IEC61850扩展应用方法

额尔德木吐 汪巨森 肖政

摘 要：当代信息化和自动化项目面臨不同专业领域之间的资源共享和互操作等难题，IEC61850系列标准处理这方面问题具有独特的优势，掌握和采用IEC61850建模和信息通信技术实现标准覆盖范围之外的扩展应用，对实现装置、项目和系统的全生命周期管理，以及同类技术可无缝重用、消除信息壁垒、实现互操作具有重要的现实意义。

关键词：互操作;资源共享;全生命周期管理;通信接口;业务模型;智能系统

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）04-00-06

0 引 言

在信息技术和自动化技术快速发展形势下，在国家的大力推动下，诸如智能楼宇、智慧园区、智慧城市、智慧工场等涉及多个专业的综合性项目需求越来越多，信息深度融合的趋势愈发明显。

在涉及多个不同专业信息融合应用的过程中，原本各自自成体系的应用系统出现了互操作的需求，作为系统提供商，如何提高系统效率、充分共享资源、减少开发和维护成本，成为当今产业界研究的热点。

IEC61850系列标准是以解决电网智能设备之间互操作问题为目的的国际标准，在电网系统之外掌握和扩展应用IEC61850系列标准方法同样具有现实意义。

1 当前的问题

从当前智能电网、智能楼宇、智慧园区、智慧城市、智慧工场等项目的实施情况看，在实现互操作和信息的融合过程中，不同标准之间进行适应的代价凸显，主要表现为需要花费大量人力物力进行规约转换和数据接口转换;另一方面，资源浪费的现象十分严重，表现为各专业都独自开发，数据共享能力差、信息壁垒，缺乏分工协作的纽带，导致软硬件及数据无法共用、无法统一部署等问题。随着项目的建设和发展，系统的可维护性、可操作性及实施成本都面临严峻挑战。

作为技术和产品供应商，如果不及时注意调整产品设计及开发思路，会给产品推广带来不同程度的障碍。作为项目设计单位，若不能有效约束供应商的行为，很难保证设计性能与装备及系统制造商提供的性能一致，项目维护方面、使用方面都面临极大的维护工作量和管理难度。

由此可见，实现装置、项目和系统的全生命周期管理，实现同类技术可无缝重用、消除信息壁垒、实现统一标准下的互操作是当务之急。

2 解决方法及措施

从技术实现过程和原理角度分析，不同领域的自动化和信息化产业在技术实现过程和原理上存在诸多共性，这为实现技术可无缝重用、资源共享提供了条件，这些共性往往是平台级别的，若实现平台和业务去除耦合，即可以实现平台级别的资源共享。在未出台正式的技术规范标准之前，选择这方面相对完善的领域标准进行扩展应用是较好的解决方法。

电力自动化和信息化系统作为整个自动化和信息化产业的一个分支，在实现装置、项目和系统的全生命周期管理，以及同类技术可无缝重用、消除信息壁垒、实现互操作等方面有较早的实施经验和技术优势，其中最有代表性的是IEC61850系列标准。

自从国际电工委员会TC57在2004年制定并颁布第一版IEC61850标准以来，IEC61850建模技术和通信技术在数字化变电站和智能站得到了大量应用。IEC61850系列标准的特点是：采用配置语言，在信息源定义数据和数据属性;采用对象建模技术，面向设备建模和自我描述以适应应用功能的需要和发展，满足应用开放互操作性要求;根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息和其他信息传输要求的服务模型;采用抽象通信服务接口并可映射到具体的网络协议栈;定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能;快速传输变化值;数字化传输采样测量值等。IEC61850系列标准还提出了变电站通信网络和系统的总体要求，制订了系统、项目管理规范和一致性测试规范，IEC61850标准体系为装置、项目和系统实现全生命周期管理提供了技术手段。

因IEC61850标准具有极强的兼容性，TC57在IEC61850正式版发布之后相继制订了IEC61850-7-4x，IEC61850-80和IEC61850-90等系列扩展应用标准，原来的《变电站通信网络和系统》系列标准正发展推广应用到配电自动化、分布式能源、电动汽车、水电厂、广域网、Web应用、网络工程、主站系统和子站系统等领域。IEC61850标准组织“一个世界一个技术”的理念有助于解决自动化和信息化系统中的技术重用性差、信息壁垒、互操作困难等问题。

下面从IEC61850系列标准对项目和系统产生作用的原理出发，结合当前现实项目需求，通过举例说明利用IEC61850系列标准技术实现在当前IEC61850标准覆盖范围之外领域扩展应用的可行性和带来的好处。

2.1 基本原理

从智能设备和系统设计、开发及使用角度看，IEC61850标准作用于智能设备和系统的一般过程是：按照IEC61850 建模规则构建智能电子设备（IED）模型（icd文件），进而通过配置工具构建系统模型（scd文件），智能电子设备运行时加载经配置好的模型文件（cid文件），并与一种与平台无关的统一的IEC61850服务内核关联，生成智能电子设备数据交互引擎和对外信息通信功能，智能电子设备通过数据交互引擎与设备本地功能模块进行信息交互，通过对外信息通信功能与系统内的其他设备或主站进行信息交互。智能系统运行时通过一种与平台无关的IEC61850系统内核实现与系统内设备的通信，智能系统建立系统数据的方式可以是加载scd模型或者通过通信获取设备信息建立，智能系统还可通过IEC61850系统内核与系统数据进一步生成系统功能引擎，从而实现整个系统的自动化。设备与设备之间、设备与系统之间通过通信功能携带操作语义和数据完成互操作。

对于IEC61850标准模型模版尚未覆盖的领域，若采用IEC61850方式进行建模，上述方法仍然适用。

在智能电子设备命名空间（IEDstruct）情形下，IEC61850对智能电子设备建模的方式是：把一个物理设备划分为一个或多个功能相对独立的逻辑设备（LD），每个LD由若干具有特定功能的逻辑节点（LN）构成，每个LD通常包含两个缺省的逻辑节点，一个是带有公共属性的逻辑节点零（LLN0），一个是物理装置信息逻辑节点（LPHD），此外便是专用逻辑节点。所有逻辑节点的建模原则都是从IEC61850-7-4或IEC61850-7-4X选择兼容的逻辑节点类模版进行建模。每个兼容的逻辑节点类模版由若干个数据（DO）组成，IEC61850-7-3为数据定义了兼容的数据类，逻辑节点模版中的每个DO是基于这些兼容数据类的实例，兼容数据类指明了数据的属性组成和功能特性。这些数据类具有很强的兼容性，被证明可以被大多自动化过程引用。

国际电工技术委员会中其他技术委员会推荐使用的分类标识为：H，水电;F，燃料电池;W，风能;O，太阳能;B，电池;N，发电厂。在没有兼容逻辑节点模版可供参考的情况下，可以参照兼容逻辑节点模版的定义规则进行扩展。扩展方法所建立的模型仍然可以具有较好的自动化特性和互操作特性，如果据此进一步申请TC57的支持，还可能被吸收为国际标准。

2.2 应用举例

目前IEC61850标准尚未覆盖视频监控系统和人脸识别系统这两个系统，本文选取这两个有交互需求的案例举例说明IEC61850建模和通信技术实现在当前IEC61850标准覆盖范围之外领域的扩展应用方法。

2.2.1 需求分析

视频监控系统的基本功能组成是视频数字化、视频控制、视频存取、视频检索、视频播放。

人脸识别系统的基本功能组成是特征库的建立、视频数字化采样、特征抽取、特征比对、分析结果存储、分析结果应用。

实现两者的互操作，可以实现很多新的应用。例如，可对原有录制的视频数据进行人脸识别分析，得出某一段时间内某一场合的活动人数，各人员的活动轨迹及同行人员情况，还可按人员、时间、地点结合对原有视频系统进行检索和播放，大大提高检索效率。

两者在功能模块开发设计过程中如果实现功能模块之间的通信标准接口和数据标准接口，便可以充分利用资源，提升开发效率。如共用摄像头技术、视频图像存取技术及视频采集与控制技术等。

视频监控系统和人脸识别系统模块交互需求如图2所示。

2.2.2 解决措施

本文采用IEC61850信息建模和通信规范解决上述需求。

首先，从操作需求和通信需求的角度出发，找出视频监控系统、人脸识别系统各功能，以及两者结合时功能之间的相互操作需求（也可称之为通信需求）。本文案例中，摄像功能模块的操作需求为：获取摄像机配置信息，包括型号、安装位置、出厂日期、设备状态、当前模式等信息;控制摄像机的云台方向和图像捕获、图像输出等参数;接收摄像机数据，包括块序号、块类型、存储块大小、格式、数据内容、时间范围等。视频存取模块的操作需求為：设定视频存取的位置、文件名，启动发送或接收数据等。人脸分析模块的操作需求为：分析特征设定，包括特征文件路径;分析对象设定，包括源路径、源位置范围/源时间范围;分析控制，包括源路径、启动标志等;分析结果信息获取，包括源路径、结果类别、结果值等。视频播放模块的操作需求为：设定播放的源路径，设定播放的起始位置，设定播放的图像参数，包括播放速度、播放幅面、画面明暗度等。视频检索模块的操作需求为：设定检索方式，输入检索条件，启动检索等。

其次，为每个相对独立的操作功能建模，分别形成可供复用的逻辑节点模版。与电力系统同样的道理，可以将视频监控系统和人脸识别系统进行分层处理，摄像机作为图像数字化转换设备可以列入过程层设备，视频在线记录存储和人脸分析设备可以列入间隔层设备，分析结果记录存取、视频检索、视频播放功能划归站级设备。但由于目前标准尚未给视频监控系统和人脸识别系统分配逻辑节点名，为了向标准过渡，这里不创建新的逻辑节点名，仅以“GGIO（通用输入输出）”为基本模版，演示如何创建符合IEC61850建模规则的扩展应用模型。根据第一步互操作需求分析的结果及引用通用建模方法，可以创建类似下面的逻辑节点模版，以下逻辑节点模版创建了部分新的数据关键字，这些关键字通过字段“desc”进行表述，在实现互操作过程中将有确切的含义。

3 工程应用优势

从上文介绍的方法可以看出，应用上述方法可以从根本上改变项目、装备和系统的工程实施模式，工程应用优势可归纳为如下几个方面：

（1）资源共享：充分利用数据的数字化共享特性，保证了系统内软硬件资源共享。

（2）业务与计算机软硬件平台实现了解耦：业务可以形成组件库，从而在资源具备的前提下灵活分配，也为平台的批量化制造提供了解决方案。

（3）互操作性：设备和系统模型包含的确定的语义，提供了设备与设备之间，设备与系统之间良好的互操作特性。

（4）管理：模型可以作为核心纽带，贯穿设备和系统功能设计、功能开发、运行、测试、维护全过程，从而实现项目全生命周期管理。

（5）快速构建新的应用：通过模型配置可以快速定义新的功能搭配关系，从而快速实现新的应用场景。

4 结 语

本文从当代信息化和自动化项目面临的实际问题和客观需求出发，围绕互操作、资源共享等问题，介绍了IEC61850标准建模和通信技术的基本原理，并举例说明了扩展利用IEC61850进行项目需求分析、业务建模、实例化装置及装置自动化的方法。该方法具有众多优点，较好地解决了资源共享、互操作、对项目进行全生命周期管控的需求，具有推广应用价值。

参 考 文 献

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