摘 要:基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)分析,本文闡述了IEC 61850協(xié)議的工作原理、建模方法和報(bào)文性能需求,介紹了在工業(yè)以太網(wǎng)中應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的通信機(jī)制,探討了在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中引入RTPS模型的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞:IEC61850; 以太網(wǎng); RTPS
1 引言
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和規(guī)模的擴(kuò)大加速了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用?;赥CP/IP技術(shù)改造后的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、通用性和開放性的特點(diǎn)和高傳輸率、大容量的優(yōu)勢(shì)是Lon Works現(xiàn)場(chǎng)總線和CAN總線技術(shù)無(wú)法比擬的。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和規(guī)模的擴(kuò)大以及變電站自動(dòng)化技術(shù)向高壓、超高壓變電站系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)大大加速了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用。IEC 61850協(xié)議是國(guó)際電工委員會(huì)提出的未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的通信標(biāo)準(zhǔn)體系,它在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用研究將對(duì)變電站自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。
2 基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)分析
2.1 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層
以太網(wǎng)在技術(shù)和市場(chǎng)上已處于主流地位,而且隨著快速以太網(wǎng)、G比特以太網(wǎng)技術(shù)的逐步成熟,對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用而言,網(wǎng)絡(luò)帶寬已不再是制約因素,由沖撞引起的傳輸延時(shí)隨機(jī)性問(wèn)題已淡化[1]。工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的交換式局域網(wǎng),它使用CAMA/CD協(xié)議作為介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC和物理層的規(guī)范。數(shù)據(jù)傳輸具有“先偵聽、后檢測(cè)、最后隨機(jī)重發(fā)”的特點(diǎn),于是曾有觀點(diǎn)認(rèn)為因以太網(wǎng)對(duì)“實(shí)時(shí)”信息傳輸造成延遲的隨機(jī)性無(wú)法預(yù)測(cè),不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需要。為此,美國(guó)電力科學(xué)院(EPRI)對(duì)以太網(wǎng)和12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)絡(luò)做了性能比較測(cè)試,研究結(jié)果表明l0M交換式以太網(wǎng)完全能夠滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信 “實(shí)時(shí)”性的要求,并且快于12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)絡(luò)。
2.2 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層
選擇事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議作為站內(nèi)智能電子設(shè)備(IED Intelligent Equipment Device)的高層接口,使站內(nèi)IED的數(shù)據(jù)收發(fā)都能以TCP/IP方式進(jìn)行,以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式保證站內(nèi)IED具有良好的互操作性。這樣,監(jiān)控主站或遠(yuǎn)方調(diào)度中心采用 TCP/IP協(xié)議就可以通過(guò)廣域網(wǎng),甚至Internet獲得變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)。
3 IEC 61850的工作原理
3.1 IEC 61850協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)
IEC 61850協(xié)議是未來(lái)無(wú)縫遠(yuǎn)動(dòng)通信體系的基礎(chǔ),更是未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),具有突出的優(yōu)點(diǎn):(1)使用面向?qū)ο蟮腢ML統(tǒng)一建模技術(shù);(2)采用分布、分層的結(jié)構(gòu)體系;(3)使用抽象通信服務(wù)接口(ACSI Abstract Communication Service Interface)和特殊通信服務(wù)映射SCSM(Specific Communication Service Mapping)技術(shù),把通信服務(wù)要求和具體的通信協(xié)議分離開,有利于適應(yīng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展;(4)抽象建模與具體實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立性,服務(wù)與通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立,適用于TCP.和OSI等多種傳送協(xié)議;(5)可以實(shí)現(xiàn)智能電子設(shè)備間的互操作性;(6)基于XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站配置描述語(yǔ)言SCL (Substation Configuration description Language);(7)數(shù)據(jù)和服務(wù)具有自描述性,便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。
3.2 工作原理
IEC 61850基于客戶/服務(wù)器模式工作。將實(shí)際設(shè)備按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模為數(shù)據(jù)對(duì)象和服務(wù),以ACSI體現(xiàn)出來(lái)??蛻舳税l(fā)出服務(wù)請(qǐng)求,接收已在服務(wù)器中處理過(guò)的服務(wù)確認(rèn);客戶端也可從服務(wù)器接收?qǐng)?bào)告,全部服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)由通信協(xié)議棧進(jìn)行通信[2]。工作原理框圖見圖1
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圖1 應(yīng)用層信息交互原理框圖[/align]
IEC 61850在設(shè)備間交換信息有兩種機(jī)制:推入機(jī)制和查詢機(jī)制。設(shè)定值或操作采用“推入機(jī)制”,在增強(qiáng)模型的情況下采用事件主動(dòng)報(bào)告方式,用名字從一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中選擇“讀”值。通信系統(tǒng)提供手段防止在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的單個(gè)計(jì)算機(jī)和任何設(shè)備連接以及觀察和修改任何設(shè)備的全部信息。有多種訪問(wèn)方式限制設(shè)備或設(shè)備特定數(shù)據(jù)的“可視性”,操作員不得改變特定的設(shè)置。
3.3 基于IEC 61850協(xié)議的數(shù)據(jù)和服務(wù)建模
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蠼<夹g(shù)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型對(duì)變電站內(nèi)各IED建模[3]。每個(gè)IED包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器,每個(gè)服務(wù)器本身又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn),邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)對(duì)象。邏輯節(jié)點(diǎn)是一個(gè)由數(shù)據(jù)和方法組成的對(duì)象,是一最小可被調(diào)用的子功能,是同其它特殊的邏輯實(shí)體相互交換數(shù)據(jù)的最小邏輯實(shí)體。數(shù)據(jù)對(duì)象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實(shí)例。從通信角度而言IED同時(shí)也扮演客戶端的角色,任何一個(gè)客戶端可通過(guò) ACSI和服務(wù)器通信可訪問(wèn)數(shù)據(jù)對(duì)象,如圖2所示。
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圖2 數(shù)據(jù)模型分層結(jié)構(gòu)[/align]
ACSI提供了系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象和服務(wù)對(duì)象,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和服務(wù)獨(dú)立的建模方式,建立了標(biāo)準(zhǔn)兼容服務(wù)器所必須提供的通信服務(wù)的模型,包括服務(wù)器模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點(diǎn)模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型。客戶端通過(guò)ACSI,由專用通信服務(wù)映射SCSM映射到所采用的具體通信協(xié)議棧,如制造報(bào)文規(guī)范(MMS Manufacturing Message Specification)等,較好地解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾,即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生變化時(shí)只需改動(dòng)SCSM。
4 IEC 61850報(bào)文性能要求
PICOM (Piece of Information for Communication)是對(duì)在2個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)確定的邏輯路徑進(jìn)行傳輸,且?guī)в写_定的通信屬性的交換數(shù)據(jù)的描述[4]。PICOM可分為7種報(bào)文類型,它們的屬性范圍由性能級(jí)構(gòu)成 。
總傳輸時(shí)間,即為報(bào)文的全部傳輸時(shí)間,包括兩端所需的處理時(shí)間。由發(fā)送端將數(shù)據(jù)內(nèi)容放到傳輸棧頂部的瞬間開始計(jì)數(shù),直到接收端由傳輸棧取出數(shù)據(jù)的瞬間為止。
快速報(bào)文:這類報(bào)文典型地包含數(shù)據(jù)、命令或單一報(bào)文的簡(jiǎn)單二進(jìn)制代碼。例如,“跳 閘”、“合閘”,重合命令,“啟動(dòng)”、“停止”、“閉鎖”和“解鎖”等。其中“跳閘”是最重要的快速報(bào)文,對(duì)性能級(jí)Pl,總傳輸時(shí)間應(yīng)為半個(gè)周期序列,定為10ms;對(duì)性能級(jí)P2/3,
總傳輸時(shí)間應(yīng)小于1/4周期序列,定為3ms。,其它快速報(bào)文對(duì)性能級(jí)P1,總傳輸時(shí)間應(yīng)小于或等于100ms;對(duì)性能級(jí)P2/3,總傳輸 時(shí)間應(yīng)為1個(gè)周期,定為20ms。
中速報(bào)文:發(fā)生時(shí)間重要,但傳輸時(shí)間卻無(wú)關(guān)緊要。這類報(bào)文有自己的時(shí)鐘,含有發(fā)送機(jī)設(shè)定的時(shí)標(biāo),接收機(jī)將在一定的內(nèi)部時(shí)間延遲后正常反應(yīng),然后按時(shí)標(biāo)給出的時(shí)間來(lái)進(jìn)行計(jì)算,總傳輸時(shí)間應(yīng)小于100ms。通常的狀態(tài)信息屬于此類報(bào)文。
低速報(bào)文:可能需要時(shí)間標(biāo)志,一般用于低速自動(dòng)控制、事件記錄傳輸、讀寫設(shè)定值和系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述等??倐鬏敃r(shí)間應(yīng)小于500ms。
生數(shù)據(jù)報(bào)文:如數(shù)字式變送器和數(shù)字式儀用互感器的輸出數(shù)據(jù)。它包括IED輸出的連續(xù)同步數(shù)據(jù)流,并交叉有其它IED的數(shù)據(jù)??倐鬏敃r(shí)間控制在10ms內(nèi)。
文件傳輸報(bào)文:此類報(bào)文用來(lái)傳輸大型記錄數(shù)據(jù)文件,一般應(yīng)分為有限長(zhǎng)度的報(bào)文塊,以便網(wǎng)絡(luò)傳輸和使用。文件類型PICOM一般大于或等于512bit,傳輸時(shí)間沒(méi)有規(guī)定限制一般要求大于或等于1000ms。
時(shí)間同步報(bào)文:同步于IED的內(nèi)部時(shí)鐘,按照用途如事件時(shí)間標(biāo)記或生數(shù)據(jù)的采樣精度等需要不同級(jí)的時(shí)間同步。
具有訪問(wèn)控制的命令報(bào)文:此命令可由當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)方的人機(jī)會(huì)話借口HMI發(fā)出,需要較高的安全性,必須帶有口令和查證過(guò)程。
5 RTPS模型設(shè)計(jì)
Publisher/Subscriber模型是一種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布式模型,現(xiàn)已經(jīng)在分布式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,如Web數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)管理等,具有信息與設(shè)備地址無(wú)關(guān)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸和事件驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[5]。實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間有一個(gè)定量的要求,即所傳數(shù)據(jù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傳送到目的地,否則就會(huì)造成系統(tǒng)出錯(cuò)和功能失敗.另外,無(wú)連接模式可靠性不強(qiáng),有必要在數(shù)據(jù)流中引入控制機(jī)制,以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸.RTPS模型(實(shí)時(shí)Publisher/Subscriber模型)由此產(chǎn)生,見圖3。
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圖3 RTPS模型[/align]
RTPS模型運(yùn)行在支持多線程優(yōu)先級(jí)處理的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下。Publisher輸出端引入{SqNum,hTime,RtNum}三個(gè)參數(shù),分別表示數(shù)據(jù)序列號(hào)、數(shù)據(jù)存活時(shí)間和重傳計(jì)數(shù)器;Subscriber輸入端引入超時(shí)時(shí)間TimeOut和數(shù)據(jù)序列號(hào)檢驗(yàn)。Publisher發(fā)布信息后信息重傳間隔時(shí)間為t=4+(1,n)R-1 2≤n≤9。式中R為重傳次數(shù)。按遞減頻率重發(fā)數(shù)據(jù),直到時(shí)間t大于hTime,同時(shí),Subscriber按順序接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序列號(hào)混亂或出錯(cuò),則立即啟動(dòng)查詢功能,并向Publisher端查詢未收到的數(shù)據(jù)序列,并返回響應(yīng)。
具體設(shè)計(jì)RTPS模型時(shí)必須注意以下幾點(diǎn):
?。?)利用多線程機(jī)制處理好線程優(yōu)先級(jí)和共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn),提高系統(tǒng)本身的性能和服務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能;
(2)合理設(shè)計(jì)和管理緩沖區(qū)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)輸入和輸出流緩沖區(qū)的兩個(gè)緩沖通道并行運(yùn)作且互不影響;
?。?)根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際內(nèi)存大小合理分配記錄緩沖區(qū)空間;
?。?)科學(xué)設(shè)計(jì)事件驅(qū)動(dòng)模塊,實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效地收集和發(fā)布數(shù)據(jù);
(5)不斷優(yōu)化模型設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)內(nèi)存、CPU資源的最佳利用。
6 結(jié)束語(yǔ):
工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向,我們應(yīng)充分利用信息網(wǎng)絡(luò)新老技術(shù)完善以太網(wǎng)的功能。IEC61850是變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用研究的主要方向,它在工業(yè)以太網(wǎng)中的深入應(yīng)用研究必將大大推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。
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