專利名稱：一種電力設備狀態監測裝置的集成方法
技術領域：
本發明涉及一種電力設備狀態監測裝置的集成方法，該方法能夠實現IEC 61850 技術體系之下不同廠商狀態監測裝置間的互操作與信息共享，屬監測技術領域。
背景技術：
從國內外電網相繼發生的災難性大停電事故調查顯示，雖然有先進的控制系統、 高級的運行應用軟件，但是老化的輸電網架、陳舊的輸變電設備導致電網工作在危險區。輸 變電設備自身故障一直是危及電網安全運行的主要原因之一，而且在電網故障起因中所占 的比例也相當大。國內外電網狀態監測與檢修技術在理論研究方面取得了較大的進展，并 研發了針對輸電線路、變壓器和斷路器等設備的在線監測與故障診斷裝置，但在以下方面 仍面臨突出問題1)狀態監測信息無法共享。狀態監測系統還處于分散監測階段，與計算機監控系 統相互獨立，電力控制中心與各個變電站之間，以及狀態監測系統與其他系統之間，數據信 息模型和通信接口高度異構，難以充分利用不同的信息進行設備的狀態評估、故障診斷和 狀態檢修。2)狀態監測裝置之間互操作差。長期以來，國內外電力自動化設備廠商推出了各 式各樣的狀態監測裝置與系統，各個廠商根據自己的理解實現，通信協議不統一、功能和接 口各不相同，導致目前各種通信協議并存的局面，不同廠家的各種設備甚至同一廠家生產 的不同設備之間也不能直接通信，難以進行互操作，系統的升級和維護困難。電網的智能化體現為全面、及時地掌握電網運行的信息，綜合各自動化功能系統 對信息分析的結果，做出最優的反應。解決上述問題的關鍵是采用滿足智能電網所需要的、 開放的、統一的能夠保障不同廠商狀態監測裝置之間互操作的技術體系，只有這樣才能減 少設備接入與協議轉換開銷，降低集成與數據交換成本。目前電力設備狀態監測裝置仍然是采用MODBUS、IEC 60870-5以及大量私有的狀 態監測通信技術與方法，還沒有哪個通信協議能以絕對優勢在電力行業中普及，各種通信 協議并存、互不兼容，難以實現互操作，從技術上暴露出了大量的不足，主要表現在1)大多采用傳統的串行工作方式，為低速網絡設計，并且采用點到點的電路交換 方式進行數據傳輸，獨占通信信道。2)采用面向字符標志的傳輸協議，主要考慮具體設備的數據格式的統一，其數據 傳送效率不高，可用性不強、信息發布量小。3)不僅需要考慮網絡連接的維護，對每一層數據包都進行詳細定義，還必須處理 具體的報文格式、高低字節等問題，其擴展性、可讀性差。4)采用面向點的數據描述方法，沒有對各種實際設備進行建模和描述，導致不同 系統之間互操作性差。在實際應用中，造成狀態監測裝置主要是孤立運行，或集成到現有的SCADA系統 中，都難以滿足智能電網狀態監測通信集成的需要。
國際最新的變電站網絡通信技術體系IEC 61850采用分層分布式體系、面向對象 建模、特殊通信服務映射SCSM、抽象通信服務接口 ACSI、制造報文規范MMS和基于XML的系 統配置描述語言SCL等新思想與新技術，在國內外數字化變電站中正在受到推崇，國內外 基于IEC 61850的數字化變電站陸續投入運行或正在建設。在此背景下，狀態監測集成平 臺顯然也必須支持IEC 61850技術體系，否則無法與數據采集與監視控制系統SCADA與變 電站自動化等其它IEC 61850系統進行互操作。但是，實現基于IEC 61850的狀態監測裝 置的通信集成，還需要解決如下問題1) IEC 61850是一個龐大的技術體系，并沒有停留在通信協議的層次上，也未定義 具體的實現細節。另外，IEC 61850作為變電站內部通信網絡的技術體系，主要偏重于變電 站自動化系統中繼電保護、測量、控制等模型的定義，而狀態監測集成平臺所需要的是高壓 設備狀態數據，雖然IEC 61850中定義了包括液體介質絕緣、氣體介質絕緣、電弧監視與診 斷和局部放電等專門的邏輯節點，但無法全面滿足電力設備狀態監測通信集成的需要，因 此必須結合電力設備狀態監測的特點與實際需要，實現狀態監測裝置的無縫通信。2)現有的狀態監測裝置還不支持IEC 61850，必須實現傳統協議與IEC 61850之 間的映射。變電站自動化系統所使用的傳統集成方法是采用特定協議轉換裝置和非轉換器 的方法。特定協議轉換裝置的方法只能支持某種特定裝置，協議轉換成本高、可擴展性差， 非轉換器的方法是在新系統中設計出公用數據庫，以及與各種協議數據庫之間的映射，使 得系統既能支持IEC 61850標準，又能支持非IEC 61850的傳統協議，主要工作都在研發階 段完成，現場不需要進行IEC 61850的建模工作，工程量和難度較小，但IEC 61850系統或 設備本身需要支持與非IEC 61850協議之間的映射，設計復雜，難以充分發揮IEC 61850的 技術優勢。因此，如何從根本上解決目前電網狀態監測裝置局部、孤立運行，通信協議不統 一、功能和通信接口各不相同，實現IEC 61850技術體系之下不同廠商狀態監測裝置間的 互操作與信息共享是一個亟待解決的問題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種電力設備狀態監測裝置的集成方法，以實現IEC 61850技術體系之下不同廠商狀態監測裝置間的互操作與信息共享。本發明所稱問題是以下述技術方案實現的一種電力設備狀態監測裝置的集成方法，它由依次連接的通信接口、協議轉換器 以及以IEC 61850模型為基礎的ACSI服務器構成無縫通信服務器，IEC 61850客戶機直接 與ACSI服務器相連，不同類型的輸變電狀態在線監測裝置通過提供的通信接口接入；采用 映射規則編輯器建立傳統協議與IEC 61850之間的映射規則，協議轉換器利用該映射規則 完成傳統協議與IEC 61850之間的協議轉換，實現不同類型的輸變電狀態在線監測裝置與 ACSI服務器的通信，進而實現不同類型的輸變電狀態在線監測裝置以及IEC 61850客戶機 之間的通信。上述電力設備狀態監測裝置的集成方法，所述傳統協議與IEC 61850之間的映射 規則包括IEC 60870-5通信報文與ACSI服務之間的映射、公共數據類⑶C與應用服務數據 單元ASDU之間的映射。
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上述電方設備狀態監測裝置的集成方法，所述ACSI服務器的信息與服務模型參 照IEC 61850技術體系并結合狀態監測的功能與實際需要而建立，具體步驟如下a.對于IEC 61850中定義的信息，從IEC 61850模型中抽取出與狀態監測相關的 邏輯節點，邏輯節點包括液體介質絕緣SIML、氣體介質絕緣SIMG、電弧監視與診斷SARC、局 放監視與診斷SPDC、電力變壓器YPTR、電壓互感器TVTR、電流互感器TCTR、斷路器XCBR、開 關CSWI、測量單元MMXU和計量單元MMTR ；b.對于IEC 61850中未定義的信息，借用其它邏輯節點或按IEC 61850的擴展原 則定義新的邏輯節點，包括油色譜監視與診斷SDGA、斷路器監視與診斷SCBR、變壓器監視 與診斷SPTR、開關監視與診斷SSWI以及溫度監視與診斷STMP等邏輯節點；c.利用上述邏輯節點及其所包含的數據對象和數據屬性，采用客戶機/服務器通 信模式，提供關聯、數據集、報告等抽象通信服務，建立ACSI服務器的信息與服務模型。上述電力設備狀態監測裝置的集成方法，它利用基于XML的SCL文檔來描述ACSI 服務器模型實例，采用SCL配置工具實現模型實例的導入、編輯與生成，具體步驟如下a. SCL文檔在導入過程中，首先采用SCL Schema文檔對SCL文檔驗證其有效性，以 檢查是否符合其要求，隨后對SCL文檔進行XML解析，采用文檔對象模型DOM將導入的SCL 文檔轉換為一棵駐留在內存中的對象節點樹，即SCL節點樹；b. SCL配置工具通過與SCL節點樹的交互，來實現對SCL文檔中的數據進行操作， 采用樹形控件的方式來組織SCL節點樹，用戶通過對樹形控件的操作來實現對SCL元素的 訪問、插入、修改和刪除，用表格的方式來組織節點屬性，用戶通過填表的方式對SCL元素 的屬性進行編輯；c.將已經配置好的SCL文檔存盤導出，下裝到ACSI服務器。本發明以IEC 61850模型為基礎，結合狀態監測的功能與實際需要，設計了無縫 通信服務器，利用無縫通信服務器將不同廠商、不同通信接口、不同通信協議的電力設備狀 態監測裝置集成在一起，從根本上解決目前電網狀態監測裝置局部、孤立運行，通信協議不 統一、功能和通信接口各不相同所造成的難以互操作與信息共享問題，能夠更好地滿足智 能電網對全景狀態信息監測的需要。


下面結合附圖對本發明作進一步詳述。圖1是無縫通信服務器的結構；圖2是協議轉換器的工作原理；圖3是ACSI服務器的信息與服務模型；圖4是IEC 61850報文的流量；圖5是IEC 61850報文的響應時間。文中各標號為SCSM、特殊通信服務映射；ACSI、抽象通信服務接口 ；匪S、制造報 文規范；SCL、系統配置描述語言；SCADA、數據采集與監視控制系統；TYP、類型標識符；SQ、 可變結構限定詞中第8位；COT、傳輸原因序號；SPS、單點狀態；DPS、雙點狀態；MV、測量值； CMV、復數測量值；TrgOp、參數觸發選項；dchg、數據屬性值變化；qchg、品質屬性值變化； dupd、屬性值刷新；CDC、公共數據類；ASDU、應用服務數據單元；APDU、應用協議數據單元；SIML、液體介質絕緣；SIMG、氣體介質絕緣；SARC、電弧監視與診斷；SPDC、局放監視與診斷； YPTR、電力變壓器；TVTR、電壓互感器；TCTR、電流互感器；XCBR、斷路器；CSWI、開關；MMXU、 測量單元；MMTR、計量單元；SDGA、油色譜監視與診斷；SCBR、斷路器監視與診斷；SPTR、變壓 器監視與診斷；SSWI、開關監視與診斷；STMP、溫度監視與診斷。
具體實施例方式參看圖1，無縫通信服務器是本發明的核心，主要包括通信接口、映射規則編輯器、 協議轉換器、SCL配置工具與ACSI服務器等模塊，各部分的功能如下1)通信接口提供RS232、RS485、CAN總線或TCP/IP接口，接入不同廠商、不同通信接口、非IEC 61850通信協議的狀態監測裝置或系統，例如變電站內的容性設備、避雷器、變壓器油色譜 與局放、斷路器等在線監測裝置，GSM短信方式的污穢、覆冰在線監測系統、GPRS/CDMA方式 的視頻和圖像在線監測系統，以及無線傳感器網絡方式的絕緣子在線監測系統等，并將采 集到的狀態數據裝入協議轉換器。2)映射規則編輯器映射規則編輯器提供表格式的編輯方法，建立傳統協議與IEC 61850之間的映射 規則，下面重點給出IEC 60870-5與IEC 61850的映射規則與過程a. IEC 60870-5通信報文與ACSI服務的映射考慮到狀態監測的實際應用，將IEC 60870-5的啟動連接報文映射為ACSI的關 聯服務，召喚、遙信變位、遙測以及循環遙測報文映射為ACSI的報告服務，表1提供了 IEC 60870-5通信報文與ACSI服務的詳細映射規則。表1 IEC 60870-5通信報文與ACSI服務之間的映射 類型標識符TYP標識了 IEC 60870-5的應用通信報文的類型，包括單點遙信、標度 化測量值等監視方向上的過程信息。ACSI服務類型通過MMS傳輸時被BER編碼為標簽，例 如讀請求服務的標簽被編碼為“A4”，寫請求服務的標簽被編碼為“A5”。可變結構限定詞中第8位SQ用于標識的信息排列方式，當SQ = 1時表明對象連 續排列，用于站召喚或組召喚，當SQ = 0時表明對象離散排列，用于遙信變位或變化遙測， 低7位表示信息對象的數量。ACSI中信息對象排列方式與數目是被隱含定義的。傳輸原因第2個字節的低6位為傳輸原因序號C0T，當COT = 1時表示周期循環， 當COT = 2時表示背景掃描，當COT = 3時表示突發傳輸，當COT = 20時表示響應站召喚， 當COT = 21-36時表示響應第1組到第16組召喚。ACSI的傳輸原因包含在類模型或服務 參數中，例如報告模型中的參數觸發選項TrgOp規定了引發報告事件的觸發條件，包括數 據屬性值變化dchg、品質屬性值變化qchg、屬性值刷新dupd、完整性以及總召喚。b.公共數據類⑶C與應用服務數據單元ASDU之間的映射IEC 60870-5的需要傳輸的信息對象由數據值、時標、品質描述詞構成，其中 CP56Time2a時標映射為⑶C的數據屬性t (屬性名稱t，屬性類型TimeStamp)，品質描述詞 映射為CDC的數據屬性q (屬性名稱q，屬性類型Quality)，對于數據值根據ASDU類型選擇 映射到不同的CDC，表2提供了映射規則。表2數據值映射為⑶C的屬性 C.數據之間的映射IEC 60870-5采用ASDU公共地址與信息體地址來唯一標識一個測量點，其數據 模型是面向信號的，對信息描述都是以點表的形式，從邏輯上來看是線性和平面的，而IEC 61850的信息模型是面向對象的、分層和立體的。另外，由于IEC 60870-5的數據需要被工 程化處理，因此從線性點表到面向對象的信息模型的映射過程中不存在嚴格的映射規則， 通過所提供的映射規則編輯器，實現數據點之間的映射。3)協議轉換器參看圖2，協議轉換器利用上述建立的映射規則，完成傳統協議與IEC 61850之間 的協議轉換a.連接的建立IEC 60870-5狀態監測裝置在建立TCP連接前，一直處于偵聽狀態并等待無縫通 信服務器的連接請求。當TCP連接已經建立，IEC 61850客戶機發出應用關聯服務請求與 無縫通信服務器建立雙邊應用關聯，并獲取無縫通信服務器的制造商名稱、模型名稱、版本 號、邏輯狀態、物理狀態、本地細節以及能力列表等信息。b.總召喚過程無縫通信服務器向狀態監測裝置發送總召喚命令幀(類型標識為100，傳輸原因 為6)，狀態監測裝置向無縫通信服務器發送總召喚命令確認幀(類型標識為100，傳輸原因 為7)，然后發送單點遙信幀(類型標識為1，傳輸原因為20)與歸一化測量值(類型標識為 9，傳輸原因為20)等召喚數據，無縫通信服務器使用ACSI的報告服務(觸發選項為總召 喚)將接收到的召喚數據發送給IEC 61850客戶機。c.事件主動上傳。當狀態監測裝置發生了突發事件，狀態監測裝置將根據具體情況主動向無縫通信 服務器發送單點遙信變位幀(類型標識為1，傳輸原因為3)、帶長時標的歸一化測量值(類 型標識為34，傳輸原因為3)等報文。無縫通信服務器使用ACSI的報告服務(觸發選項為 屬性值變化)將接收到的變化數據發送給IEC 61850客戶機。4) ACSI 服務器參照IEC 61850技術體系，結合狀態監測的功能與實際需要，建立ACSI服務器的 信息與服務模型。a.對于IEC 61850中定義的信息，從IEC 61850模型中抽取出與狀態監測相關的 邏輯節點，包括液體介質絕緣SIML、氣體介質絕緣SIMG、電弧監視與診斷SARC、局放監視與診斷SPDC、電力變壓器YPTR、電壓互感器TVTR、電流互感器TCTR、斷路器XCBR、開關CSWI、 測量單元MMXU和計量單元MMTR等邏輯節點。b.對于IEC 61850中未定義的信息，借用其它邏輯節點或按IEC 61850的擴展原 則定義新的邏輯節點，包括油色譜監視與診斷SDGA、斷路器監視與診斷SCBR、變壓器監視 與診斷SPTR、開關監視與診斷SSWI以及溫度監視與診斷STMP等邏輯節點。c.利用上述邏輯節點及其所包含的數據對象和數據屬性，采用客戶機/服務器通 信模式，提供關聯、數據集、報告等抽象通信服務，建立ACSI服務器的信息與服務模型，如 圖3所示。圖3中給出了某220kV變電站的部分一次接線圖，以變壓器與線路間隔E1Q2為 例，YPTR、TVTR、TCTR、XCBR和XSWI等邏輯節點分布在過程層，用來描述相應的一次設備， XCBR的狀態監測通過SCBR和SIMG實現，XSWI的狀態監測通過SSWI實現，TCTR和TVTR的 測量和計量通過MMXU和匪TR實現，YPTR的狀態監測通過SPDC、SIML, SPTR和SDGA實現， 其中SDGA是為了實現變壓器油色譜狀態在線監測，對油中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C0與 C02等特征氣體含量和增長率的實時分析與報警。5) SCL配置工具利用基于XML的SCL文檔來描述ACSI服務器模型實例，提供SCL配置工具作為 ACSI服務器模型的導入、編輯與生成工具。a. SCL文檔在導入過程中，首先采用SCL Schema文檔對SCL文檔驗證其有效性， 以檢查是否符合其要求。隨后對SCL文檔進行XML解析，采用文檔對象模型DOM將導入的 SCL文檔轉換為一棵駐留在內存中的對象節點樹，即SCL節點樹。b. SCL配置工具通過與SCL節點樹的交互，來實現對SCL文檔中的數據進行操作。 采用樹形控件的方式來組織SCL節點樹，用戶通過對樹形控件的操作來實現對SCL元素的 訪問、插入、修改和刪除等。用表格的方式來組織節點屬性，用戶通過填表的方式對SCL元 素的屬性進行編輯。c.將已經配置好的 文檔存盤導出，下裝到ACSI服務器。圖4給出了在定時召喚周期為5s情況下IEC 61850報文的通信流量示意圖。在 圖4中的2-6s時間段內進行了雙邊的應用關聯、目錄和數據類型的獲取，被用于通信的初 始化及其全部數據模型的一次性獲取，共有157個報文，流量較大，系統初始化后，以上服 務將不再被使用。圖5給出了使用IEC 61850協議分析軟件獲得的IEC 61850關聯與目錄獲取報 文的響應時間。時間顯示的是與前一個報文的時間間隔(單位為秒)，客戶端的IP地址為 “192. 168. 1.88”，無縫通信服務器的IP地址為“192. 168. 1. 86”，第12號報文為關聯請求報 文(時間參考報文)，第13號為關聯響應報文，“0. 004427”就是關聯報文的響應時間，其它 的報文為目錄獲取報文，從圖中可以看出，以上報文的響應時間在IOms以內。通過上述試驗結果表明，該發明通過了 IEC 61850協議分析軟件的測試，驗證了 發明的正確性與可行性，并顯著提高狀態監測通信的數據傳輸速度，體現了該發明的優越 性，更好地滿足智能電網對全景狀態信息監測的需要。
權利要求
一種電力設備狀態監測裝置的集成方法，其特征是，它由依次連接的通信接口、協議轉換器以及以IEC 61850模型為基礎的ACSI服務器構成無縫通信服務器，IEC 61850客戶機直接與ACSI服務器相連，不同類型的輸變電狀態在線監測裝置通過提供的通信接口接入；采用映射規則編輯器建立傳統協議與IEC 61850之間的映射規則，協議轉換器利用該映射規則完成傳統協議與IEC 61850之間的協議轉換，實現不同類型的輸變電狀態在線監測裝置與ACSI服務器的通信，進而實現不同類型的輸變電狀態在線監測裝置以及IEC 61850客戶機之間的通信。
2.根據權利要求1所述電力設備狀態監測裝置的集成方法，其特征是，所述傳統協議 與IEC 61850之間的映射規則包括IEC 60870-5通信報文與ACSI服務之間的映射、公共數 據類(CDC)與應用服務數據單元(ASDU)之間的映射。
3.根據權利要求1或2所述電力設備狀態監測裝置的集成方法，其特征是，所述ACSI 服務器的信息與服務模型參照IEC 61850技術體系并結合狀態監測的功能與實際需要而 建立，具體步驟如下a.對于IEC61850中定義的信息，從IEC 61850模型中抽取出與狀態監測相關的邏輯 節點，邏輯節點包括液體介質絕緣(SIML)、氣體介質絕緣(SIMG)、電弧監視與診斷(SARC)、 局放監視與診斷(SPDC)、電力變壓器(YPTR)、電壓互感器(TVTR)、電流互感器(TCTR)、斷路 器(XCBR)、開關(CSWI)、測量單元(MMXU)和計量單元(MMTR)；b.對于IEC61850中未定義的信息，借用其它邏輯節點或按IEC 61850的擴展原則定 義新的邏輯節點，包括油色譜監視與診斷(SDGA)、斷路器監視與診斷(SCBR)、變壓器監視 與診斷(SPTR)、開關監視與診斷(SSWI)以及溫度監視與診斷(STMP)等邏輯節點；c.利用上述邏輯節點及其所包含的數據對象和數據屬性，采用客戶機/服務器通信模 式，提供關聯、數據集、報告等抽象通信服務，建立ACSI服務器的信息與服務模型。
4.根據權利要求3所述電力設備狀態監測裝置的集成方法，其特征是，它利用基于XML 的SCL文檔來描述ACSI服務器模型實例，采用SCL配置工具實現模型實例的導入、編輯與 生成，具體步驟如下a.SCL文檔在導入過程中，首先采用SCL Schema文檔對SCL文檔驗證其有效性，以檢 查是否符合其要求，隨后對SCL文檔進行XML解析，采用文檔對象模型(DOM)將導入的SCL 文檔轉換為一棵駐留在內存中的對象節點樹，即SCL節點樹；b.SCL配置工具通過與SCL節點樹的交互，來實現對SCL文檔中的數據進行操作，采用 樹形控件的方式來組織SCL節點樹，用戶通過對樹形控件的操作來實現對SCL元素的訪問、 插入、修改和刪除，用表格的方式來組織節點屬性，用戶通過填表的方式對SCL元素的屬性 進行編輯；c.將已經配置好的SCL文檔存盤導出，下裝到ACSI服務器。
全文摘要
一種電力設備狀態監測裝置的集成方法，其技術方案是它由通信接口、協議轉換器以及ACSI服務器構成無縫通信服務器，IEC 61850客戶機直接與ACSI服務器相連，不同類型的輸變電狀態在線監測裝置通過提供的通信接口接入，該方法采用映射規則編輯器建立傳統協議與IEC 61850之間的映射規則，協議轉換器利用該映射規則完成傳統協議與IEC 61850之間的協議轉換，實現不同輸變電狀態在線監測裝置與ACSI服務器的通信，進而實現不同輸變電狀態在線監測裝置以及IEC 61850客戶機之間的通信。本發明從根本上解決了目前電網狀態監測裝置難以互操作與信息共享問題，能夠更好地滿足智能電網對全景狀態信息監測的需要。
文檔編號H02J13/00GK101917067SQ201010252658
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者宋亞奇, 張長明, 朱永利, 王德文, 王艷, 翟學明, 邸劍, 閻蕾 申請人:華北電力大學(保定)