代理服务器在智能变电站和调度主站无缝通信中的应用

代理服务器在智能变电站和调度主站无缝通信中的应用 陈爱林1, 2 , 乐全明3 , 冯 � 军4 , 戴则梅1, 2, 丁 � 杰1, 2 , 黄海峰1, 2 ( 1. 国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司, 江苏省南京市 210003; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 210061; 3. 浙江省电力公司, 浙江省杭州市 310007; 4. 邯郸市供电公司, 河北省邯郸市 056035) 摘要: 讨论了智能变电站和调度主站无缝通信的应用需求, 特别是 IEC 61850和 IEC 61970共享 建模等相关要求,论述了采用代理服务器模式实现变电站端通信网关装置的必要性和可行性,介绍 了代理服务器的软件功能和架构设计。该代理服务器综合考虑了 IEC 61850和 IEC 61970的工程 应用背景, 包括建模方法、配置方式、实时数据库、IEC 61850客户端、服务映射、访问安全控制、管 理维护、硬件选型等方面内容,功能完备,配置灵活,维护简单,可作为以后智能变电站基本的前置 通信装置, 为智能电网异构系统间实现无缝连接提供技术支撑。 关键词: 智能变电站; 代理服务器; 共享建模; 无缝通信; IEC 61850; IEC 61970 收稿日期: 2010�06�02; 修回日期: 2010�08�16。 � 十一五 国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 重大项目 ( 2008BAA13B06) ; 国 家电网公司科技项目( SG0915)。 0 � 引言 目前,国家电网公司正在进行智能变电站试点 工程建设, 智能变电站将取代数字化变电站。智能 变电站采用 IEC 61850 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 [ 1�5] , 在数字化变电站的 基础上,其深化应用包括统一配置、共享建模 [ 6�10]、 无缝通信[ 11] 等 3个方面,其中统一配置是共享建模 的基础,共享建模是实现无缝通信的关键技术,无缝 通信是建立智能变电站和调度主站通信连接的最终 目标。这里无缝通信是指应用共享建模技术, 采用 开放的特定通信服务映射( SCSM)建立智能变电站 与调度主站之间的通信连接, 实现 IEC 61850 对象 信息的实时传输。 国内前期进行的数字化变电站建设,基本实现 了站内二次设备模型的统一配置,但普遍缺少一次 设备模型。一次设备模型包含一次设备对象及其拓 扑连接关系、一次设备与二次设备逻辑节点之间的 关联关系、功能划分等描述。其中,前 2项是亟待完 善的重要工作, 并且是深入研究全站模型统一配置 的重点内容。与传统变电站相比,智能变电站采用 了统一配置模型,因此信息量将会逐渐增大, 目前配 置模型已扩充了防误操作、设备状态监测、视频等信 息描述。包含大量信息的智能变电站与调度主站之 间通信,必须满足源端维护要求,才能大大减少主站 侧的维护工作量, 充分发挥 IEC 61850 的优越 性[ 12�14]。 本文共享建模是指在 IEC 61850变电站配置描 述文件( SCD)配置模型与 IEC 61970公共信息模型 ( CIM ) [ 12�15]之间建立映射关系, 直接将变电站 SCD 模型自动转换生成主站 CIM, 实现异构系统之间的 模型共享,从而从根本上解决源端维护问题。对于 一个智能变电站而言, 信息量是可以估计的,但一个 调度主站接入成百上千个智能变电站, 信息量难以 估计,因此信息应该分层分类,而不是将变电站原始 信号毫无选择地转发给调度主站 [ 16]。在实际应用 中,无缝通信应根据调度主站的功能需求选择性地 接入变电站部分信息, 既可方便变电站部署服务器, 又不影响主站接入。变电站常规信息主要包括远动 和保护,其中:远动信息包括开关、主变等设备的遥 信、遥测、遥控、遥调; 保护信息分为事件、压板、告 警、故障、录波、定值等。在现有技术条件和管理规 定下,远动和保护信号分属于不同的安全区域, 通过 不同的通信通道传输给调度主站。随着 IEC 61850 应用技术的不断发展, 将来远动和保护信息可实现 一体化传输。 代理服务器[ 2] 在智能变电站中作为一种特殊的 智能电子装置( IED) ,在全站 SCD模型基础上定制 配置模型,对下与装置建立通信连接,订阅 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 , 将 实时数据刷新到本地实时库, 对上提供通信服务。 由此可见,代理服务器的功能全面覆盖了模型配置、 共享建模、无缝连接,将取代传统的远动工作站成为 变电站的通信网关装置。本文介绍了代理服务器的 功能、实现技术及其工程实现案例。 1 � 功能设计 智能变电站与调度主站无缝通信部署如图 1所 !99! 第 34 卷 � 第 20 期 2010 年 10 月 25 日 Vo l. 34 � No. 20 Oct. 25, 2010 示。本文主要关注变电站端代理服务器的设计和实 现,主站终端如何接入不进行描述。代理服务器的 功能设计包括建模方法、配置方式、实时数据库、 IEC 61850客户端、服务映射、访问安全控制、管理 维护、硬件选型等方面内容,下面分别描述。 图 1 � 智能变电站与调度主站无缝通信部署 Fig. 1 � Dispatching diagram of seamless communication between smart substation and control center 1. 1 � 建模方法 代理服务器模型分为实时运行模型和离线配置 模型。实时模型来源于配置模型,通过文件中的数 据模板和实例建立实时层次化数据对象 [ 1, 3�4]。配置 模型来源于变电站 SCD配置模型 [ 5] ,根据主站需求 删减无关配置, 例如通用面向对象变电站事件 ( GOOSE)配置, 并增加一次设备描述模型。此外, 在变电站 SCD模型基础上,代理服务器可扩展自身 模型,包括系统运行状态、通信状态等。实际上, 代 理服务器不是简单的信号转发装置或者 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 转换设 备,其信号输入是全站 IED 信息, 配置模型是全站 SCD, 包含本地实时数据库,能够独立运行并能提供 通信服务,是特殊的 IED。由于篇幅限制,这里不展 开论述,具体可参见智能变电站相关规范。 1. 2 � 配置方式 配置模型通过配置工具的图形界面操作, 首先 打开变电站 SCD 配置模型, 精简二次设备模型, 然 后绘制一次设备接线图, 自动生成一次设备模型及 其拓扑连接关系,并通过界面关联二次设备逻辑节 点。配置完成后, 输出新的 SCD, 同时生成 SVG 单 线图[ 16�17] 。配置操作支持设备对象和功能分类 2种 模式,例如可以按对象增加变压器、间隔、导电设备、 端子、连接点等,删除功能只需 1次操作即可批量完 成所有关联模型的删除工作。输出文件时, 配置工 具校验配置模型的语法和语义,若不合法,则提出警 告和修改建议。 1. 3 � 实时数据库 实时数据库是代理服务器的核心。代理服务器 订阅装置报告(例如变化数据、完整性周期数据)后, 接收装置实时数据, 并将数据刷新到本地实时数据 库。代理服务器能够接受多个客户端连接,不同的 客户端可以专门定制模型, 例如网调需要 500 kV 模型,省调需要 220 kV以上模型。 1. 4 � IEC 61850客户端 代理服务器对下是 IEC 61850 A CSI 客户端,目 前应遵循 IEC 61850�8�1制造报文规范( MM S)通信 映射方式,与变电站 IED 建立通信连接。服务器启 动时,通过解析 SCD中的 IED通信参数, 自动建立 关联。如果 IED 发生通信故障, 产生变化数据报 告,通知调度主站客户端。一旦 IED 通信恢复, 代 理服务器能够自动重连。 1. 5 � 服务映射 代理服务器对上是服务器端, 应设计通用的 IEC 61850 ACSI服务端接口[ 2] , 以便进行通信映射 扩展。IEC 61850 ACSI 是抽象的, SCSM 是具体 的、开放的, 可以采用的通信映射有 MMS、Web 服 务、公共对象请求代理体系结构 ( CORBA ) 和 IEC 60870�5�101/ 104等。最新颁布的 IEC 61850� 80�1标准制定了采用 IEC 60870�5�101/ 104通信协 议在电力自动化系统间进行数据交换的指导建议。 除此之外, IEC还没有针对变电站与调度主站的通 信连接发布其他通信映射的相关标准。由于 IEC 60870�5�104是专门应用于电力系统的远动通 信协议,已广泛应用于变电站与调度主站的通信连 接,因此,现阶段采用 IEC 60870�5�104 映射方式, 具有成熟可靠、实现简单、兼容性强、对调度主站影 响小的优点。 1. 6 � 其他功能 代理服务器负责将变电站信息传输给不同的主 站客户端,一方面实现了数据远传操作,另一方面在 站外客户端与站内装置之间建立了安全隔离屏障, 增强了系统安全。通过操作系统和代理服务器软 件,可以控制不同客户端的操作权限,例如明确分配 报告实例号、目录服务、读定值、写定值、遥控、文件 传输等。代理服务器与调度主站实时连接,一般自 身发生故障时不影响变电站运行,因此,运行维护既 可在主站端通过远程登录操作, 也可在变电站端本 地操作。长期维护主要是变电站扩建、改造以及代 理服务器系统清理。变电站扩建和改造时必然修改 SCD,代理服务器需要重新配置模型, 保证新增信号 后不影响原有信号的传输。代理服务器接入全站波 形,长期运行后会占用较大磁盘空间, 影响运行效 !100! 2010, 34( 20) � 率,必须定期清理一次。代理服务器实时库模型较 大,可以把它看成典型变电站 200个 IED的虚拟装 置,推荐采用商业服务器, 甚至高档工业电源、无风 扇、无旋转硬盘的嵌入式服务器,能够在变电站较为 恶劣的环境下稳定可靠运行。代理服务器操作系统 建议采用 Linux 或者嵌入式实时 Linux。 2 � 实现技术 在原有数字化变电站配置模型基础上, 需要扩 充一次设备配置模型。通过配置工具所见即所得绘 制出一次设备接线图,包括主变、开关、刀闸、线路、 电压互感器、电流互感器、避雷器、电容器、电抗器 等, 自动生成连接点 ( Connect ivityNode ) 和端子 ( Term inal)。设备名称符合调度命名规范。同时, 通过鼠标右键建立一次设备对象与二次设备逻辑节 点之间的关联关系。配置完成后, 输出 SCD模型文 件。 共享建模直接采用变电站规范配置的 SCD 模 型文件, 通过模型映射, 生成 CIM 资源描述框架 ( RDF)模型。模型转换分为静态模型转换和动态模 型转换。静态模型是指变电站一次设备及其拓扑连 接关系的资源描述, 动态模型即量测信号资源描述。 静态模型转换较为直接, 动态模型转换比较复杂, 必 须建立 SCD模型和 CIM 静态模型对象索引映射, 才能生成量测模型, 同时建立关联关系。配置工具 读取 CIM 资源 rdf : ID,将绘制的图形输出 SVG 单 线图,同时建立图形与模型之间的关联关系。 无缝连接采用 IEC 60870�5�104或其他通信映 射,实现实时数据传输。模型转换时, 自动生成 IEC 61850引用、IEC 61970 CIM rdf : ID以及具体 通信映射量测信号编码三者之间的关联关系。因 此,统一配置、共享建模、无缝连接都是模型驱动的, 变电站设备建模过程必须人工完成,其余模型转换、 图模关联、图形输出、通信映射量测编码都是程序自 动完成的,这样可实现源端维护。 3 � 工程应用 代理服务器已成功应用于浙江金华 500 kV 芝 堰变电站保护信息子站, 2009 年 7 月投运至今, 运 行稳定可靠。芝堰变电站代理服务器采用 MMS 协 议建立与变电站 100 余套测控保护装置之间的连 接,订阅各装置 5号报告控制块, 实时信息包括控 制、事件、故障、告警、定值、波形等信息, 并提供 MMS服务,将信号实时转发给华东网调、浙江省调 和金华地调。代理服务器配置模型来源于监控系 统,剔除故障录波器、GOOSE、智能操作箱等相关模 型,修改通信容量参数,将所有报告控制块实例最大 个数改为 8个,最后形成代理服务器配置模型文件, 文件大小为 26. 8 MB。模型文件通过电子邮件发 给调度主站,各主站导入模型, 订阅代理服务器 1, 2, 3号报告控制块, 实现实时数据传输。保护装置 录波完成后,产生报告,代理服务器召唤装置波形文 件列表,并将波形文件上传到本地,然后触发录波完 成报告上送主站, 主站召唤代理服务器文件列表,将 最新波形文件上传到主站。通过不同的命令,主站 既可召唤代理服务器本地录波文件, 也可通过代理 服务器直接召唤装置波形文件。代理服务器配置了 3个主站客户端以及 1 个维护客户端, 分配了相应 的报告实例号和访问权限。目前,根据用户要求,代 理服务器屏蔽了目录服务、遥控、修改定值等操作, 确保安全稳定运行。 为了在变电站与主站之间实现一次设备和二次 设备模型统一配置、共享建模、无缝连接, 代理服务 器需要升级改进, 开发新的配置工具,实现模型自动 转换和图模关联, 抽象出通用的 ACSI 层, 建立 IEC 60870�5�104通信映射方式,完成远动信号实时 传输。 4 � 结语 在智能变电站应用中,代理服务器一方面提供 通信服务,另一方面屏蔽非法访问站内装置,将发展 成为变电站关键通信网关节点, 一旦成熟必将对国 内的智能变电站建设产生积极影响。通过扩充一次 设备配置描述以及 SCD模型到 CIM 的映射, 可以 直接将变电站SCD模型转换生成主站 CIM ,实现智 能变电站和主站共享建模。在模型转换过程中, 自 动生成通信映射量测信号编码, 实现无缝通信。统 一配置、共享建模、无缝通信三者相辅相成,在代理 服务器中融为一体,通过 SCD模型文件、SVG单线 图、CIM 文件实现功能分解, 能够大大降低异构系 统模型之间的融合工作量, 解决源端维护问题。 参 考 文 献 [ 1] IE C 61850�7�1 � Comm unicat ion netw orks and sys tems in subs tat ions: Part 7�1 � basic comm unicat ion st ructur e for subs tat ion and feeder equipm ent : principles and m od els. 2004. [ 2] IE C 61850�7�2 � Comm unicat ion netw orks and sys tems in subs tat ions: Part 7�2 � basic comm unicat ion st ructur e for subs tat ion and feeder equipment : abst ract communication ser vice interface ( ACSI) . 2004. [ 3] IE C 61850�7�3 � Comm unicat ion netw orks and sys tems in subs tat ions: Part 7�3 � basic comm unicat ion st ructur e for subs tat ion and feeder equipm ent : common data classes. 2004. [ 4] IE C 61850�7�4 � Comm unicat ion netw orks and sys tems in !101! ∀ 工程应用∀ � 陈爱林, 等 � 代理服务器在智能变电站和调度主站无缝通信中的应用 su bstat ions : Part 7�4 � basic communicat ion st ru cture for su bstat ion and feeder equipment : compat ible logical node classes and data clas ses . 2004. [ 5] IEC 61850�6 � Commun ication n etw orks and system s in su bstat ions : Part 6 � conf igurat ion des cript ion language for comm unicat ion in elect rical substat ions related to IEDs. 2006. [ 6] SCHWARZ K. IEC 61850, IEC 61400�25, and IEC 61970: information m odels an d informat ion ex change for elect ric pow er sys tems [ EL/ OL ] . [ 2009�06�08 ] . ht tp: / / www . net tedau tomat ion. com/ down load/ paper _ IE C 61850 _ Dist ributech_2004�02�10. pdf . [ 7] EPRI. H arm on izat ion of CIM w ith IEC stan dards draft report for CIM and other IEC w orking gr ou ps technical report [ R/ OL] . [ 2008�09�08 ] . h ttp: / / m yd ocs. epri. com / docs/ pub lic/ 000000000001013110. pdf. [ 8] EPRI. H arm on izat ion of IEC 61970, 61968, and 61850 models technical report [ R/ OL] . [ 2008�09�08] . h ttp: / / mydocs. epri. com/ docs/ publ ic/ 000000000001012393. pdf . [ 9] 陈章宝,陈少华,陶涛. IE C 61850到 IEC 60870通信规约的映射 研究.陕西电力, 2008, 36( 6) : 78�81. CH EN Zhangbao, CH EN Shaohua, TAO Tao. Study on mapping IEC 61850 to IEC 60870. Shaanx i Elect ric Pow er, 2008, 36(6) : 78�81. [ 10] 谢善益,高新华,周伊琳,等. IEC TC 57 CIM 和 IEC 61850 SCL 模型整合及 UCIM 构建. 电力系统自动化, 2009, 33 ( 17 ) : 61�65. XIE Shanyi, GAO Xinhua, ZHOU Yil in, et al. Integrat ion of the IEC TC 57 CIM with the IEC 61850 SCL model and modeling of th e UCIM. Automation of Elect ric Pow er Sys tems, 2009, 33( 17) : 61�65. [ 11] 胡靓,王倩.基于 IE C 61850与 61970的无缝通信体系的研究. 电力系统通信, 2007, 28( 12) : 15�20. H U Liang, WANG Qian . Research on seamless comm unicat ion system based on IEC 61850 and 61970. T elecommunicat ion s for Elect ric Pow er S ystem s, 2007, 28(12) : 15�20. [ 12] 刘崇茹,孙宏斌,张伯明,等.基于 CIM XML 电网模型的互操 作研究.电力系统自动化, 2003, 27( 14) : 45�48. LIU Chongru , SUN H ongbin, ZHA NG Boming, et al. An invest igat ion on a common inform at ion model for energy man agement sys tem. Au tomat ion of Elect ric Pow er Sy stems , 2003, 27( 14) : 45�48. [ 13] 潘毅,周京阳,李强,等.基于公共信息模型的电力系统模型的 拆分与合并.电力系统自动化, 2003, 27( 15) : 45�48. PAN Yi, ZHOU Jin gyang, LI Qiang, et al. T he separation / combinat ion of pow er system model based on CIM . Autom at ion of Elect ric Pow er S ystem s, 2003, 27( 15) : 45�48. [ 14] 刘崇茹,孙宏斌,张伯明,等. 公共信息模型拆分与合并应用研 究.电力系统自动化, 2004, 28( 12) : 51�55. LIU C hongru, SUN Hongbin , ZHANG Bom ing, et al. A res earch on incremen tal and part ial model trans fer based on CIM . Automat ion of Elect ric Pow er System s, 2004, 28( 12 ) : 51�55. [ 15] IE C 61970�301 � Energy managem ent s ystem application program interface ( EMS�API ) : Part 301 � comm on inform at ion model ( CIM) base. 2007. [ 16] World Wide Web Consort ium . Scalable vector gr aphics ( SVG) 1. 0 sp ecif icat ion [ EB/ OL] . [ 2007�12�02] . ht tp: / / w ww. w 3. org/ TR/ SVG. [ 17] IE C 61970�453 � 2008 en ergy m anagem ent s ystem application program interface ( EM S�API) : Part 453 � CIM based graphics exchan ge. 2006. 陈爱林( 1973 ! ) ,男 ,通信作者, 博士,高级工程师,主要 研究方向: 电力系统自动化。E�mail: chenailin @ sgepr i. sgcc. com. cn 乐全明 ( 1974! ) , 男, 博士, 主要研究方向: 电力系统自 动化、智能电网。 冯 � 军( 1958 ! ) ,男 ,主要研究方向: 电力系统自动化。 Application of IEC 61850 Proxy Server in Seamless Communication Between Smart Substation and Control Center CH EN A il in1,2 , YUE Quanming 3 , FEN G Jun4 , DA I Zemei1 ,2 , D IN G J ie1 ,2 , H UAN G H aif eng 1 ,2 ( 1. State Gr id Electric Pow er Research Institute, Nanjing 210003, China; 2. NARI Techno log y Development Co . L td. , Nanjing 210061, China; 3. Zhejiang Provincial Electric Pow er Company, Hangzhou 310007, China; 4. H andan Pow er Supply Company, H andan 056035, China) Abstract: This paper deals w ith application requirements of seamless communication betw een smar t substation and contr ol center, especially model harmonization betw een IEC 61850 and 61970. The necessity and feasibility of IEC 61850 proxy server act ing as a communicat ion gatew ay in substation is intr oduced. It also descr ibes so ftwar e design o f functions and ar chitectur e for pr oxy serv er. T he proxy serv er makes full consideration of the application technolog ies of IEC 61850 and 61970, such as modeling methods, configuration too l, real�t ime database, IEC 61850 abst ract communicat ion serv ice interface ( ACSI) client, ser vices mapping , access security , maintenance and hardware. The pro xy serv er feat ur es perfect functions, simple conf igurat ion and easy maintenance, and w ill become an impor tant front�end communication device in futur e constr uction o f smar t substation, prov iding techno lo gical support for seamless connections betw een hetero geneous sy stems in smart g r id. This wo rk is support ed by National Mega�pro jects of Science Research for t he 11th Five�year Plan ( No . 2008BAA13B06) and State Gr id Co rpor ation of China ( No . SG0915) . Key words: smar t substation; pr oxy ser ver; model harmonization; seamless communication; IEC 61850; IEC 61970 !102! 2010, 34( 20) �