CN102685036B - Iec 61850变电站网关 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“IEC 61850变电站网关”。根据本发明，在变电站自动化SA系统的网关IED(20)提供用于经由IEC 61850的MMS/TCP/IP部分将过程数据从变电站智能电子装置IED(12)供应到网络控制中心NCC(30)的IEC 61850 NCC服务器(21)。NCC服务器将功能名称用于对应于变电站逻辑节点(LN)的网关LN。功能名称对变电站LN的变电站IED相关名称没有任何引用，但在更改SA通信和变电站IED体系结构的情况下能够自动转换成变电站IED相关名称。换而言之，如在SA系统的SCD文件内变电站部分定义的功能名称用于在网关IED与NCC之间的通信链路。

Description

IEC 61850变电站网关
技术领域
本发明涉及用于在高压和中压电网中操作变电站的变电站自动化系统领域，并且具体地说，涉及变电站自动化系统与网络控制中心之间的通信连接。
背景技术
在高压电网和中压电网中的变电站包括诸如电缆、线路、母线、开关、功率变换器和仪表变压器等主要装置，这些主要装置一般布置在开关场和/或间隔中。经由变电站自动化(SA)系统以自动化方式操作这些主要装置。SA系统包括辅助装置，所谓智能电子装置(IED)，其负责对主要装置的保护、控制和监视。IED可被指派到分层级别，即，站级别、间隔级别及过程级别，通过所谓的过程接口将后者与间隔级别分开。SA系统的站级别包括带有人机接口(HMI)的操作者工作站(OWS)和到网络控制中心(NCC)的网关。
国际电工委员会(IEC)已将用于变电站的辅助装置之间的通信的通信标准作为题为“变电站中的通信网络和系统”的标准IEC 61850的一部分引入。对于非时间关键消息，基于带有分别在传输层和网络层中的传输控制协议(TCP)和因特网协议(IP)及作为物理媒体的以太网的缩减开放系统互连(OSI)协议栈，IEC 61850-8-1指定制造消息规范(MMS，ISO/IEC 9506)协议。
借助于称为变电站配置描述(SCD)的标准化配置表示或形式系统描述来配置和描述基于IEC61850的SA系统。SCD文件包括基于消息类型或数据集(即，对于每个消息源而言)的IED之间的逻辑数据流、目的地或接收器IED列表、就数据集定义方面的消息大小及所有周期性业务的消息发送速率。SCD文件同样地包括IED之间的关系及IED代表变电站过程或开关场执行的功能。符合IEC 61850的SA系统具有不同体系结构和分配功能到逻辑装置(LD)或到物理装置(IED)的不同方式。一些IED的名称甚至取决于IED制造商和/或IED目的。
为将变电站内的IEC 61850 IED互连到IEC 61850 NCC，能够跨任何广域网直接使用NCC和IED的基于TCP/IP的客户端服务器部分。然而，这暗示着到SA系统内每个个体IED的单独永久性TCP/IP连接和在NCC侧的大量资源及管理，并且使NCC配置高度取决于变电站内的IED体系结构。此外，用于在变电站级别与NCC级别之间(即，在本地与远程之间)切换控制接入的途径必须在所有SA IED上实现。
作为备选，已推荐使用从SA侧IEC 61850总线到NCC侧IEC61850协议的网关。此类网关对于提供预期用于NCC的过程数据(诸如主要设备状态，例如开关位置，或主要设备监管数据，例如燃气警报)的所有那些IED，作为IEC 61850客户端操作，并且对于NCC，作为IEC 61850服务器操作以便经由IEC 61850的MMS/TCP/IP部分以可配置和受控方式提供任何过程数据更改。网关在一侧需要与SA系统及其通信系统相关的配置，并且在另一侧需要与在NCC的所需信号和信号质量相关的配置。配置网关的服务器侧的一种简单方法是对于网关的NCC侧例示用于在变电站IED上所有逻辑装置(LD)的代理LD。这产生了简单的网关配置，并且也产生了测试过程，然而，使NCC通信链路取决于IED相关的命名和变电站内的物理和逻辑装置结构。
另一方面，对于NCC，基于主要变电站单线路布局和对应设备与功能的变电站相关功能视图可以是有益的。此类功能结构比辅助SA系统内的物理结构更改要少得多，并且可能甚至在SA系统的设计完成前，在很大程度上已知。同样地，变电站的主要部分及对应功能的以后扩展可能在已确定用于实现的特定IED前很早便已知。
在此上下文中，以下发明的原理和方法决不限于在变电站自动化中使用，而是同样适用于带有形式系统描述的相关过程控制系统。具体而言，要注意的是，IEC 61850也是用于水电站、风力系统及分布式能源(DER)的已接受标准。此外，只要存在信号含义的形式描述，它也适用于其它协议，如用于根据IEC 61850-80-1的IEC60870-5-101/104。
发明内容
本发明的一目的是促进变电站自动化(SA)系统的智能电子装置(IED)与网络控制中心(NCC)之间基于IEC 61850的通信。此目的通过根据独立权利要求的一种网关IED和一种配置网关IED的方法而得以实现。从从属专利权利要求可明白另外的优选实施例。
根据本发明，在SA系统的网关IED处提供了用于经由IEC 61850的MMS/TCP/IP部分将过程数据从变电站IED供应到NCC的IEC61850 NCC服务器。NCC服务器将功能名称用于对应于在变电站IED上例示的变电站逻辑节点(LN)的网关LN。除通用LN类以外，如IEC61850-6中定义的那样，功能名称对变电站IED相关名称没有任何引用，但在更改SA通信和变电站IED体系结构的情况下能够被自动转换成变电站IED相关名称。换而言之，在SA系统的SCD文件内变电站部分定义的功能名称用于网关IED与NCC之间的通信链路。
提议的NCC服务器命名方法使在网关的NCC侧变电站功能相关数据的配置独立于在SA系统内的变电站IED相关结构或实现。因此，在SA系统处发生更改或更新的情况下，网关的SA侧的重新配置将足够。此外，在设计诸如此类的SA系统之前将可能配置网关IED与NCC之间的IEC 61850通信链路，以及独立于SA系统的投入使用而将此链路投入使用。
本发明也涉及包括计算机程序代码的计算机程序产品，具体而言，包括其中包含计算机程序代码的计算机可读媒体的计算机程序产品，所述计算机程序代码用于控制以下项的一个或多个处理器：a)适用于连接到SA系统的通信网络并配置成与变电站IED和NCC进行通信的网关IED或其它装置，或者b)用于生成网关IED或其它装置的IEC61850 IID文件的NCC通信系统的IEC 61850工程工具。
附图说明
参照在附图中示出的优选示范实施例，在下文中更详细解释本发明的主题，其中：
图1示出将变电站IED和网络控制中心互连的网关，
图2示出IEC 61850中的功能名称与IED相关名称之间的关系；以及
图3是带有网关的形式配置描述的SCL文件的摘录。
具体实施方式
图1示出带有三个变电站智能电子装置(变电站IED)10、11、12和连接到变电站通信系统或站总线15的网关IED 20的变电站自动化(SA)系统。网关IED以通信方式连接到网络控制中心(NCC)30。在NCC侧或端，网关IED包括用于将状态信号、事件、警报、测量和干扰记录从SA系统输送到NCC的IEC 61850 NCC服务器21。示范变电站逻辑节点(LN)实例13由变电站IED 12托管，并且对应的代理LN实例23位于NCC服务器21上。
如在2010年爱尔兰都柏林举行的PAC世界大会W.Wimmer所著的论文43“系统中一个系统工程设计”(Engineering a System of Systems)中所述，在LN实例分配到变电站结构中主要设备的功能单元或功能件的SCD文件内的变电站部分中，SA系统的变电站配置描述(SCD)文件提供用于变电站IED上LN实例名称和涉及变电站的配置或设计的功能名称之间的转换。
图2示出示范变电站LN实例的功能名称与变电站IED相关名称之问的此类对应关系。功能名称AA1E1Q3QA1CSWI.Pos.stVal包括变电站指定(AA1)、电压电平(E1)、间隔指定(Q3)、主要设备(此处为开关)指定(QA1)及逻辑节点(LN)类(CSWI)、LN数据(Pos)及LN属性(stVal)。对应的变电站IED相关名称Ctrl9LDl/Q0CSWI2.Pos.stVal包括IED名称(Ctrl9)、逻辑装置(LD)名称(LD1)、包括LN前缀(Q0)和LN实例号(2)的LN(CSWI)。
在名为“AA1Y1”的网关IED上例示且对应于上面的变电站LN实例的示范网关或代理LN实例在常规上具有默认NCC相关名称“AA1Y1LD1/Q0CSWI2”，该名称利用LD实例标识“LD1”、LN前缀“Q0”和LD实例号“2”保持对变电站IED相关名称的引用。在任何情况下，并且借助于功能名称(AA1E1Q3QA1CSWI)，SA侧SCD文件(引用变电站IED相关名称Ctrl9LDl/Q0CSWI2)能够自动转换成NCC侧SCD文件(引用NCC相关名称AA1Y1LD1/Q0CSWI2)，这最终支持整个SA系统的自动化工程。然而，即使诸如此类的工程过程能够自动化，但网关与NCC之间的通信链路也要在变电站内发生任何IED相关更改后在网关侧及在NCC侧重新进行配置和测试，这是因为任何此类更改可能影响对至少一个网关LN实例的变电站IED相关名称的引用。
根据本发明，如在SA系统的SCD文件内变电站部分定义的功能名称用于网关IED与NCC之间的通信链路。此类功能名称需要映射或转成适当的格式以便成为用于IEC 61580网关LN实例的有效NCC相关名称。因此，上面的示范LN实例的功能名称AA1E1Q3QA1CSWI例如通过用于网关IED的NCC侧的网关工程工具，映射到通用IEC61850网关IED相关名称部分，包括网关IED名称、LD实例id(或备选地包括LD名称，根据默认，该LD名称是网关IED名称和LD实例id的级联)、LN前缀和LN实例号。到这些部分的特定映射要商定，并且需要顾及IEC 61850(版本2)的命名长度约束，即用于LD名称的64个字符和用于LN前缀的11个字符(其中LN实例号固定为1)。
在NCC侧指派功能名称到LD名称和LN前缀的一种简单方式包括以下规则：
1.LN实例指派或附连到的在层次上最低的功能级别的名称(根据SA系统的SCD文件的变电站部分)用作LN前缀。
2.在LN实例指派到的功能级别之上的所有功能级别的所有名称的级联用作LD实例标识或用作LD名称，这在IEC61850版本2中能够独立于IED名称和LD实例标识被定义。
目前定义了七个功能级别(变电站/电压电平/间隔/功能/子功能/设备/子设备)，暗示着在版本2网关的每个级别的名称长度能够达到64/7＝9个字符。任何IEC 81346标识的字母数字部分的典型长度为3个字符；在一个附加子级别的情况下为6个字符。这意味着能够以此方式映射任何典型的IEC 81346功能命名方案而无任何问题。在大多数情况下，甚至附加的IED名称(例如，使用生成的名称作为LD实例id而不是LD名称)也没有问题。在此上下文中，要理解所有功能名称是独特的，即，在变电站结构的任何功能级别都只允许特定LN类有一个实例。
在上面的规则2中，在变电站名称本身在NCC的范围中相对彼此不是独特的情况下，则使用LD实例而不是LD名称将IED名称确立为在不同变电站之间有区别的标识单元。
在图2所示的示例中，LD相关名称部分是AA1E1Q3和LN前缀QA1(功能级别“功能”的名称)。通过名为AA1Y1的网关IED，用于开关位置的以下两个通信级别(MMS域)NCC相关名称变型是可能的：
1.映射到IED名称/LD实例：AA1Y1AA1E1Q3/QA1CSWI1
2.映射到LD名称：AA1E1Q3/QA1CSWI1
在区分提供相同功能数据项的不同网关重要时，推荐第一方法，但这缩短了可用于SA功能相关名称部分的长度。
图3列出根据本发明的网关的IEC 61850例示IED描述(IID)文件的摘录。(其中“Header id”是“报头id”、“version”是“版本”、“Substation name”是“变电站名称”、“Voltage unit”是“电压单位”、“multiplier”是“乘数”、“Voltage”是“电压”、“Bay name”是“间隔名称”、“virtual”是“虚拟”、“false”是“假”、“type”是“类型”、“prefix”是“前缀”、“Terminal name”是“终端名称”)。详细地说，各经由三个LN“XSWI”、“CSWI”、“CILO”控制变电站“Musteranlage”的电压电平“E1”的间隔“Abgangsfeld Q3”中两个断路器“QB1”和“QB2”(为便于识别添加了粗体类型的突出显示)。在网关IED“PROXYGW”上的对应代理LN分别具有指示两个断路器的分层次功能级别的LN前缀“QB1”和“QB2”以及LD实例“MusteranlageElAbgangsfeld Q3”。
使用上面的映射机制暗示数据的NCC服务器名称可已经从要在此链路上提供的数据的功能规范确定，后者例如是系统规范描述(SSD)SCL文件的变电站部分的一部分，其中未使用IED特定名称部分。如描述NCC服务器配置的NCC链路在图3中的网关IID文件能够从此SSD文件创建而无需对将实现它的变电站IED有任何了解。
一旦SA工程完成，将从完整的SCD文件配置网关的SA侧，完整的SCD文件包括来自SSD文件的原始变电站描述，并且另外包括SA系统的变电站IED、从变电站部分到变电站IED上LN的链路及从变电站IED到网关IED的已配置数据流。SCD文件与已经存在的网关IID文件的一致性检查能够通过验证所有指定LN实例实际上都指派到变电站IED来完成。在不一致的情况下，能够从SA SCD文件生成或完成网关IID文件，或者特定的NCC侧质量属性可设为无效。如果添加任何附加的间隔，则能够在SA侧先重新配置网关IED，在增强NCC侧之前仍允许NCC访问“旧”部分；或者能够先重新配置NCC侧，在将设计和投入使用此间隔的SA部分前从新间隔的SSD文件提供NCC侧配置。
位于变电站IED上的每个变电站ID包括专用逻辑节点LN0以共同管理在此LD上的所有LN，并且也管理保护设置组。另一方面，在面向功能与IED的变电站LD与网关IED上生成的LD结构之间没有严格的对应关系。因此，在NCC侧的LD管理与SA系统中的任何LD管理都无关，具体而言且对安全事项有一定益处的是，不能直接从NCC处理设置组管理。
网关对于NCC的基本功能是提供对变电站功能相关数据的访问，特别是对开关场状态，并且允许由NCC控制后者。此外，网关可提供有关SA系统的变电站IED的监管数据。监管数据通常由变电站IED上的L个逻辑节点提供，即最少有LLN0和LPHD。因此，变电站IED的代理图像可能仍需要用于此目的，但其内容能够限于每个包括所需L个逻辑节点的物理变电站IED一个LD。具体而言，根逻辑装置的LLN0和LPHD例如允许变电站IED监管及在由其它部件需要和保护时保护设置组的切换。在包含设置组控制块的LLN0分配到SCL变电站功能结构中的适当保护功能时，后一目的甚至能够经由保护的功能建模完成。
如果附加工程或资产管理功能需要远程访问变电站IED，网关能够为路由选择功能提供防火墙，以及提供对于对所涉及保护IED的直接访问的访问控制。备选地，至少对于开关设备，能够经由功能视图提供资产管理访问，由此也具有与提供数据的IED无关的资产管理模型。然而，在此情况下，所需值将可能不是如通常情况下对操作数据进行的那样由IEC 61850报告自发地提供，而是(除也将可能转到NCC的要紧急处理的警报外)由资产管理系统或资产管理器按需轮询。因此，网关不但需要仅基于事件的更新，而且需要从NCC侧到在SA侧的适当LN的透明读请求。
在SA系统在内部使用不同于61850的另一协议时，例如DNP 3或IEC 101/104或IEC 103，也能够使用对于NCC的功能名称相关服务器结构的方法。在这些情况下，存在用于DNP/101/104/103 IED的IEC 61850 SCL描述(ICD文件)时特别有利，这是因为标准IEC 61850系统工具因此能够用于创建基本SCD文件。

Claims (8)

1.一种用于变电站自动化SA系统的网关IED(20)，所述变电站自动化SA系统使电功率变电站自动化，所述网关IED(20)适用于根据IEC 61850，
-经由变电站通信网络(15)，与变电站智能电子装置IED(12)进行通信，所述变电站智能电子装置IED(12)托管带有变电站IED相关名称的变电站逻辑节点LN实例(13)，以及
-经由所述网关IED(20)的NCC服务器(21)，与网络控制中心NCC(30)进行通信，
其特征在于所述NCC服务器(21)托管网关LN实例(23)，所述网关LN实例(23)对应于所述变电站LN实例(13)并且具有基于能自动转换成所述变电站IED相关名称的功能名称的NCC相关名称。
2.如权利要求1所述的网关IED，其特征在于所述网关LN实例的所述NCC相关名称包括所述变电站LN实例(13)指派到的层次上最低的功能级别作为LN前缀。
3.如权利要求1所述的网关IED，其特征在于所述网关LN实例(23)只包括与NCC应用相关的数据对象。
4.如权利要求1所述的网关IED，其特征在于所述NCC服务器(21)托管代理IED实例，所述代理IED实例对应于所述变电站IED(12)并且包括提供所述变电站IED(12)的监管数据的LN。
5.一种配置网关IED(20)的方法，所述网关IED(20)用于根据IEC 61850，
-经由变电站自动化SA系统的变电站通信网络(15)，与变电站智能电子装置IED(12)进行通信，所述变电站智能电子装置IED托管带有变电站IED相关名称的变电站逻辑节点LN实例(13)，以及
-经由所述网关IED的NCC服务器(21)，与网络控制中心NCC(30)进行通信，
所述方法包括
-确定所述变电站LN实例(13)的能自动转换成所述变电站IED相关名称的功能名称，以及
-通过例示网关LN实例(23)来配置所述NCC服务器，所述网关LN实例(23)对应于变电站LN实例并且具有基于所述功能名称的NCC相关名称。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于确定功能名称的所述步骤包括
-从所述SA系统的系统规范描述SSD文件识别提供与NCC应用相关的数据对象的LN实例，以及
-从所述SSD文件的所述变电站部分检索用于每个识别的LN的功能名称。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于它包括
-识别所述变电站LN实例(13)指派到的层次上最低的功能级别，以及
-在此基础上，定义所述网关LN实例的所述NCC相关名称的LN前缀。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于它包括
-在所述SA系统中发生更改时，仅重新配置所述网关的所述SA侧。
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