CN101026633A - 基于iec 61850和opc的异构电能质量监测设备集成方法和网关 - Google Patents

基于iec 61850和opc的异构电能质量监测设备集成方法和网关 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法，采用各厂商的私有通信协议，获取异构电能质量监测设备采集的私有数据，遵循IEC 61850建模规则，将私有数据转换成符合IEC 61850标准的电能质量数据对象模型，根据映射法则，将IEC 61850模型映射成统一的OPC数据格式，遵循OPC规范，提供OPC开放应用程序接口。本发明还同时公开了一种基于IEC 61850和OPC的多协议电能质量数据网关，采用上述方法和网关，将各种异构电能质量监测设备有机整合连接在一起，实现系统资源的共享及统一，能够实现电能质量监测系统与数字化变电站自动化系统之间透明的信息互访，具有丰富的通信规约和接口，可以连接多种设备，可大幅提高集成效率，更能够满足现有的和将来不断出现的系统、设备之间集成的需求。

Description

基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法和网关
技术领域
本发明涉及电力系统自动化领域的电能质量监测技术，尤其是一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法和网关。
背景技术
电能质量监测系统主要由主站和子站两个子系统构成。主站子系统通过电力专用网络或公用电话网，实时监测子站子系统的电能质量监测设备获取的电能质量数据和变化情况，自动对收集的数据进行分类处理，形成报告。随着电能质量监测技术的不断进步和完善，电能质量监测领域出现了各种设备和系统。由于缺乏统一的标准和规范，不同厂家的设备各自采用不同的物理接口(例如RS232/RS485接口和RJ45以太网接口)，通信协议更是千差万别。硬件标准不统一，特别是通信协议互不兼容，信息内容复杂、格式不一，不同厂家的设备、系统间具有很强的排斥性，以至于用户通常只能选择由同一开发商所提供的匹配的外围设备来实现电能质量监测系统的构建。一旦系统定型，用户就只能仅仅局限于系统固有的功能和特性，无法进行原有功能的改进和新功能的增加，因而使得系统无法适应如今快速变化的市场需求，难以实现各种系统资源的共享，系统监测成本高。
针对异构电能质量监测设备集成问题，国内外学术界和工业界进行了广泛的研究，并提出了两种解决方法：一种是紧耦合模式，另一种是松耦合模式。两种方法都存在以下的缺陷：(1)均不具有通用性和开发性，不能实现不同厂家的主站和子站之间的无缝互连、互通，不能满足未来基于IEC 61850的数字化变电站的接口需求，不能适应未来若干年系统运行要求及电力信息化改造的要求；(2)不利于系统的扩展升级，最终会导致整个系统的重复建设，造成严重的资源浪费。
近年来，OPC(OLE for Process Control)技术使得异构设备通用集成成为可能。OPC是一种过程控制中的标准化技术，是为解决现场管理层与过程管理层之间的通信标准而设计的规范。其基本思想是：硬件供应商和应用软件开发者分离开来。每个硬件供应商为其设备开发一个通用的数据接口(即OPCServer)，供其它系统读写信息，客户应用软件也可以通过OPC规范的接口来读写硬件设备的信息(作为OPC Client)。由于硬件供应商通常将硬件驱动程序封装成OPC Server单独出售，这样作为OPC数据客户端的上层应用，可以不包含任何通讯接口程序，不必关心底层硬件内部的具体细节，只需遵循OPC数据接口协议，就能够从不同的硬件供应商提供的OPC数据服务器中取得数据。但是，OPC本身仅定义了一套简单的机制来表示语义，并没有定义任何应用语义，如编程模型或实现特别的语义。
IEC 61850是国际电工委员会(IEC)为了实现不同厂家智能电子设备的“互操作性”制定的变电站通信网络与系统的国际标准，它对变电站通信网络和系统的功能、模型、接口、系统的工程管理、验收、测试等进行了定义和规范，是未来变电站自动化系统和智能电子设备功能、信息、交互设计的主要依据。电能质量监测设备作为变电站通信网络与系统中的一个具有特殊功能的智能电子设备，本身的设计也应符合IEC 61850标准。实际上，电能质量监测设备已经纳入了IEC 61850标准体系中。在2005年出版的IEC 61850-7-4(草案)中，对电能质量监测设备的对象模型进行了规范。
发明内容
本发明的目的就是针对现有异构电能质量监测设备集成方法存在的缺陷，将IEC 61850标准与OPC有机结合，提供一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法和网关，将子站子系统内所有非IEC 61850的电能质量监测设备通过规约转换，统一对外提供IEC 61850服务，实现各种系统资源的共享，降低系统监测成本。
本发明的一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用各厂商的私有通信协议，获取异构电能质量监测设备采集的私有数据；
(2)遵循IEC 61850建模规则，将私有数据转换成符合IEC61850标准的电能质量数据对象模型；
(3)根据映射法则，将IEC 61850模型映射成统一的OPC数据格式，即采用IEC 61850将来自不同类型设备的数据转化成统一的OPC数据格式，以满足不同系统、监测设备之间集成的要求；
(4)遵循OPC规范，提供OPC开放应用程序接口。
本发明的一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测的数据网关，该网关包括：
(1)常规服务功能部分，采用现场复杂的通信协议进行数据采集和信息集中管理功能的系统主控模块和进程管理模块、协议转换模块、实时数据处理模块、数据格式转换模块、历史数据存储模块、系统配置维护模块和数据转发模块等七部分构成。其中，系统主控模块和进程管理模块负责各个模块的协调；协议转换模块用于将现场电能质量监测设备按相关通信协议连接，完成系统对现场各设备的通信数据接收和控制；实时数据处理模块按照预先的设定，对数据来源进行上、下限检查、量程转换、简单滤波、开方等处理后再进入实时数据库；数据格式转换模块将采集到的录波数据自动转换为IEEE-COMTRADE标准格式的文件，必要时可按间隔对波形数据进行分解或重组；历史数据存储模块提供本地数据备份，保证在通信中断时，不丢失任何数据，中断时间过长时保证重要事件不丢失；系统配置维护模块提供数据存储原则、通信参数、通信配置等维护工作；数据转发模块将实时数据库中数据采集或人工计算、统计的实时数据以“组态”的方式，按指定或标准的通讯协议与其他系统和设备进行连接。
(2)基于IEC 61850的OPC服务功能部分的数据建模模块、模型映射模块和OPC访问接口模块，用于接收和处理来自不同的协议数据，并转换为统一的数据输出。其中数据建模模块将私有数据转换成符合IEC 61850标准的电能质量数据对象模型；模型映射模块将IEC 61850模型映射成统一的OPC数据格式；OpC访问接口模块遵循OpC规范，提供OPC开放应用程序接口。
本发明的基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法和网关，与现有的技术相比，具有如下优点：1、能实现各种异构电能质量监测设备的数据通信，互连互通，能够大幅提高集成效率，更能够满足现有的和将来不断出现的需求；2、屏蔽了底层设备，减少了系统通信连接和数据交换成本，使单个监测设备的更换不影响到整个监测系统的运作，使子站子系统具有良好的网络连接功能，可以根据网络情况灵活使用网络协议，也具备了同时和省级、地区级主站通信的能力；3、主站和子站间交互的电能质量信息按标准的IEC61850模型数字化，实现信息在运行系统和其他支持系统之间的共享，减少重复建设和投资，提高设备、系统的兼容性和稳定性，降低监测成本；4、降低投资风险和投资成本，允许现有电能质量监测系统逐步升级改造而不是完全抛弃原来投资，而且为将来的数字化变电站自动化系统改造也带来便利；5、本发明所提供的数据网关具有丰富的通信规约和接口，可以连接多种设备。
附图说明
图1为本发明设备集成方法的数据处理流程示意图；
图2为私有数据与IEC 61850数据之间的映射示意图；
图3为IEC 61850模型与OPC模型之间的映射示意图；
图4为本发明数据网关的基本组成结构示意图；
图5为本发明数据网关的组网示意图。
具体实施方式
一种基于IEC61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法，将协议语义之间的映射关系转化为各自与IEC61850的映射关系，具体实现都要映射到OPC接口。如图1所示，数据处理流程包括以下部分：
(1)采用各厂商的私有通信协议获取现场监测设备采集的电能质量数据，建立私有数据库；
(2)遵循IEC61850建模规则，将帧格式的电能质量数据映射为符合IEC61850标准的数据对象层次关系的数据对象模型；
由于目前现场设备的私有协议大多是面向信号点表、线形和平面的，而IEC61850的数据模型是面向对象和立体的，这就存在私有协议向IEC61850数据模型的转换过程，涉及将线形的信号点表，按照IEC61850的面向对象方式重新建模的过程，这是一种从平面到立体的过程，如图2所示。
(3)根据映射法则实现IEC61850模型与OPC模型之间的映射；与IEC 61850的数据模型有所不同，OPC服务器由Server(服务器)对象、Group(数据组)对象和Item(数据项)对象构成。服务器对象包含了关于服务器的信息，并作为数据组对象的容器；数据组对象作为数据项对象的容器，并提供组织和访问数据项的方法；每个数据项代表代表与服务器中数据源的连接，所有对item的访问都是通过数据组对象进行的。与每个数据项相关的属性包括：value、quality和time stamp。这就需要进行IEC61850模型与OPC模型之间的映射。首先进行IEC61850数据模型中逻辑节点和数据到MMS的映射；在此基础上，将每一个简单的MMS类型映射到一个OPC的数据项对象。如图3所示，域对象PQMR下MMS变量LLNO$ST$Diag$stVal映射到名称为ctlModel的OPC数据项，该对象的ItemID属性为PQMR.LLNO.ST.Diag.stVal，PQMR分支表示域名称，LLNO表示逻辑节点零。图3左边是OPC数据项的结构，右边是MMS对象。
(4)遵循OPC规范，为OPC客户提供OPC访问接口；
按照功能的不同，OPC接口又分为三类接口，分别是：(a)OPC数据访问接口(OPC Data Access Interface)；(b)OPC报警和事件接口(OPC Alarmand Event Access Interface)；(c)历史数据访问接口(OPC Historical DataAccess Interface)。相应的，分别实现这三类接口的服务器就称为DA服务器、AE服务器和HDA服务器。
OPC服务器由Server(服务器)对象、Group(数据组)对象和Item(数据项)对象构成。服务器对象包含了关于服务器的信息，并作为数据组对象的容器；数据组对象作为数据项对象的容器，并提供组织和访问数据项的方法；每个数据项代表代表与服务器中数据源的连接，所有对item的访问都是通过数据组对象进行的。与每个数据项相关的属性包括：value、quality和timestamp。由于数据项总是和具体的硬件相关，因此需要添加与设备有关的属性以及相关函数来设置和获取这些属性。
OPC客户操作数据项的一般步骤为：(1)通过服务器对象接口枚举服务器端定义的所有数据项。(2)将要操作的数据项加入客户定义的组对象中。(3)通过组对象对数据项进行读写等操作。
一种基于IEC61850和OPC的异构电能质量监测的数据网关，接收来自各种异构电能质量监测设备的数据，进行数据映射后，建立IEC61850电能质量对象模型，通过OPC服务接口，统一对外提供IEC61850服务。如图4，数据网关主要由基本功能子系统1和基于IEC61850的OPC服务功能子系统2组成。其中基本功能子系统1主要由系统主控模块3、进程管理模块4、协议转换模块5、实时数据处理模块6、数据格式转换模块7、历史数据存储模块8、系统配置维护模块9和数据转发模块10等部分构成，各功能模块整体配合完成现场复杂的通信协议转换和信息管理控制功能。基于IEC61850的OPC服务功能子系统2主要由数据建模模块11、模型映射模块12和OPC访问接口模块13构成。由于采用了模块化的设计，这些子系统可以根据需要方便的增加或减少。
如图5所示，本发明的数据网关14处于系统的核心位置，起到异构系统互联和通信协议转换的关键作用。一方面，数据网关14通过RS232/RS485接口15和以太网接口16连接各种异构的电能质量监测设备17，从电能质量监测设备17中采集电能质量运行数据，对采集的数据进行统计和分析处理。另一方面，数据网关将专用通信协议数据转换为遵循IEC61850标准的数据，通过以太网接口18和广域网(WAN)接口19统一对外提供IEC61850服务，实现异构设备与基于IEC61850的数字化变电站自动化系统20和远方主站子系统21进行无缝连接和信息共享。

Claims (2)

1、一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测设备集成方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
a、采用各厂商的私有通信协议，获取异构电能质量监测设备采集的私有数据；
b、遵循IEC 61850建模规则，将私有数据转换成符合IEC 61850标准的电能质量数据对象模型；
c、根据映射法则，将IEC 61850模型映射成统一的OPC数据格式，即采用IEC 61850将来自不同类型设备的数据转化成统一的OPC数据格式，以满足不同系统、监测设备之间集成的要求；
d、遵循OPC规范，提供OPC开放应用程序接口。
2、一种基于IEC 61850和OPC的异构电能质量监测的数据网关，其特征在于：该网关包括基本功能子系统(1)和基于IEC 61850的OPC服务功能子系统(2)组成，基本功能子系统(1)由系统主控模块(3)、进程管理模块(4)、协议转换模块(5)、实时数据处理模块(6)、数据格式转换模块(7)、历史数据存储模块(8)、系统配置维护模块(9)和数据转发模块(10)构成，其中，系统主控模块(3)和进程管理模块(4)负责各个模块的协调，协议转换模块(5)用于将现场电能质量监测设备按相关通信协议连接，完成系统对现场各设备的通信数据接收和控制，实时数据处理模块(6)按照预先的设定，对数据来源进行上、下限检查、量程转换、简单滤波、开方处理后再进入实时数据库，数据格式转换模块(7)将采集到的录波数据自动转换为IEEE-COMTRADE标准格式的文件，或按间隔对波形数据进行分解或重组，历史数据存储模块(8)提供本地数据备份；系统配置维护模块(9)提供数据存储原则、通信参数、通信配置的维护工作，数据转发模块(10)将实时数据库中数据采集或人工计算、统计的实时数据以“组态”的方式，按指定或标准的通讯协议与其他系统和设备进行连接；
基于IEC 61850的OPC服务功能子系统(2)由数据建模模块(11)、模型映射模块(12)和OPC访问接口模块(13)构成，数据建模模块(11)将私有数据转换成符合IEC 61850标准的电能质量数据对象模型，模型映射模块(12)将IEC 61850模型映射成统一的OPC数据格式，OPC访问接口模块(13)遵循OPC规范，提供OPC开放应用程序接口。
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