CN106297257A - 一种基于iec 61850的高速铁路智能远程测控终端 - Google Patents

Abstract

一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，包括主控板、遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件；所述遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件与主控板的交互采用CAN总线实现，所述主控板通过双冗余以太网与控制中心通信，通信协议遵循IEC 61850标准。所述测控终端采用嵌入式数据库实现数据存储和管理，数据库通过事务来进行调度和并发控制，有效地对数据进行查询、存取等共享操作，既要完成远动的四遥功能，又要具有故障录波功能，并且要求支持IEC 61850。本发明智能远程测控终端完全支持IEC 61850标准，实现信息交流标准化，具有配置灵活、自我描述、即插即用的特点。

Description

一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端

技术领域

本发明涉及一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，属高速铁路智能测控技术领域。

背景技术

公告号CN102325149公开了电气化铁路智能网络远程测控终端***，该***由主控通信插件、遥信插件、遥控插件、遥测插件组成，设备设计支持协议包括IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、Modbus、CDT等目前业内较为通用的协议标准。

目前高速铁路供电综合监控***大多采用IEC 60870-5-104远动规约作为控制站与被控站之间的通信规约。然而由于被控站设备厂家较多，不同厂家对IEC 60870-5-104规约扩展的做法不同，可能导致***的可扩展和可维护性较弱。代表国内外最新技术，能实现“一个世界、一种技术、一个标准”的IEC 61850标准可以弥补目前存在的不足，提升***的可维护性及扩展性。当前，IEC 61850已成为变电站内部网络数据通信的国际最新标准，在国内外新的变电站自动化***中正在受到推崇，并且随着IEC 61850 Ed2.0的发布，IEC61850的覆盖范围已扩展至SCADA***，今后新开发的SCADA产品无论是控制中心，还是被控站都将逐渐全面支持IEC 61850标准。

目前，常用的实时数据存储和管理的方法主要是依据具体存储硬件人为地设计内存数据结构与管理算法。这种方法虽然简单直接，但造成软件可移植性差，对较复杂的算法很难达到高可靠性的要求。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明目的是提供一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端。既要完成远动的四遥功能，又要具有故障录波功能，监控测点多，实时数据量大，并且要求支持IEC 61850。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，包括主控板、遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件；所述遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件与主控板的交互采用CAN总线实现，所述主控板通过双冗余以太网与控制中心通信，通信协议遵循IEC 61850标准。

所述测控终端采用嵌入式数据库实现数据存储和管理，数据库通过事务来进行调度和并发控制，有效地对数据进行查询、存取等共享操作，既要完成远动的四遥功能，又要具有故障录波功能，并且要求支持IEC 61850。

所述主控板内设有设备管理单元、通信管理单元和数据管理单元。

所述设备管理单元设有WEB维护模块和LCD显示模块。

所述通信管理单元设有CAN通信模块和61850服务器模块。

所述数据管理单元设有数据库和数据分析模块，采用SQLite嵌入式数据库完成实时数据管理、操作、存储；在SQLite中建有遥测表和遥信表，分别存储采集来的遥测和遥信数据。

所述遥测卡件主要完成现场交、直流模拟量的采集及交流模拟量的有效值运算及相关测量参数的计算；采用32位高性能DSP处理器，每个卡件的通道容量为18路交流电流、3路交流电压、4路直流。单装置可配置多块卡件，采用硬件对时实现多路交流同步采样。输出的测量参数有相/线电流、相/线电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、直流量等。

所述遥信卡件实现现场开关量的采集和处理，采用高性能的32位ARM处理器，每个卡件可采集64路开关量信号，开关量输入信号采用光耦隔离。

所述遥控卡件实现对现场开关的控制功能，并根据遥控输出继电器的执行情况，将执行结果反馈给主控板，采用高性能的32位ARM处理器，每个卡件有32路控制输出。

所述测控终端建立在数据库基础之上，所述测控终端设计有三个数据库：配置数据库、实时数据库和日志数据库。其中，配置数据库存储和管理与***配置相关的信息，位于非易失性存储器；实时数据库位于内存中，存储和管理***运行时的测量数据，包括遥测量、遥信量；日志数据库存储和管理***运行时产生的日志记录，位于非易失性存储器。

所述61850服务器模块包括61850服务器API、ACSI信息模型、ACSI服务、MMS对象、MMS服务器、硬件平台抽象层等子模块。

所述61850服务器API向外部应用提供标准的IEC 61850服务，通过61850服务器API创建一个完全遵循IEC 61850的服务器设备IED；所述61850服务器API提供三种建立服务器IED数据模型的方法：第一种方法是生成完整的运行时无法修改的静态模型，这种方式将SCL文件提供的数据模型转换为C语言源代码，静态编译到应用程序，由于无需配置文件解析工具，该方式占用空间少；第二种方法是一个纯编程模型生成方法，该方法中数据模型是由API调用在运行时产生的；第三种方法是采用配置文件来为61850设备模型配置有关应用。

所述ACSI信息模型包括基本信息模型和信息交换模型；基本信息模型包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性这五个层次，通常一个物理装置为一个IED，一个IED通常对应一个SERVER，每个SERVER包含一个或多个LOGICAL-DEVICE，每个LOGICAL-DEVICE包含多个LOGICAL-NODE，依次类推；这种分层的信息模型在数据结构的设计上采用二叉树的三叉链表存储结构，三叉链表由二叉链表存储结构改进所得，增加指向父节点的指针，能更好地实现节点间的访问、遍历。

所述MMS对象模型由61850的IED数据模型自动映射生成。

所述MMS服务器为61850的ACSI服务提供MMS Server API，实现MMS通信服务，包括环境管理服务，变量访问服务，日志管理服务，文件管理服务；MMS作为OSI参考模型的应用层标准，其MMS服务必须在下层通信***的支持下完成，它需要使用OSI表示层向它提供服务，MMS服务还包括表示层有关服务的实现。

所述硬件平台抽象层包括：thread、time、socket、ethernet抽象层，是为适应不同操作***而设计的，方便移植到新平台，这些功能的实现能避免应用对底层平台的依赖。

本发明的有益效果在于，本发明智能远程测控终端完全支持IEC 61850标准，实现信息交流标准化，具有配置灵活、自我描述、即插即用的特点。本发明利用嵌入式数据库技术，解决数据容量大存在的数据管理问题，使采集数据的存储更加规范，同时提高数据存储和读取的效率，方便数据管理，提高***的实时性、稳定性和可扩展性。本发明测控终端硬件结构更改小，软件采用模块化设计，降低了***的复杂性，提高了软件的可移植性，大大降低了开发成本。

附图说明

图1为本发明基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端硬件结构图；

图2为本发明基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端软件信息流示意图；

图3为本发明61850服务器模块软件框架；

图4为本发明基于IEC 61850的对象模型。

具体实施方式

现结合图1介绍本发明基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端的具体实施方式。

图1为本实施例远程测控终端硬件结构图。本实施例智能远程测控终端包括主控板、遥信卡件、遥测卡件和遥控卡件。所述主控板内设有设备管理单元、通信管理单元和数据管理单元。所述遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件与主控板的交互采用CAN总线实现，主控板通过双冗余以太网与控制中心通信，通信协议遵循IEC 61850标准。

本实施例测控终端主控板的设备管理单元设有WEB维护和LCD显示模块。

本实施例测控终端主控板的通信管理单元设有CAN通信模块和61850服务器模块。

本实施例测控终端主控板的数据管理单元设有数据库和数据分析模块，采用SQLite嵌入式数据库完成实时数据管理、操作、存储。

本实施例测控终端的遥测卡件主要完成现场交、直流模拟量的采集及交流模拟量的有效值运算及相关测量参数的计算，采用32位高性能DSP处理器，每个卡件的通道容量为18路交流电流、3路交流电压、4路直流。单装置可配置多块卡件，采用硬件对时实现多路交流同步采样。输出的测量参数有相/线电流、相/线电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、直流量等。

本实施例测控终端的遥信卡件实现现场开关量的采集和处理，采用高性能的32位ARM处理器，每个卡件可采集64路开关量信号，开关量输入信号采用光耦隔离。

本实施例测控终端的遥控卡件实现对现场开关的控制功能，并根据遥控输出继电器的执行情况，将执行结果反馈给主控板，采用高性能的32位ARM处理器，每个卡件有32路控制输出。

本实施例一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端建立在数据库基础之上，本实施例测控终端设计三个数据库，如图2所示。其中，配置数据库存储和管理与***配置相关的信息，位于非易失性存储器。实时数据库位于内存中，存储和管理***运行时的测量数据，包括遥测量、遥信量。日志数据库存储和管理***运行时产生的日志记录，位于非易失性存储器。

本实施例测控终端的工作过程如下所述：

（1）采用IED配置工具生成ICD（IED Capability Description）文件，此文件描述IED的数据模型和服务以及一些预配置的值，61850服务器模块依据ICD文件在内存中建立IED的数据模型IEDModel。

（2）XML配置文件包含板卡硬件配置信息，遥测点、遥信点与61850对象引用的映射关系，XML解析器解析XML配置文件，读取ICD文件中预配置的遥测门限值、阈值等参数，将配置信息保存至配置数据库。

（3）点信息配置模块由配置数据库查询有关配置信息，通过CAN总线向数据采集模块和开关量输出模块下发配置帧，包括对遥测卡件的通道类型（电流/电压）、回路参数类型（I/U/I0/Uxx/P/Q/S/cosφ/f）等的配置，以及对遥信卡件、遥控卡件的通道配置，完成初始化。

（4）由配置数据库的信息创建实时数据库的遥测表和遥信表，以及日志数据库的日志记录表。

（5）数据（模拟量、开关量）采集模块位于遥测卡件和遥信卡件，遥测卡件周期采集模拟量、计算有效值，并采用阈值算法过滤，通过CAN总线输出测量量，添加或更新到实时数据库的遥测表，遥信卡件采集的开关量更新到实时数据库的遥信表。

（6）越限故障判断模块在查询到实时数据库的遥测表中的测量数据发生更新时，计算数值范围range及数据品质，并将其更新到遥测表。如发生越限，根据越限处理策略，向遥测卡件下发启动故障录波命令，同时产生一条日志条目，保存至日志数据库。

（7）遥测卡件在接收到启动故障录波命令后，开始指定通道的录波，上送录波记录，保存至日志数据库。

（8）61850服务器模块管理与客户端（控制站）的通信，响应控制站的连接、总召唤、遥控请求，循环上送遥测遥信数据，查询遥测表和遥信表的记录，如发生数据变化、品质变化，则立即触发事件，向客户端发送遥测报告和遥信变位报告。

（9）61850服务器模块在接收到控制站的遥控命令后，调用控制处理状态机，通过CAN总线向开关量输出模块下发控制帧。开关量输出模块位于遥控卡件，在接收到控制帧，完成对现场开关的控制，并根据控制继电器的执行情况，将执行结果上报。

本实施例测控终端主控板的61850服务器模块的软件框架如图3所示。61850服务器模块包括61850服务器API、ACSI信息模型、ACSI服务、MMS对象、MMS服务器、硬件平台抽象层等子模块。

61850服务器API向外部应用提供标准的IEC 61850服务，通过61850服务器API创建一个完全遵循IEC 61850的服务器设备IED。

61850服务器API提供三种建立服务器IED数据模型的方法：第一种方法是生成完整的运行时无法修改的静态模型，这种方式将SCL（ICD）文件提供的数据模型转换为C语言源代码，静态编译到应用程序，由于无需配置文件解析工具，该方式占用空间少。第二种方法是一个纯编程模型生成方法，该方法中数据模型是由API调用在运行时产生的。第三种方法是采用配置文件来为61850设备模型配置有关应用。以下详述第一种和第三种方法。

（1）由SCL（ICD）文件产生静态模型源代码的方法如下：

采用模型生成工具，输入SCL（ICD）文件，产生两个文件my_model.c 和my_model.h。文件my_model.c 包含建立IED数据模型的数据结构定义，及由SCL文件提供的预配置的值。文件my_model.h 为代码提供并定义句柄handles，便于访问IED数据模型。

（2）由SCL（ICD）文件产生服务器配置文件的方法如下：

采用模型生成工具，输入SCL（ICD）文件，产生一个纯文本格式的文件my_model.cfg，此文件包含数据模型的完整描述，包括预置值和可选的短地址。对数据属性的访问同样也在运行时借助handles实现。区别在于handles在编译时是不为应用所知的，API调用通过对象引用或数据属性的短地址请求handles。

所述ACSI信息模型包括基本信息模型和信息交换模型。61850标准采用面向对象、分层的建模思想，将智能电子设备（IED）用于通信交换的数据信息建模为分层的信息模型。基本信息模型包括SERVER（服务器）、LOGICAL-DEVICE（逻辑设备）、LOGICAL-NODE（逻辑节点）、DATA（数据）、DataAttribute（数据属性）这五个层次，通常一个物理装置为一个IED，一个IED通常对应一个SERVER，每个SERVER包含一个或多个LOGICAL-DEVICE，每个LOGICAL-DEVICE包含多个LOGICAL-NODE，依次类推。这种分层的信息模型在数据结构的设计上采用二叉树的三叉链表存储结构，三叉链表由二叉链表存储结构改进所得，增加指向父节点的指针，能更好地实现节点间的访问、遍历。

ACSI服务子模块包括两部分，一部分实现61850标准定义的抽象通信服务，包括报告、日志、控制、读写访问、应用关联的建立与释放、文件传输等服务，另一部分实现向MMS服务的映射。

IEC 61850设计的抽象通信服务接口（ACSI），其信息模型和服务独立于底层通信协议，必须映射到具体的通信协议才能完成通信。制造报文规范MMS是ISO/IEC9506标准所定义的用于工业控制领域的通信报文规范，业已成为诸多工业协议的参考标准，IEC 61850标准将其引入电力***自动化领域，将ACSI服务映射到MMS标准。MMS也同样采用面向对象的建模方法，定义了VMD（虚拟制造设备）、Domain（域）、Variable（变量）等层次对象模型，还定义了大量的服务。

所述MMS对象模型由61850的IED数据模型自动映射生成。

所述MMS服务器为61850的ACSI服务提供MMS Server API，实现MMS通信服务，包括环境管理服务（如Initiate、Abort、Conclude），变量访问服务（如Read、Write、InformationReport），日志管理服务（如ReadJournal、WriteJournal），文件管理服务（如FileOpen、FileRead）等。MMS作为OSI参考模型的应用层标准，其MMS服务必须在下层通信***的支持下完成，它需要使用OSI表示层向它提供服务，在MMS协议中采用ISO 8650及ISO 8823分别定义关联控制服务元素ACSE和表示层的有关服务，因此，这一部分还包括MMS的下层通信***，即表示层和会话层的实现。

所述硬件平台抽象层包括：thread、time、socket、ethernet抽象层，是为适应不同操作***而设计的，方便移植到新平台，这些功能的实现能避免应用对底层平台的依赖。

根据IEC 61850标准建模原则，本实施例测控终端按照功能分解为多个逻辑节点，而这些逻辑节点实例又按照功能相近的原则组建成一个或多个逻辑设备。本实施例测控终端要实现四遥远动功能和故障录波功能，对本装置进行基于IEC 61850的建模，对象模型如图4所示，本实施例测控终端建模为测量逻辑设备MEAS、控制及开入逻辑设备CTRL、录波逻辑设备RCD，逻辑节点LLN0、LPHD表示逻辑设备的公共数据，MMXU、MMXN表示测量功能，TVTR、TCTR各自表示电压和电流互感器，CSWI表示开关控制功能，XSWI为隔离开关，XCBR为断路器，GGIO为通用过程I/O，RDRE表示扰动记录功能，RADR为扰动记录模拟通道。遥测量（交流量，电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等）建模为逻辑节点MMXN，采用数据对象Amp、Vol、Watt、VolAmpr、VolAmp、PwrFact、Hz，数据属性mag建模。遥测量（直流量）建模为逻辑节点GGIO，采用数据对象AnIn，数据属性mag建模。遥测量（交流电压、电流）采样值建模为逻辑节点TVTR、TCTR，采用数据对象Vol、Amp，数据属性instMag建模。遥信量（如断路器、隔离开关位置）建模为逻辑节点XCBR、XSWI，采用数据对象Pos，数据属性stVal建模。其他开关量输入遥信量建模为逻辑节点GGIO，采用数据对象SPCSO，数据属性stVal建模。遥控量建模为逻辑节点CSWI，采用数据对象Pos，数据属性ctlVal建模。

测量逻辑设备MEAS中汇集了所有的遥测信息，遥测信息主要包括相/线电流、相/线电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、直流量等测量值，创建遥测数据集dsAin来组织所有的遥测数据，该数据集由缓存报告控制块urcbAin控制。控制及开入逻辑设备CTRL中汇集了所有的开关量控制信息和位置信息及告警信息，创建遥信数据集dsDin来组织所有的遥信数据，该数据集由缓存报告控制块urcbDin控制。

缓存报告控制块urcbAin、urcbDin控制遥测、遥信数据集dsAin、dsDin向客户端报告数据值的过程。当数据集dsAin、dsDin中的数据变化、品质变化或数据刷新等引起内部事件时，立即发送报告，或存储事件到一定数量后发送报告。

电压、电流等遥测数据越限发生时发送故障报告的处理流程如下：

将Amp、Vol等测量值数据对象中的模拟值mag数据属性的值与范围配置参数rangeC中的上上限hhLim、上限hLim、下限lLim、下下限llLim、最小值min、最大值max比较，判断当前值所进入的范围，得到范围range数据属性的值以及品质q数据属性的值，范围range数据属性的触发选项为dchg（数据变化），该数据属性的值一旦改变，立即触发事件，产生越限故障报告。

实时数据库的设计如下：

本发明基于SQLite嵌入式数据库完成实时数据管理，SQLite是一种实现了独立、可嵌入、零配置的SQL 数据库引擎的小型C 库，用户请求和数据服务在同一个进程中进行，极大地减少应用程序管理数据的开销，比传统的数据库***具有更快的速度，非常适合那些数据访问频繁，实时性高的***。借助SQLite API，只要了解基本的数据库操作就可以很好地驾驭它，具有可移植性好，容易使用，占用资源极小，高效可靠等优点。在SQLite中建有遥测表和遥信表分别存储采集来的遥测和遥信数据。

遥测数据表的结构如下：

字段名	类型	描述
			shortAddr	Int	短地址
mag	Double	模拟量值
			range	Char	数值范围
validity	Char	有效性
			detail-qual	Char	细化品质
timeStamp	Varchar	时标

遥信数据表的结构如下：

字段名	类型	描述
			shortAddr	Int	短地址
status	Int	状态量
			quality	Char	品质
timeStamp	Varchar	时标

Claims (10)

1.一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述测控终端包括主控板、遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件；所述遥信卡件、遥测卡件、遥控卡件与主控板的交互采用CAN总线实现，所述主控板通过双冗余以太网与控制中心通信，通信协议遵循IEC61850标准；所述测控终端采用嵌入式数据库实现数据存储和管理，数据库通过事务来进行调度和并发控制，有效地对数据进行查询、存取等共享操作，既要完成远动的四遥功能，又要具有故障录波功能，并且要求支持IEC 61850。

2.根据权利要求1所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述主控板内设有设备管理单元、通信管理单元和数据管理单元；

所述设备管理单元设有WEB维护模块和LCD显示模块；

所述通信管理单元设有CAN通信模块和61850服务器模块；

所述数据管理单元设有数据库和数据分析模块，采用SQLite嵌入式数据库完成实时数据管理、操作、存储；在SQLite中建有遥测表和遥信表，分别存储采集来的遥测和遥信数据。

3.根据权利要求1所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述遥测卡件完成现场交、直流模拟量的采集及交流模拟量的有效值运算及相关测量参数的计算；采用32位高性能DSP处理器，每个卡件的通道容量为18路交流电流、3路交流电压、4路直流;

单装置可配置多块卡件，采用硬件对时实现多路交流同步采样；输出的测量参数有相/线电流、相/线电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率和直流量。

4.根据权利要求1所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述遥信卡件实现现场开关量的采集和处理，采用高性能的32位ARM处理器，每个卡件可采集64路开关量信号，开关量输入信号采用光耦隔离。

5.根据权利要求1所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述遥控卡件实现对现场开关的控制功能，并根据遥控输出继电器的执行情况，将执行结果反馈给主控板，采用高性能的32位ARM处理器，每个卡件有32路控制输出。

6.根据权利要求1所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述测控终端有三个数据库：配置数据库、实时数据库和日志数据库；所述配置数据库存储和管理与***配置相关的信息，位于非易失性存储器；所述实时数据库位于内存中，存储和管理***运行时的测量数据，包括遥测量、遥信量；所述日志数据库存储和管理***运行时产生的日志记录，位于非易失性存储器。

7.根据权利要求2所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述61850服务器模块包括61850服务器API、ACSI信息模型、ACSI服务、MMS对象、MMS服务器和硬件平台抽象层模块。

8.根据权利要求7所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述61850服务器API向外部应用提供标准的IEC 61850服务，通过61850服务器API创建一个完全遵循IEC 61850的服务器设备IED；所述61850服务器API提供三种建立服务器IED数据模型的方法：第一种方法是生成完整的运行时无法修改的静态模型，这种方式将SCL文件提供的数据模型转换为C语言源代码，静态编译到应用程序，由于无需配置文件解析工具，该方式占用空间少；第二种方法是一个纯编程模型生成方法，该方法中数据模型是由API调用在运行时产生的；第三种方法是采用配置文件来为61850设备模型配置有关应用。

9.根据权利要求2所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，所述ACSI信息模型包括基本信息模型和信息交换模型；基本信息模型包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性这五个层次，通常一个物理装置为一个IED，一个IED通常对应一个SERVER，每个SERVER包含一个或多个LOGICAL-DEVICE，每个LOGICAL-DEVICE包含多个LOGICAL-NODE，依次类推；这种分层的信息模型在数据结构的设计上采用二叉树的三叉链表存储结构，三叉链表由二叉链表存储结构改进所得，增加指向父节点的指针，能更好地实现节点间的访问、遍历。

10.根据权利要求2所述一种基于IEC 61850的高速铁路智能远程测控终端，其特征在于，

所述MMS对象模型由61850的IED数据模型自动映射生成；

所述MMS服务器为61850的ACSI服务提供MMS Server API，实现MMS通信服务，包括环境管理服务，变量访问服务，日志管理服务，文件管理服务；MMS作为OSI参考模型的应用层标准，其MMS服务必须在下层通信***的支持下完成，它需要使用OSI表示层向它提供服务，MMS服务还包括表示层有关服务的实现；

所述硬件平台抽象层包括：thread、time、socket、ethernet抽象层，是为适应不同操作***而设计的，方便移植到新平台，这些功能的实现能避免应用对底层平台的依赖。