基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法

摘要

本发明公开了一种基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法，步骤包括：预先对变电站层IED设备进行统一建模；将变电站所有IED设备的厂家初始模型文件导入；进行静态检查；生成所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件；当需要针对指定的站控层设备进行文件数据的下装时，针对指定的IED设备，采用对应的下载途径进行下装；当需要进行站控层设备数据库及图形文件的配置时，基于所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件，采用统一建模语言UML进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置。本发明能够降低各智能设备数据的核对工作，提高智调试、设计、运维效率，有效提升变电站的供电质量，具有通用性好、实用性强、使用方便的优点。

权利要求

1.一种基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法，其特征在于步骤包括：

1）预先基于IEC61850变电站通信体系协议将变电站分为变电站层、间隔层、过程层三个功能层，将变电站自动化系统的IED设备分别分配至所述三个功能层，过程层IED设备包括过程层接口设备以及传感单位，所述传感单位包括合并单元、智能终端以及在线监测设备，间隔层IED设备包括间隔内控制、保护和监视单元，变电站层IED设备包括配有数据库的站级计算机、操作员系统、远方通信接口，定义三个功能层IED设备之间的模型接口，使得各个功能层IED设备之间通过模型接口互联，基于IEC61850规范建立每一类IED设备的基础数据模型，每一类IED设备的基础数据模型为该类IED设备的不同制造厂商的数据模型的集合，将变电站每一类IED设备的基础数据模型存储至统一的数据库；

2）将变电站所有IED设备的厂家初始模型文件导入；

3）对变电站所有IED设备的厂家初始模型文件进行静态检查，对非标准的厂家初始模型文件及有严重错误的厂家初始模型文件进行修正和再次校核；

4）根据数据库中对应类IED设备的基础数据模型，对全变电站所有IED设备制作全站装置的IED设备名称IEDname，定义标准的访问点AccessPoint，间隔层或过程层地址、信息点描述、虚端子连接关系，完成全变电站所有IED设备的组态模型统一及数据统一配置工作，形成变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件；

5）当需要针对指定的站控层设备进行文件数据的下装时，针对指定的IED设备，采用该IED设备对应的下载途径进行文件数据的下装； 当需要进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置时，基于变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件，采用统一建模语言UML进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置。

2.根据权利要求1所述的基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法，其特征在于，所述步骤1）中三个功能层IED设备之间的模型接口包括：IF1模型接口，用于间隔层和变电站层之间保护及测控数据交换；IF2模型接口，用于间隔层保护与保护之间保护数据交换；IF3模型接口，用于间隔层内保护与测控数据交换；IF4模型接口，用于过程层和间隔层之间电压互感器PT和电流互感器CT瞬时数据交换；IF5模型接口，用于过程层与间隔层之间、间隔层和变电站层之间控制数据交换；IF6模型接口，用于变电站层内、变电站层与远方控制中心数据交换。

说明书

基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法

技术领域

[0001] 本发明涉及变电站自动化系统的智能设备组态技术，具体涉及一种基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法，用于将后台、远动和间隔层测控、保护等智能设备的组态软件融为一体，统一数据结构，统一建模，一套系统实现全站二次设备各种配置，满足变电站自动化系统的各种高级功能的应用。

背景技术

[0002] 变电站自动化系统智能设备的组态工具种类繁多，形式各异，无法实现站控层的后台（包含高级应用）、远动和间隔层测控、保护一体化组态，造成了许多重复工作。对于测控装置、保护装置、远动装置、监控后台、保信子站、故障录波器、合并单元、智能终端、智能辅助设备等二次设备，需要运用多种软件制作生成相应的组态文件并下装到对应的二次设备以及后台监控设备中以供其正常运转；部分相同或相似的配置（如四遥信息、五防逻辑等）因为是基于不同的软件制作生成，需要分别验证其正确性；各种二次设备的工程配置需要采用多种软件或执行多个命令分别备份和收集。由此可见，由于缺少一体化组态工具，目前现场工程调试人员进行工程配置、信息核对、工程备份、后期维护等工作都比较繁琐，工作量很大，进而会对经济效益产生很大影响。目前国内还没有一家企业能够实现一体化组态。站控层后台、远动和间隔层测控、保护使用不同的组态软件，它们相互独立，技术上百花齐放。同时，各种高级功能，比如数据库、图形、报表、五防逻辑自动生成、一键式备份、一键式校验和下装等功能无法实现，系统存在操作复杂等缺点。国外的电力同行大都侧重于保护技术的研究，对自动化技术的关注程度相对较低，对满足后台、远动、测控、保护等设备配置需求的综自系统统一组态技术的研究就涉及更少了。因此，如何实现基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够降低各智能设备数据的核对工作，提高智调试、设计、运维效率，有效提升变电站的供电质量，通用性好、实用性强、使用方便的基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0005] 一种基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法，其特征在于步骤包括：

[0006] 1）预先基于IEC61850变电站通信体系协议将变电站分为变电站层、间隔层、过程层三个功能层，将变电站自动化系统的IED设备分别分配至所述三个功能层，过程层IED设备包括过程层接口设备以及传感单位，所述传感单位包括合并单元、智能终端以及在线监测设备，间隔层IED设备包括间隔内控制、保护和监视单元，变电站层IED设备包括配有数据库的站级计算机、操作员系统、远方通信接口，定义三个功能层IED设备之间的模型接口，使得各个功能层IED设备之间通过模型接口互联，基于IEC61850规范建立每一类IED设备的基础数据模型，每一类IED设备的基础数据模型为该类IED设备的不同制造厂商的数据模型的集合，将变电站每一类IED设备的基础数据模型存储至统一的数据库；

[0007] 2）将变电站所有IED设备的厂家初始模型文件导入；

[0008] 3）对变电站所有IED设备的厂家初始模型文件进行静态检查，对非标准的厂家初始模型文件及有严重错误的厂家初始模型文件进行修正和再次校核；

[0009] 4）根据数据库中对应类IED设备的基础数据模型，对全变电站所有IED设备制作全站装置的IED设备名称IEDname，定义标准的访问点AccessPoint，间隔层或过程层地址、信息点描述、虚端子连接关系，完成全变电站所有IED设备的组态模型统一及数据统一配置工作，形成变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件；

[0010] 5）当需要针对指定的站控层设备进行文件数据的下装时，针对指定的IED设备，采用该IED设备对应的下载途径进行文件数据的下装； 当需要进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置时，基于变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件，采用统一建模语言UML进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置。

[0011] 所述步骤1）中三个功能层IED设备之间的模型接口包括：IF1模型接口，用于间隔层和变电站层之间保护及测控数据交换；IF2模型接口，用于间隔层保护与保护之间保护数据交换；IF3模型接口，用于间隔层内保护与测控数据交换；IF4模型接口，用于过程层和间隔层之间电压互感器PT和电流互感器CT瞬时数据交换；IF5模型接口，用于过程层与间隔层之间、间隔层和变电站层之间控制数据交换；IF6模型接口，用于变电站层内、变电站层与远方控制中心数据交换。

[0012] 本发明基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法具有下述优点：当前组态软件的型号多达上百种，经常由于配置不当导致各种问题频繁发生，比如与调度通信中断、保护死机、后台监控显示不完整等，给电力系统稳定运行带来很多安全隐患。本发明将后台、远动和间隔层测控、保护等智能设备的组态软件融为一体，统一数据结构，统一建模，一套系统实现全站二次设备各种配置，满足各种高级功能的应用，全站智能设备一个数据库，既统一了标准，又降低了各智能设备数据的核对工作，能够降低各智能设备数据的核对工作，提高智调试、设计、运维效率，有效提升变电站的供电质量，本发明是变电站自动化系统进一步深化和发展的产物，可作为智能变电站自动化技术工具软件的一部分，成为变电站调试过程中重要的技术支撑，本发明的意义突出表现在为变电站综合自动化系统调试提高工作效率，节省公司成本，提高变电站自动化系统的可靠性、稳定性和可操作性，本发明变电站自动化系统一体化组态的实现与应用，最终将后台（包含高级应用）、远动和间隔层测控、保护的组态软件融为一体，利用一套系统便可实现全站二次设备的配置。

附图说明

[0013] 图1为本发明实施例的变电站网络拓扑结构示意图。

[0014] 图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

[0015] 图3为本发明实施例中的变电站分层结构示意图。

[0016] 图4为本发明实施例中某测控装置的模型文件定义示意图。

[0017] 图5为本发明实施例中对IED设备的操作结构示意图。

[0018] 图6为本发明实施例中对不同IED设备的兼容性原理示意图。

具体实施方式

[0019] 下文将以图1所示变电站网络拓扑结构为例，对本发明基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法进行进一步说明。参见图1，本实施例中的变电站网络拓扑结构包括调度中心（PC）、中间结点Sink和端结点Node_IDx，所有中间结点Sink通过局域网（TCP/IP协议）连接到调度中心（PC），且每一个中间结点Sink基于IEEE802.15.4协议连接有一共32个端结点Node_ID0～Node_ID31，从而形成图1所示变电站网络拓扑结构。

[0020] 如图2所示，本实施例基于变电站统一建模的综合智能网关机组态方法的步骤包括：

[0021] 1）预先基于IEC61850变电站通信体系协议将变电站分为变电站层、间隔层、过程层三个功能层，将变电站自动化系统的IED设备分别分配至三个功能层，过程层IED设备包括过程层接口设备以及传感单位，传感单位包括合并单元、智能终端以及在线监测设备，间隔层IED设备包括间隔内控制、保护和监视单元，变电站层IED设备包括配有数据库的站级计算机、操作员系统、远方通信接口，定义三个功能层IED设备之间的模型接口，使得各个功能层IED设备之间通过模型接口互联，基于IEC61850规范建立每一类IED设备的基础数据模型，每一类IED设备的基础数据模型为该类IED设备的不同制造厂商的数据模型的集合，将变电站每一类IED设备的基础数据模型存储至统一的数据库；

[0022] 2）将变电站所有IED设备的厂家初始模型文件导入；

[0023] 3）对变电站所有IED设备的厂家初始模型文件进行静态检查（NsSclCheck静态检查），对非标准的厂家初始模型文件及有严重错误的厂家初始模型文件进行修正和再次校核；

[0024] 4）根据数据库中对应类IED设备的基础数据模型，对全变电站所有IED设备制作全站装置的IED设备名称IEDname，定义标准的访问点AccessPoint，间隔层或过程层地址、信息点描述、虚端子连接关系，完成全变电站所有IED设备的组态模型统一及数据统一配置工作，形成变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件；

[0025] 5）当需要针对指定的站控层设备进行文件数据的下装时，针对指定的IED设备，采用该IED设备对应的下载途径进行文件数据的下装； 当需要进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置时，基于变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件，采用统一建模语言UML进行站控层设备所需数据库及图形文件的配置。

[0026] 变电站综合自动化系统构成具有复杂性和多样性。变电站自动化系统的IED设备有监控后台、综合智能网关机、测控装置、保护装置、录波装置、网络分析仪等，这些IED设备由不同厂家生产，遵守的模型规范没有统一的标准，势必给变电站综合自动化系统的集成带来很大的麻烦。为了更好的集成变电站综合自动化系统中的IED设备，在互联过程中减少或避免模型转换工作，需要建立这些IED设备都遵守的统一模型，本实施例中本周1）基于IEC61850规范建立每一类IED设备的基础数据模型，每一类IED设备的基础数据模型为该类IED设备的不同制造厂商的数据模型的集合，将变电站每一类IED设备的基础数据模型存储至统一的数据库，能够有效降低各智能设备之间的互联互操作的技术难度，从而确保系统的稳定可靠运行。如图3所示，其中变电站层包括功能A、功能B等，间隔层包括各个保护装置、控制装置等，过程层则包括过程接口、传感器和执行元件等。本实施例将后台、远动和间隔层测控、保护等IED设备的组态软件融为一体，统一数据结构，统一建模，一套系统实现全站二次设备各种配置，满足后台各种高级功能的应用。全站IED设备使用同一个数据库，既统一了标准，又降低了各IED设备的数据核对工作。

[0027] 本实施例中，步骤1）中三个功能层之间的模型接口包括：IF1模型接口，用于间隔层和变电站层之间保护及测控数据交换；IF2模型接口，用于间隔层保护与保护之间保护数据交换；IF3模型接口，用于间隔层内保护与测控数据交换；IF4模型接口，用于过程层和间隔层之间电压互感器PT和电流互感器CT瞬时数据交换；IF5模型接口，用于过程层与间隔层之间、间隔层和变电站层之间控制数据交换；IF6模型接口，用于变电站层内、变电站层与远方控制中心数据交换。基于上述在IEC61850基础上统一建模的模型接口的定义，定义了大多数公共实际设备和设备组件。这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，很好的解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。

[0028] 本实施例的实现具体是指一体化组态工具的形式实现的，其操作界面为组态界面所见到的内容为服务器监控系统的内容，工具精巧但保持了原有的功能而大大提高了监控系统的灵活性、便携性等。各设备厂家提供标准模型文件（基于IEC61850规范），定义标准的AccessPoint访问点，每个标准的访问点如S1树形结构下，模型文件要定义出标准逻辑设备。如图4所示，某测控装置应该包含有测量MEAS、控制信号CTRL、计量METR等逻辑设备LD，保护装置应该包含有保护信息PROT、录波信息RCD等逻辑设备LD，并且每个LD下定义标准的逻辑节点原件，也就是标准的LN，如测控装置CTRL下应包含有具备该功能的所有逻辑节点，如开关节点CBCSWI，刀闸节点QG1CSWI等，保护PROT下应包含如线路保护的基本保护功能接地距离I段PDIF1、接地距离II段PDIF2等。在每个LN节点下，定义该逻辑节点的模式、类型、描述、定值等。这样就可以在底层能够实现标准化，从而实现接口的数字化、标准化。引入标准化检测机制，可以通过NsSclCheck静态检查，配合XML Spy手动检查等方法，来对模型文件的文件版本、模型文件语法、LD、LN、DO、BDA、DA、Enum规范性检查、完整性检查、虚端子检查、实例化检查、国网规范性检查、描述规范性检查、域名空间检查、LD、LN、DOI的描述属性检查，数据集的DOI描述检查、测量量的测量参数检查、控制信息的控制参数检查、动态检查等。

[0029] 和变电站自动化系统的组态工具类似，本实施例一体化组态工具对各个IED设备（IED1～IEDn）的操作主要包含了文件数据的下装和数据库及图形文件的配置两方面，数据库及图形文件的配置是在离线设置并下装到装置参数后重新启动方可生效；文件数据下装的在线设置、改变不会影响系统的运行，系统参数决定了IED设备的协调工作，包括变电站自动化系统的内部结构和过程对其技术限制和可用组件的关系。如图5所示，本实施例中在形成变电站所有IED设备共用的统一数据结构的SCD/SSD工程文件以后，对各个IED设备（IED1～IEDn）的操作既可以直接以本实施例的一体化组态工具为用户界面、以具体IED设备（IED2，IEDn）的配置工具（配置工具2～配置工具n）为桥梁实现对IED设备（IED2，IEDn）的间接操作，此外也可以直接以本实施例的一体化组态工具为用户界面实现对IED设备（IED1）的直接操作。但是，无论如何，各个IED设备（IED1～IEDn）的系统参数必须是一致性的，过程参数描述了过程环境和变电站自动化系统（SAS）的信息交换，功能参数描述了被用户所采用的功能的质量和质量特征。IEC61850要求配置工具只是能够相互交换系统运行参数和配置参数，所以通过实现基于统一建模的技术，可以规避不同装置和不同制造厂商的不兼容性。

[0030] 为实现变电站智能装置的互联互通，各IED设备（智能电子设备）的制造厂商用各自专用配置SCD文件的组态小工具实现变电站自动化装置组态配置。随着IEC61850标准在变电站自动化系统中的推广，迫切需要基于统一模型的组态工具。变电站综合自动化系统存在自动化、保护信息子站、一次设备在线监测、保护装置、测控装置等来自不同厂家、不同通讯结构层的多套系统。这些系统都采集变电站的实时数据，但采集的数据结构和内容有所差别，各装置为实现各种功能的配置信息更是大不一样。因此，将所有装置的各种组态统一到一种组态软件中，减少现场工作量有着很大的意义。由于智能化变电站采用IEC61850标准作为配置的唯一规范，因此，研究出的基于统一模型的组态工具，可以对各厂家、各层设备的数据存储、检索接口、代码封装等方面制定出统一的组态方案和数据结构，消除因厂家不同、层级不同、数据管理模式不同等方面的因素而带来的不兼容性。

[0031] 目前智能变电站的装置所需的配置文件及相关参数等都依附于其CID文件及组态相关参数，因此本实施例一体化组态工具的基本功能涵盖了所有装置配置文件的数据源，只需要通过某种特定方式进行数据导出，对应每种型号的设备，组态工具可以嵌入用于生成不同装置配置文件及数据参数的模块。如果将生成装置的配置文件及相关参数的工作定义为“生产”，那么将这些“生产”工作可以统一的集中在基于统一模型的组套工具中来实现，可以大大提高效率，提高“产量”。

[0032] 如图6所示，以装置A/装置B和装置C三个IED设备为例，本实施例一体化组态工具通过“生成模块1”可以生成装置A所需要的文件X及文件Y，同样本实施例一体化组态工具通过“生成模块2”可以生成装置B所需要的文件M及文件N，通过“生成模块3”可以生成装置C所需要的文件O及文件P。接下来装置文件的下装也可以理解为是“输出”的一个环节。“输出”的物理方式主要基于电口及串口，网关机完全具备该要求，重点需要统一归口的是下装的方式及规约。为了保证文件的完整性和正确性，同样在组态工具中兼容不同装置所对应的下装模块，利用下装模块调用所需的配置文件及相关参数，每种下装模块自动匹配相应的传输规约，进行装置文件的下装。如图6所示，装置A所需的配置文件X和Y，通过“下装模块1”调用文件X和Y，“下装模块1”匹配的传出规约为标准IEC103协议，通过“下装模块1”将X和Y文件下载到装置A，进行相应功能实现；同样，通过“下装模块2”调用文件M和N，“下装模块2”匹配的传出规约为FTP协议，通过“下装模块2”将X和Y文件成功下装到装置B；通过“下装模块3”调用文件O和P，“下装模块3”匹配的传出规约为FTP协议，通过“下装模块3”将O和P文件成功下装到装置C。这样本实施例一体化组态工具可以实现不同装置所需文件参数的兼容。以智能变电站继电保护装置举例，每个厂家的设备所需的配置文件不一，包括数据结构，文件语言等等。每个厂家由各自的管理工具进行配置文件的生成以及下装，总体考虑可以看出这样工作繁琐且效率不高。因此本实施例一体化组态工具的兼容性的实现主要就体现在两方面，在保证装置配置文件客观真实性的基础上，一是兼容了生成任何一个IED设备的配置文件及相关参数，二是统一了下装各型号IED设备的传输规约及方式。

[0033] 由于目前变电站自动化系统组态工具种类繁多，因此要求本实施例一体化组态工具的一体化组态具有良好的对上和对下的兼容性，传统组态使用的功能在一体化组态里也能正常使用。本实施例中，针对可扩展性：要求本实施例一体化组态工具对外提供统一的接口API，如果调试需求发生变化，在程序主结构不变的情况下，新的功能可以很方便的加入到系统中去；针对可移植性：本实施例一体化组态工具一体化组态不光在WINDOWS XP上运行，也支持WINDOWS V7、V8等系统，要求系统稳定、高效、操作简单；针对高级功能：通过本实施例一体化组态工具实现图模一体化高级功能，基于全站唯一的文件自动生成标准图形及数据，统一了变电站及主站系统的图库信息，提高了调试效率。一体化组态工具在统一数据结构和模型后可以根据任务的不同有选择的对单个系统进行备份，也可以一键完成全站所有的备份，还具备一键式校验、一键式下装的功能，方便快捷，极大提高了现场调试的效率，同时对综自系统备份管理的规范化也有一定的指导意义。

[0034] 由于国内尚未见到对建模工具开发经验的介绍，因此选择相对简单的、开发周期短的工具，主要目的是验证设计方案和积累经验。IEC61850模型是面向对象的树型模型。对于这种模型结构，XML中的element类型通常对应对象content,attribute，PCDATA则对应对象的属性。这种模型用面向对象数据库存储比较合适。也可以把XML模型看成一系列彼此关联的表格，显式或隐式地映射成关系数据库的表结构，这种方式简单易用但灵活性不够好。因此可以根据ICD文件上做好文章。ICD文件基于可扩展置标语言(XML)，XML被设计用于存储和传送数据，由于以文件的方式存储数据有诸多缺点，因此XML与数据库的结合是必要的，而且XML在很多领域中都与数据库相结合应用。如果借助于数据库技术，把模型相关文件的信息都录入数据库，再根据需要提取数据库信息，自动生成相应的文件，可达到自动生成和信息复用的目的。而且，数据一经录入数据库，是可以比较方便地导入其他同类型数据库的，无需担心升级时丢失以前录入的大量数据。

[0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。