智能电子设备面向对象的软件设计方法

范瑾，郭歌，牛利涛，兀鹏越，罗四倍（.西安邮电大学电子工程学院，西安7006；.平顶山工业职业技术学院计算机系，平顶山6700；.西安热工研究院有限公司，西安700；.河南科技大学农业工程学院，洛阳700）

智能电子设备面向对象的软件设计方法

范瑾1，郭歌2，牛利涛3，兀鹏越3，罗四倍4
（1.西安邮电大学电子工程学院，西安710061；2.平顶山工业职业技术学院计算机系，平顶山467001；3.西安热工研究院有限公司，西安710032；4.河南科技大学农业工程学院，洛阳471003）

为解决数据映射带来的智能电子设备软件复杂、低效和无法利用SCL文件对功能进行灵活组态的问题，基于IEC61850标准的面向对象思想，在信息源头采用面向对象设计；根据IED能力描述文件，构建智能电子设备对象；使用IED组态工具，导入IED实例配置文件，灵活配置IED运行需要的对象；当IED运行时，通过多个对象交互完成装置功能，进一步讨论了该方法在不同硬件平台上的适用性。最后，将该方法应用于间隔层保护测控IED的软件设计，达到IED功能软件与IEC61850面向对象信息模型无缝融合和可灵活组态的效果。关键词：智能变电站；IEC61850；智能电子设备；面向对象；软件设计

变电站自动化技术的发展是一个不断深化的数字化过程，其目标是实现变电站的智能化。目前，智能变电站已从试点逐步开始推广应用。IEC61850应用了一系列较为完善的技术[1]，可实现变电站内智能电子设备IED（intelligent electronic device）间的互操作，降低工程实施难度和成本，是智能变电站的核心技术之一。IEC61850采用自描述的面向对象建模方法，定义了标准化的面向对象的信息模型。IED信息模型是分层的结构化的类模型，以抽象的方式刻画了IED通信特征，使其可视和可访问，解决了数据的相互理解问题，是实现互操作性的基础之一[2-5]。

目前实际使用的传统IED一直采用二维表的机制进行数据管理，即将所有变电站信息分类，建立起测量、信号、保护事件、定值和压板等若干张关系型数据库表格[6-7]。IED的信息源头面向数据和点，但IED对外通信需要使用IEC61850面向对象的信息模型。因此，IED需要通过厂商私有的方法实现分类数据表到IEC61850面向对象模型的映射[6-7]，逻辑上相当于在装置内部进行了规约转换。数据映射工作往往需要人工干预，效率较低且错误排查困难。IEC61850标准只是对IED对外通信信息和方式进行了强制约束，并未规定装置内部实现功能的具体方式，允许厂家采用各种合适的方法来实现。

IEC61850规定变电站配置描述语言SCL（substation configuration description language）用于描述变电站自动化系统和各种IED配置，规范了4种类型SCL文件，其中包括IED能力描述文件ICD（IED capability description）和IED实例配置文件CID（configured IED description）。鉴于上述局限，传统IED无法利用这些配置文件对功能进行灵活组态，不能充分发挥SCL文件在工程实施中的作用。

本文提出智能电子设备面向对象的软件设计方法，在信息源头采用面向对象的设计，使IED功能软件与IEC61850面向对象信息模型无缝融合，不需要数据映射就能够利用SCL文件进行IED灵活组态，提高软件的可维护性。

图1 IED对象与IEC61850信息模型的关系Fig.1 Relationship between IED objects and IEC61850 information model

1 面向对象的软件设计方法

1.1 基本原理

根据IEC61850，IED能力描述文件ICD描述IED所能提供的IEC61850面向对象的信息模型及服务，是IED能力的最大化描述；可设计IED的全部对象；IED实例配置文件CID描述具体工程中应用的IED，使用ICD文件描述的全部或部分信息模型及服务，并加以实例化，得到IED运行时使用的全部对象。

IED对象与IEC61850信息模型的关系如图1所示。IED对象包括：①公有属性和行为，是IEC61850标准规定的与实现IED功能有关的属性和行为，对外完全可见；②厂家特定的私有属性和行为，对外完全不可见。IED对象将数据及操作方法封装在一起，多个对象交互完成装置的应用功能，对外只呈现公有属性和行为，并与其他IED通信，实现互操作。

图1中的重合区就是公有属性和行为，如何对其灵活高效地处理，是面向对象方法实现的关键之一。根据实际应用的需要，重合区可伸缩，如果令私有属性变为公有属性，就可以对外开放私有的信息，例如实现继电保护动作过程透明化等。

IEC61850面向对象信息模型采用树状结构，分为4个层级：服务器、逻辑设备、逻辑节点和数据（DATA），位于最低层级的DATA类又由若干数据属性组成[1]。为了提高执行效率，降低IED功能软件实现的复杂性，IED对象以逻辑节点和控制块为基本单位，直接由数据属性及相应的行为构成。

1.2 设计方法

面向对象的软件设计方法如图2所示，包括以下3个步骤。

步骤1根据ICD，以逻辑节点和控制块为基本单位，定义对象的数据类型。该数据类型封装IED的属性和行为，并声明IED的所有对象。

步骤2系统组态。使用可视化IED组态工具，导入IED实例配置文件，对IED运行需要的对象进行配置，自动生成规范化的对象组态接口文件。

步骤3 IED运行时，读取CID文件，生成IEC61850通信实时信息库，导入对象组态接口文件，动态创建并初始化配置的对象，使对象的公有属性与相应的IEC61850通信实时信息库关联起来，并按照配置的行为实现装置的各种功能。

1.3 硬件平台的适用性

IED的硬件平台分为多CPU结构和单CPU结构。多CPU硬件平台一般采用3个CPU，一个实现保护测控功能，一个实现IEC61850通信功能，另一个实现人机界面。多CPU间的数据交换可以采用以太网、高速串行总线和双端口RAM等。IED的硬件平台限制了其内部数据交换的方法和效率[7]。单CPU硬件平台具有一系列优点[8]，尤其对于成本敏感的中低电压等级的IED，采用单CPU结构较为合适。

上述面向对象的软件设计方法可直接应用于单CPU硬件平台。对于多CPU结构的硬件平台，只需稍作改变，该方法仍适用。按照每个CPU实现的功能，将单CPU情况下完成整个装置功能的IED对象分配到相应的CPU，使得每个CPU都具有完成自身功能的IED对象，即实现IEC61850倡导的功能自由分布。

图2 面向对象软件设计方法的实施步骤Fig.2 Steps ofobject oriented software design method

以线路保护测控装置为例设置IED对象：①主保护即纵联电流差动保护PDIF（differentialprotection）；②后备保护即距离保护PDIS（distance protection）和零序过流保护PTOC（time overcurrent protection）；③测控功能CSWI（switch controller）。这些IED对象既可以集中在单CPU上，也可以自由分布于多个CPU上，如主保护CPU、后备保护CPU和测控CPU。保护测控CPU与通信CPU之间数据交换方式较多，如以太网、高速串行总线和双端口RAM等。多CPU平台下面向对象的软件设计方法略有变化，实施步骤如下。

步骤1保护测控CPU和人机界面CPU的IED对象的公有属性采用变量，通信CPU的IED对象保留公有属性采用指针变量。鉴于处理器间的数据交换，增加其私有行为，采用统一的访问接口完成数据传输，屏蔽具体的数据交换方式。

步骤2根据每个CPU的IED对象的配置情况，生成各CPU所需的对象组态接口文件。

步骤3通信CPU的功能任务主要实现其与保护测控CPU和（或）人机界面CPU的数据交换。其数据交换功能如图3所示。公有属性初始值通过与通信CPU的数据交换得到。

图3 保护测控CPU和人机界面CPU的数据交换Fig.3 Data exchange for protection CPU and HMICPU

完成IED功能的IED对象以IEC61850标准为基础构建，在多CPU硬件平台中，IEC61850的功能自由分布特点得到了很好的体现。

2 应用实例

智能变电站的典型系统结构如图4所示，以单CPU结构的间隔层保护测控IED为例具体说明面向对象软件设计方法的实施过程。

1）定义对象数据类型实例

作为构建IED对象的基本单位，保护测控IED的逻辑节点既包括IEC61850-7-4定义的与保护、测量和控制功能有关的逻辑节点，也包括一些扩展的逻辑节点[9]；控制块除了包括IEC61850-7-2定义的报告控制块、日志控制块、GOOSE（generic objectoriented substation event）控制块和定值组控制块，还包括GOOSE报文接收控制块和采样值SV（sampled value）报文接收控制块。

IED对象的属性和行为包括：①IEC61850所规范的与保护、测量和控制功能有关的公有属性和行为，此公有属性只是IEC61850面向对象信息模型的部分内容；②该保护测控IED完成特定功能所必需的私有属性和行为。

数据结构类型的定义：公有属性采用指针变量，命名采用IEC61850标准化的名称；私有属性采用变量，命名尽量采用IEC61850标准化的名称。以上命名方式便于熟悉IEC61850的开发人员快速进行功能软件的开发。行为均采用函数指针变量，声明的对象均采用全局指针变量。

保护测控IED的保护跳闸条件逻辑节点PTRC（protection trip conditioning）的数据结构类型定义如表1所示。PTRC对象采用PTRC和*PTRC 2种方式。

图4 智能变电站的典型系统结构Fig.4 Typicalstructure ofsmartsubstation

2）系统组态实例

可视化IED组态工具一方面可导入CID文件，自动完成对象公有属性和行为的组态，另一方面提供友好的图形化界面和工程人员熟知的方式来完成对象私有属性和行为的组态，无需使用者懂得IEC61850标准和对象的具体定义，降低对使用者的技术要求。

对象组态接口文件以规范化的文本文件形式保存了保护测控IED对象的配置结果：使用哪些对象、对象的哪些属性和行为可用、对象的属性初始值是多少、对象的行为具体采用哪一种等。例如，若PTRC对象的相电流突变量启动元件行为可用，对象组态接口文件只需要采用简单的方式描述，即deltaI_Strtrue。

IED组态工具作为装置配置工具的一部分，既可以供研发人员使用，也可以供工程人员使用，结合IED实例配置文件完成IED的组态。

3）动态创建对象实例

可使用诸如mmslite等软件读取CID文件，生成IEC61850通信实时信息库。动态创建配置的对象是依据对象组态接口文件为配置的对象动态分配存储空间，并将该存储空间的起始地址赋给相应的表示对象的全局指针变量，未配置的对象其全局指针变量为空指针。例如，若配置了PTRC对象，则此时应为其动态分配存储空间，并将分配存储空间的起始地址赋给全局指针变量PTRC1。

初始化对象是依据对象组态接口文件给表示对象私有属性的变量赋初始值，给函数指针变量赋值以执行配置的行为。保护测控IED的对象属性与IEC61850通信实时信息库关联是依据对象组态接口文件把IEC61850通信实时信息库中数据存储地址赋给表示对象公有属性的指针变量。

以三段式电流保护功能为例，IED对象之间的相互关系以及工作过程如图5所示。报告和日志的管理、定值的操作、跳闸和重合闸报文的发布均严格遵循IEC61850-7-2。

图5 三段式电流保护功能的IED对象交互图Fig.5 Interaction diagram of IED objects of triple-segmentcurrentprotection

本文提出的面向对象的软件设计方法并不要求必须使用面向对象的编程语言，可使用C语言。与使用分类数据表进行数据映射的方法相比，本方法在空间和效率上更优。

应用本文方法，已开发了中低压线路保护测控IED的功能软件，并在基于PC机的智能变电站闭环仿真测试系统中进行了测试，如图6所示，结果表明保护测控功能和IEC61850通信功能均能够正确实现。下一步工作是在嵌入式平台上完成移植，满足保护测控IED的各项性能要求。IED若使用嵌入式实时操作系统RTOS，例如VxWorks，支持多任务处理和优先级抢占式调度，至少应包括保护测控功能和IEC61850通信两方面的任务，任务划分方法可参考文献[8，10]。

图6 智能变电站闭环仿真测试系统Fig.6 Closed-loop simulation testing system of smart substation

3 结语

本文提出了一种智能电子设备面向对象的软件设计方法，使IED功能软件与IEC61850面向对象信息模型无缝融合，不需要数据映射，易于实现IED功能的自由分布，软件可扩展性好，升级维护方便。不熟悉IEC61850标准的工程人员通过使用可视化IED组态工具也能够进行IED的灵活组态，有利于智能变电站工程实施效率的提高。

[1]IEC61850，Communication networks and systems in substations[S]．

[2]罗四倍，黄润长，崔琪，等（Luo Sibei，Huang Runchang，Cui Qi，et al）．基于IEC61850标准面向对象思想的IED建模（IED modeling based on object-oriented technology of IEC61850 standard）[J]．电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2009，37（17）：88-92，121．

[3]向珉江，高厚磊，史先好，等（Xiang Minjiang，Gao Houlei，Shi Xianhao，etal）．基于IEC61850标准的线路保护功能建模（Modeling of transmission line protection functions based on IEC61850 standard）[J]．电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2011，39（3）：127-131．

[4]牟龙华，石林，许旭锋，等（Mu Longhua，Shi Lin，Xu Xufeng，etal）．智能换流变压器在线监测系统的设计与建模（Designing and modeling of on-line monitoring system for smartconverter transformer）[J]．电力系统及其自动化学报（Proceedings ofthe CSU-EPSA），2013，25（1）：23-28.

[5]姚崇固，滕欢，袁龙，等（Yao Chonggu，Teng Huan，Yuan Long，et al）．IEC61850标准在馈线自动化中的应用（Application of IEC61850 standard in the feeder automation）[J]．电力系统及其自动化学报（Proceedings ofthe CSU-EPSA），2013，25（3）：147-151.

[6]陆岩，胡道徐，马文龙（Lu Yan，Hu Daoxu，Ma Wenlong）．IEC61850信息建模的反思与变通（Reconsideration and compromise of IEC61850 information modeling）[J]．电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2008，28（10）：68-70，95．

[7]赵安国，杨小铭，仇新宏（Zhao Anguo，Yang Xiaoming，Qiu Xinhong）．继电保护智能设备内部建模方法（Internalmodeling ofrelay protection IEDs）[J]．电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2009，37（22）：107-110．

[8]王海吉，王书强，刘海波，等（Wang Haiji，Wang Shuqiang，Liu Haibo，etal）．基于IEC61850标准开发数字变电站可编程的IED（Development of programmable IED for digital substation based on IEC61850 standard）[J]．继电器（Relay），2008，36（3）：37-41．

[9]Q/GDW396-2009，IEC61850工程继电保护应用模型[S]．

[10]周旭峰，窦晓波，郑建勇，等（Zhou Xufeng，Dou Xiaobo，Zheng Jianyong，etal）．基于VxWorks的数字化变电站保护监控装置软件设计（VxWorks based software design ofmonitoring device for microcomputer substation protection）[J]．江苏电机工程（Jiangsu Electrical Engineering），2009，28（1）：15-18．

Object Oriented Software Design Method of Intelligent Electronic Device

FAN Jin1，GUO Ge2，NIU Litao3，WU Pengyue3，LUO Sibei4
（1.SchoolofElectronic Engineering，Xi'an University ofPosts and Telecommunications，Xi'an 710061，China；2.Pingdingshan IndustrialCollege ofTechnology，Pingdingshan 467001，China；3.Xi'an ThermalPower Research Institute Co.Ltd.，Xi'an 710032，China；4.SchoolofAgricultural Engineering，Henan University ofScience&Technology，Luoyang 471003，China）

Data mapping method brings aboutthe complexity and low efficiency ofintelligentelectronic device（IED）software，and can not utilize SCL files to flexibly configure IED functions.In order to resolve this problem，the object oriented design based on the objectorientation of IEC61850 is adopted at the information source.According to IED capability description（ICD）file，IED objects are constructed；through importing configured IED description（CID）file，an IED configuration tool is used to flexibly configure the objects required for the IED running；when IED runs，multiple IED objects interactto implementthe device functions.And then，the applicability ofthis method under differentkinds ofhardware platforms is discussed.Finally，this method is applied to the software design ofbay protection and control IED，and the purposes ofmerging seamlessly the functionalsoftware of IED and the objectoriented information modelofIEC61850 and configuring flexible IED functions via SCL files are achieved.

smartsubstation；InternotionalElectrotechnicalCommission 61850（IEC61850）；intelligentelectronic device（IED）；objectoriented；softwaredesign

TM73

A

1003-8930（2015）03-0087-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.16

范瑾（1983—），女，硕士，讲师，研究方向为电磁场与电磁波、软件设计。Email：preetyfj@sina.com

2013-08-13；

2013-11-27

专利项目：一种数字化变电站智能电子设备面向对象的实现方法（ZL2010 0247359.0）

郭歌（1986—），女，本科，助教，研究方向为软件工程和软件开发。Email：bagegg718@163.com

牛利涛（1980—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力设备调试。Email：niulitao1980@126.com