CN106911691A - Iec61850和opc_ua可配置的数据映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，包括：导入并解析IEC61850 SCL模型，将SCL模型中数据类型映射到OPC_UA中的数据类型；将SCL模型中的IED实例化对象映射为OPC_UA中的数据对象，并作为节点添加到OPC_UA地址空间中；在OPC_UA地址空间创建完成后，将该对应关系形成一张从IEC61850到OPC_UA的数据映射表，通过配置该数据映射表控制IEC61850到OPC_UA的数据转出。本发明方法实现导入并解析SCL文件从而自动创建生成OPC_UA地址空间，解决了OPC_UA系统中接入IEC61850电力设备获取数据的问题，具有很强的实用性。

Description

IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化和工业自动化技术领域，具体涉及一种IEC61850规约与OPC_UA规约可配置的数据映射方法，实现不同规约之间的数据传输。

背景技术

IEC61850标准是由国际电工委员会(International Electro technicalCommission)第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准，IEC61850标准吸收了IEC60870系列标准和UCA的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统(SAS)的设计产生深刻的影响。它将不仅应用在变电站内，而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向，力图和新的国际标准接轨，以适应未来的发展方向。

OPC通信标准的核心是互通性(Interoperability)和标准化(Standardization)问题。传统的OPC技术在控制级别很好地解决了硬件设备间的互通性问题，在企业层面的通信标准化是同样需要的。OPC_UA之前的访问规范都是基于微软的COM/DCOM技术，这会给新增层面的通信带来不可根除的弱点。加上传统OPC技术不够灵活、平台局限等问题的逐渐凸显，OPC基金会(OPC Foundation)发布了最新的数据通讯统一方法—OPC统一架构(记为OPC_UA或OPC UA)，涵盖了OPC实时数据访问规范(OPC DA)、OPC历史数据访问规范(OPCHDA)、OPC报警事件访问规范(OPC A&E)和OPC安全协议(OPC Security)的不同方面，但在其基础之上进行了功能扩展。

OPC_UA是在传统OPC技术取得很大成功之后的又一个突破，让数据采集、信息模型化以及工厂底层与企业层面之间的通讯更加安全、可靠。

基于OPC_UA接入的数据采集和监控系统想要得到IEC61850装置数据，就必须实现IEC61850模型和OPC_UA地址空间数据的映射方法。

目前国内外IEC61850到OPC_UA的映射技术还不是非常高效，不能直接根据SCL模型自动创建生成OPC_UA地址空间，数据映射的过程也缺乏行之有效的用户控制。对于接入到OPC_UA系统中的IEC61850装置，如果无法进行数据的映射，则只能通过第三方规约间接数据传输，这样将造成整个系统的资源浪费，数据的传输效率也很低下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，通过IEC61850到OPC_UA之间的规约转换形成数据映射表，实现IEC61850装置在OPC_UA系统中的数据传输。

为解决上述技术问题，本发明提供了IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，导入并解析IEC61850SCL模型，将SCL模型中DataTypeTemplates数据类型映射到OPC_UA中的数据类型；

步骤S2，将IEC61850SCL模型中的IED实例化对象映射为OPC_UA中的数据对象，并作为节点添加到OPC_UA地址空间中；

步骤S3，在OPC_UA地址空间创建完成后，将该对应关系形成一张从IEC61850到OPC_UA的数据映射表，通过配置(增加、删减和修改)该数据映射表控制IEC61850到OPC_UA的数据转出。

进一步的，IEC61850SCL模型中数据类型转换到OPC_UA数据类型的转换过程如下：

1)将SCL模型中的EnumType类型转换到OPC_UA中DataType枚举类型，保持枚举成员原有顺序不变，枚举类型名称为EnumType的id属性值，枚举成员名称为EnumVal的值；

2)将SCL模型中的DAType类型转换到OPC_UA中DataType结构体类型，结构体类型名称为DAType的id属性值；

3)将SCL模型中的DOType类型转换到OPC_UA中的ObjectType类型，类型名称为DOType的id属性值，将DOType中的成员按照功能约束FC分组，每个功能约束对应OPC_UA中的FolderType类型，在各FolderType下添加OPC_UA中的Variable对象并从DataType类型中指定对应的类型定义；

4)将SCL模型中的LNodeType类型转换到OPC_UA中的ObjectType类型，其中的DO成员转换为OPC_UA中的Object类型，根据其type属性从已创建的OPC_UA中ObjectType类型中指定对应的类型定义。

进一步的，在转换DAType类型时，如果DAType中存在type属性值为结构体的BDA成员，将该对象的类型转换为OPC_UA中的DataType结构体类型；

进一步的，在转换DOType类型时，如果DOType类型中包换SDO类型成员，则先将该成员所属的DOType类型转换为OPC_UA中ObjectType类型；

进一步的，在步骤S2中，从IEC61850到OPC_UA的实例化对象映射步骤如下：

1)将SCL模型中的IED对象映射到OPC_UA地址空间中BaseObjectType类型的Object对象，Object对象的名称为IED的name属性值，在该对象下通过HasProperty引用关系创建若干Variable，分别对应于IED的type/manufacturer/configVersion属性，desc属性值直接实例化到Object对象的Description属性中；

2)将SCL模型中的AccessPoint访问点映射到OPC_UA中的FolderType类型的Object对象，Object对象的名称为AccessPoint的name属性值；通过HasComponent引用方式添加LDevice映射到OPC_UA的BaseObjectType类型的Object对象，采用IED名称加上inst属性值的方式命名，将desc属性值直接实例化到Object对象的Description属性中；

3)将SCL模型中的LN0和LN映射到OPC_UA地址空间中BaseObjectType类型的Object对象，根据lnType的属性值从已创建的OPC_UA中ObjectType中找到对应的类型，通过HasTypeDefinition引用关系关联，Object采用“prefix+lnClass+inst”的方式命名，通过HasProperty引用关系创建desc属性Variable并用SCL中对应的属性值初始化；

4)创建完逻辑节点对应的OPC_UA对象后，根据逻辑节点数据类型中的定义其包含的数据对象和数据属性都将自动创建，用SCL文件中DOI和DAI的值实例化OPC_UA中对应对象的初始值。

进一步的，从SCL映射到OPC_UA的模型仍然按照树形结构保持数据之间的层次性。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明方法实现导入并解析SCL文件从而自动创建生成OPC_UA地址空间；根据引用地址形成数据映射表，通过对该数据映射表配置达到了对OPC_UA转出数据进行控制的效果。本发明提供的数据映射功能不受接入IEC61850装置数量的限制，转出后的数据采用OPC_UA标准格式，OPC_UA标准提供了安全传输方案用于实现信息安全传输，此外OPC_UA能够基于TCP和SOAP/HTTP两种方式传输有效增加了数据的传输方式并扩大了数据的传输范围。本发明数据映射方案有效解决了OPC_UA系统中接入IEC61850电力设备获取数据的问题，因此具有很强的实用性。

附图说明

图1是IEC61850和OPC_UA规约转换流程图；

图2是IEC61850和OPC_UA数据类型模板映射示意图；

图3是IEC61850和OPC_UA数据映射方案运用场景示意图；

图4是实施例中EnumType类型ctlModel转换到DataType枚举类型的结果示意图；

图5是实施例中CN_Vector类型转换到DataType结构体的结果示意图；

图6是实施例中DOType类型CN_ASG_SG转换到ObjectType类型的结果示意图；

图7是实施例中CF对象下创建成员对象的结果示意图；

图8是实施例中LNodeType类型CN_RFLO映射ObjectType类型的结果示意图；

图9是实施例中IED、访问点AccessPoint、逻辑设备LDevice在OPC_UA地址空间中实例化结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

变电站配置语言SCL是IEC61850采用的变电站专用描述语言，基于XML(可扩展标记语言)。它采用可扩展的标记语言清楚地描述变电站IED设备、变电站系统和变电站网络通信拓扑结构的配置。SCL文件包含5个元素，分别是Header(信息头)、Substation(变电站描述)、IED(智能电子设备)、Communication(通信系统)和DataTypeTemplates(数据类型模版)。

Header元素包含了SCL配置文件的版本号、名称等信息；Substation元素描述变电站的功能结构，主元件及电气连接；IED元素描述所有IED的信息，如接入点(AccessPoint)、逻辑设备(LD)、逻辑节点(LN)、数据对象(DO)及其属性(DA)；Communication元素定义逻辑节点之间通过逻辑总线和IED接入点之间的联系方式；DataTypeTemplates元素详细定义了在文件中出现的逻辑节点类型模板以及逻辑节点所包含的数据对象、属性等模板。

OPC_UA采用面向对象的概念，提供一个丰富的、可扩展的信息模型，在UA信息建模中，数据格式采用XML格式。通过在同一个地址空间展现历史数据、当前数据以及之间的关系、事件通知；地址空间的基本组成是节点(Node)，他通常用来表示服务器所有的信息，节点由属性(Attributes)和引用(Reference)来描述。节点类别是地址空间中重要的概念，是信息建模中信息分类的基础。对于任何一个被定义的需要实例化的节点，都需要定义节点类别。任何一个节点都有节点类别。OPC_UA共有八个节点类别，是从基本节点继承而来的，它们分别是变量(Variable)、变量类型(VariableType)、对象(Object)、对象类型(ObjectType)、视域(View)、数据类型(DataType)、引用类型(ReferenceType)和方法(Method)。

如图3所示为OPC_UA监控系统中接入IEC61850装置运用场景示意图，装置1、装置2……装置n采用IEC61850规约，传输IEC61850数据，OPC_UA数据服务器生成、配置和维护IEC61850到OPC_UA的数据映射表，将IEC61850数据转换为OPC_UA数据传输至HMI和SCADA系统。

其中OPC_UA服务器完成的IEC61850到OPC_UA的规约转换即是本发明提出的IEC61850到OPC_UA的数据映射方法。如图1所示为OPC_UA服务器完成的IEC61850到OPC_UA的规约转换的流程图，主要分为IEC61850数据接入、OPC_UA数据转出和OPC_UA数据接入三部分，其中OPC_UA数据转出部分即是IEC61850到OPC_UA的数据映射过程。

SCL模型文件的Header部分主要用于记录文件修改历史和其它自描述信息，Substation和Communication部分的内容主要用于IEC61850服务端与客户端之间的数据传输，在已经能接入IEC61850装置并正常获取数据的前提下，该部分内容对IEC61850和OPC_UA之间的数据映射的影响很小。SCL模型文件的IED和DataTypeTemplates部分主要用于IEC61850数据建模，为了能够将接入的IEC61850装置数据通过OPC_UA的方式转出就必须建立两者模型数据的对应关系，本发明提供了的IEC61850到OPC_UA的数据映射方法就是用于解决该问题，其基本思想是利用SCL文件生成OPC_UA地址空间模型并通过可配置数据映射表控制IEC61850数据到OPC_UA数据的转出，主要包括以下步骤：

步骤S1，导入并解析IEC61850SCL模型，将SCL模型中的DataTypeTemplates数据类型转换到OPC_UA中的数据类型；

如图2所示，IEC61850SCL模型中数据类型转换到OPC_UA数据类型的转换过程如下：

1)将SCL模型中的EnumType类型转换到OPC_UA中DataType枚举类型，保持枚举成员原有顺序不变，枚举类型名称为EnumType的id属性值，枚举成员名称为EnumVal的值；

2)将SCL模型中的DAType类型转换到OPC_UA中DataType结构体类型，结构体类型名称为DAType的id属性值，如果DAType中存在type属性值为结构体的BDA成员，应先将该对象的类型转换为OPC_UA中的DataType结构体类型；

3)将SCL模型中的DOType类型转换到OPC_UA中的ObjectType类型，类型名称为DOType的id属性值，将DOType中的成员按照功能约束分组，每个功能约束对应OPC_UA中的FolderType类型，在各FolderType下添加OPC_UA中的Variable对象并从DataType类型中指定对应的类型定义。如果DOType类型中包换SDO类型成员，则先将该成员所属的DOType类型转换为OPC_UA中ObjectType类型；

4)将SCL模型中的LNodeType类型转换到OPC_UA中的ObjectType类型，其中的DO成员转换为OPC_UA中的Object类型，根据其type属性从已创建的OPC_UA中ObjectType类型中指定对应的类型定义。

步骤S2，将SCL模型中的IED实例化对象转换为OPC_UA中的数据对象，并作为节点添加到OPC_UA地址空间中；

从IEC61850到OPC_UA的实例化对象映射步骤如下：

1)将SCL模型中的IED对象映射到OPC_UA地址空间中BaseObjectType类型的Object对象，Object对象的名称为IED的name属性值，在该对象下通过HasProperty引用关系创建若干Variable，分别对应于IED的type/manufacturer/configVersion属性，desc属性值直接实例化到Object对象的Description属性中；

2)将SCL模型中的AccessPoint访问点映射到OPC_UA中的FolderType类型的Object对象，Object对象的名称为AccessPoint的name属性值；通过HasComponent引用方式添加LDevice映射到OPC_UA的BaseObjectType类型的Object对象，采用IED名称加上inst属性值的方式命名，将desc属性值直接实例化到Object对象的Description属性中；

3)将SCL模型中的LN0和LN映射到OPC_UA地址空间中BaseObjectType类型的Object对象，根据lnType的属性值从已创建的OPC_UA中ObjectType中找到对应的类型，通过HasTypeDefinition引用关系关联，Object采用“prefix+lnClass+inst”的方式命名，通过HasProperty引用关系创建desc属性Variable并用SCL中对应的属性值初始化；

4)创建完逻辑节点对应的OPC_UA对象后，根据逻辑节点数据类型中的定义其包含的数据对象和数据属性都将自动创建，用SCL文件中DOI和DAI的值实例化OPC_UA中对应对象的初始值。

步骤S3，在OPC_UA地址空间创建完成后，将该对应关系形成一张从IEC61850到OPC_UA的数据映射表，通过增加、删减和修改该数据映射表能够控制IEC61850到OPC_UA的数据转出。

在OPC_UA地址空间创建完成后，OPC_UA的模型仍然按照树形结构保持数据之间的层次性。OPC_UA地址空间中创建的所有IED、逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性都包含独一无二的NodeId，IEC61850模型中对象的引用地址对应于映射到OPC_UA地址空间中对象的NodeId，IEC61850数据变化则OPC_UA对应NodeId的变量数据也会发生变化，通过配置(增加、删减和修改)该对应关系控制IEC61850到OPC_UA的数据转出。

OPC_UA数据服务端的对象数据都能够从IEC61850装置中获取到，因此通过对该映射表进行配置操作就能够控制数据的传输。如图3所示为映射方案的具体运用场景示意图，OPC_UA数据服务器生成、配置和维护IEC61850到OPC_UA的数据映射表，HMI和SCADA系统具备客户端功能，能够接入OPC_UA数据服务器，从而获取IEC61850数据。

本发明提供的数据映射功能不受接入IEC61850装置数量的限制，可以将所有数据信息转出到OPC_UA数据采集和监控系统，转出后的数据采用OPC_UA标准格式，OPC_UA标准提供了安全传输方案用于实现信息安全传输，此外OPC_UA能够基于TCP和SOAP/HTTP两种方式传输有效增加了数据的传输方式并扩大了数据的传输范围。本发明提供的一种从IEC61850到OPC_UA的数据映射方案有效解决了OPC_UA系统中接入IEC61850电力设备获取数据的问题，因此具有很强的实用性。

实施例

为了更清楚的体现整个映射过程，现将SCL模型中部分内容进行映射。为了能更清楚明白附图4至9的示意图，现对图中各元素进行详细说明，图中直角矩形代表OPC_UA对象，圆角矩形代表OPC_UA变量，六边形表示BaseDataType数据类型及其子类型。不同的引用关系用不同的箭头表示，箭头上的文字代表两者间的引用关系。深色背景表示其为用户所创建，浅色背景表示其在OPC_UA规范中所定义。

首先将数据类型模板中的EnumType进行映射，由于SCL中定义了若干EnumType类型，其中用于表示IEC61850遥控方式的枚举类型包含了五种不同的控制方式，其SCL文件内容如下：

将SCL模型中的EnumType类型转换到OPC_UA中DataType枚举类型，其转换结果如图4所示，在OPC_UA地址空间创建ctlModel枚举类型。

SCL文件中的CN_Vector数据类型用于表示幅值和相角，其成员的基本类型为CN_AnalogueValue，其SCL文件内容如下：

转换到OPC_UA中DataType结构体类型时，由于CN_Vector中存在BDA成员的基本类型为结构体，所以需要将其基本类型CN_AnalogueValue先映射到OPC_UA中后再映射CN_Vector类型，如图5所示为OPC_UA地址空间创建的CN_AnalogueValue和CN_Vector类型。

SCL文件中的DOType类型CN_ASG_SG，根据其成员的fc属性值可将其分为DC、SG和CF三组，每组建立一个FolderType对象，名称为fc的属性值，，其SCL文件内容如下：

转换时，在OPC_UA的BaseObjectType下建立名为CN_ASG_SG的子类型并创建按照功能约束fc分类的三个FolderType对象，分别为DC、SG和CF，其转换结果如图6所示。

在每组中再创建成员对象，根据SCL模型CN_ASG_SG的定义在OPC_UA中名为CF对象的下创建minVal、maxVal、units、stepSize和sVC属性变量，其结果如图7所示，变量的类型需要根据type属性值从OPC_UA的基本数据类型和扩展出的数据类型中指定。

在所有的DOType都已经在OPC_UA地址空间中有了对应的类型后，再进行LNodeType类型的映射，CN_RFLO是用于故障定位的逻辑节点模板，其中包含了若干数据对象，其SCL文件内容如下：

转换时，在BaseObjectType下创建名为CN_RFLO对象后再创建Mod、Beh、Health、NamPlt……LinLenKm对象，每个对象的类型都可以根据成员的type属性值找到对应的类型，其结构如图8所示。其中LinLenKm对象的类型为上文已映射到OPC_UA地址空间的CN_ASG_SG类型。

在SCL数据类型模板映射到OPC_UA完成后就需要在OPC_UA地址空间中实例化对象，在Objects对象下创建以IED命名的对象和访问点AccessPoint对象，在AccessPoint下开始实例化逻辑设备。逻辑设备下创建的逻辑节点对象能从已创建的OPC_UA数据类型中选择对应的类型。

如下所示为SCL模型中IED部分精简后的SCL文件内容，其IED名称为TEMPLATE，其中包含访问点AccessPoint的名称为S1，其中包含了三个逻辑设备，其完整名称为TEMPLATELD0、TEMPLATEPROT和TEMPLATERCD，在逻辑设备TEMPLATEPROT中包含了若干逻辑节点，如LLN0、LPHD1、RFLO1等。其中RFLO1逻辑节点的lnType属性为CN_RFLO，该数据类型已经在OPC_UA地址空间中创建，利用HasTypeDefinition引用指定两者关系即可。SCL文件内容如下：

图9为SCL中IED部分内容映射到OPC_UA地址空间的示意图，OPC_UA地址空间中的Object对象通过HasComponent引用关系关联子Object对象，通过HasProperty引用关系关联其属性。OPC_UA中已创建逻辑节点对象中包含了所有类型定义中的变量成员，将SCL文件中所有的DOI和DAI的实例值指定给对应的变量即完成了OPC_UA地址空间的实例化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，导入并解析IEC61850 SCL模型，将SCL模型中DataTypeTemplates数据类型映射到OPC_UA中的数据类型；

步骤S2，将IEC61850 SCL模型中的IED实例化对象映射为OPC_UA中的数据对象，并作为节点添加到OPC_UA地址空间中；

步骤S3，在OPC_UA地址空间创建完成后，将IEC61850和OPC_UA的对应关系形成一张从IEC61850到OPC_UA的数据映射表，通过配置该数据映射表控制IEC61850到OPC_UA的数据转出。

2.根据权利要求1所述的IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，IEC61850 SCL模型中数据类型转换到OPC_UA数据类型的转换过程如下：

1)将SCL模型中的EnumType类型转换到OPC_UA中DataType枚举类型，保持枚举成员原有顺序不变，枚举类型名称为EnumType的id属性值，枚举成员名称为EnumVal的值；

2)将SCL模型中的DAType类型转换到OPC_UA中DataType结构体类型，结构体类型名称为DAType的id属性值；

3)将SCL模型中的DOType类型转换到OPC_UA中的ObjectType类型，类型名称为DOType的id属性值，将DOType中的成员按照功能约束FC分组，每个功能约束对应OPC_UA中的FolderType类型，在各FolderType下添加OPC_UA中的Variable对象并从DataType类型中指定对应的类型定义；

4)将SCL模型中的LNodeType类型转换到OPC_UA中的ObjectType类型，其中的DO成员转换为OPC_UA中的Object类型，根据其type属性从已创建的OPC_UA中ObjectType类型中指定对应的类型定义。

3.根据权利要求2所述的IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，在转换DAType类型时，如果DAType中存在type属性值为结构体的BDA成员，将该对象的类型转换为OPC_UA中的DataType结构体类型。

4.根据权利要求2所述的IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，在转换DOType类型时，如果DOType类型中包换SDO类型成员，则先将该成员所属的DOType类型转换为OPC_UA中ObjectType类型。

5.根据权利要求1所述的IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，在步骤S2中，从IEC61850到OPC_UA的实例化对象映射步骤如下：

1)将SCL模型中的IED对象映射到OPC_UA地址空间中BaseObjectType类型的Object对象，Object对象的名称为IED的name属性值，在该对象下通过HasProperty引用关系创建若干Variable，分别对应于IED的type/manufacturer/configVersion属性，desc属性值直接实例化到Object对象的Description属性中；

2)将SCL模型中的AccessPoint访问点映射到OPC_UA中的FolderType类型的Object对象，Object对象的名称为AccessPoint的name属性值；通过HasComponent引用方式添加LDevice映射到OPC_UA的BaseObjectType类型的Object对象，采用IED名称加上inst属性值的方式命名，将desc属性值直接实例化到Object对象的Description属性中；

3)将SCL模型中的LN0和LN映射到OPC_UA地址空间中BaseObjectType类型的Object对象，根据lnType的属性值从已创建的OPC_UA中ObjectType 中找到对应的类型，通过HasTypeDefinition引用关系关联，Object采用“prefix+lnClass+inst”的方式命名，通过HasProperty引用关系创建desc属性Variable并用SCL中对应的属性值初始化；

4)创建完逻辑节点对应的OPC_UA对象后，根据逻辑节点数据类型中的定义其包含的数据对象和数据属性都将自动创建，用SCL文件中DOI和DAI的值实例化OPC_UA中对应对象的初始值。

6.根据权利要求1所述的IEC61850和OPC_UA可配置的数据映射方法，其特征是，从SCL映射到OPC_UA的模型仍然按照树形结构保持数据之间的层次性。