基于IEC61850标准中SCL的智能电子设备建模

摘要 IEC61850是国际标准组织最新颁布的变电站自动化网络通信标准，SCL是IEC61850推荐的变电站配置语言，可以清楚地描述装置的配置信息，实现不同设备的共享。文中针对目前变电站的发展趋势，介绍了符合IEC61850标准的通信模型的建立规则，并根据SCL对模型搭建的要求搭建了一个简单的模型，最后对所建模型进行了检测与验证，证实了其正确性。
关键词 IEC61850；SCL；智能电子设备；数字化变电站

    IEC61850是基于网络通信平台的变电站自动化系统的国际标准。其主要目标在于通过信息分层、面向对象自我描述、数据对象统一建模和抽象通信服务映射等技术形成一个标准的开放式变电站自动化体系，从而使来自不同制造商的IED(Intelligent Electronic Device)之间建立无缝通信并实现良好的互操作性，以此满足电力系统对提高系统可靠性、降低重复投资及维护成本的要求。最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
    目前，不论是对变电站进行升级改造，还是建立符合IEC61850标准的新的变电站，都需要对大量的智能电子设备进行建模，并且搭建需要符合IEC61850—6变电站配置描述语言(SCL)标准的模型。因此，掌握一种甚至多种建模方法是非常必要并具有实用价值的。文中主要介绍了运用Kalkitech SCL Manager软件建模的基本方法并搭建了一个简单的间隔单元模型，此模型的搭建依据的是IEC61850标准中模型描述语言SCL的语法规则。

1 变电站配置描述语言SCL
1．1 SCL简介
    SCL(Substation Configuration Description Language)文件是IEC61850第六部分介绍的一种用来配置变电站自动化系统的描述语言，称为变电站配置描述语言。它用来进行智能电子设备(IED)和通信系统的配置，包括变电站自动化系统和变电站的关系、一次系统拓扑、变电站与变电站功能的关系等。该语言的主要目的是实现不同厂商IED配置工具和系统配置工具之间的互操作，实现可共同使用的通信系统配置数据的交换。一个完整的SCL文件分为两个基本部分：首部(Header)和内容(Content)。其中，首部用来标识SCL配置文件和它的版本号；内容主要包括变电站描述部分、IED描述部分和通信系统描述部分。
    在模型搭建过程中，根据不同的目的生成相应的SCL文件，以便在不同的工具间进行数据交换。主要包括：(1)SCD(Substation Configur ation Description)文件：变电站配置描述文件。(2)SSD(System Specification Description)文件：系统规范描述文件。(3)CID(Configur ed IEDDescription)文件：配置IED捕述文件。(4)ICD(IEDCapability Description)文件：IED能力描述文件。
1．2 SCL语法结构
    SCL文件语法遵循可扩展标记式语言(XML)，主要包括头(Header)、变电站描述(Substation)、智能电子设备描述(IED)、通信系统描述(Communication)，以及逻辑节点数据类型模板(DataTypeTemplates)5部分。每一部分都对数据组件进行了细化，并对配置文档的内容做出了严格限制。这5部分分别是SCL配置文档中SCL根元素的子元素。其中Header包含SCL文档的版本和修订号以及名称映射信息；Substation包含了变电站的功能结构、主元件及其电气连接；IED描述了IED的预配置信息，包括逻辑装置、逻辑节点、数据对象和所具备的通信服务能力；DataTypeTemplates详细定义了在文件中出现的逻辑节点，包括它的类型以及该逻辑节点所包含的数据对象(DO)；Communication定义了逻辑节点之间通过逻辑总线和IED接入点之间的联系方式。这些元素各有其子元素和相关属性，它们层层包含，最终完成IED模型描述。图1所示为SCL文档的结构模型。

2 利用SCL进行模型搭建
2．1 模型简介
    IEC61850标准的核心是通信模型和数据模型，包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据集等模型，通过抽象通信服务接口(ACSI)由特定通信服务映射(SCSM)映射到具体的协议栈，如制造报文规范(MMS)。
    图2为数据模型结构图，其模型是一个树状结构。模型包括多个逻辑设备，每个逻辑设备中有多个逻辑节点，每个逻辑节点由若干个数据对象或数据属性对象组成，不同的数据对象有不同的数据对象属性。

    由图2可以看出，数据模型搭建主要分为逻辑设备建模、逻辑节点和数据建模。
2．1．1 逻辑设备建模
    逻辑设备是服务器内的虚拟设备，汇集相关逻辑节点和数据集，为访问和引用数据进行通信提供便利，提供物理设备或由它控制的外部设备的信息。但IEC61850标准中，逻辑设备的建模并没有统一的规范参考。在目前主流的逻辑设备建模方法中，考虑到控制中心对变电站以间隔为单位进行监控，即将变电站根据不同的功能划分的不同的间隔，每个间隔装有与所包含指定回路相关的开关设备和控制装置等，例如
馈线间隔、变压器间隔等，其目的是方便检修和操作。因此把一个间隔内的远动信息划分为一个逻辑设备，相关逻辑按照断路器、变压器或母线序号进行划分。物理设备到网关采用的是逻辑设备复制的方法，即将所有逻辑设备复制到网关。
2．1．2 逻辑节点与数据建模
    IEC61850规约定义了约90种逻辑节点，包括断路器(XCBR)、距离保护(PDIS)等，每个逻辑节点由代表特定意义的若干数据组成。

    图3所示为逻辑节点和数据关系图，由图可以看出逻辑节点中包含的数据，这些数据构成了通过网络进行交换的大多数信息的基础内容，与设备的大多数交互都是通过逻辑节点的数据和服务进行的，数据又可以扩展到数据属性，为一个树形结构。信息模型包含许多逻辑节点、数据、数据属性。
2．2 整体信息模型的搭建
    数据采用分层结构，因此模型搭建的主要思路是先建立一个IED设备；再建立这个IED所需的逻辑节点；然后对建立的每个逻辑节点进行必要的数据和数据属性描述。这样就完成了一个完整的模型。为进一步说明整体信息模型的搭建方法，采用Kalkitech SCLManager软件建立了一个名为“pq”模型。图4～图7为采用上述软件搭建的简单模型的过程。

    由上述过程可以看出，每个模型均为树形结构的数据。树的每个元素是数据：最上面的IED是“pq”，它包含逻辑物理设备(LPHD)、测量(MMXU)。MMXU包含数据，例如“启动(Str)”，每个数据又具有不同的数据属性。由上图可以看出，模型包括了逻辑设备、逻辑节点、数据属性等。

3 文件一致性检测
    一致性测试是指验证IED通信接口与IEC 61850标准要求的一致性，验证串行链路上数据流与有关标准条件的一致性，例如信号形式和电平，位顺序、帧格式、时间同步、定时、访问组织以及对错误的处理，每个IED产品在投入运行前都必须通过一致性测试。IEC 61850—10部分规定了一致性测试的详细内容和要求来保证各厂商和用户都能真实评价IED设备对标准的支持情况。一条IEC 61850的信息能够被理解，依赖于以下要素：
    (1)承载信息语义的模型结构层次。
    (2)承载信息的条目名称，信息的一致取决于名称空间的一致。
    (3)承载信息的数据类型，信息一致要求具有相同的数据类型。
    有关模型配置文件测试主要包括：按照IEC 61850—6检测CID配置文件与SCL XML模式定义是否一致；检测CID配置文件与网络上的由DUT实际数据、数据类型和服务是否相符合。有关数据的测试项主要包括：检测每个逻辑节点的强制项是否存在；检测每一个存在项的数据类型是否与标准相符；检测ACSI模型和服务映射是否与标准规定相一致。图8为对上述搭建模型进行的一致性检测结果。

    如图8所示实例，可以看出有一处不一致，出现不一致的原因是标准中定义stVal的数据类型与配置不符合，必须将所有不能通过标准一致性检测的部分进行修正，这是SCL文件可刚的前提，只有通过一致性监测的文件才可用。虽然此种方法搭建的模型简单明了，层次清楚，但实践中发现SCL模型尚有缺陷：它不能搭建出完全满足IEC61850中定义的对象模型；公共数据类、逻辑节点类中的一些信息无法在SCL模型中找到对应的部分。因此为完整表述公共数据类、逻辑节点类模型的信息，在实际应用当中还需要对SCL模型作一些修改。

4 结束语
    介绍了SCL的语法结构、对象模型，描述了基于SCL的IEC61850变电站自动化系统中智能电子设备的配置过程。相对于传统的变电站自动化系统，IEC61850的配置方式有着较强的优势：减少了变电站自动化系统工程化的工作量、易于实现各厂商产品之间的互操作等。文章还根据IEC61850协议中SCL的语法规则，数据模型的定义等，介绍了用Kalkitech SCL Manager软件搭建的变电站内IED模型的方法，并对所搭建的模型进行了一致性检测，叙述了搭建模型过程中发现的优点与缺陷。