基于IEC61850ft9變電站自動(dòng)化系統(tǒng)配置工具的分析與實(shí)現(xiàn)

　　IEC61850是一種變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的配置工具，其中在IEC61850-6部分定義了變電站配置描述語(yǔ)言(SCL)。SCL語(yǔ)言是根據(jù)XML的語(yǔ)法規(guī)則和結(jié)構(gòu)定義，同時(shí)結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的需要定義的一種特定用途的、可擴(kuò)展的標(biāo)識(shí)性語(yǔ)言。SCL語(yǔ)言就相當(dāng)于XML語(yǔ)言在基于IEC61850變電站系統(tǒng)中的特定應(yīng)用。而XML具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，因而可使得文件中的數(shù)據(jù)能在不同廠家、不同平臺(tái)的工程化工具之間進(jìn)行交換。

　　引入SCL主要有以下兩個(gè)作用：一是對(duì)IED的功能和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行描述；二是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述。本文主要對(duì)基于IEC61850的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中配置工具進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了SCL系統(tǒng)配置工具的應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法。

　　1 SCL的文檔結(jié)構(gòu)

　　XML文檔包括DTD(文檔類(lèi)型定義)文件、XML文件和式樣單三部分，SCL語(yǔ)言是基于XML的。同樣，SCL文檔也包括這三部分。

　　1．1 DTD文件

　　DTD文件定義了標(biāo)簽及其屬性，可完成聲明標(biāo)記任務(wù)。IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)中給出了SCL語(yǔ)言的DTD文件的詳細(xì)定義。理論上，可以在該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)根據(jù)需要任意定義標(biāo)簽及屬性，但在實(shí)際應(yīng)用中，DTD的定義有很高的難度，包括標(biāo)簽的可用性、簡(jiǎn)潔性、從實(shí)際設(shè)備抽象出的良好的數(shù)據(jù)模型等，都需要有很豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。所有支持該標(biāo)準(zhǔn)的裝置將使用相同的DTD文件。

　　1．2 XML文件

　　該文件是采用DTD文件定義的標(biāo)簽，用于完成數(shù)據(jù)對(duì)象置標(biāo)的任務(wù)，也就是將IED、系統(tǒng)等數(shù)據(jù)對(duì)象描述出來(lái)。XML文件嚴(yán)格受DTD的定義約束。IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定功能，也沒(méi)有規(guī)定功能分配，各裝置功能各不相同，其配置在IED上的LN也不同。所以，XML文件的內(nèi)容也是不同的，但I(xiàn)ED具有處理XML文件的能力。

　　1．3 式樣單

　　式樣單是專(zhuān)門(mén)描述結(jié)構(gòu)性文檔表現(xiàn)方式的文檔。從應(yīng)用角度講，IED可直接處理SCL數(shù)據(jù)文件，只要獲取所需信息即可正常運(yùn)行并與系統(tǒng)交互，所以，式樣單文件一般不是系統(tǒng)所必須的。

　　2 SCL對(duì)象模型

　　根據(jù)變電站體系結(jié)構(gòu)，SCL描述了變電站、通訊和IED三種對(duì)象模型。

　　其中變電站模型主要用于描述一個(gè)變電站的功能結(jié)構(gòu)，標(biāo)識(shí)變電站內(nèi)的一次電力設(shè)備及其之間的連接關(guān)系。

　　通訊模型主要用于描述邏輯節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)邏輯總線和IED訪問(wèn)點(diǎn)所建立起的連接。該通訊結(jié)構(gòu)具體包括的對(duì)象模型有IED的mac地址、IP地址和子網(wǎng)掩碼，以及邏輯節(jié)點(diǎn)之間的客戶端／服務(wù)器關(guān)系等信息。

　　IED模型中描述了各IED的模型信息，包括報(bào)告接收者、邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例、數(shù)據(jù)對(duì)象實(shí)例等。

　　3 SCL數(shù)據(jù)交換模式

　　3．1 SCL信息流模型

　　SCL文件在變電站內(nèi)的通訊傳輸涉及到系統(tǒng)配置工具、IED配置工具、IED數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)概念。

　　系統(tǒng)配置工具是使用SCL進(jìn)行變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的配置和管理的工具，可輸入、輸出按IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)定義的SCL文件。

　　IED配置工具是IED制造商提供的IED調(diào)試專(zhuān)用工具，該工具能生成特定的IED描述文件(以．ICD為后綴的SCL文件)并下載到IED中，同時(shí)可向系統(tǒng)配置工具提供ICD文件并能處理來(lái)自系統(tǒng)配置工具生成的SCD文件。

　　IED數(shù)據(jù)庫(kù)分為參數(shù)庫(kù)和實(shí)時(shí)庫(kù)，參數(shù)庫(kù)用于描述變電站模型和通訊模型，實(shí)時(shí)庫(kù)則用于描述IED模型。IED數(shù)據(jù)庫(kù)包括了變電站的各種信息數(shù)據(jù)和屬性，可以供配置工具和系統(tǒng)調(diào)用。

　　3．2 SCL信息流動(dòng)過(guò)程

　　SCL數(shù)據(jù)流模型中不包含DTD文件，XML文件才是真正包含配置數(shù)據(jù)的文件，也是參與配置數(shù)據(jù)流動(dòng)的主要文件。圖1所示是SCL文檔在整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換流程，也就是系統(tǒng)管理配置的過(guò)程。

　　IED配置工具可以獲取各IED的ICD文件并將其發(fā)給系統(tǒng)配置工具，該ICD文件只包含IED的基本信息，其相關(guān)參數(shù)(如網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等)都沒(méi)有進(jìn)行設(shè)置。

　　系統(tǒng)配置工具在接受全站的ICD文件后，將分析各IED信息，并結(jié)合IED數(shù)據(jù)庫(kù)取得各邏輯節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)對(duì)象的信息，以生成或人工輸入配置信息，同時(shí)生成SCD文件并返回給IED配置工具。

　　IED配置工具可接受并處理SCD文件，它可根據(jù)得到的各IED配置信息生成下載到具體IED的配置文件CID。

　　IED啟動(dòng)時(shí)首先解析CID文件以獲取信息，并據(jù)此信息進(jìn)行IED初始化，例如網(wǎng)絡(luò)I／O將按獲取的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置并啟動(dòng)。

　　IED正常運(yùn)行時(shí)可與IEC61850客戶端進(jìn)行通訊以交互數(shù)據(jù)，SCADA系統(tǒng)可根據(jù)SCD文件進(jìn)行參數(shù)配置，在實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，它將生成參數(shù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　4 SCL配置工具的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　IEC61850為變電站模型定義了分層結(jié)構(gòu)，與之對(duì)應(yīng)的SCL也采用了分層結(jié)構(gòu)來(lái)描述變電站的數(shù)據(jù)模型。基于SCL文件的這種分層模型，本程序利用網(wǎng)格式數(shù)據(jù)模型來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)基于SAX(Simple API for XML)的XML解析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)SCL文件的信息提取。使用嵌套圖表的方式將各層次數(shù)據(jù)、屬性以及他們之間的關(guān)聯(lián)顯示出來(lái)，其人機(jī)交互界面友好并可以進(jìn)行SCL文檔的配置。本程序整體上采用C／S架構(gòu)，可支持多IED的讀取和配置。設(shè)計(jì)時(shí)可以在某些細(xì)節(jié)部分(如XML膜塊)采用插件技術(shù)架構(gòu)，以便于利用成熟的軟件模塊，這樣更有利于以后的維護(hù)和升級(jí)。

　　本程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境為VC++6．0，可采用模塊化設(shè)計(jì)方案和基于COM的組件技術(shù)，并可大量采用成熟的軟件和開(kāi)放的程序模塊，故可降低開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也便于軟件維護(hù)和升級(jí)。本設(shè)計(jì)主要由圖表控件模塊、XML解析模塊、信息庫(kù)模塊、配置界面模塊和通訊模塊組成。

　　4．1 配置界面模塊

　　本程序主要提供一個(gè)友好的可視化用戶配置界面，以打開(kāi)相應(yīng)的SCL文件，如IED的ICD格式文件，點(diǎn)擊菜單或按鈕“Configuration”即可打開(kāi)用戶配置界面，而點(diǎn)擊相應(yīng)的屬性頁(yè)即可對(duì)該IED進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、數(shù)據(jù)集、GOOSE等系統(tǒng)需求的配置，圖2所示是名為REF615的IED的基本參數(shù)配置界面。

　　4．2 XML解析模塊

　　本程序選用JAVA版本的Xerces-J1．4．4解析器，這是目前最健壯、最強(qiáng)大的XML解析器，可以保證程序處理SCL文件的高效性、可靠性、正確性，另外，利用JAVA語(yǔ)言跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于程序的維護(hù)升級(jí)和移植也具有極大的便利性。Xerces-J解析器的XML解析功能可支持基于DOM、SAX、JAXP的三種XML解析技術(shù)?？紤]到IEC61850變電站巨大的數(shù)據(jù)量，以及多層次的、關(guān)聯(lián)復(fù)雜的數(shù)據(jù)對(duì)象，數(shù)據(jù)豐富多樣的功能約束和屬性，需要使用一個(gè)高效且容錯(cuò)性較高的解析器。基于SAX的XML解析技術(shù)，本設(shè)計(jì)使用流的方式來(lái)讀入SCL文件并逐行解析且順序操作。該方法相對(duì)于DOM技術(shù)占用資源少、快速穩(wěn)定，同時(shí)也無(wú)需像在DOM中那樣為所有節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建對(duì)象，因此，本程序采用基于SAX技術(shù)的Xerces-J解析器。另外，SAX采用了處理XML事件的“推”模型，該模型無(wú)需將SCL文件一次加載到內(nèi)存中，這使得SAX解析器可以解析大于系統(tǒng)內(nèi)存的文檔，并且SAX“推”模型可用于廣播環(huán)境，能夠同時(shí)注冊(cè)多個(gè)ContentHandler。它可以并行接收事件，而不是像DOM只能在一個(gè)管道中一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行處理。

　　4．3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

　　數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要是分析和存儲(chǔ)XML模塊解析出來(lái)的SCL文件的各種數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)對(duì)象存儲(chǔ)模型具體可按IEC61850-7部分的定義來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括邏輯設(shè)備LD、邏輯節(jié)點(diǎn)LN、公共數(shù)據(jù)類(lèi)CDC的基本信息、關(guān)聯(lián)服務(wù)、訪問(wèn)接口等一系列的數(shù)據(jù)模型和對(duì)象實(shí)例。

　　4．4 圖表控件模塊

　　對(duì)于分層模型，目前比較先進(jìn)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)是使用樹(shù)形控件進(jìn)行控制和顯示，這種技術(shù)能直觀的顯示出層次間的關(guān)系，但是不能直觀顯示出數(shù)據(jù)和屬性、功能約束之間的關(guān)系，而使用圖表控件模型就可以用表格和圖形標(biāo)記的方式直觀立體的顯示出這種關(guān)聯(lián)，同時(shí)也能高效地添加、刪除和修改SCL元素節(jié)點(diǎn)。該模塊根據(jù)XML模塊獲取的數(shù)據(jù)信息可以形成網(wǎng)格關(guān)聯(lián)模型，并使用CrystalCell圖表控件顯示出來(lái)；每層可用一個(gè)相對(duì)獨(dú)立(每個(gè)SCL文件是一個(gè)大表格，數(shù)據(jù)層層嵌套在大表格的相應(yīng)單元格中)的表格顯示