CN102648613A - 用于配置智能电子装置的方法以及子站自动化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于配置智能电子装置(IED)的方法，该方法包括通过灵活的数据建模技术使用配置工具基于应用需求动态地适配数据模型，使所述IED的动态能力能够实现。本发明还涉及子站自动化系统，该系统包括具有多个与本地系统设备相关联的IED的本地系统设备以及被配置成用于与每个IED的固件相互作用以基于应用需要配置该IED的IED配置工具。该应用配置工具包括IED的动态能力信息以使IED中的灵活数据模型能够实现。

Description

用于配置智能电子装置的方法以及子站自动化系统
技术领域
一般而言，本发明涉及子站自动化领域，更具体地，涉及用于子站中的智能电子装置的配置。
背景技术
电气或电力子站涉及电传输和分配系统，其中使用变压器从高至低或相反地转换电压。电功率可以流过发电站与消耗装置之间的若干子站，并且在该过程中在若干步骤中电功率被转换通过多个电压电平。
取决于子站是否为传输子站、子-传输子站或配电子站来选择适当的设备用于这些功能。这些设备能够包括变压器、反应器、电容器组、电路断路器、隔离开关等等。子站自动化涉及上述设备的保护、控制、监视以及计量功能并且得到用于子站的有效运行的可靠信息。当前，不同类型的智能电子装置(IED)用于子站自动化(SA)系统中以满足不同子站设备的保护、控制、监视和计量功能。IED是电力系统设备的基于微处理器的控制器，诸如电路断路器、变压器以及电容器组。典型地，IED从传感器和电力设备接收数据，并且能够发出控制命令，诸如在它们感测到电压、电流或频率的异常时使电路断路器跳闸，或者升高/降低电压电平以便保持期望的电平。公共类型的IED包括保护继电装置、有载分接开关控制器、电路断路器控制器、电容器组开关、重合器(recloser)控制器、电压调节器等等。这些IED是有利的，因为以可用的微处理器技术单个单元能够同时执行若干保护、计量、监视以及控制功能。
子站自动化为涉及子站内的不同过程的不同设备的维护和控制形成了重要和复杂的方面。部署在SA系统中的IED使用通信协议来相互传递子站设备数据。存在用于子站自动化的多个协议，其包括许多具有订制通信链路的专有协议。但是，来自不同供应商的装置的交互操作对于子站自动化装置的实现和使用方面的简化是高度符合需要的。
来自国际电工委员会(IEC)的IEC61850标准是用于子站中的通信网络和系统的标准，其提倡来自不同的生产厂商的智能电子装置(IED)之间使用共同的工程模型、数据格式以及通信协议的交互操作性。通过根据应用需求实现IEC61850简档，最近的IED被设计以支持用于子站自动化的IEC61850标准，从而提供交互操作性和先进的通信能力并且这些IED被称为符合IEC61850的IED。随后，除非另有说明，术语IED应该被解释为符合IEC61850的IED。
IEC61850特征包括数据建模，其中子站的完整功能性被建模成IEC61850逻辑节点(LN)，其被分组和布置在不同的逻辑装置(LD)下。逻辑节点是装置模型的最小部分，装置模型表示IED中的功能。通过该功能发布的数据被表示为这些LN下的数据对象。逻辑装置为虚拟装置，其存在以为了通信目的而允许逻辑节点、数据组以及控制块的聚集。
基于来自相关联电力系统设备的固定数量的物理输入，基于IEC61850的IED当前仅支持来自IEC61850标准中可用逻辑节点中的固定数量的预配置逻辑节点。上述预配置逻辑节点意思为，基于其物理能力、现实应用支持以及与IED应用配置工具的公共理解很少的IEC61850逻辑节点被实现在IED中。关于IEC61850这对这些IED配置的可扩充性施加了限制。此外，间隔层功能性扩展对于现有装置是不可能的，因为存在物理IO和IEC61850逻辑节点不足。功能性扩展在此被定义为基于其物理能力动态地扩展由IED执行的现实应用/功能。
例如，子站具有符合IEC61850的IED，其仅支持类GGIO的LN(与通用输入输出相关的逻辑节点)。将来，子站需要将例如温度警报、压力警报等的不同的信号传送至控制站。为了能够进行此操作，IED也应该动态地支持SIMG(表示用于气体的绝缘介质监督)逻辑节点类(在使用IED应用配置工具的再配置期间启用相关的功能块、逻辑节点等等)，这在当前IED中和IED配置工具中是不可用的。
当前的IED不支持IEC61850数据模型的自适应的再配置(按照现实应用需要配置IED功能性)并且因此不能够满足诸如逻辑节点中的数据对象的扩展的需要。在此提到的数据对象扩展意思是聚集不同数量的数据对象以对逻辑节点中的多个二进制输入/输出进行分组。IEC61850中的数据模型用于由应用所产生和消耗的信息的描述并且用于与其他IED交换信息。
因此，需要在IED中的IEC61850数据模型的配置方面的灵活性以支持源自不能够先验定义的那些(例如物理输入、应用功能输出)的信息中的变型。这种适配意味着IED中一个或多个逻辑节点中的可变数量的数据对象(典型地每个信息元件一个)，以适合用户或子站需求。
发明内容
在一个示例性实施例中，提供了一种用于扩展用于子站中的智能电子装置(IED)的特征和/或灵活性的方法；该方法包括通过使用本发明中所述的灵活的数据建模技术基于现场应用需求动态地适配数据模型，来使该IED的动态能力能够实现，从而配置该IED。该能力由逻辑节点类、数据对象、逻辑节点实例、物理字段输入(physical fieldinput)、逻辑输出或应用输出表征。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他的特征、方面以及优点会变得更加容易理解，其中在附图中相同的标记表示相同的部分，其中：
图1是根据本发明的一个方面描述用于创建另一示例性自适应IEC61850数据模型的示例性步骤的流程图；
图2是根据本发明的另一方面描述用于创建示例性自适应IEC61850数据模型的示例性步骤的流程图；
图3是用于根据示例性实施例使用自适应IEC61850数据模型的符合IEC61850的IED的图示；
图4是用于在符合IEC 61850的IED中将一个逻辑节点再配置至其他逻辑节点、扩展逻辑节点、不同逻辑节点中共存的相同数据对象中的图示；
图5是用于在符合IEC61850的IED中动态地扩展相同LN类中的数据对象的图示；
图6是在符合IEC 61850的IED中动态地描述逻辑节点的多个例示的图示；并且
图7是包括作为本发明的一个示例性实现的IED的子站自动化设备的方框图示。
具体实施方式
本发明技术提供了一种用于配置智能电子装置(IED)的方法，用于通过使用灵活的数据建模技术基于现场应用需求动态地适配IEC61850数据模型，并因此使IED的动态能力能够实现，从而采用或利用智能电子装置的能力。本文所提到的能力由智能电子装置中的逻辑节点类(LN类)、数据对象、逻辑节点实例(LN实例)、物理字段输入、逻辑输出或应用输出表征。本文所提到的动态能力是IED的一系列可扩展功能。来自该系列可扩展功能的每个功能都被表示为逻辑节点；每个逻辑节点表示多个数据对象，并且这些数据对象与一个或多个公共数据类相关联。
在一个方面，本发明提出了一种方法用于将通用数据对象再配置成一个或多个逻辑节点类。能够使用这种方法配置的IED包括但不限于分布式&智能I/O装置，保护和控制继电器以及DCS过程控制器或通用过程控制器。
根据本发明技术的方面，用户能够基于通过两种不同方法使用IED控制工具的应用配置创建子站配置描述语言(SCL)文件。在一个示例性方法中，IED配置被离线(本文中也称为“离线方法”)进行并且由IED应用配置工具基于IED中的硬件模块的类型和数量以及应用需要生成SCL文件。该SCL文件被下载至IED，其中IED的固件检查SCL文件相对于其动态能力的有效性并且创建自适应IEC61850数据模型，如下文所述。在示例性实施例中，离线方法可能被分布式&智能I/O，保护&控制IED以及DCS过程控制器使用。在另一示例性方法(本文也称为“在线方法”)中，IED的配置在线进行。在该技术中，IED应用配置工具从IED检索I/O的位置、数量和类型并且基于该信息和应用需要生成SCL文件。随后，SCL文件被下载至IED，其中IED的固件检查该文件相对于其动态能力的有效性并且创建自适应IEC61850数据模型，如下文所述。在示例性实施例中，在线方法可能被分布式&智能I/O IED使用。
使用如图1所示的流程图10的示例性步骤创建如上所述的示例性自适应IEC61850数据模型，并且该自适应IEC61850数据模型在一个示例中在步骤12处包括IED配置工具环境中和用于数据对象的固件(用于分布式&智能I/O)中被预创建的数据结构，该数据对象实质上由IEC61850中所提到的公共数据类和用于短地址的字段组成。基于IED的动态能力在IED的启动期间在步骤14创建数据对象的实例。这些数据对象实例形成自适应IED 61850数据模型。随后如步骤16所示，用户通过如上所述的两种不同方式(在线方法或离线方法)中的任一个、基于其应用需要、使用IED配置工具分配LN类。使用该技术的示例性IED是分布式&智能I/O(能够使用在线或离线配置方法)以及保护和控制IED(在一个示例中使用离线方法)。
本领域技术人员能够认识到，IED基于其动态能力支持IEC61850中定义的可能的LN类。在此可注意到，SCL文件中的数据类型模板由用于配置的LN类的LN类型定义以及允许用于枚举的值组成。LN类型定义由用于对应LN类的数据对象的数量组成。按照本发明技术，使用其对应LN类型中定义的数据对象的数量动态地创建其内容是数据对象的集合(各具有它自己的短地址)的LN。该过程在每次接收到新配置文件时发生并且对于SCL文件的所有配置的LN类发生。LN中的短地址和数据对象实例具有一对一映射。该机制用于从数据对象实例获取实时数据。
使用如图2中所示出的流程图20的示例性步骤创建如上所述的另一示例性自适应IEC61850数据模型，并且该自适应IEC61850数据模型在一个示例中包括IEC 61850数据模型模板，在步骤22基于IED的动态能力在IED配置工具环境中和固件中预创建IEC 61850数据模型模板。该动态能力在本文被定义为包括IED的物理、逻辑、虚拟能力。虚拟能力在本文被定义为IED的如下能力：能够将从一个特定协议获得的现实数据转化为在IEC61850逻辑节点下分组的IEC61850数据对象的数量。随后在步骤24，用户基于其应用需要使用IED配置工具分配LN类。基于用户配置信息，基于来自IEC61850数据模型模板的对应LN类型信息在步骤26动态地创建需要数量的LN实例。使用该技术的示例性IED包括DCS过程控制器(使用如上所述的离线方法)。
此处所述的自适应数据模型技术具有若干有利的特征。一个这样的特征包括在符合IEC61850的IED中动态地支持多个LN类。对于该特征，对LN类的支持被动态地控制用于例如分布式&智能I/O装置或保护&控制继电器的IEC61850IED。
示例：
基于应用需要，能够在GGIO中引用分布式智能IO中的数字输入，用于指示或一般的报警，并且能够在SIMG中再配置分布式智能IO中的数字输入，用于压力报警。
图3是符合IEC 61850的IED的图示，概括地由附图标记28指示的符合IEC61850的IED例如但并不限于保护和控制继电器IED以及分布式智能I/O IED。在该示例中，由LN(逻辑节点)32、具体而言是SIMG(气体监督)34以及GGIO(通用IO)36支持的数据对象30被映射至作为物理字段输入的数字/二进制/模拟(单点或双点或计数器或4-20mA变换器)输入，并且基于配置工具中的用户输入控制由IED对这些LN类中的任一个LN类的支持。因此，数据对象被分配给不同逻辑节点(在配置期间)，其表示IED功能性。在具有该灵活性的情况下，支持利用数字/二进制/模拟输入作为其数据对象的任何新LN类是可能的。
在示例性实现中，分布式智能I/O、保护&控制继电器的二进制/模拟输入被分配用于使用IED配置工具通过SIMG LN指示例如绝缘警报、密度警报等的传感器相关信息。类似地，分布式智能IO、保护&控制继电器的二进制/数字输入被分配用于使用IED应用配置工具通过GGIO LN指示通用警报。
动态建模技术的其它特征包括在符合IEC 61850的IED中动态地将LN的数据对象(DO)映射至其他LN。该特征使例如分布式&智能I/O、保护&控制继电器的IED能够基于过程信息与之相关联的应用将相同的输入类型映射至不同LN。因此，如图4中所示，图示38指示以前与GGIO逻辑节点40相关联的数据对象42(通过各自的数据属性44)如附图标记46表示的那样被再配置到示出为SIMG的另一逻辑节点48以及与数据对象42相同的相关联数据对象50。因此，IED能够被配置为支持GGIO或SIMG或两者并且相同的数据对象能够共同存在于不同的逻辑节点中。
示例：
在GGIO中能够引用数字输入用于指示或一般的警报以及在SIMG中能够引用数字输入用于压力警报。
自适应建模技术的又一特征包括在符合IEC 61850的IED中动态地扩展LN中的数据对象。该特征使例如分布式&智能I/O装置或保护&控制继电器的符合IEC61850的IED能够具有带有变化数量的数据对象的相同类的许多LN实例，基于预定的数据对象类型信息而不是预定的LN类型定义来动态地对其进行配置。
图5是用于由附图标记52指示的逻辑节点(LN)GGIO的图示，示出不同的实例，附图标记54指示的实例-N以及数据对象56以及附图标记58指示的另一实例-M以及数据对象60。
在另一实现中，通过使用IED配置工具，具有实例号1和前缀SF6的SIMG LN被分配有用于指示例如压力、温度等的3个数据对象(模拟输入)。随后，相同的SIMG LN被分配有4个数据对象(用于二进制输入)和/或能够使用IED配置工具创建具有4个数据对象的SIMG LN的另一实例。因此，保护和控制IED能够被配置成用于具有每个中带有可变数量的数据对象的IEC 61850LN类的多个实例。
在示例性实现中，两个GGIO LN类与相同的前缀相关联，一个具有2个Alm(警报)和2个Ind(指示)数据对象而另一个具有4个Alm(警报)和2个Ind(指示)数据对象.
在又一实现中，保护和控制继电器能够扩展分配给用于符合IEC61850的IED的多个LN类的数据对象(基于在IED内导出的模拟信息)。用户能够在前述的离线模式下使用IED配置工具分配LN中的多个模拟数据对象。
自适应数据模型技术的又一特征为基于功能性、在符合IEC 61850的IED中动态地支持LN类的多个LN实例。
示例：
用于电力控制应用的符合IEC61850的DCS过程控制器IED具有例如15个控制信息要被传递至其他IEC61850IED，并且它支持固定用于10个数据对象的PTRC类的LN类型。在这种情况下，在动态SCL配置过程期间，IED配置工具动态地创建两个PTRC LN实例。
图6是例如但并不限于DCS过程控制器IED 62的符合IEC 61850的IED的图示，在符合IEC 61850的IED中动态地描述了LN的多个例示。如果逻辑节点中数据对象的数量如图6中所示的那样为固定的(其中数据对象66和70是固定的)，则创建PTRC(实例M)64和PTRC(实例N)68指示的、逻辑节点的多个实例以适应应用需求。
图7是本文提到的子站自动化系统的图示并且由附图标记72指示。子站自动化系统72包括由附图标记74、74’、74”…74n-1示出的若干智能电子装置(IED)。每个IED具有动态能力，该动态能力典型地表示为一系列可扩展功能，其示出为由附图标记76指示的f1…fn。这些功能的一些示例包括保护(过流、过压、频率、反向功率)、控制、监视等。来自这一系列功能的每个功能都表示为逻辑节点(LN)，示出为以附图标记78指示的L1…Ln。可注意到，逻辑节点0(LLN0)包括对于该IED内的所有其他逻辑节点而言公共的描述。每个逻辑节点还表示若干数据对象(DO)80，示出为DO1…DOn。依赖于内部编址方案在不同的IED中定义数据对象。数据类定义位于IED中的应用的有意义信息。公共数据类(CDC)已经被定义用于子站的基本通信结构。这些保持了成员变量和服务，其被提供给与由IED支持的现实数据/参数相关的逻辑节点。根据本发明技术的方面，IED 74中的这些公共数据类被配置成用于构造对应数据模型模板，其中对应数据模型模板中的每个都被配置成用于映射该一个或多个逻辑节点。灵活的数据建模技术利用使用公共数据类的标准数据表示。例如，分布式智能I/O IED上的输入状态能够被表示为例如单点状态SPS、双点状态DPS、测量值MV的公共数据类，或者作为整数状态(integer state)INS。与需要上面的所述状态信息的应用相关的任何逻辑节点都能够使用这些数据表示。
IED发布的数据概括地由附图标记82示出。系统72包括如图7中所示的应用配置工具84，用于基于该子站的需求配置来自由上述IED提供的一系列功能中的功能子集。对于本领域技术人员显然的是，用户能够使用IED配置工具84根据子站处所需要的最后应用通过混合和匹配不同的功能来配置IED。该IED配置工具84通过使用如上所述的一个或多个公共数据类创建灵活数据模型模板动态地配置一个或多个逻辑节点。
再参考图7，在一个示例性实施例中的IED 74用于控制和监视本地系统设备88的功能，该本地系统设备88例如是诸如电路断路器或变压器的电气设备。该IED 74在此典型地通过通信链路90执行与本地系统设备88相关的保护、控制、监视和计量。该系统72可以包括HMI(人机接口)和子站控制器(未示出)，其可通过计算机通信网络(未示出)相互连接。随后，这些装置能够如由附图标记概括地所示的那样使用IEC 61850通信标准通过通信网络进行通信。
在此必须注意的是，如参照图7所述的包括IED内的嵌入式软件的固件将支持很少的公共数据模型模板，它们是基于可能的物理能力、这些物理能力的现实应用和对应IEC61850公共数据类(CDC)被创建的。当创建具有用于不同LN的信息的子站配置描述语言(SCL)文件时，应用配置工具需要具有共同的理解。当LN类型和灵活数据模型模板相匹配时，灵活数据模型被创建，其支持使用所支持的CDC构建的不同的新逻辑节点。在此应该注意的是，虽然描述涉及IEC 61850标准，但是标准以及IEC 61850标准是上述技术和系统的示例性的非限制性实现。在此也可注意到，虽然描述涉及现场应用需求，但是描述也可以被扩展至例如独立的IED配置、工厂配置等的一般应用需求。
虽然在此仅阐述和描述了本发明的一些特征，但是对于本领域技术人员来说会想到许多修改和改变。因此，应当理解的是，所附权利要求意在覆盖落入本发明的真正精神内的所有此类修改和改变。

Claims (10)

1.一种用于配置智能电子装置(IED)的方法，所述方法包括：
通过灵活的数据建模技术以基于应用需求动态地适配数据模型，从而使所述IED的动态能力能够实现，通过至少如下之一表示所述动态能力：所述IED中的多个逻辑节点类、多个数据对象、多个逻辑节点实例、多个物理字段输入、多个逻辑输出或多个期望应用输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述应用需求基于所述IED所接收的所述多个物理字段输入或所述多个期望应用输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述灵活的数据建模技术包括：通过使用一个或多个数字输入/二进制输入或模拟输入作为用于所述多个数据对象的所述物理字段输入来在所述IED中动态地支持所述多个逻辑节点类。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述灵活的数据建模技术包括：动态地将数据对象映射至来自所述多个逻辑节点类的一个或多个逻辑节点类。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述灵活的数据建模技术包括：为具有所述多个数据对象的一个或多个逻辑节点类动态地创建所述多个逻辑节点实例。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多个逻辑节点实例包括变化数量的数据对象，根据应用需求基于预定数据对象类型信息动态地配置所述变化数量的数据对象。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述灵活的数据建模技术包括：
基于所述IED的所述动态能力，在配置工具环境和固件中预创建通用IEC 61850数据模型模板；
基于所述应用需求分配逻辑节点类；并且
基于来自所述通用数据模型模板的逻辑节点类型信息动态地创建必要数量的逻辑节点实例以便构建自适应数据模型。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述灵活的数据建模技术包括：
在配置工具环境中和固件中为所述多个数据对象预创建数据结构，其中，所述数据结构包括多个公共数据类和对应短地址字段；
基于所述IED的所述动态能力为所述多个数据对象创建必要数量的数据对象实例；
使用所述必要数量的数据对象实例生成通用数据模型；
基于所述应用需求在所述配置工具环境中分配所述逻辑节点类；并且
使用所述多个数据对象动态地创建对应于所述逻辑节点类的、必要数量的逻辑节点实例，其中所述逻辑节点包括对应于所述逻辑节点类的所述多个数据对象的所述对应短地址字段。
9.一种子站自动化系统，包括：
本地系统设备；
与所述本地系统设备相关联的多个IED，其中所述多个IED中的每个IED都包括所述IED中有能力提供动态能力的固件；并且
IED配置工具，配置成用于与各个IED的所述固件相互作用以便基于应用需求配置所述IED，所述应用配置工具包括所述IED的动态能力信息以使所述IED中的灵活数据模型能够实现。
10.根据权利要求9所述的子站自动化系统，其中，多个IED具有灵活数据模型以便为具有多个数据对象的所述IED的一个或多个逻辑节点类动态地创建多个逻辑节点实例。
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