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插件化IEC61850通信模块设计与实现

DOI:

10.3969/j

.issn.1000-1026.2012.05.016插件化IEC　

61850通信模块设计与实现王丽华,王治民,任雁铭,余　斌

（北京四方继保自动化股份有限公司,北京市100085

摘要:

变电站应用系统可以通过集成一个基于IEC　

61850标准的通信模块（客户端或服务器端,实现具体应用所需要的IEC　61850通信功能。

基于IEC　61850通信模块核心功能基本相同,文中提出一种插件化开发IEC　

61850通信模块的方案,采用动态链接库、动态协商接口方式达到通用的目的。

同时介绍了如何根据此方案实现通用的IEC　

61850通信模块,包括数据结构设计方法和工程应用中难点问题的解决思路。

实际工程应用情况证明了此方案的可行性和有效性。

关键词:

智能变电站;IEC　

61850;通信模块;插件化;面向对象收稿日期:

2011-05-19;修回日期:

2011-09-

14。

0　引言

基于IEC　

61850标准进行通信在数字化变电站中已有广泛的应用。

变电站的站控层设备通常需要基于IEC　61850标准的客户端通信模块,间隔层设备通常需要基于IEC　

61850标准的服务器端通信模块,在智能变电站中也有些设备如代理服务器[1]

、智

能组件[2]

同时需要这2种通信模块。

本文把这2种客户端通信模块统一简称为IEC　

61850通信模块。

IEC　

61850标准实施的初级阶段,通常采用传统点表数据到IEC　

61850面向对象数据的映射来实现IEC　61850标准的通信[3-4]

。

变电站具有各种应用系统和设备（如监控后台、远动、故障信息子站、故

障信息主站和间隔层智能电子设备（IED等,采用不同的数据库结构,又有各自的IEC　

61850通信模块[5-7]

。

这种绑定开发方式的结果是:

即使在同一厂家产品中,以IEC　61850标准进行的通信,也由多个不同的IEC　

61850客户端和服务器端通信模块实现。

虽然经过国内6次互操作实验[8]

和工程应用实践,已有的基于IEC　61850标准的设备基本上达到了互操作性的应用要求,但在工程实施中,还会遇到互操作失败的问题。

这通常是由于同一厂家存在多个IEC　61850客户端和服务器端,同一个问题会在不同设备中重复出现。

另外,随着应用需求的变化,各IEC　61850通信模块也在不断升级,不断引入影响互操作性的因素。

在智能变电站构架中,又出现了一些需要支持IEC　61850通信协议的新设备,需要开发新的IEC　

61850通信模块。

IEC　

61850通信软件基本上是以商业制造报文规范（MMS

软件包为基础进行的二次开发,客户端和服务器端的基础核心模块相同。

若能在核心模块的基础上封装1层通用接口,供所有需要以IEC

61850标准进行通信的设备调用,则只需要维护1个IEC　

61850通信模块,对于减少重复开发、维护产品功能稳定性具有重要意义。

但面对各种不同功能的应用系统、不断增加的应用需求和不同的软硬件应用平台,通用接口的设计具有一定的难度。

本文提出的插件化的IEC　61850通信模块设计方案可解决上述问题,并已通过工程应用验证。

在当前智能变电站试点运行的初级阶段,面临新一轮支持以IEC　61850标准进行通信的设备的研发,本文方案具有重要参考价值。

1　插件化设计关键技术

插件化IEC　

61850通信模块分为核心软件层和接口层2个层次,如图1所示。

图中:

DLL为动态链接库

。

图1　IEC　

61850通信模块Fig

.1　IEC　61850communication　model把IEC　61850通信模块设计成插件形式的主要优点是可以根据不同的用户需求来定制不同的接

口,而核心部分不需要改变,从而提高代码的复用性。

当上层应用系统有了新需求和功能要求时,可只增加新的接口来满足这些新需求,而不需要修改原有软件,从而提高了软件的可扩展性,增强了软件

的稳定性[

9]

。

—

28—第36卷　第5期2012年3月10

日Vol.36　No.5

Mar.10,2012

模块插件化有多种实现方式,本文通过分析及

实践,确定IEC　61850通信模块插件化的关键技术在于DLL技术和动态协商接口的显示链接。

1.1　采用DLL技术

插件技术有组件对象模型和DLL这2种实现方案[9]

。

其中DLL方案相对简单,适合在IEC61850通信模块中采用。

以DLL形态存在的IEC　61850通信模块,可方便地集成到应用系统中,为应用系统提供IEC61850通信服务。

而且在目前电力系统所用到的操

作系统中,如Windows,Unix,Linux,VxWorks都

可以直接或间接地实现DLL的调用。

IEC　

61850通信模块采用DLL的一个技术难点是如何屏蔽MMS软件包的特性,只向应用系统提供简单易用的接口文件。

经分析可得,只需在接口文件中提供MMS软件包的数据类型定义即可,而无需开放众多的MMS软件包文件。

DLL可有2种方式供主程序链接:

隐式链接和显式链接。

本文采用显式链接,即在应用中采用系

统函数加载DLL,其优点是方便插件的单独升级及扩展。

1.2　动态协商接口方式

接口方式设计也是决定IEC　

61850通信模块易用性的关键环节。

本文基于插件设计技术设计了动态接口协商方式,如图2所示

。

图2　接口协商过程流程

Fig.2　Flow　chart　of　interface　negotiation　p

rocess应用系统在初始化时,向通信模块指定所需的

数据交互方式,通信模块配置该数据交互方式需要的各种环境,在运行时按照该方式与具体应用交互数据。

指定数据交互方式后,还需告知通信模块应用自身提供的接口,供通信模块调用,主要用于通信

模块向应用提供信息。

在系统运行期间,应用可以

调用指定版本的命令接口,向通信模块下发各种命令,

如控制命令、读取录波文件命令等。

通信模块可根据版本信息运行相应的功能函数,实现具体应用需要的功能。

采用接口协商的方法使IEC　

61850通信模块方便地集成到不同的上层应用系统,并满足各种应用系统的不同功能需求。

按照这种设计方案,通信模块可不断增加新的功能接口而不影响原有系统的正常运行,以方便地实现系统级的向上兼容。

其优点在于接口的双向交互及接口版本的使用,使插件的适应性更强。

2　接口数据结构设计

接口最终通过接口函数实现。

接口函数的参数

决定了双方可交互信息的内容,

这些参数的数据结构称为接口数据结构。

为满足多种应用功能需求,

接口数据结构设计也是关键环节之一。

2.1　命令接口数据结构设计

命令接口是指由IEC　61850通信模块提供的各种IEC　

61850服务如控制服务等,供应用系统调用。

命令接口数据结构应按IEC　61850-7-

2标准[10]

中的抽象通信服务接口（ACSI

的服务参数进行设计,当IEC　

61850标准底层映射改变时不会影响本层的接口。

另外,尽管现阶段有些服务参数没有使用,但随着技术的不断发展,服务参数的利用会越来

越多,

按标准设计则不需要经常修改接口。

2.2　数据接口数据结构设计数据接口是指IEC　61850通信模块与应用系统之间交互数据的接口,完成IEC　61850报告与应用系统本地数据之间的转换。

对于数据接口,在现阶段需要兼顾传统点表应用系统和面向对象应用系统2种应用方式,因此宜采用包含一定自描述信息的结构或嵌套数据结构,可描述各类数据,如遥测、遥信、保护事件等。

当模型中数据对象（DO所包含的数据属性（DA个数不同、含义不同时,依据数据结构中的信息,双方能互相识别。

接口数据结构中应同时支持点表方式的索

引信息及面向对象的reference信息。

3　模块应用功能设计

按照上述设计方案设计,IEC　

61850通信模块可具备良好的可复用性和灵活性,设计时还应具备跨平台性,这样IEC　61850通信模块就能为各种应用提供IEC　61850通信服务。

针对客户端和服务器端,

有如下经验可供参考。

—

38—·研制与开发·　王丽华,等　插件化IEC　

61850通信模块设计与实现

3.1　客户端接入IED前,客户端必须通过在线或离线方式获得IED模型信息。

在线获取模型的方式比较耗时,尤其在客户端需接入大量IED后无法满足工程应用的需要。

当前的工程应用中通常采用离线方式获取模型。

离线方式可在系统初始化时解析变电站配置文件（SCD获取每个IED模型信息,但当接入的IED超过百数量级后,SCD较大,解析SCD的时间也难以满足工程应用要求。

离线方式还可在系统配置期间从SCD中提取通信需要的信息,

形成私有配置文件。

客户端启动时解析私有配置文件,进而与IED进行连接,

从而大幅减少初始化时间。

无论哪种离线方式,都存在离线模型与IED中运行模型不一致的可能,这也是当前工程中导致互操作失败的常见问题。

为避免在运行中才发现通信失败,应在系统初始化期间就利用IEC　61850在线服务对数据集、变量类型等关键模型信息进行校验。

客户端初始化时间长也是目前存在的普遍问题。

用多线程分担连接任务,利用列表服务、归并类型信息以减少在线获取验证时间等措施,可以大幅度减少IEC　61850通信模块初始化时间。

试验证明这些措施可使初始化速度提升6~10倍。

3.2　服务器端

通过数据映射方式实现以IEC　61850标准进行通信的应用方式已趋于成熟,本文对面向对象数据交互方式进行了尝试。

在智能变电站模式下,出现了一些需要同时具备IEC　

61850客户端通信模块和服务器端通信模块的新型设备,即设备对上和对下都是以IEC　61850标准进行通信。

在这种应用场合中,数据在设备内以面向对象方式交换是最佳方式,而不再需要多次数据映射。

采用面向对象方式交换数据后,

服务器端不需要配置短地址或映射关系描述所需的文件,简化了工程配置过程,系统初始化期间不再需要解析映射关系配置信息,缩短了初始化时间。

面向对象方式所需的内存空间略有增加,但在实时性上可达到工程应用要求。

4　工程应用

按照本文设计方案所开发的IEC　

61850通信模块可运行于Windows,Unix,Linux,VxWorks等操作系统。

其中客户端通信模块已应用于变电站监控

系统、远动、保护信息子站、保护信息主站等;服务器端通信模块已应用于在线监测系统、IEC　61850网关、智能组件的主IED等。

这些具体应用证明了本设计方案具有良好的可扩展性,有效地避免了IEC61850通信模块的重复开发,

缩短了产品开发周期,提高了产品的可靠性和可维护性。

本方案的主要设计目的在于模块的通用性,通过接口协商方式,兼容大部分应用的差异。

对于一些不可兼容、无法通过不同接口支持的应用特性应被屏蔽在模块之外,例如通用面向对象变电站事件（GOOSE功能。

由于GOOSE的收发直接涉及到网络底层的网卡操作,属于板极支持包（BSP范畴,应由应用进行控制。

在设计GOOSE接口时,IEC61850通信模块只提供GOOSE编码及解码的接口,而原始报文收发及任务管理由应用系统处理。

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wanglihua@sf-

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E-mail:

wa