CN101035099A

CN101035099A - 一种实现iec 61850标准的通用网关设计方法

Info

Publication number: CN101035099A
Application number: CNA200710067086XA
Authority: CN
Inventors: 曹一家; 易永辉; 王绍部
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2007-09-12

Abstract

本发明公开了一种实现103协议转换为IEC 61850标准的通用网关设计方法。随着IEC 61850标准是统一的变电站网络通信标准，变电站间隔层大量采用IEC 60870－5－103协议的遗留产品对于IEC 61850的实施是一个障碍，同时由于遗留产品型号繁多，如果采用专用的网关，则要求网关类型型号众多，开发、维护、验证的工作量巨大。针对上述问题。本发明采用一种新颖的协议映射方法－XML Schema元数据映射方法来建立完整的103协议和IEC 61850的XML Schema模型，然后将两个模型间映射规则用XML Schema描述出来。其硬件基于嵌入式系统技术，成本低廉、体积小巧。工程人员只是调整配置文件，即可实现IEC 60870－5－103协议与IEC 61850协议的转换，而不用对网关的软硬件系统进行改动、增减程序代码。

Description

一种实现IEC 61850标准的通用网关设计方法

技术领域

本发明属于电力系统变电站通信调度技术领域，特别涉及一种实现IEC61850标准的通用网关设计方法。

背景技术

现有的变电站间隔层大量(数十万台)产品通信协议采用的是IEC60870-5-103(以下简称103)协议，而IEC 61850标准作为新的统一的变电站网络通信标准已被广泛接受，将这些间隔层大量遗留的、不满足IEC 61850的产品改造成满足IEC 61850标准具有十分重要的意义。

然而，由于103属于面向点的协议。所谓面向点，即依靠各种数据地址“点”值来区分不同的信息，如某个开关状态、某条线路的电压、电流或功率等测量值。实际工程项目中包含了大量的信息，由于通用分类服务功能的开放性，厂家设备在自己的通信模块部分使用103协议的时候并不是非常标准和统一。并且从实际情况看，厂家在设备通信控制模块中，由于对103协议理解的不同，也造成了一些非标准情况的出现，导致了不同厂家、不同产品(即使同一厂家)的103是不完全兼容的。因此，靠常规方法难以实现一种通用的通信网关。如果采用专用的网关，则网关类型众多，开发、维护、验证网关的工作量巨大。因此，设计一种将103协议无缝地转化为IEC 61850标准且具备通用性(而不是针对某一具体型号IED的专用网关)的网关意义重大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一一种实现IEC 61850标准的通用网关设计方法。

它包括如下步骤：

(1)创建IEC61850实时库、IEC 61850服务单元和协议转化单元，然后与元数据解析工具一起下载到程序存储区里；

(2)建立IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件；

(3)采用XML Spy工具建模工具建立103协议的XML Schema模型的描述文件；

(4)采用XML Spy工具建立103协议与IEC61850协议间的映射模型描述文件；

(5)将步骤(2)～(4)对应的目标文件下载到通用网关的程序存储区里；

(6)采用XML Spy工具对具体遗留设备的103协议建立模型；

(7)采用XML Spy工具对具体遗留设备的功能进行IEC 61850协议建立模型；

(8)采用XML Spy工具建立步骤(5)、(6)两个模型之间的映射模型描述文件；

(9)将步骤(6)～(8)对应的目标文件下载到通用网关的程序存储区里；

(10)采用元数据解析工具解析XML Schema文件，并建立3种元模型表；

(11)采用元数据解析工具解析具体遗留设备的IEC 61850的XML描述文件，并将信息存入到元模型表中；

(12)采用元数据解析工具解析具体遗留设备的103协议XML描述文件，并将信息存入到元模型表中；

(13)采用元数据解析工具解析映射规则的XML描述文件，将信息存入到元模型表中。

所述的实时数据库是：按照关系型数据库模式设计，以提供基于层次模型的访问接口，支持IEC 61850这样层次结构的数据访问。元数据解析工具是：一个xml解析程序，采用开源组织Apache的Xerces-C++实现。描述文件的建立是：直接采用IEC已经发布的IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件；步骤(10)中的3种元模型表：一种用于保存设备IEC 61850的XML模型实例描述信息，另一种用于保存设备103协议模型描述信息，最后一种保存映射规则的XML描述信息。

至此，就完成了配置文件的解析和实时库中表结构的建立，此时的通用网关即可以将具体遗留设备的103协议无缝地转化为IEC 61850协议，从站层看间隔层，遗留产品也是能提供IEC 61850服务的IED。由于硬件固定不变，且步骤(1)～(5)一次性开发完成后就不用更改、步骤(10)～(13)是计算机自动完成的，因此采用本方法后，工程人员只需生成配置文件(即步骤(6)～(8))即可使它将间隔层的遗留设备的103协议无缝地转化为IEC 61850协议，而不用对网关的软硬件系统进行改动、增减程序代码。因此网关具有很强的通用性，可以批量生产，从而极大地减少了科研人员的开发量，且容易升级维护。

本发明采用一种新颖的协议映射方法--XML Schema元数据映射方法来建立完整的103协议和IEC 61850的XML Schema模型，然后将两个模型间映射规则用XXL Schema描述出来。其硬件基于嵌入式系统技术，成本低廉、体积小巧。工程人员只是调整配置文件，即可实现IEC 60870-5-103协议与IEC 61850协议的转换，而不用对网关的软硬件系统进行改动、增减程序代码。

附图说明

附图1是本发明所用硬件原理图。

附图2是通用网关配置文件开发流程。

附图3是本发明的配置结构；

附图4是IEC 61850接口服务的协议栈结构；

附图5是ASDU结构；

附图6是实时库框架；

附图7是解析工具流程；

附图8是协议转化器流程；

附图9是协议转化器发控制命令流程。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

1、硬件设计

目前，间隔层遗留IEDs的103绝大多数(95％以上)都是基于RS-485串行通信口实现的，而IEC 61850则基于以太网接口。因此，网关硬件上的要求是具有RS-485/以太网转换功能，并具有一定的程序存储区、数据存储区，能在此基础上编写、下载配置文件，硬件系统能够稳定、可靠运行。附图1是本发明所选用的硬件原理示意图。

本通用网关所用CPU为三星公司的32处理器s3c4510B，该芯片是专为嵌入式以太网应用开发的，内核为ARM7TDMI，工作频率为50MHz，芯片内部集成了2路UART，1路以太网控制器，支持10M/100M单工和双工模式的以太网传输。在单工模式下，它支持CSMA/CD协议，在双工模式下，支持IEEE 802.3的MAC层。芯片成本低廉，开发手段先进，非常适合做通信协议的开发、转换。

本通用网关所用内存为HY57V283220，容量为4Mx32，程序存储区为1Mx16，可以满足网关所需的要求。

本通用网关用于不同厂家、不同产品的103协议转换为IEC61850标准时，硬件不变，即硬件具有通用性。

2、网关建模及配置文件设计

在以上硬件的基础上，本发明提供的核心技术方案是如附图3所示的网关建模及配置文件设计。其结构主要包括四部分：IED配置工具、协议转换、IEC61850实时库和IEC 61850服务单元。如附图2所示，其实施步骤如下：

(1)创建网关初始应用环境

创建IEC61850实时库、IEC 61850服务器和协议转化器，然后与元数据解析工具一起下载到程序存储区里。

针对间隔层遗留IEDs建立的IEC 61850模型要在内存中实现，IEC 61850实时库将用于保存从遗留IEDs传来的实时数据。实时数据库是内存数据库，选择一种高效可靠的内存管理机制生成数据库实体十分重要。目前主要有共享内存方式和文件映射方式两种实现机制。

从数据库设计模式来看，实时库可分为关系型、层次型、对象型。IEC 61850数据模型虽然是按对象建模的，但总体结构是按逻辑设备(logical device)、逻辑节点(logical node)、数据对象(data object)划分的层次结构，因此如果选择关系型的实时库产品，需要按照一定的映射原则将IEC 61850模型实现在实时库中。

实时库建设框架基于附图6所示，实时库中需要保存各模型XML Schema文件中的信息，该信息是元模型。

为了使IEC 61850网关能够成为间隔层不同遗留产品的通用封装器，IED配置工具必须提供元数据和元数据映射服务。

系统配置工具应该有两部分的功能与工具：元数据定义工具、元数据解析工具。

元数据定义工具提供定义协议配置文件的功能，而协议配置文件是整个系统可靠运行的基础。

协议配置文件分为两种类型：协议及协议映射模型的XML Schema定义文件；协议及协议映射实例的XML描述文件。

为了叙述的清楚，先讨论后一种类型的XML描述文件，该类型的XML文件又分为如下三种类型的文件：IED的配置XML文件；遗留协议的配置XML文件；映射规则的配置XML文件。

协议配置文件中的前一种类型负责定义上述XML实例文件的语义模型部分，它分为：IED的XML Schema文件；遗留协议的XML Schema文件；映射规则的XML Schema文件。

如，IED的XML Schema文件是IEC 61850中的SCL_DataTypeTemplates.xsd、SCL_IED.xsd等文件。而遗留协议和映射规则的XML Schema文件由自己负责定义。

IDE配置工具的功能是定义和解析XML配置文件，定义工具负责提供方便的模型XML Schema定义手段和模型实例配置工具，减少直接采用手工编写XML Schema文件易出错的麻烦，该工具采用目前流行的第三方XML配置工具XML Spy。

元数据解析工具负责解析元数据定义的3个XML文件，并将其中的元数据存入内存中，提供给协议转换器和IEC 61850实时库，其核心的组件是XML解析器，是一个xml解析程序，采用开源组织Apache的Xerces-C++实现(Apache组织的Xerces-C++，版本号2.0)。

解析工具的流程如附图7所示。

协议转换器完成协议转换的功能，它利用元数据解析工具得到的元数据信息建立初始化环境。在该环境下，协议转换器根据配置解析103的报文获取相关的遥测、遥信等数据，然后，根据映射模型将这些数据写入IEC 61850实时库中。另一方面，其它IEC 61850装置与该遗留装置通信时，协议转换器能将IEC61850数据或服务转化为103协议的应用数据单元格式(ASDU)或控制信息。

协议转化器的流程如附图8所示，其中发控制命令流程如附图9所示。

IEC 61850服务器在映射模块和IEC 61850实时库的基础上使用某种编程语言实现间隔层设备所需的IEC 61850-8-x、IEC 61850-9-1服务子集。附图4为IEC61850各类型接口服务的协议栈结构。

(2)建立IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件

该模型描述文件直接采用IEC已经发布的IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件。

(3)建立IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件

采用XML Spy工具建立103协议的XML Schema模型的描述文件，该工具是Altova公司开发的一种功能强大的XML开发工具(商业软件)，其版本为XMLSpy2007。

(4)建立103协议与IEC61850协议间的映射模型描述文件；

同上所述，采用XML Spy工具。

(5)将步骤(2)～(4)对应的目标文件下载到通用网关的程序存储区里

如硬件设计部分所述，通用网关的程序存储区可以存储目标文件。

以上(1)～(5)步是通用部分，一次性开发完成后，即可将对应的目标文件下载到通用网关里，可适用于不同的遗留产品的协议转换而不用做调整。

(6)对具体遗留设备的103协议建立模型

同上所述，采用XML Spy工具。

(7)对具体遗留设备的功能进行IEC 61850协议建立模型

同上所述，采用XML Spy工具。

遗留协议基本都采用非结构化文档描述，生产商根据自己的理解将其实现在程序中。对协议理解的差异性，将增加设备间互操作的难度。IEC 61850采用结构化的、人机均可读的元数据描述技术--XML Schema技术来定义变电站模型、通信模型、IED模型，为不同生产商开发的IEC 61850产品提供了统一的IEC61850语义标准。

IEC 61850采用XML Schema技术的另一个优势是为IED设备的通信模块提供可配置性，以免当协议出现变化时对系统进行改动，从而带来了维护上的开销。

遗留协议的建模是本发明的关键技术。本发明重点对遗留协议103的应用服务数据单元(ASDU)建模进行讨论。完整的建模还要包括IEC 60870-5-x系列中的基本定义，及对映射模型的建模，方法与此相同。

附图5是103的ASDU结构图，它是一种典型的层次状结构，该结构易于用XML Schema描述。这种描述方法使数据采集系统从原先以一个ASDU为对象，转化为以每一层为一个对象来处理，从而达到对象的复用和ASDU的自定义过程，使协议做到真正的可配置。

下面是ASDU.xsd的定义，这里摘抄了类型标识和可变结构限定词定义部分：

　　＜?xml version="1.0"encoding="UTF-8"?＞
　　＜xs:schema xmlns:xs="http"//www.w3.org/2001/XMLSchema"＞
 　　  ＜xs:complexType name="ASDU"＞

　　  ＜xs:sequence＞

　　     ＜xs:element name="TYP"type="TYPType"/＞

　　     ＜xs:element name="VSQ"type="VSQType"/＞

　　     ＜xs:element name="COT"type="COTType"＞

　　       ……

　　  ＜/xs:sequence＞

　　  ＜xs:attribute name="name"type="xs:string"use="required"/＞

　　＜/xs:complexType＞

　　＜xs:simpleType name="TYPType"＞

　　   ＜xs:restriction base="xs:unsignedInt"＞

　　      ＜xs:enumeration value="1"/＞

　　             ……

　　   ＜/xs:restriction＞

　　＜/xs:simpleType＞

　　 ＜xs:simpleType name="SQType"＞

　　    ＜xs:restriction base="xs:unsignedInt"＞

　　                     ……

　　    ＜/xs:restriction＞
　　……

　　＜/xs:simpleType＞

　　＜xs:simpleType name="COTType"＞

　　        ……
　　＜/xs:schema＞

其中，<xs:simpleType name="TYPType">表示类型标识，<xs:complexTypename＝"VSQType">表示可变结构限定词，根据103协议对类型标识和可变结构限定词的定义，将它们定义为简单和复合的Schema类型。<xs:complexTypename="NUMBit">和<xs:complexType name="SQBit">是可变结构限定词组成部分的定义。

这里省略了其它层对象和ASDU的完整描述。一个具体的ASDU类型是ASDU的实例，下面是对带时标的报文ASDU1的XML描述，同样也只摘抄类型标识和可变结构限定词部分：

　　＜?xml version="1.0"encoding="GB2312"?＞
　　＜ASDU                                  name="ASDU                 1"
　　xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
　　xsi:noNamespaceSchemaLocation="ASDU.xsd"＞

　　＜TYP＞1＜/TYP＞

　　＜VSQ BitLength="8"＞

　　  ＜NUM Index="1,2,3,4,5,6,7"＞

　　    ＜NUM＞1＜/NUM＞

　　  ＜/NUM＞

　　  ＜SQ Index="8"＞

　　    ＜SQ＞1＜/SQ＞

　　  ＜/SQ＞

　　＜/VSQ＞

　　＜COT BitLength="8"＞

　　        ……

　　＜/ASDU＞

建立起完整的103协议的XML Schema模型，以及IEC 61850的XML Schema模型，将两个模型间映射规则用XML Schema描述出来，就是映射规则的XMLSchema文件，表1列出103与IEC 61850映射的基本规则。

表1 103与IEC 61850映射的基本规则

103的ASDU	IEC 61850-7的SCL_IED.xsd
103的ASDU	IEC 61850-7的SCL_IED.xsd	类型标识符	——
可变结构限定词	——	类型标识符	——
可变结构限定词	——	传送原因	——
应用服务数据单元公共地址功能类型信息序号	LD、LN数据、属性	传送原因	——
应用服务数据单元公共地址功能类型信息序号	LD、LN数据、属性	信息元素集	数据属性(Val、q)
时标	数据属性(t)	信息元素集	数据属性(Val、q)

(8)建立步骤(6)、(7)对应的两个模型之间的映射模型描述文件同上所述，采用XML Spy工具，其方法与2.7相同。

此外，(6)～(8)步的协议配置文件的实施依赖于模型的定义和模型间映射的规则，目前常用做法是让工程人员手写配置XML文件，要求工程人员能掌握XML语言及协议配置文件的定义。该工作与通用网关的硬件、其它基本软件无关，而且经过培训后，工程人员是完全可以胜任的。

(9)将步骤(6)～(8)对应的目标文件下载到通用网关的程序存储区里

完成了前面所述的(1)～(9)步以后，在通用网关里自动开始了以下解析：在(1)步已下载到网关的元数据解析工具自动解析XML Schema文件，网关中的实时库初始化几种类型的表，称为元元模型表，一类表用于保存IEC 61850的XMLSchema模型信息、另一类表保存103协议的XML Schema模型信息、最后一类保存两者映射的XML Schema模型信息。实时库从元元模型表中抽取信息，建立几种类型的表，称为元模型表。元模型表共3类：一类用于保存设备IEC 61850的XML模型实例描述信息，一类用于保存设备103协议模型实例描述信息，最后一种保存映射规则的XML描述信息；

然后，元数据解析工具解析具体遗留设备的IEC 61850的XML实例描述文件，并将信息存入到元模型表中。实时库根据这些元模型信息，建立实时数据模型表，该表保存实时数据，如电压、电流等；

同理，元数据解析工具解析具体遗留设备的103协议XML实例描述文件，将信息存入到元模型表中；

同理，元数据解析工具解析映射规则的XML描述文件，将信息存入到元模型表中。

至此，通用网关就具备了协议转换功能。

3、网关应用实例

按上述方法实现的网关，已经具备了针对某遗留设备的103协议转换为IEC61850标准功能。网关所实现的功能不外乎二种：(1)IED设备经过通用网关上行命令给上位机，(2)上位机通过网关给IED设备的下行命令。其协议转换的具体实现过程如下：

(1)IED设备经过通用网关上行命令给上位机

如附图1所示，IED设备上送的报文(以103协议的方式)通过网关的RS-485口传到网关的数据存储区。此时，网关的协议转化器从该区的103协议报文中解析出对应的ASDU单元，然后，到元模型表中找出该ASDU单元映射规则，如果是数据报文，按照映射规则解析ASDU中的实时数据，并存入对应的IEC61850数据模型表中；如果是事件报文，按照映射规则，将该报文转化为一个IEC61850中的GOOSE信号，然后通过网关的以太网口上送给上位机。这样就完成了上行报文通过通用网关由103协议转换为IEC61850标准的转换。

(2)上位机通过网关给IED设备的下行命令

上位机通过网关的以太网口发控制命令(以IEC61850标准的方式)给网关，存在数据存储区，然后网关的协议转化器对该区的IEC61850标准的报文解析，在元模型表中找到该控制命令的映射规则，按规则将该控制命令转化为符合103协议的报文，然后通过网关的RS-485口下发给IED。这样就完成了下行报文通过通用网关由IEC61850标准转换为103协议的转换。

Claims

1、一种实现103协议转换为IEC 61850标准的通用网关设计方法，其特征在于包括如下步骤：

(2)建立IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件；

(6)采用XML Spy工具对具体遗留设备的103协议建立模型；

2、根据权利要求1所述的一种实现IEC 61850标准的通用网关设计方法，其特征在于所述的实时数据库是：按照关系型数据库模式设计，以提供基于层次模型的访问接口，支持IEC 61850这样层次结构的数据访问。

3、根据权利要求1所述的一种实现IEC 61850标准的通用网关设计方法，其特征在于所述的元数据解析工具是：一个xml解析程序，采用开源组织Apache的Xerces-C++实现。

4、根据权利要求1所述的一种实现IEC 61850标准的通用网关设计方法，其特征在于所述的描述文件的建立是：直接采用IEC已经发布的IEC 61850协议的XML Schema模型描述文件；

5、根据权利要求1所述的一种实现IEC 61850标准的通用网关设计方法，其特征在于所述步骤(10)中的3种元模型表：一种用于保存设备IEC 61850的XML模型实例描述信息，另一种用于保存设备103协议模型描述信息，最后一种保存映射规则的XML描述信息。