CN101917067B - 一种电力设备状态监测装置的集成方法 - Google Patents

Abstract

一种电力设备状态监测装置的集成方法，其技术方案是：它由通信接口、协议转换器以及ACSI服务器构成无缝通信服务器，IEC 61850客户机直接与ACSI服务器相连，不同类型的输变电状态在线监测装置通过提供的通信接口接入，该方法采用映射规则编辑器建立传统协议与IEC 61850之间的映射规则，协议转换器利用该映射规则完成传统协议与IEC 61850之间的协议转换，实现不同输变电状态在线监测装置与ACSI服务器的通信，进而实现不同输变电状态在线监测装置以及IEC 61850客户机之间的通信。本发明从根本上解决了目前电网状态监测装置难以互操作与信息共享问题，能够更好地满足智能电网对全景状态信息监测的需要。

Description

一种电力设备状态监测装置的集成方法

技术领域

本发明涉及一种电力设备状态监测装置的集成方法，该方法能够实现IEC 61850技术体系之下不同厂商状态监测装置间的互操作与信息共享，属监测技术领域。

背景技术

从国内外电网相继发生的灾难性大停电事故调查显示，虽然有先进的控制***、高级的运行应用软件，但是老化的输电网架、陈旧的输变电设备导致电网工作在危险区。输变电设备自身故障一直是危及电网安全运行的主要原因之一，而且在电网故障起因中所占的比例也相当大。国内外电网状态监测与检修技术在理论研究方面取得了较大的进展，并研发了针对输电线路、变压器和断路器等设备的在线监测与故障诊断装置，但在以下方面仍面临突出问题：

1)状态监测信息无法共享。状态监测***还处于分散监测阶段，与计算机监控***相互独立，电力控制中心与各个变电站之间，以及状态监测***与其他***之间，数据信息模型和通信接口高度异构，难以充分利用不同的信息进行设备的状态评估、故障诊断和状态检修。

2)状态监测装置之间互操作差。长期以来，国内外电力自动化设备厂商推出了各式各样的状态监测装置与***，各个厂商根据自己的理解实现，通信协议不统一、功能和接口各不相同，导致目前各种通信协议并存的局面，不同厂家的各种设备甚至同一厂家生产的不同设备之间也不能直接通信，难以进行互操作，***的升级和维护困难。

电网的智能化体现为全面、及时地掌握电网运行的信息，综合各自动化功能***对信息分析的结果，做出最优的反应。解决上述问题的关键是采用满足智能电网所需要的、开放的、统一的能够保障不同厂商状态监测装置之间互操作的技术体系，只有这样才能减少设备接入与协议转换开销，降低集成与数据交换成本。

目前电力设备状态监测装置仍然是采用MODBUS、IEC 60870-5以及大量私有的状态监测通信技术与方法，还没有哪个通信协议能以绝对优势在电力行业中普及，各种通信协议并存、互不兼容，难以实现互操作，从技术上暴露出了大量的不足，主要表现在：

1)大多采用传统的串行工作方式，为低速网络设计，并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，独占通信信道。

2)采用面向字符标志的传输协议，主要考虑具体设备的数据格式的统一，其数据传送效率不高，可用性不强、信息发布量小。

3)不仅需要考虑网络连接的维护，对每一层数据包都进行详细定义，还必须处理具体的报文格式、高低字节等问题，其扩展性、可读性差。

4)采用面向点的数据描述方法，没有对各种实际设备进行建模和描述，导致不同***之间互操作性差。

在实际应用中，造成状态监测装置主要是孤立运行，或集成到现有的SCADA***中，都难以满足智能电网状态监测通信集成的需要。

国际最新的变电站网络通信技术体系IEC 61850采用分层分布式体系、面向对象建模、特殊通信服务映射SCSM、抽象通信服务接口ACSI、制造报文规范MMS和基于XML的***配置描述语言SCL等新思想与新技术，在国内外数字化变电站中正在受到推崇，国内外基于IEC 61850的数字化变电站陆续投入运行或正在建设。在此背景下，状态监测集成平台显然也必须支持IEC 61850技术体系，否则无法与数据采集与监视控制***SCADA与变电站自动化等其它IEC 61850***进行互操作。但是，实现基于IEC 61850的状态监测装置的通信集成，还需要解决如下问题：

1)IEC 61850是一个庞大的技术体系，并没有停留在通信协议的层次上，也未定义具体的实现细节。另外，IEC 61850作为变电站内部通信网络的技术体系，主要偏重于变电站自动化***中继电保护、测量、控制等模型的定义，而状态监测集成平台所需要的是高压设备状态数据，虽然IEC 61850中定义了包括液体介质绝缘、气体介质绝缘、电弧监视与诊断和局部放电等专门的逻辑节点，但无法全面满足电力设备状态监测通信集成的需要，因此必须结合电力设备状态监测的特点与实际需要，实现状态监测装置的无缝通信。

2)现有的状态监测装置还不支持IEC 61850，必须实现传统协议与IEC 61850之间的映射。变电站自动化***所使用的传统集成方法是采用特定协议转换装置和非转换器的方法。特定协议转换装置的方法只能支持某种特定装置，协议转换成本高、可扩展性差，非转换器的方法是在新***中设计出公用数据库，以及与各种协议数据库之间的映射，使得***既能支持IEC 61850标准，又能支持非IEC 61850的传统协议，主要工作都在研发阶段完成，现场不需要进行IEC 61850的建模工作，工程量和难度较小，但IEC 61850***或设备本身需要支持与非IEC 61850协议之间的映射，设计复杂，难以充分发挥IEC 61850的技术优势。

因此，如何从根本上解决目前电网状态监测装置局部、孤立运行，通信协议不统一、功能和通信接口各不相同，实现IEC 61850技术体系之下不同厂商状态监测装置间的互操作与信息共享是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力设备状态监测装置的集成方法，以实现IEC 61850技术体系之下不同厂商状态监测装置间的互操作与信息共享。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种电力设备状态监测装置的集成方法，它由依次连接的通信接口、协议转换器以及以IEC61850模型为基础的ACSI服务器构成无缝通信服务器，IEC 61850客户机直接与ACSI服务器相连，不同类型的输变电状态在线监测装置通过提供的通信接口接入；采用映射规则编辑器建立传统协议与IEC 61850之间的映射规则，协议转换器利用该映射规则完成传统协议与IEC 61850之间的协议转换，实现不同类型的输变电状态在线监测装置与ACSI服务器的通信，进而实现不同类型的输变电状态在线监测装置以及IEC 61850客户机之间的通信。

上述电力设备状态监测装置的集成方法，所述传统协议与IEC 61850之间的映射规则包括IEC60870-5通信报文与ACSI服务之间的映射、公共数据类CDC与应用服务数据单元ASDU之间的映射。

上述电方设备状态监测装置的集成方法，所述ACSI服务器的信息与服务模型参照IEC 61850技术体系并结合状态监测的功能与实际需要而建立，具体步骤如下：

a.对于IEC 61850中定义的信息，从IEC 61850模型中抽取出与状态监测相关的逻辑节点，逻辑节点包括液体介质绝缘SIML、气体介质绝缘SIMG、电弧监视与诊断SARC、局放监视与诊断SPDC、电力变压器YPTR、电压互感器TVTR、电流互感器TCTR、断路器XCBR、开关CSWI、测量单元MMXU和计量单元MMTR；

b.对于IEC 61850中未定义的信息，借用其它逻辑节点或按IEC 61850的扩展原则定义新的逻辑节点，包括油色谱监视与诊断SDGA、断路器监视与诊断SCBR、变压器监视与诊断SPTR、开关监视与诊断SSWI以及温度监视与诊断STMP等逻辑节点；

c.利用上述逻辑节点及其所包含的数据对象和数据属性，采用客户机/服务器通信模式，提供关联、数据集、报告等抽象通信服务，建立ACSI服务器的信息与服务模型。

上述电力设备状态监测装置的集成方法，它利用基于XML的SCL文档来描述ACSI服务器模型实例，采用SCL配置工具实现模型实例的导入、编辑与生成，具体步骤如下：

a.SCL文档在导入过程中，首先采用SCL Schema文档对SCL文档验证其有效性，以检查是否符合其要求，随后对SCL文档进行XML解析，采用文档对象模型DOM将导入的SCL文档转换为一棵驻留在内存中的对象节点树，即SCL节点树；

b.SCL配置工具通过与SCL节点树的交互，来实现对SCL文档中的数据进行操作，采用树形控件的方式来组织SCL节点树，用户通过对树形控件的操作来实现对SCL元素的访问、***、修改和删除，用表格的方式来组织节点属性，用户通过填表的方式对SCL元素的属性进行编辑；

c.将已经配置好的SCL文档存盘导出，下装到ACSI服务器。

本发明以IEC 61850模型为基础，结合状态监测的功能与实际需要，设计了无缝通信服务器，利用无缝通信服务器将不同厂商、不同通信接口、不同通信协议的电力设备状态监测装置集成在一起，从根本上解决目前电网状态监测装置局部、孤立运行，通信协议不统一、功能和通信接口各不相同所造成的难以互操作与信息共享问题，能够更好地满足智能电网对全景状态信息监测的需要。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是无缝通信服务器的结构；

图2是协议转换器的工作原理；

图3是ACSI服务器的信息与服务模型；

图4是IEC 61850报文的流量；

图5是IEC 61850报文的响应时间。

文中各标号为：SCSM、特殊通信服务映射；ACSI、抽象通信服务接口；MMS、制造报文规范；SCL、***配置描述语言；SCADA、数据采集与监视控制***；TYP、类型标识符；SQ、可变结构限定词中第8位；COT、传输原因序号；SPS、单点状态；DPS、双点状态；MV、测量值；CMV、复数测量值；TrgOp、参数触发选项；dchg、数据属性值变化；qchg、品质属性值变化；dupd、属性值刷新；CDC、公共数据类；ASDU、应用服务数据单元；APDU、应用协议数据单元；SIML、液体介质绝缘；SIMG、气体介质绝缘；SARC、电弧监视与诊断；SPDC、局放监视与诊断；YPTR、电力变压器；TVTR、电压互感器；TCTR、电流互感器；XCBR、断路器；CSWI、开关；MMXU、测量单元；MMTR、计量单元；SDGA、油色谱监视与诊断；SCBR、断路器监视与诊断；SPTR、变压器监视与诊断；SSWI、开关监视与诊断；STMP、温度监视与诊断。

具体实施方式

参看图1，无缝通信服务器是本发明的核心，主要包括通信接口、映射规则编辑器、协议转换器、SCL配置工具与ACSI服务器等模块，各部分的功能如下：

1)通信接口

提供RS232、RS485、CAN总线或TCP/IP接口，接入不同厂商、不同通信接口、非IEC 61850通信协议的状态监测装置或***，例如变电站内的容性设备、避雷器、变压器油色谱与局放、断路器等在线监测装置，GSM短信方式的污秽、覆冰在线监测***、GPRS/CDMA方式的视频和图像在线监测***，以及无线传感器网络方式的绝缘子在线监测***等，并将采集到的状态数据装入协议转换器。

2)映射规则编辑器

映射规则编辑器提供表格式的编辑方法，建立传统协议与IEC 61850之间的映射规则，下面重点给出IEC 60870-5与IEC 61850的映射规则与过程：

a.IEC 60870-5通信报文与ACSI服务的映射

考虑到状态监测的实际应用，将IEC 60870-5的启动连接报文映射为ACSI的关联服务，召唤、遥信变位、遥测以及循环遥测报文映射为ACSI的报告服务，表1提供了IEC 60870-5通信报文与ACSI服务的详细映射规则。

表1 IEC 60870-5通信报文与ACSI服务之间的映射

类型标识符TYP标识了IEC 60870-5的应用通信报文的类型，包括单点遥信、标度化测量值等监视方向上的过程信息。ACSI服务类型通过MMS传输时被BER编码为标签，例如读请求服务的标签被编码为“A4”，写请求服务的标签被编码为“A5”。

可变结构限定词中第8位SQ用于标识的信息排列方式，当SQ＝1时表明对象连续排列，用于站召唤或组召唤，当SQ＝0时表明对象离散排列，用于遥信变位或变化遥测，低7位表示信息对象的数量。ACSI中信息对象排列方式与数目是被隐含定义的。

传输原因第2个字节的低6位为传输原因序号COT，当COT＝1时表示周期循环，当COT＝2时表示背景扫描，当COT＝3时表示突发传输，当COT＝20时表示响应站召唤，当COT＝21-36时表示响应第1组到第16组召唤。ACSI的传输原因包含在类模型或服务参数中，例如报告模型中的参数触发选项TrgOp规定了引发报告事件的触发条件，包括数据属性值变化dchg、品质属性值变化qchg、属性值刷新dupd、完整性以及总召唤。

b.公共数据类CDC与应用服务数据单元ASDU之间的映射

IEC 60870-5的需要传输的信息对象由数据值、时标、品质描述词构成，其中CP56Time2a时标映射为CDC的数据属性t(属性名称t，属性类型TimeStamp)，品质描述词映射为CDC的数据属性q(属性名称q，属性类型Quality)，对于数据值根据ASDU类型选择映射到不同的CDC，表2提供了映射规则。

表2 数据值映射为CDC的属性

C.数据之间的映射

IEC 60870-5采用ASDU公共地址与信息体地址来唯一标识一个测量点，其数据模型是面向信号的，对信息描述都是以点表的形式，从逻辑上来看是线性和平面的，而IEC 61850的信息模型是面向对象的、分层和立体的。另外，由于IEC 60870-5的数据需要被工程化处理，因此从线性点表到面向对象的信息模型的映射过程中不存在严格的映射规则，通过所提供的映射规则编辑器，实现数据点之间的映射。

3)协议转换器

参看图2，协议转换器利用上述建立的映射规则，完成传统协议与IEC 61850之间的协议转换：

a.连接的建立

IEC 60870-5状态监测装置在建立TCP连接前，一直处于侦听状态并等待无缝通信服务器的连接请求。当TCP连接已经建立，IEC 61850客户机发出应用关联服务请求与无缝通信服务器建立双边应用关联，并获取无缝通信服务器的制造商名称、模型名称、版本号、逻辑状态、物理状态、本地细节以及能力列表等信息。

b.总召唤过程

无缝通信服务器向状态监测装置发送总召唤命令帧(类型标识为100，传输原因为6)，状态监测装置向无缝通信服务器发送总召唤命令确认帧(类型标识为100，传输原因为7)，然后发送单点遥信帧(类型标识为1，传输原因为20)与归一化测量值(类型标识为9，传输原因为20)等召唤数据，无缝通信服务器使用ACSI的报告服务(触发选项为总召唤)将接收到的召唤数据发送给IEC 61850客户机。

c.事件主动上传。

当状态监测装置发生了突发事件，状态监测装置将根据具体情况主动向无缝通信服务器发送单点遥信变位帧(类型标识为1，传输原因为3)、带长时标的归一化测量值(类型标识为34，传输原因为3)等报文。无缝通信服务器使用ACSI的报告服务(触发选项为属性值变化)将接收到的变化数据发送给IEC 61850客户机。

4)ACSI服务器

参照IEC 61850技术体系，结合状态监测的功能与实际需要，建立ACSI服务器的信息与服务模型。

a.对于IEC 61850中定义的信息，从IEC 61850模型中抽取出与状态监测相关的逻辑节点，包括液体介质绝缘SIML、气体介质绝缘SIMG、电弧监视与诊断SARC、局放监视与诊断SPDC、电力变压器YPTR、电压互感器TVTR、电流互感器TCTR、断路器XCBR、开关CSWI、测量单元MMXU和计量单元MMTR等逻辑节点。

b.对于IEC 61850中未定义的信息，借用其它逻辑节点或按IEC 61850的扩展原则定义新的逻辑节点，包括油色谱监视与诊断SDGA、断路器监视与诊断SCBR、变压器监视与诊断SPTR、开关监视与诊断SSWI以及温度监视与诊断STMP等逻辑节点。

c.利用上述逻辑节点及其所包含的数据对象和数据属性，采用客户机/服务器通信模式，提供关联、数据集、报告等抽象通信服务，建立ACSI服务器的信息与服务模型，如图3所示。

图3中给出了某220kV变电站的部分一次接线图，以变压器与线路间隔E1Q2为例，YPTR、TVTR、TCTR、XCBR和XSWI等逻辑节点分布在过程层，用来描述相应的一次设备，XCBR的状态监测通过SCBR和SIMG实现，XSWI的状态监测通过SSWI实现，TCTR和TVTR的测量和计量通过MMXU和MMTR实现，YPTR的状态监测通过SPDC、SIML、SPTR和SDGA实现，其中SDGA是为了实现变压器油色谱状态在线监测，对油中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO与CO2等特征气体含量和增长率的实时分析与报警。

5)SCL配置工具

利用基于XML的SCL文档来描述ACSI服务器模型实例，提供SCL配置工具作为ACSI服务器模型的导入、编辑与生成工具。

a.SCL文档在导入过程中，首先采用SCL Schema文档对SCL文档验证其有效性，以检查是否符合其要求。随后对SCL文档进行XML解析，采用文档对象模型DOM将导入的SCL文档转换为一棵驻留在内存中的对象节点树，即SCL节点树。

b.SCL配置工具通过与SCL节点树的交互，来实现对SCL文档中的数据进行操作。采用树形控件的方式来组织SCL节点树，用户通过对树形控件的操作来实现对SCL元素的访问、***、修改和删除等。用表格的方式来组织节点属性，用户通过填表的方式对SCL元素的属性进行编辑。

c.将已经配置好的SCL文档存盘导出，下装到ACSI服务器。

图4给出了在定时召唤周期为5s情况下IEC 61850报文的通信流量示意图。在图4中的2-6s时间段内进行了双边的应用关联、目录和数据类型的获取，被用于通信的初始化及其全部数据模型的一次性获取，共有157个报文，流量较大，***初始化后，以上服务将不再被使用。

图5给出了使用IEC 61850协议分析软件获得的IEC 61850关联与目录获取报文的响应时间。时间显示的是与前一个报文的时间间隔(单位为秒)，客户端的IP地址为“192.168.1.88”，无缝通信服务器的IP地址为“192.168.1.86”，第12号报文为关联请求报文(时间参考报文)，第13号为关联响应报文，“0.004427”就是关联报文的响应时间，其它的报文为目录获取报文，从图中可以看出，以上报文的响应时间在10ms以内。

通过上述试验结果表明，该发明通过了IEC 61850协议分析软件的测试，验证了发明的正确性与可行性，并显著提高状态监测通信的数据传输速度，体现了该发明的优越性，更好地满足智能电网对全景状态信息监测的需要。

Claims (2)

1.一种电力设备状态监测装置的集成方法，其特征是，它由依次连接的通信接口、协议转换器以及以IEC 61850模型为基础的ACSI服务器构成无缝通信服务器，IEC 61850客户机直接与ACSI服务器相连，不同类型的输变电状态在线监测装置通过提供的通信接口接入；采用映射规则编辑器建立传统协议与IEC 61850之间的映射规则，协议转换器利用该映射规则完成传统协议与IEC 61850之间的协议转换，实现不同类型的输变电状态在线监测装置与ACSI服务器的通信，进而实现不同类型的输变电状态在线监测装置以及IEC 61850客户机之间的通信；

所述传统协议与IEC 61850之间的映射规则包括IEC 60870-5通信报文与ACSI服务之间的映射、公共数据类（CDC）与应用服务数据单元（ASDU）之间的映射；

所述ACSI服务器的信息与服务模型参照IEC 61850技术体系并结合状态监测的功能与实际需要而建立，具体步骤如下：

a. 对于IEC 61850中定义的信息，从IEC 61850模型中抽取出与状态监测相关的逻辑节点，逻辑节点包括液体介质绝缘（SIML）、气体介质绝缘（SIMG）、电弧监视与诊断（SARC）、局放监视与诊断（SPDC）、电力变压器（YPTR）、电压互感器（TVTR）、电流互感器（TCTR）、断路器（XCBR）、开关（CSWI）、测量单元（MMXU）和计量单元（MMTR）；

b. 对于IEC 61850中未定义的信息，借用其它逻辑节点或按IEC 61850的扩展原则定义新的逻辑节点, 包括油色谱监视与诊断（SDGA）、断路器监视与诊断（SCBR）、变压器监视与诊断（SPTR）、开关监视与诊断（SSWI）以及温度监视与诊断（STMP）逻辑节点；

c. 利用上述逻辑节点及其所包含的数据对象和数据属性，采用客户机/服务器通信模式，提供关联、数据集、报告抽象通信服务，建立ACSI服务器的信息与服务模型。

2.根据权利要求1所述电力设备状态监测装置的集成方法，其特征是，它利用基于XML的SCL文档来描述ACSI服务器模型实例，采用SCL配置工具实现模型实例的导入、编辑与生成，具体步骤如下：

a. SCL文档在导入过程中，首先采用SCL Schema文档对SCL文档验证其有效性，以检查是否符合其要求，随后对SCL文档进行XML解析，采用文档对象模型（DOM）将导入的SCL文档转换为一棵驻留在内存中的对象节点树，即SCL节点树；

b. SCL配置工具通过与SCL节点树的交互，来实现对SCL文档中的数据进行操作，采用树形控件的方式来组织SCL节点树，用户通过对树形控件的操作来实现对SCL元素的访问、***、修改和删除，用表格的方式来组织节点属性，用户通过填表的方式对SCL元素的属性进行编辑；

c. 将已经配置好的SCL文档存盘导出，下装到ACSI服务器。

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