工作。
预配置的功能映射可供早期IEC60870-5-103协议使用，其能够以与制造商独立的方式建立代理配置信息。对于不具有标准化应用语义的其它早期协议(比如所有信号)，映射到合适的IEC61850数据模板的过程需要手动地并且单独地为每种类型的SA设备精心设计。与之相反，使用对全部功能的预配置功能映射而不是逐个信号地进行大大加快了代理配置。
所述两个不同协议的每一个都是确定功能单元在实现和执行通信方面的行为的规则集合，并且其可以由多个协议组成，即协议组、栈或族。与纯数据转换或数据类型的转换(即，从16到32位或从INTEGER至REAL)相反，协议转换也改变数据被编码以及被功能性地访问的方式。根据IEC61850，包括用于协议转换的映射或协议转换的规则的SCD文件以标准化格式(即根据变电站配置描述语言(SCL))来表示，其中SCL的标准化句法是以XML模式(schema)定义的。
在本发明的优选变型中，代理IED通过IEC61850协议提供来自SA设备的经过转换的数据，因此代理IED是其他IED的IEC61850服务器。结果是，其它IED可以访问该来自SA设备的数据而无须知晓在该后者与该代理I ED之间所采用的非IEC61850协议。优选地，为了符合61850协议的要求，不能由SA设备产生和/或传送的所有强制性IEC61850信号都由该代理IED基于所述SA设备所传送的数据和/或关于所述SA设备的可用的一般知识来精心设计或合成。
在本发明的另一个优选变形中，IEC60870-5-103干扰记录(DR)文件被上载至代理IED，暂时存储在该代理IED并通过IEC61850文件传输被发送到请求它的任何IEC61850客户机。干扰记录文件通常被存储在保护SA设备上，通过所述中间存储防止了由于SA设备故障而引起的丢失。在代理IED处，DR文件被转换为Comtrade格式。多个(优选10个)DR文件被存储在该代理的闪存中。这些文件随后可以在没有关于早期协议的任何知识的情况下作为IEC61850文件而被IEC61850客户机的干扰数据传输与评价程序读取。
在本发明的有利实施例中，在单个设备中，代理IED集成了从早期协议的转换和到网络控制中心(NCC)协议(比如IEC60870-5-104或DNP)的转换这二者。换句话说，代理I ED附加地充当NCC网关、即利用早期协议从SA设备采集的数据除了可以被发送给站级总线上的后来的IEC61850客户机以外还可以被发送给NCC。到NCC的通信可以涉及同一或另一个(物理)以太网端口而不是站级总线上的IEC60870-5-104格式，或者可以涉及IEC60870-5-101或经由单独的串行端口和调制解调器的、类似的基于通用异步接收机/发射机(UART)的协议。因此，在第一种情况下，两个端口(1个以太网，1个其它的/任意的)就足够了，而在第二种情况下，需要第三个串行端口或调制解调器。在这个实施例中，来自SA***中的其它IEC61850设备的数据可以被合并到这些NCC层数据流中，其中对于该其它IEC61850设备而言，在同一硬件上作为代理网关运行的NCC网关是IEC61850客户机。然而，由于可用性的原因，可以优选由两个设备来执行代理IED的功能和NCC网关的功能，但是这两个设备从硬件的角度来看可能是相同的。
尽管本申请集中在变电站自动化，但是很明显该原理和方法也适用于以不同数据模型为特征的其它技术领域(诸如风力和水力)以及分布式能源(DER)。
本发明还涉及计算机程序产品、尤其是变电站配置描述(SCD)文件，以控制符合IEC61850的智能电子设备(IED)的一个或多个处理器，以便将数据在非IEC61850通信协议与IEC61850通信协议之间进行转换。
附图说明
下面参照附图中图解说明的优选实施例来更详细地说明本发明的主题，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明实施例的具有分离的站级总线、代理和网关的SA***；
图2示意性地示出根据本发明实施例的具有组合的代理和网关的SA***；
图3是根据本发明实施例的、包括IEC103信号到IEC61850转换配置的代理IED配置文件(proxy.icd)的摘录；
图4-图7是根据本发明的不同实施例的、用于配置变电站自动化(SA)***中的IED的方法的流程图。
在附图中所使用的附图标记及其含义以概要的形式在附图标记列表中列出。原则上，在所述图中，给相同的部分配备相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明实施例的具有SA设备102、代理IED104以及用作网关的代理IED106的SA***100。此外，SA***100包括连接到代理IED104的SA设备102以及冗余HMI***108和110。代理IED104和106、HMI***108和110都通过站级总线114被连接。
代理I ED是提供网络服务以允许SA设备与SA***100中的其它网络设备进行间接连接的设备。SA设备连接到代理IED，然后可以请求在另一设备上可用的信息。此外，SA设备102是SA***100中符合IEC61850以前通信协议的设备。根据本发明的实施例，SA设备102通过诸如IEC60870-5-103的非IEC61850协议与代理IED104通信。SA设备102与代理IED104之间的通信是主-从型，这表明单向控制。在这种情况下，代理IED104充当单向控制SA设备102的主机，SA设备102是从机。代理IED104和106以及HMI***108和110连接到站级总线114并通过IEC61850协议通信。SA***100中的代理I ED104和106通过IEC61850协议利用制造报文规范(MMS)通信栈来通信。MMS通信栈可以基于至少一个开放***互连(OSI)、传输控制协议(TCP)、网际协议(IP)或以太网。另外，代理IED106充当到网络控制中心(NCC)的网关。NCC是控制电力***的运行的数据处理单元的集合。代理IED106通过协议(比如IEC60870-5-101、IEC60870-5-104等等)与NCC通信。
代理IED104根据非IEC61850协议从SA设备102接收数据，并根据IEC61850协议转换所接收的数据。代理IED104根据用于在IEC61850协议与非IEC61850协议之间转换数据的映射来执行协议转换。数据的例子包括但不限于状态信号、事件、警告、测量和监测信号。所述映射被在变电站配置描述(SCD)文件中表示或编码。根据SCD文件中的映射来配置SA***100中的代理IED104。这些映射被用标记语言(比如基于XML的变电站配置语言(SCL))编码。SCD文件定义SA***100中的设备与彼此以及与整个变电站的相互关系。SCD文件包括针对每个所产生的信号的映射或预定义的用于映射全部功能的模板。另外，代理IED104被配置为产生并共享不能由SA设备102产生但需要与SA***100中的其它IED共享的多个信号。
图2示意性地示出具有组合的代理和网关的SA***100。代理IED202是执行协议转换并且也充当到NCC112的网关的代理IED。代理IED是多个SA设备可被连接到的IED。可以在SA***100中而不是在连接到代理IED的SA设备中配置代理IED。代理IED202执行例如协议转换、到NCC112的网关以及数据共享的功能。
图3是用于配置用于把IEC60870-5-103(IEC 103，保护装置的接口)信号转换为IEC61850的代理IED 104和106的SCL代码的摘录。该SCL代码包括针对提供IEC103信号的制造商XYZ的特定测量耦合器的全部测量功能(逻辑节点类“MMXU”的实例“1”)的映射。详细地说，该功能包括对应于“B相电流”、“A相至B相的电压”、“总有功功率”以及“总无功功率”的4个测量值。“B相电流”包括称为A的数据对象“相电流”的实例(从复合公共数据类(CDC)“WYE”实例化)，该实例由“B相”phsB(从简单公共数据类“CMV”实例化)组成，“B相”phsB包括数据属性“复值”cVal(为向量(Vector)类型)的实例，该数据属性“复值”cVal由“电流”mag(为模拟值(AnalogueValue)类型)组成，“电流”mag由“浮点值”f(为FLOAT32类型)以及“地址”(sAddr)3，128，146，0组成。后者表示用于到IEC61850-名称“A.phsB.cVal.mag.f”的(信号)映射的IEC103-地址“功能128，数据代码146，索引0”。这些映射对所有根据IEC103接收到的测量信号是相同的，其中仅有索引I x变化。在除IEC103以外的早期协议、比如IEC101、IED104的情况下，所述映射(即，至少sAddr-属性的内容)需要为每个测量信号单独地配置。
下面的表格由103应用层服务数据单元(ASDU)到适当的IEC61850名称(其对应于在图3的上下文中讨论的功能)的映射的摘录组成。该表格给出了针对逻辑节点类MMXU的映射的替换描述，其表示诸如电力、电压、电流以及阻抗的参数的计量和测量。
Ix Func   Inf IEC 103                      LN class DO     Attribute CDC
0  128(Z) 146 meas.I，U，P，Q：current L2  MMXU1    A      phsB      WYE
              mcas.I，U，P，Q：voltagc L2
1  128(Z) 146 -L1                          MMXU1    PPV    phsAB     DEL
2  128(Z) 146 meas.L，U，P，Q：powerP      MMXU1    TotW   mag       MV
              meas.I，U，P，Q：react.Power
3  128(Z) 146 Q1                           MMXU1    TotVAr mag       MV
在图3中没有描述的是每个信号被附加了(IEC61850-)属性“时间戳”t以及“质量”q这一事实，“时间戳”t以及“质量”q是信号值的(IEC103-)特性，因此与实际信号值位于同一(IEC103-)地址。
图4是根据本发明实施例的用于配置SA***100中的IED104的方法的流程图。执行该用于配置SA***100中的IED104的方法以在非IEC61850通信协议与IEC61850通信协议之间转换数据。SA***100中的IED104和106具有它们各自的ICD文件，其包括它们的自我描述。借助于用于配置SA***100的配置工具来读取ICD文件。所述配置工具读取ICD文件并给IED分配自动化功能。
在步骤402，在SCD文件中对用于非IEC61850与IEC61850协议之间的协议转换的映射进行编码。在步骤404，根据在SCD文件中的映射来配置代理IED104以用于协议转换。结合图5来说明配置用于协议转换的代理IED104的详细方法。
图5是根据本发明的另一个实施例的、用于配置SA***100中的代理IED104的方法的流程图。除了用于协议转换的映射外，SCD文件还包括关于SA***100中的设备之间的关系和通信的信息。在步骤502，协议转换所需的映射被编码在SCD文件中。在步骤504，根据SCD文件中的信息来配置代理IED104以用于在非IEC61850与IEC61850协议之间进行协议转换。
根据本发明的实施例，在步骤506，代理IED104被配置为IEC61850服务器。IEC61850服务器将来自SA***100中的SA设备102的数据提供给其它IED。IEC61850服务器根据非IEC61850协议从SA设备102接收数据。此后，IEC61850服务器根据IEC61850协议转换所接收的数据，然后与SA***100中的其它IED共享所转换的数据。
图6是根据本发明的另一个实施例的、用于配置SA***100中的代理IED104的方法的流程图。在步骤602，协议转换所需的映射被编码在SCD文件中。在步骤604，根据在SCD文件中的信息来配置代理IED104以在非IEC61850与IEC61850协议之间进行协议转换。
根据本发明的实施例，在步骤606，将代理IED104配置为存储并且提供IEC60870-5-103干扰记录(DR)文件的IEC61850服务器。DR文件是用于分析SA***100中的保护设备的性能的工具。DR文件包括在特定时间段内的SA***100中的设备的性能细节。该用于记录性能数据的时间段可以由NCC112来控制。可以在变电站中出现重大干扰或故障期间记录设备的性能统计量。代理IED104从SA设备102接收IEC60870-5-103DR文件。此后，根据IEC61850协议，代理IED104与SA***100中的其它IED共享该IEC60870-5-103DR文件。把该IEC60870-5-103DR文件存储在SA设备102中，该SA设备102实现一个或多个功能并把该DR文件拷贝到代理IED104。随后，把IEC60870-5-103DR文件转换为暂态数据交换的通用格式(COMTRADE)。该格式提供ASCII或二进制文件格式用于互换SA***100中的故障记录设备所产生的暂态数据。COMTRADE格式中的DR文件被存储在代理IED104的闪存中。
图7是根据本发明的另一个实施例的、用于配置SA***100中的代理IED106的方法的流程图。在步骤702，协议转换所需的映射被编码在SCD文件中。在步骤704，根据该SCD文件来配置代理IED106以在非IEC61850与IEC61850协议之间进行协议转换。
根据本发明的另一个实施例，在步骤706，将代理IED106配置为充当到NCC112的网关。网关是实现对使用不同协议的网络之间的通信进行翻译以及管理的设备。代理IED106根据IEC61850协议从其它IED接收数据，并根据非IEC61850协议从SA设备102接收数据。NCC112充当代理IED106的IEC61850客户机。此后，代理IED106根据NCC协议转换所接收的数据。NCC协议的例子包括：IEC60870-5-101、IEC 60870-5-104、DNP3、MODBUS、RP570、INDACTIC35、L&G809等等。可替换地，代理IED106根据NCC兼容的协议从NCC112接收数据。此后，代理IED106根据IEC61850协议转换所接收的数据，并把所转换的数据发送到SA***100中的其它IED。
根据本发明的又一个实施例，IED202在单个IED中集成了上述功能。
本发明的各种实施例有助于简化包括符合IEC61850的IED和不符合IEC61850的变电站自动化(SA)设备的变电站的设计和配置。可以配置代理IED而不是配置所连接的SA设备。这导致变电站的配置简单。
而且，本发明有助于干扰记录(DR)文件在代理IED中的存储。因此，由于SA设备的故障而导致丢失DR数据的可能性非常小，DR文件可以从代理IED中恢复，它们被永久地存储在代理IED中直到被明确地删除。这使得SA***具有鲁棒性。
另外，本发明提供一种用于把根据非IEC61850协议的数据转换为根据IEC61850协议的数据的无错且快速的方法。而且，该方法不会导致以太网上繁重的通信量，因此提供了一种用于协议转换的高效方法。
尽管图解说明并描述了本发明的优选实施例，但是很显然本发明并不仅限于这些实施例。在不偏离权利要求中所述的本发明的精神和范围的情况下，多种修改、变化、变型、替代以及等效对本领域技术人员是显而易见的。
名称列表
100 SA***
102 SA设备
104，106，202 IED
108，110O WS，HMI
112 NCC
114 站级总线

Claims (10)

1.一种配置符合IEC61850的智能电子设备(IED)的方法，所述智能电子设备作为具有根据IEC61850标准的配置表示的变电站自动化(SA)***(100)的一部分，其中该IED是用于在IEC61850以前的通信协议与IEC61850通信协议之间转换数据的代理IED(104，106；202)，该协议转换基于映射的集合，其特征在于，该方法包括：
根据标准化SA配置描述文件中的IEC61850标准来表示所述映射；以及
借助于所述标准化SA配置描述文件来配置所述代理IED(104，106；202)。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：
将该代理IED(104；202)配置为IEC61850服务器，所述IEC61850服务器把来自连接到该代理IED的SA设备(102)的数据通过IEC61850协议提供给另外的IED(108，110)。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法包括：
配置所述代理IED(104；202)以加工一个或多个强制性IEC61850信号，该强制性IEC61850信号不是由连接到该代理IED的该SA设备(102)产生的。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：
将该代理IED(104；202)配置为IEC61850服务器，所述IEC61850服务器存储并提供来自连接到该代理IED的SA设备(102)的干扰记录(DR)数据。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：
将该代理IED(106)配置为到网络控制中心(112)的网关。
6、一种符合IEC61850的智能电子设备(IED)，该智能电子设备作为具有根据IEC61850标准的配置表示的变电站自动化(SA)***(100)的一部分，其中该IED是用于在IEC61850以前的通信协议与IEC61850通信协议之间转换数据的代理IED(104，106；202)，该协议转换基于映射的集合，其特征在于，借助于标准化SA配置描述文件配置该代理IED(104，106；202)，该标准化SA配置描述文件根据IEC61850标准表示用于协议转换的映射。
7、根据权利要求6所述的代理IED(104；202)，特征在于，其被配置为IEC61850服务器，所述IEC61850服务器把来自连接到该代理IED的SA设备(102)的数据通过IEC61850协议提供给另外的IED(108，110)。
8、根据权利要求7所述的代理IED(104；202)，其特征在于，其被配置以加工一个或多个强制性IEC61850信号，该强制性IEC61850信号不是由连接到该代理IED的SA设备(102)产生的。
9、根据权利要求6所述的代理IED(104；202)，其特征在于，其包括用于存储来自连接到该代理IED的SA设备(102)的干扰记录(DR)数据的存储器。
10、根据权利要求6所述的代理IED(106)，其特征在于，其被配置为到网络控制中心(112)的网关。
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