IEC61850标准在电力参数监控中的应用研究

来源：小侦探旅游网

重庆大学硕士学位论文

姓名：张青申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程

指导教师：余楚中

2010-04

中文摘要

摘要

近十年来，随着变电站自动化系统的发展，电网的安全经济运行水平有了明显的提高。但是，由于变电站整体数字化水平低，缺乏统一的通信协议标准，设备之间互操作未能完全实现，致使二次接线复杂，形成一个个数据信息孤岛，因此难以实现数据信息的集成应用和协同操作，数据利用效率低下。经济的发展对供电质量和电网的安全经济运行提出了更高要求，作为输配电系统的变电站数字化、信息化的要求越发迫切，数字化变电站已经成为变电站自动化系统的发展方向。

课题以IEC61850协议标准的采样值传输为研究对象，针对变电站电力参数监控中的变压器采集部分的高、低压侧的三相电压及电流等，借助嵌入式技术，从理论上作了可行性论证，实现了数字化变电站中的通信服务与现有采样值参数监控的集成，提出了终端软件的方案设计和具体设计。本文完成了以下研究工作：

① 揭示了IEC 61850的内涵本质是变电站自动化系统的功能建模方法。分析表明它不是简单的通信协议，而是建立变电站自动化系统平台的信息模型，借助采样测量值SMV和开入/开出等信息，可实现过程层子系统信息的无缝集成，是建设数字化变电站平台的基石。

② 基于对IEC 61850的内涵本质分析，指出了一种设备的信息建模方案和采样值控制（SVC）传输这一类重要的通信服务，并着重分析了采样值控制传输的各项特征及传输实现方式，实现了设备与数据信息的集成。

③ 针对现实技术条件，提出了一种符合IEC 61850标准的建模方案及其实施步骤。该方案采用多任务按优先权调度方式保证任务处理的实时性，克服了传统前后台软件在复杂监控终端设备中实时性差的问题。

④ 初步实现了一个原型系统，测试结果表明所设计系统具有可行性和合理性。

关键词：数字化变电站，IEC61850，电力参数监控，嵌入式技术

英文摘要

ABSTRACT

With the development of substation automation system, since recent decade the operation level of securety and economy for electric grid has been obviously enhanced. However as a result of being low in digital level of substation and lack of unitive standard of communication protocol, it can be not completely to implement inter-operation among devices, therefore it leads to be complicated in secondary connection and to form lots of isolated island of data and information. Based on the above, it is difficult to implement integrated application of data information and cooperation operation, and lower in efficiency of data utilization. Along the rapid development of econmy, the higher demand has been proposed for power supply quality and securety economy operation of grid. As a numerical substation of transmission assignment system, it is more imminence to informatization requirement. Now the digital substation has been become an important development direction of substation automation system.

The subject took the transmission of sampling parameter of protocol IEC61850 as research object, aiming at electric power parameter monitoring of substation, by means of embed technology, the feasible reasoning was theoretically made, and it realized the integration between communication service of digital substation and parameter monitoring in existence, and proposed a design of the terminal software scheme and the concrete detail. The following works have been completed in the paper.

① Opened out that the meaning essence of protocol IEC 61850 is the functional modeling method of substation automation system. The analysis shows that it is not only a simple communication protocol, but also an information model of establishing the platform of substation automation system. By means of sampling values of messege transmission of SMV, and information of switch input and output and so on, it could realize the smooth integration of subsystem information of process layer, and it is a footstone of constructing the platform of digital substation.

② Pointed out that a sort of information modeling scheme for device and an important kind of communication service for sampled value control transmission, and analyzed the characteristics for the sampled value control transmission emphasizily and its manner of realization, had achieved the integration among devices and data information.

③ Proposed a sort of modeling scheme been as consistent with protocol of IEC

III

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61850 aiming at the realistic conditions of technology. The scheme guaranteed that the task could be processed in real time by means of priority scheduling manner for multi-task, and overcome that traditional front and back platform was poor in real time performance in the terminal device of complex monitoring.

④ Implemented a prototype system basically. The test result shows that the designed system is feasible and reasonable.

Keywords: Digital Substation, IEC61850, Electric Power Parameter Monitoring,

Embedded Technique.

1 绪论

1.1 课题提出的背景和意义

国民经济的稳速增长，使电力系统有了极大的发展，变电站监控系统也已由常规发展到计算监控型[1]、单机集中式到双机网络分布式控制 [2]，将变电站人工处理能力智能化，有效提高了变电站运行监控的可靠与稳定。同时，监控系统信息交互的地位不容忽视，现场总线连接和串口通讯（如RS232、RS485）是原来的系统所应用的主要形式。近年来，工业以太网的优势在应用中逐渐体现并被重视，尤其是在工业局域网应用领域占据主导。在计算机和网络通信技术的基础上，变电站自动化技术应运而生 [3]，其先进的计算机、现代电子、通信和信号处理技术，组合并优化了二次设备的功能，如测量仪表、继电保护、信号系统、自动装置等，基本实现对整个变电站的监测、自动控制及数据可靠通讯。

得益于大规模集成电路技术的新型微型处理器的出现，推动了实现变电站自动化系统SAS（Substation Automation System）的进程，引起了二次设备从模拟向数字的发展，走向智能化，因而具有统一化标准智能电子设备IED的研发也就逐渐引起工业的重视并予以实施，尤其是近五年来，逐步取代了以前制造厂采用自主研发特定的通信规约，多样化的规约导致IED要求复杂、高额的规约转换[4]，从而造成工程复杂和资源浪费，因此，适用于IED之间高效的标准通信规约的提出也就是大势所趋。全球经济一体化及近来通信技术的快速发展与应用，为满足新兴电力通信的发展的要求，以欧洲电力巨头公司如ABB,SIEMENS等为首的国际电工委，提出了新的理念“一个世界，一种技术，一个标准”，制定了具有统一规范的新型电力通信协议。

基于以太网技术的IEC61850通信标准，便是这一理念的产物。IEC61850提出，数字化变电站间隔层与变电站层之间采用具有开放式、可分布、互操作的工控以太网络全数字化通信，更新了变电站自动化系统网络架构。

近年来热门的嵌入式技术发展迅速，将其结合IEC61850标准用于变电站系统，是IEC61850提出的无缝远动通信体系结构实现的基础[5]。

1.2 课题研究的目的

IEC61850标准不仅包括了利用面向对象的数据模拟方式来描述变电站的数据通讯，对以太网结构也提出了相对具体的组织要求，另外还有一套完整的来保证且简化数据通讯的兼容升级的描述语言。截至今日，IEC61850通信规约还未完全得到现场完整可靠的验证，用户市场接受也是将来若干年的事情，但其设计思想是值得深入学习、研究与理解的，对变电站自动化的发展也大有裨益。运用一个

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统一的通信标准实现支持将来新的变电站自动化技术发展是数字化变电站得以实现的基础。通信标准必须支持变电站特有的运行功能，且协调好制造商与变电站以及变电站与变电站之间的实际利益。

鉴于前文所述特点，本课题在理论上合理地将嵌入式技术与IEC61850标准对数据的要求相结合，实现一种符合数字化变电站数据通信要求的采样值格式统一化的软件体系，对于实现变电站电力参数统一识别、网络化传输与监控有参考意义。

1.3 国内外发展的动态

目前国内外对基于IEC61850标准的各类研究已经有初步成效，相关的产品也已出炉，国内如四方、南瑞、许继等，国外有西门子、维奥机电及ALSTOM等[6][7]。此前，变电站计算机监控系统的引入，已经大大提高了工作效率，值班人员可以读取本变电站内各设备的运行状态，并对设备进行操作，有效保障变电站的安全运行。现行问题是，系统中的监控系统均为分散独立的产品，各厂家前台数据采集装置的数据通讯是不公开的，后台监控软件也是厂家自己研发的，通讯规约和数据格式也因此会不所不同。其结果，各自计算机监控系统的应用是单一的，即多个变电站多种系统，且在间隔层都采用同一厂家的同一型号的装置，在后台也必须采用该厂家的监控软件，这样，但不同厂家的设备间进行规约转换时，就引起保护和计算机监控系统的规约需要一系列的规约转换，规约转换器占面积不说，费用也是相当可观，最重要的是降低了数据处理的实时性和可靠性，而且给工程增加了调试工作量。比如国内南京 500kv环网供电工程，在调试监控系统与绝缘监测接口时发现，电力参数监控系统收到绝缘检测装置上报的故障点位置信息与实际就不一致，后经现场调试人员多次试验发现检测装置的通信软件有错误，这是一起因通信规约不统一而引起的问题，规约实现的软件不通用影响了工程的工期。因此监控规约的不统一，既造成硬件设备的大量投入和浪费，又无法对数据及相关信息进行分析处理，各变电站数据共享和远程网络化监控就无从谈起。

为有效利用已经有一定水平的计算机监控系统，确保最大限度且有效的工程投资，相当必要统一各制造厂的通讯规约，这样可减少通信接口和通信线路，提高可用信息传输速率，有利于变电站升级，而且在设备选型上就有了更多的空间，从而保障投资的安全与长效。

故而本课题具有很好的应用前景，实现的挑战性也是相当大的。将变电站计算机电力参数监控系统所适用的通信规约统一到IEC61850，是数字化变电站实现的需要，设备通信的需要，更是变电站利益的需要。

1 绪论

1.4 课题研究的主要内容

本论文在对IEC61850和变电站监控系统理解的基础上，结合现有的实验条件，提出一个具有可行的变电站嵌入式参数监控系统设计并进行具体的实现，重点研究其在变电站监控系统中的应用，该应用以IEC61850为核心展开，以变电站综合自动化系统监控单元现阶段技术为参考，根据科技发展的趋势和要求，提出一种基于嵌入式实时操作系统的变电站综合自动化监控单元。

论文主要研究工作是：

①　揭示IEC61850协议的内涵本质。剖析IEC61850的核心与实现基础，明确IEC61850标准对变电站电力参数监控系统提出的要求。

②　着重实现采样值格式统一化控制传输的软件实现方案。

③　提出一种符合IEC 61850标准的数字化变电站电力参数监控系统方案，并研究其实施步骤。

④　实现一个原型系统，并验证其可行性和合理性。

1.5 本章小结

本章介绍了IEC61850协议在数字化变电站参数监控系统中应用的课题背景及研究意义，对国内外发展状况作了概述，最后提出了本文的主要研究工作。

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

IEC 61850标准不仅仅是传统意义上的通信协议，它更是一种满足新型自动化变电站监控系统的功能建模方法，因此整个SAS的体系、功能、形式、技术和工程管理等必须依照该标准重新审视、规范，以满足与国际接轨的要求。但是，在IEC 61850中涉及了大量非本专业学科领域的概念、技术思想和支撑工具，其标准条款庞大而复杂，按照该标准设计自动化变电站监控数据模型并非易事，有必要对该标准作深度剖析，以便提出符合该标准各项指标要求的自动化变电站监控数据模型，指导数字化变电站监控系统的软硬件系统设计。

2.1 标准内涵分析

IEC61850规范了现有的变电站自动化系统，其协议体系内容分为十章，如图2.1[8]。

基本原则术语一般性要求系统和工程管理功能和装置模型的通信要求变电站自动化系统结构化语言基本通信框架SCSM AStack ASCSM AStack ASCSM BStack BSCSM BStack BSCSM XStack XSCSM YStack YPart 9Part 10Part 1Part 2Part 3Part 4 Part 5Part 6Part 7Part 8一致性测试

图2.1 IEC61850协议体系 Fig.2.1 protocal system of IEC61850

IEC 61850在技术层面上规范了通信的服务、语义、实现、配置描述语言SCL和测试一致性的方法。以下对有关规范略作讨论：

① 通信服务规范。第五章(Part 5,下同)描述了SAS的自动化功能[9]，第七章规范了各种IED通信功能服务的抽象通信服务接口ACSI (Abstract Communication Service Interface)，对自动化功能服务的信息互通作了约定。

② 通信语义规范。Part 7-3定义了具备SAS基本语义的公共数据类CDC (Common Data Class)[10]；Part 7的1至4定义了表征基本的逻辑节点LN (Logical

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Node)及具有在不同功能对象中继承特征的兼容逻辑节点类CPLNC (Compatible Logical Node Class)[11-14]。IED之间信息交互的语义约定则由公共数据类细化之后的兼容数据类CDC (Compatible Data Class)在兼容逻辑节点类实例中生成的数据对象DO (Data Object )和数据属性DA (Data Attribute )组成。

③ 通信实现。第八、九章是具体实现的初步理论指导[15]，它们定义了作为抽象通信服务接口向特定的通信网络及协议（如TCP/IP）映射的特殊通信服务映射SCSM (Specific Communication Service Mapping) 方式。其中Part 8-1定义了向MMS的映射，Part 9-1 和Part 9-2定义了两种映射方式[16-17]，这两种方式是本课题研究的重点。

④ 配置描述语言。第六章针对SAS设备配置、功能信息及相对关系提出了一种变电站配置描述语言SCL(Substation Configuration description Language ) [18] 。

⑤ 一致性测试。其目的是验证通讯是否畅通、实时和有效，实现的系统和设备的功能是否一致[19]。

2.1.1 IEC61850标准的内涵分析

① 体现IEC61850功能服务标准

IEC 61850的目标是实现变电站内IED之间的互操作[20]，统一参数并完成对变电站各个信息的共享及操作，实现数字化变电站。制订统一的通信协议和报文传输格式是实现互操作最直接的方法，IED之间信息交互必须无缝化。有鉴于此，必须对SAS功能服务进行规范。

SAS由各种IED组成，服务功能实现后其外部特性必须是可视的，抽象地讲，各类自动化功能聚合后就成为一个SAS。一旦功能服务得到统一规范，就可建立SAS信息的交互标准，实现IED之间的互操作。IEC 61850的提出与制定正是基于变电站自动化功能，通过对功能语义和服务模型给予统一规定，对各类自动化功能进行统一规范，为实现互操作奠定理论基础。但是IEC 61850只是变电站中功能的一种服务标准，并不是体现自动化功能的标准，就是说，该体系更多倾向于服务。它并没有规定SAS自动化功能的内容和所要达到的性能，不管什么样的变电站自动化系统，自动化功能的内容和性能是由相应的应用标准规定的，与IEC61850没有直接的联系。

② 体现IEC61850信息标准

SAS功能是自由分布的，其功能呈现多驻一和一驻多的特点，如保护测控一体化装置与线路纵差保护系统，但是，可借助信息化手段，将其功能准确地分离和标识，这些标识与实体设备中的功能一一对应。IEC61850通过对现有运行的变电站特点分析而制订的信息标准，可指导变电站实体的信息化，使各方面研究与设计工作能便捷地开展。

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

1）将变电站自动化系统的基本功能按照IEC61850标准化描述，可形成统一的基本信息；

2）针对变电站中的通信服务，可建立通信服务模型，并将此作为基本信息交互模型；

3）融合1）和2）的智能电子设备IED的自动化功能构造的信息模型，是IED可视功能的镜像，对信息模型的操作就是对IED本身的操作。借助信息模型的通信映射服务，变电站内实体设备之间的信息互通就表现为信息模型之间的相互访问，如图2.2所示。面向对象模式的信息化过程的实质仍然是面向功能的，功能的聚合就构成对象的实体。变电站信息化保证了变电站自动化系统向标准化可靠过渡，为实现设备互操作提供了条件。

信息模型Class1ASCI虚拟镜像通信映射实际的功能服务IEDClass2Class3功能的分解与抽象抽象的功能服务

图2.2 IED的信息化过程模型

Fig.2.2 The process model of Informatization for Intelligent Electronic Device

③ 变电站通信网络与系统标准

IEC 61850融合了如抽象化、信息化和逻辑化等各种技术手段来实现包括互操作在内的各项目标。但IEC 61850只规定了与具体网络无关的抽象通信服务接口ASCI，并没有规定对其通信的具体实现方式，留下了研究的余地。所以，可采取与实际通信网络及使用协议相适应的通信映射方法来实现通信，至于具体采用什么方法可视实际情况而定。这既方便于跟踪采用新技术的通信方式，又可满足不同自动化功能对通信过程、性能和可靠性的各种要求，有利于系统升级换代，使之具有适应通信技术水平不断发展的能力。

综合上述，可对IEC 61850标准体系的内涵做如下概括：1）目标是使多个IED设备具有信息交换和使用这些信息执行特定功能的能力，实现设备功能的互操作性；2）构造能体现实体设备功能的信息模型；3）借助面向对象的形式，通过信息模型完成通信服务功能；4）按照体系标准规范了数据通信方式。

2.1.2 IEC61850标准的技术特征

国际电工委制定的IEC 61850是迄今最完善的变电站通信网络与系统的服务

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标准，它的技术特征与常规通信协议有很多不同，比如，它规范了变电站实现的功能分层、对镜像化的信息模型采用面向对象的服务方式、功能与通信解耦的方式、分离实体功能、对数据采取面向对象的自描述（即在源头上就对数据进行规范）等。其具体技术特征有：

① 服务功能分层

电工委在制订IEC 61850时充分考虑了变电站自动化技术的发展，通过标准的确立促成了新技术的产生和推广。基于变电站自动化系统的控制、监视和保护三大功能，IEC 61850将变电站的功能划分为过程层、间隔层、变电站层，具体关系如图2.3。

远方控制⑩⑦⑨技术服务变电站层①⑥功能Ａ①⑥功能Ｂ⑧保护②远方保护④③控制⑤间隔层控制⑤③保护④远方保护②过程接口过程层高压设备传感器执行器

图2.3 变电站的功能划分

Fig 2.3 Functional classification of Substation

过程层：实现一次设备ECT/EVT等的开入/开出、采样模拟量功能。在这一层中有一点特别值得注意：该层要求能将模拟采样值和开关量值等信号转换为数字信息，且能以网络的形式上传至间隔层，供二次设备使用。

间隔层：从过程层传来的信息和本层自身的信息将在这一层交互及控制操作一次设备，如线路保护、间隔单元控制设备。逻辑接口4完成间隔层与过程层之间的采样数据交换；通过逻辑接口5完成两层之间的测控数据交换，其中逻辑接口4、5是将间隔层设备的部分功能下放至过程层，这也是为什么由传统的2层变成现有的3层的原因；逻辑接口3完成间隔层内部的数据信息交换。

变电站层：该层功能分为两类，功能一的实现与过程相关，如逻辑接口8利用间隔间或全部变电站的信息对过程层的所有一次设备实施监控和操作，以实现信息的执行能力，如全站范围内的逻辑闭锁和保护母线等；功能二的实现与接口相关的各项功能，如远方控制中心、工程师站与变电站之间的可靠通信，通过接

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

口1、6，实现间隔层与变电站层保护、测控的数据交换，通过接口7、10，实现与工程师站、远方控制中心的数据交换，通过接口9实现变电站层内部（如功能A、B）的数据交换。

② 面向对象的信息模型

根据IEC 61850的特征采用面向对象的建模思路，定义了具有规范性质的语义模型类，从而理解装置之间提供的信息，形成类模板后借助类的方式如继承、重载，引用抽象和分解智能电子设备的自动化功能与信息，构造类似服务器特性的信息模型，该模型由4个语义层次构成，如图2.4.

IED服务器逻辑设备逻辑节点数据属性数据对象请求服务确认服务客户机发布服务抽象通信服务接口接受指示

图2.4 信息模型的层次结构

Fig 2.4 The hierarchical structure of information model

1）逻辑设备，即虚拟设备。由逻辑节点和附加的功能服务聚合成逻辑设备，包含一组产生特定应用功能的方式和设备使用的信息，是实际智能电子设备的抽象。

2）逻辑节点，包括数据对象、数据属性、数据属性列表及列表对应的功能服务，是对逻辑设备的统一划分和标识，反应了逻辑设备的一组设备实体信息或基本功能，执行特定的操作，它可以与其它逻辑节点进行信息交互。逻辑设备和逻辑节点构成了信息模型的框架。

3）数据对象增加了逻辑节点的语义描述信息，其信息模型被赋予了类的特性，可继承父类的功能服务方式，具备可访问性与可操作性。

4）数据属性，它与数据对象紧密结合，是数据对象的本质，承载着模型中的所有属性信息。对信息模型的所有操作都如同对类的操作一样，均归结到调用数据属性。

但是，信息模型不是数据集合，集合是同一属性的归纳，而信息模型则是数据与功能服务的聚合，是一个类模板，其模板中的每一个数据对象都有特定的语义空间，如采样值、定制组、事件报告等。IEC 61850采用统一建模语言UML (Unified Modeling Language)描述信息模型：UML面向对象设计与分析，方便软硬件工程师的协同与交流，同时，UML采用可视化建模，不局限固定的编程语言与

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软硬件平台，使用简单但能准确表达各种复杂的关联，这是UML的特有之处。

③ 功能与通信解耦

如2.1.1所述，信息模型的功能服务实现了信息模型间的数据交换。SAS涉及通信服务，IEC 61850定义了用以规范信息模型功能服务的14类ACSI模型 [21]。每类ACSI模型都由若干抽象通信服务组成，每个服务又定义了相应的具体对象和服务方式。在ACSI模型中，通信服务分为两类：① 具有控制、读写数据值等服务的客户机/服务器模式；② 传输采样值、GSE等服务的发布者/订阅者模式，如图2.5所示。

IED客户机请求响应应用响应订阅者多路广播（点对点）快速通信订阅者采样值传输变电站通用事件IED服务器数据数据应用I/O数据请求发布者报告/记录ASCI服务IED服务器数据数据数据应用I/O数据I/O数据

图2.5 ASCI的两类通信服务模式

Fig2.5 Two kinds of communications service pattern for ASCI

在ACSI规范中的信息模型的功能服务与具体网络形式无关，功能能否最终实现取决于SCSM能否将抽象的功能服务准确映射到具体的通信网络及协议上。课题归纳了如何具体实现SCSM的方式，根据功能需要和实际情况选择通信网络的类型及开放互联协议OSI七层中的1至6层，在第7层应用层对功能服务进行映射，生成应用协议数据单元APDU(Application Protocol Data Unit)，形成具体映射的通信报文，如图2.6所示。

抽象通信服务接口特殊通信服务映射应用层协议应用层协议数据单元

图2-6 ASCI向应用层的映射

Fig2.6 Mapping of ASCI to the application layer

IEC61850中规定的特殊通信服务映射SCSM的方法具有多样性和开放性。IEC 61850能实现功能与通信的解耦，且通信可以灵活地采用多种实现形式，得益于运

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

用ACSI和SCSM技术，这是实现更高级别的SAS的可行方法之一。ACSI向不同SCSM映射的过程，如图2.7所示。

应用进程独立于具体网络的接口（抽象通信服务接口）特殊通信服务映射1特定接口应用层应用层1特殊通信服务映射2………特殊通信服务映射n应用层2应用层n网络1层~6层

图2.7 ASCI向不同SCSM的映射 Fig2.7 Different mapping from ASCI to SCSM

IED配置器将其信息模型组织成功能描述文件ICD(IED Function Description), 并予以Upload至系统配置器保存，结合系统描述文件SSD（System Specification Description）和随后由系统配置器将ICD还原的IED信息模型，生成新的系统配置描述文件SCD ( System Configuration Description)和智能电子设备IED配置描述CID（Configured IED Description）文件，以方便完整描述SAS功能和通信配置，同时也描述了IED与SAS间的关联[22]。在IEC61850主导下的新型变电站系统可有效实现IED向新通信系统的无缝接入，因数据信息统一化，也可实现SAS和IED的自动更新与远程网络化配置。

④ 面向对象的数据自描述

能传输面向对象的自描述数据是实现互操作的必要条件[23]。随着变电站传输数据量的不断增加，IEC61850要求数据必须规范，IEC 61850采用的是规范数据，其数据描述方法是在数据源中对数据本身进行面向对象的自我描述，接收方收到的数据都带有自我说明，无须对数据库进行修改。IEC 61850将数据自描述和面向对象的功能服务有机结合，可实现面向对象的数据自描述，取代常规面向数据点的数据描述方法。数据自描述的方式如下：

1）该描述定义了数据在所属信息模型中的数据对象、数据节点和数据设备的信息代码。以断路器为例，信息模型的数据自描述如图2.8所示。

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逻辑设备名逻辑节点名数据名数据属性名MyLD/Q0XCBR1.Pos.stVal(断路器Q0XCBR1)的位置状态）图2.8 断路器状态自描述

Fig2.8 The state self-describing for curcuit switch

2）用上述信息代码，数据自描述可定义相当于成员函数的描述数据对象的功能服务，形成对象行为，如选择、执行、取消等；对象携带的数据，其成员变量必须有自我描述，以此才能完成类的构造，图2.9表示了断路器跳闸命令与报告事件的功能服务关系。

Q0XCBR1Pos ctlVal (co) stVal (st) (dehg) q (st) (dchg) t (st) (dchg) ctModel (cf)Operate(Q0XCBR1.Pos.ctlVal=off)品质Report(Q0XCBR1.Pos.stVal=off)(Q0XCBR1.Pos.q =good)跳闸状态

图2.9 断路器跳闸命令与报告事件

Fig2.9 Brake command and report event for curcuit switch

⑤ 实施步骤

本节针对IEC61850内涵和技术特征分析，总结出了在实体设备建模及其信息模型实现的IEC61850智能电子设备设备层面实践的一般步骤，图2.10是实现设备建模的过程。

简单说明如下

1）在IEC61850体系第七章第二部分，选择具有抽象作用的ACSI服务为数据对象和属性指定对应的抽象通信服务，以形成相应的信息模型实现其功能服务

[24]

；

2）根据所需的功能要求，将设备基本功能解耦与合并，由第七章第四部分提

供的兼容逻辑节点类和相应的兼容类组建为聚合逻辑节点和附加功能服务的虚拟设备，以此构造IED信息模型框架；其信息模型的补充数据对象及行为属性由第三、四部分定义的公共数据类及兼容数据类在兼容逻辑节点类实例中生成[25-26]，

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

继而形成信息模型属性；并按照IEC61850标准规定的专用命名方法扩充新的兼容逻辑节点类及兼容数据类。

选择逻辑节点定义数据对象需要一同批量传输？需要哪些数据？XCBRXCBR1.Pos断路器位置定义数据集选择逻辑节点XSWI选择逻辑节点MMXU刀闸位置定义数据对象XSWI.PosXSWI.Pos定义数据对象MMXU1.A MMXU1.PhV三相电流/电压聚合耦合应用功能遥测/遥信选择ASCI服务采取什么服务？UBReport定义功能服务LLN0.MeaReport0(MeaDS0)LLN0.MeaDS0(公共数据集) XCVBR1.PosXSWI1.PosXSWI2.PosMMXU1.A MMXU1.PhV涉及哪些逻辑节点？功能分解或根据系统要求设计馈线保护测控装置虚设备（信息模型S1）组合功能进一步细化数据流向_监控主机IHMI1如何触发_周期性（2000ms)…IED模型图2.10 智能电子设备建模 Fig2.10 The IED process modeling

设备名_D1Q1P1信息化LDM1/LLN0.MeaDS0 LDM1/LLN0.MeaReport0( MAC地址_0011…MeaDS0)标准化 IP地址_202.202.……

基于对信息模型本质的分析，研究设计了一种实现实体设备信息模型的步骤，图2.11是实现设备的信息建模实现步骤。

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是否采用面向对象技术实现？否&编译器是否支持C++及C的混编？&IED硬件资源是否强大？是定义DATA类class CMV:DATA{public:VECTOR cVal;...};class WYE:DATA {public:...CMV phsA;CMV phsB; CMV phsC;…};定义DATASET类定义URCB类class URCB{public:BOOL RptEna;unsigned int IntgPd;...void Report(){If(RptEna==TRUE)…}; ...};定义数据结构和函数定义MMXU类class MMXU{public:WYE A;WYE PhV;DATASET DS[16];…};...void Report(...){...};...struct CMVclass DATASET{public:{struct VECTOR cVal;…}Mcmv;string DSName;...struct WYEstring DSRef;...{struct CMV phsA;…}mWYE;void CreatDataSet(...)struct DATASET{...};{string DSName;…}mDATASET; ...};struct URCB{BOOL RptEna;…}mURCB;struct LLN0封装{struct DATASET DS[16] ;具有IEC61850规定 struct URCB Ureport[16] ;的服务参数和状态机定义LLN0类…}mLN0;struct MMXU变量mLN0{struct WYE A;class LLN0{public:实例In0（惟一） struct WYE PhV;DATASET DS[16]; struct DATASET DS[16];URCB Ureport[16];变量mMMXU[1]…}Mmmxu[17];...…};实例mmxu1是否修改核心功能？嵌入式用户程序（应用层面）void FFT_HMI(){...mmxu1.A.phsA.cVal.mag.i=data_CH[13];同样用于mmxu1.A.phsA.q.validity=good;本机LCD显示mmxu1.A.phsA.q.t=utcT;//或mMMXU[1].A.phsA.cVal.mag.i=data_CH[13];…}是否与用户数据关联（通信层面或用于代理）int Meareturn_61850(int Meatype){if(Meatype==1) return (int)MeaData[4];}...void MMXU_61850(...){mmxu1.A.phsA.cVal.mag.i=Meareturn_61850(1);mmxu1.A.phsA.q.validity=good_61850;mmxu1.A.phsA.t=Timereturn_61850();//或mMMXU[1].A.phsA.cVal.mag.i=Meareturn_61850(1);…}数据关联类型转换补充要求必选的数据对象功能服务实现In0.UReport[0].RPName=LDM1/LDM1/LLN0.MeaReport0;In0.UReport[0].DataSet=LDM1/LDM1/LLN0.MeaDS0;In0.DS[0].DSRef=LDM1/LLN0.MeaDS0;In0.DS[0].DSMemberRef[1]=LDM1/MMXU1.A[MX];...SCSMMMXU_61850(...);//若需要Index(LDM1/MMXU1.A[MX]);…//数据对象的索引和编排In0.UReport[0].Report();Report(mLN0.UReport[0].RptEna,mLN0.DS[0].DSMemberRef[1],…);//或通信实现domain_LDM1VariableListName_LDM1/LLN0$MeaDS0variableSpecification...Report(...){...InformationReport(domain,VariableListName,...)//协议栈Lib(API)…}图2.11 实体设备的信息模型实现

Fig2.11 The realization of information model for physical facilities

信息模型的实现着重从两方面入手：实体构建和通信映射。以上框架结构图可为模型建立提供参考。基于IEC68150体系研究，图2.12给出了上述建模与模型实现中与IEC68150体系功能服务要求对应的相关技术的设计框架，该框架正是上

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

述模型建立的基础。

IED信息模型服务器逻辑设备基本通信要求基本通信结构ASCI规范公共数据类兼容逻辑节点及数据IEC61850-5IEC61850-7-1IEC61850-7-2IEC61850-7-3IEC61850-7-4逻辑节点Dir/DefinitionSubstitutionGet/SetControlActivateAssociationSetting GroupDataDataSetGSESampleValuesReport&LogGOOSEGSSESMVIEC61850-6SCLXML1.0模型发布ReportNameplate HealthFileTime Synchronisation抽象通信服务接口（ACSI）特殊通信服务接口（SCSM）IEC61850-9-1APDUMAC10/100BASE-T/TX/TL/FX多路采样值传输（MSMV）合并单元LN TVTRLN TCTRIEC61850-9-2MMSOSIASN.1TCP/IPMAC10/100BASE-T/TX/TL/FXAPDUASN.1MAC10/100BASE-T/TX/TL/FXIEC61850-8-2CORBAMAC10/100BASE-T/TX/TL/FXIEC61850-8-1APDUASN.1...MAC10/100BASE-T/TX/TL/FXMMSOSIASN.1TCP/IPMAC10/100BASE-T/TX/TL/FX变电站层采样值传输（SMV）合并单元LN TVTRLN TCTR电子式电压互感器LN TVTR电子式电流互感器LN TCTR..通用对象事件（GOOSE）智能断路器LN XSWILN XCBR间隔层IEC61850-10一致性测试（FAT/SAT）过程层（基于以太网）图2.12 设备建模与模型实现过程中涉及到的标准章节对应

Fig2.12 The corresponding relation between device modeding and its realization process in sections

of protocol IEC61850

2.2 适用于IEC61850标准的电力参数基本数据类型映射

本课题的实现不仅需要对设备进行信息建模，需要同时依据IEC61850标准完成数据类型映射。课题研究设计了基本数据类型映射，该设计遵循以下原则：

① 所建立的模型与IEC61850要求模型一致，数据建模灵活、简易且能适应IED的多种配置组合，使用通用的协议连接到通用的总线上以满足语法特性；

② 为方便访问与编程，采用面向对象的设计思想；

③ 有简单高效的服务相配合及与MMS映射相统一的映射规则。

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类的建立首要工作是建立IEC61850标准所支持的基本数据类型映射，依据标准第六章Annex B建立了其映射表，如表2.1所示。

表2.1 符合I EC61850基本数据类型映射表 Table 2.1 The mapping table According to the Basic data type

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

IEC61850名称 BOOLEAN INT8 INT16 INT24 INT32 INT128 INT8U INT16U INT32U FLOAT32 FLOAT64 ENUM Tcmd VisString32 VisString64

数据类型 LOGICAL INT8 INT16 INT32 INT32 BYTES16 UINT8 UINT16 UINT32 FLOAT DOUBE UINT8 UINT8 BYTES32 BYTES64

编码 1 2 4 6 6 19 3 5 7 8 9 3 3 21 23

Type Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar Scalar

备注标量时标类型

计数器

2.3 IEC61850数据结构模型的建立

因为引进新的变电站自动化通信服务标准，在建模时，不采纳通常的用解析SCL的方法生成模型，因为该方法需要建立变电站网络及结构模型，本课题不讨论这个大型的模型，鉴于课题的重点，采用通过IED支持的MMS的服务实现对设备模型结构的获取，动态地建立模型。在该方式下，允许设备更新，不考虑变电站网络及结构，无须建立变电站网络及结构模型，就可以建立全部的IED模型。当然，若要建立包括电力参数监控在内的范围更广的监控模型，则需同时采用SCL与MMS两种建模方式，互补以求优化整个模型。

本课题仅对适应于电力参数监控的MMS实现方法进行研究，开发基于MMS服务的数据结构模型程序，提出功能组件模型，并讨论其中的数据流关系。

2.3.1 MMS支持及组件构成

对于每一个IED设备，若要实现设备的随插随用，必须结合前面定义的基本

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

数据类型映射和数据的自描述设备，设置服务器端为M。底层通讯的MMS能够实现设备的自我描述以自动建立设备信息模型，该功能实现依赖于表2.2中的服务设置。

表2.2 ACSI服务中为实现自我描述提供的服务及其一致性陈述

Table 2.2 The provided services for realizing self-describing in the ACSI services and its consistency

statement

序号 1 2 3 4 5

对象 Server Logical Device Logical Node

Data Data

服务

服务器路径ServerDirectory 逻辑设备路径LDDirectory 逻辑节点路径LNDirectory 读取数据集路径GetDataDirectory 读取数据定义GetDataDefinition

客户端 M M O O

服务器端

M M M M M

注：M ：Mandatory，必须的：O：Optional，可选的

说明：设备的随插随用仅通过单纯的自我描述实现是不够的，还需要配套相应的功能组件才能完成，包括：① 设备管理模块，间接地实现与设备通讯，用于管理IED设备的通讯连接，如启动、连接等；② 客户端管理模块，由设备模块主管且专门负责通过MMS与设备通讯，使得信息连接；③ 数据模型转换模块，负责MMS到IEC61850命名空间的互相转换，完成信息数据无缝互通。

2.3.2 基本数据模型构成

① 基本数据结构

作为完成模型动态建立的核心组件，通过面向对象的方式定义了保存模型信息的数据结构。

1）IEC61850 DA：用以保存数据属性DA (data attribute)的全部信息。

typedef struct {

char da name [SCL_STRING_LEN+1]; // 数据属性数名 char FC [SCL_STRING_ LEN+1]; // 功能 char TrgOpt[SCL_STRING_LEN+1]; // 触发选项 char Btype [SCL_STRING_ LEN+1]; // 类型 }IEC61850_DA;

注：Btype必须是在标准中已经定义好的类型，各类定义均为数组类型。 2）IEC61850_DO：用以保存数据对象DO (data object)的全部信息。

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typedef struct {

char do_name [SCL_STRING_ LEN+1]; // 数据对象名 char CDC [SCL_ STRING_LEN+1]; // 类型 IEC61850 _DA* da_list; // 属性列表指针 }IEC61850_ DO;

注：a. CDC必须是在标准中己经定义好的数据类型。

b. a_list指向包含在这个对象实例中的全部数据属性列表。

3）IEC61850_LN：用以保存逻辑节点LN (logical node)的全部信息。

typedef struct {

char ref [SCL_STRING_LEN+1]; // 逻辑节点引用名 char In_class [SCL_ STRING_LEN+1]; // 对应的抽象类 IEC61850_DO* do_ list; // 数据属性列表指针 }IEC61850_ LN;

注：do_list是指向包含在该逻辑节点实例中的全部数据对象属性列表。 4）IEC61850-LD：用以保存逻辑设备LD (logical device)的全部信息。

typedef struct {

char ref[SCL_STRING_LEN+1]; // 逻辑设备引用名 IEC61850_DN* In_list; // 节点对象列表指针 }IEC61850_ LD;

注：In_list指向包含在这个逻辑设备实例中的全部逻辑节点对象列表。 5）IEC61850_Server：用以保存服务器( Server)的全部信息。

typedef struct {

char ref [SCL_STRING_LEN+1]; // 服务器引用名

IEC61850_LD* Id_list; // 设备对象列表指针 }IEC61850_Server;

注：Id_list指向包含在这个Serve实例中的全部逻辑设备对象列表。 ② 对象行为方式

连接在变电站中符合IEC61850的设备不会独立其中，需要与层内或层间的设备模块进行数据交互，因此必须设计它们之间信息交互的基本过程。首先与人机交互的数据：启动建模服务、获取IED设备入口并命名IED设备；其次与MMS

2 IEC61850协议与自动化变电站监控数据模型

服务客户端管理的数据交互：发送启动服务的类型并准备其所需的参数、发送启动服务命令、等待服务的返回并接受服务返回的数据信息、将数据信息存于存储器中；最后与数据模型转换模块的数据交互：接受服务返回的信息、请求进行数据模型的规范化转换、接受数据模型转换的结果、借助该结果进行必要的动作，如控制断路器的行为等等。

数据模型建立后，数据流向就有了统一的规则，如图2.13。

数据模型空间的转换56设备管理714WWS服务客户端管理23IED实时数据库10模型生成工具89IED模块数据库图2.13 设备模型信息流向图

Fig 2.13 Flow direction diagram of device model information

2.4 本章小结

本章深入分析了IEC61850标准的内涵及技术特征，提出了符合数字化变电站设备的基于面向对象的设计方法和信息模型，为统一设备标识奠定了基础，并给出了其中的数据流图，为后续相关研究作了铺垫。

3 IEC61850采样值报文与传输实现

通信映射ACSI需要向SCSM的信息模型映射[27-28]。目前，IEC 61850定义均以OSI七层通信协议模型作为其向通信网络的物理层和数据链路层映射参考，本文仅研究实时性要求最高的采样值传输服务的映射，该类报文响应时间要求不能超过3ms，为实时地实现设备功能的互操作及其信息交互，对前文的设备信息模型也需要进行通信映射。

3.1 采样值报文模型的建立

针对非IEC61850统一格式的采样值[29-30]，必须对其进行IEC618509-1和IEC61850-9-2两种报文格式的建模，以形成统一方式的报文。变电站的采样值一般包括三相电流和三相电压等，本课题以这几种采样值为对象，设计一种符合数字化变电站的数据报文，以便实现数据共享与操作。

接入数字化变电站中的一次采样设备均具有A/D转换功能，形成数字信号，这是形成格式统一的前提，格式封装是以字节表示，数据处理功能可将格式封装后的数据还原显示。

3.1.1 采样值编码规则

由电子式/电流互感器采样获取的均为数字量，是数据传输的核心编码部分，其通用数据段格式是固定不变的，但是在传输过程中，数据必须重新封装才便于在网络上传输，这涉及采样值编码规则问题。

鉴于IEC61850规定的数据段服务映射机制，其对采样值数据传输服务是直接从应用层传送至数据链路层和物理层，不经过会话、网络、传输这三层传输。所以，在编码格式封装上要注意：

① 直接提取适合于网络传输的已有封装格式的有效数据段，在编码中将其抽象为函数变量。

② 解析数据段后，针对IEC61850体系的第七章提供的最大数据段73字节的要求，对数据段添加适合本体系的目的地址、源地址、伪首部、长度、帧校验位，因为涉及到协议统一问题，还需增加对预留字节设置数据偏移位，以形成具有某种统一性质的封装格式，便于采样值在网络上传输；

③ 由于协议中预留有格式封装字节，报文最终统一涉及到两种形式的报文格式，因此需要设置采样值传输判断的采样值优先级标志；

④ 以太网格式有几种，常见的有虚拟局域网、高速以太网等，因此网络传输以太网格式必须进行字节设置，又因以太网帧格式不尽相同，必须设置相应的判断位。

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目前编码格式中常用的是抽象语法ASN.1 [31-32]，IEC61850也推荐了该编码方式，借助该语法可实现异构系统通信[33],因其符合IEC61850协议数据传输不经过会话、网络、传输这三层传输的特性，适用于标识应用层复杂多样的数据，是一种比传统数据封装格式更好的数据编码格式，便于实现不同设备或系统之间的数据通信[31]。采用该抽象语法标记对协议数据单元进行编码，简约了数据核心格式，对实际扩展数据格式有借鉴意义。ASN.1传输编码由标记、长度和值(TLV)3个字段组成，如图3.1，不管是简单类型还是构造类型，BER规定传输的数据稳定性比较高。使用这种编码标识方式的优点是：在传输过程中，数据是构造类型时，该编码方式允许嵌套，因为数据很可能另外附有不同协议中的额外的信息，但是应尽量避免嵌套的应用。因为数据格式最终在软件中辨识和传输，嵌套应尽量避免，以免增加额外的开销，对实时性要求造成影响。

标记（Tag）长度（Length）值（Value）位50简单类型1构造类型位6位700通用类10应用类01上下文类11专用类标记（Tag）标记（Tag）长度（Length）长度（Length）...值（Value）值（Value）

图3.1 ASN.1定义的数据编码BER Fig3.1 Data Coding defined by ASN.1

注：Tag标识数据基本类型，Length标识数据编码的字节数，Value标识数据自身的编码值。

3.1.2 符合IEC61850-9-1规定的采样值报文实现

IEC61850对采样值传输有特别的规定，为数字化变电站的实现打下基础。IEC61850支持映射到数据链路层实现采样值数据帧发送的规范的采样格式，按照上述要求和编码规则，对采样值格式采取的规则如下：

① 应用层：由采样值报文定义和协调以太网数据格式的应用协议数据单元APDU，该协议单元常见于很多网络协议栈，现结合IEC6185-9-1的要求，APDU由两个应用服务数据单元ASDU和一个应用协议控制信息组成，传送时按照一个APDU传送。其中，ASDU含有的信息是ASDU的通用数据集和状态数据集，前者是一般协议都有的基本数据集，后者是需要另外根据IEC61850规则添加的状态数据集，应用层的协议数据帧格式如图3.2。本课题只在采样率低的情况下设计ASDU，如果在高采样率情况下，可以添加多个ASDU。一般在应用层设计2个

3 IEC61850采样值报文与传输实现

ASDU的帧格式已经足以容纳和反应3相电流、电压、母线保护等12路信息和开关的状态、品质信息。

APCI标记（1byte）长度（1byte）数目（2byte）APDUASDU1ASDU2

图3.2 符合IEC61850 9-1定义采样测量值SMV的APDU帧格式

Fig3.2 SMV frame format of APDU defined by IEC61850 9-1

通过以上帧格式的规定，利用前文提到的抽象语法标记ASN.1（Abstract Syntax Notation One）对采样值数据进行类型描述，利用其核心的编码方式—基本编码规则BER（Basic Enconding Rule）对数据进行面向对象的格式封装，形成数据结构，其结构如下：

IEC61850 DENITIONS::=BEGIN // 数据结构名IEC61850 IecSavpdu::=CHOICE{ //CHOICE类

UNIT8 STRING 9-1-Pdu[0] IMPLICIT, // 9-1 APDU，[0]标记类，取八位数组序列且带有隐式标记

savPdu [1] IMPLICIT SavPdu, // 扩展APDU及相关采样值信息 …..}

依据上述结构体设置， IEC61850-9-1描述的数据是通过ASDU实现的，该结构体还规定了APDU的最大字节数为73字节，其中包含的协议控制信息为4个字节，剩余的69个字节均为应用服务数据单元ASDU的数据信息，它将类型标识和特定应用捆绑在一起。

② 数据链路层：依据规范选择10M或100M的以太网，IEC61850支持以太网通信，适合以太网传输的IEC61850报文帧格式的的IP头是固定的0X88BA。在现有以太网帧传输的基础上，IEC61850需要对帧格式添加一定字节的优先级标签和VAN，设置标签值TPID为0X8100，优先级标志所包含的内容是为了区分9-2报文和与保护控制有关的GOOSE报文[34-35]，可以不配置优先级，但字节数是必须给定的，以便9-2数据和GOOSE报文的大小统一。当配置虚拟局域网时设置TPID为0。其中具体设计格式如图3.3。

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字节大小1234优先级标记TPID0x800TCI87654321TPID适用优先级CFI虚拟局域网VID虚拟局域网VID

图3.3 优先级标签和虚拟局域网设置 Fig3.3 Priority tag and Virtual LAN Settings

结合常规数据的封装格式，形成的IEC61850-9-1的通用数据段帧数据的内容和所占字节数如图3.4所示。

内容/字节长度报头帧起始广播/组播地址源地址优先级标志/设定以太网型式PDUASN.1标记/长度APDU数据集个数AASDU报头S逻辑节点名AD数据集名PU逻辑设备名D基额定相电流U本数额定零序电流据额定相电压集额定延时保护用A相电流保护用B相电流保护用C相电流零序电流测量用A相电流测量用B相电流测量用C相电流A相电压接接B相电压上上C相电压零序电压母线电压状态字#1状态字#2采样计数器采样频率配置版本号22222222222222211ASDU报头A逻辑节点名S数据集名D逻辑设备名接U16个状态指示上状态16个品质指示数状态字/保留据采样计数器集采样频率配置版本号以太网帧校验和2112229211471664102221122222 图3.4 采样值报文通用数据帧配置

Fig3.4 Data frame configuration of sampling value common packet

依据上述格式配置及 ASN.1编码格式，对采样值数据的APDU配置如下，其余配置可参照进行设计：

IEC61850 DENITIONS::=BEGIN // 数据结构名IEC61850 IecSavpdu::=CHOICE{ // CHOICE类 UNIT8 STRING 9-1-Pdu[0] IMPLICIT,

// 9-1 APDU，[0] 为标记类，取八位数组序列且带有隐式标记

savPdu [1] IMPLICIT SavPdu, // 扩展APDU及相关采样值信息

…..}

扩展SavPdu后的数据结构如下：

3 IEC61850采样值报文与传输实现

SavPdu::= SEQUENCE{

UINT16 nofASDU [0] IMPLICIT ，// 16位数组带有隐式标记的ASDU asdu1 [1] IMPLICIT ， // ASDU1服务数据单元标记 ……}

Asdu1::= SEQUENCE{ // ASDU对象实例结构

String msvID [0] IMPLICIT , // 采样值标记字符串

OptFlds [1] IMPLICIT OptFlds，{RefrTm(0)，SmpSync(1)，SmpRate( 2)} // 默认构造函数赋初值 datset [2] IMPLICIT Visible String, // 数据集 sample [3] IMPLICIT SEQUENCE OF Ds1, UINT16 smpCnt [4] IMPLICIT， // 采样值计数器 RefrTm [5] IMPLICIT UtcTime,

UINT32 confRev [6] IMPLICIT , // 保留字

BOOL SmpSynch [7] IMPLICIT, // 标记 UINT16 SmpRate [8] IMPLICIT , // 采样频率 }

Ds1 ::=SEQUENCE{

UINT32 phsaVolinstMag [0] IMPLICIT // A相电压

UINT32 phsbVolinstMag [1] IMPLICIT //B相电压瞬时采样值

……}

对上述数据帧配置，除通用的数据帧格式和所占字节，对数据帧中另外的几种数据项说明一下：

1）采样计数器用于对采样测量值SMV报文的发送次数进行计数； 2）采样频率则用于标记额定频率下每周期应发送SMV报文的数目； 3）Part 9-1定义的SMV报文发送频率等同于采样频率； 4）仅设置了ASDU数目为2，目的是兼容IEC61850-9-2。

依据上述配置，本课题所设计出的通用数据段对其中的ASDU分别构造结构体，包括ASDU通用数据段和ASDU状态标志数据段，且对其类型、变量名和属性均作了说明，其中通用数据段的ASDU数据结构如图3.5。

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应用服务数据单元通用数据段UNIT16UNIT8UNIT8UNIT16UNIT16UNIT16UNIT16UNIT16UNIT16UNIT16UNIT16UNIT16UNIT8UNIT8lengthLNNameDataSetNameLDNamePhsaArtgNeutArtgPhsaVtgDelayTimeDataChannel[12]StatusWord1StatusWord2SmpCtrSmpRateConfRev数据集长度，设置为44逻辑设备名值为02数据配置名，1~254逻辑设备名，站内唯一额定相电流额定中性点电流额定相电流额定延时时间1-12通道的采集测量值状态字1状态字216位的采样计数器采样频率配置版本号

图3.5 ASDU的通用数据段 Fig3.5 General data segment of ASDU

其兼容两种报文的的状态标志数据段的ASDU数据结构如图3.6。

应用服务数据单元状态标志数据段UNIT16UNIT8UNIT8UNIT16UNIT16UNIT16UNIT8UNIT16UNIT8UNIT8lengthLNNameDataSetNameLDNameStatusQualityReserved~status[9]SmpCtrSmpRateConfRev数据集长度，设置为21逻辑设备名值为02数据配置名，固定02逻辑设备名16位状态标志16位品质标志9字节状态字/保留字16位的采样计数器采样频率配置版本号

图3.6 ASDU的状态标志数据段 Fig3.6 Status flag data segment of ASDU

三点补充说明：

1）符合IEC61850-9-1的采样值需采用时间同步法，以便统一高精度数据并进行数据段格式封装，在硬件实现时，需要考虑时间同步功能；

2）以太网的传输速度要求是10M或100M，在链路层需支持IEEE802.3的传输格式，鉴于以太网的高速传输特性，可以采用较高的采样率，只要硬件能够承受，不会影响IEC61850-9-1的限定采样率，但规定了采样值上限为255点/S，所

3 IEC61850采样值报文与传输实现

以如果是50HZ工频，若根据采样频率增加ASDU数目，也是有极限ASDU数目的，其计算方式为：(255*50Hz)*最大报文帧长度<100Mbps，其中一个ASDU固定长度为368，一个帧长度为111个字节，传输时会因具体网络接口自动添加与自身以太网控制器相关的信息；

3）对物理层不作具体要求，光纤和铜线都可以。

3.1.3 符合IEC61850-9-2规定的采样值报文实现

在对上述应用较多的报文规范基础上，考虑兼容和升级特性，对报文规范IEC61850-9-2作了补充设计，其目的是在IEC61850-9-1的基础上对其进行升华。它们映射方式是一样的，但IEC61850-9-2定义的SMV报文具体规则比IEC61850-9-1复杂一些，功能更多，具体表现为：

① 它在IEC61850-9-1的基础上支持读取采样值控制块值和设置采样值控制块；

② 增加了在表示层进行BER编/解码，但不支持传输状态信息。

IEC61850对采样值格式采用规则是其采样值报文通用数据类继承了父类IEC61850-9-1的APDU，只是在应用服务数据单元的个数和内容上有所不同，该规则是自定义的，它的灵活性表现在：如果采样路数大于12路（如三圈变压器3次侧的保护控制），是专用的数据集所没有的，必须自己定义能识别额外采样值的数据配置和结构。在配置数据结构时，其中的变量类型，要统一设定为IEC61850-9-1规定的数据大小的两倍以获得更高的精度，其自身品质因素也更易与额定值对比，以获得更准确的操作信息。在此，对IEC61850-9-2设计的数据结构就不在赘述，设计思想与IEC61850-9-1是一样的，这里仅仅列出其配置表，根据列表设计数据结构：

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使用ASN.1语法标记规则及其与之配套的ASN.1 Compiler代码生成工具就能生成基于ASN.1规范的源码，它能被多种编译器（如VC++编译器）识别，将该源码嵌入到采样值的接收和发送程序中即可，之所以理论上是可行的，是因为识别的源码是可以被调用的，这里给出一个实现IEC61850-9-2格式ASN.1/BER编码的流程如图3.7。

开始解析配置文件创建逻辑节点和通信树关联数据集数据模型和幅值配置应用数据管理链表初始化网络接口结束

图3.7 实现IEC61850-9-2格式ASN.1/BER编码的流程 Fig3.7 The flowchart for realizing code of IEC61850-9-2 by ASN.1/BER

在采样值格式封装时，对IEC61850-9-1和IEC61850-9-2的选择是一个值得考虑的问题，因为毕竟出现了2种采样值格式封装，UCA( International Users Group)提出一种选择方案[36]，但该方案是在采样值格式未统一的情况下的片面选择。前述已经提及，无论是哪一种格式封装，其APDU占用的大小是不变的，始终为73字节，只是IEC61850-9-2在ASDU数量上有更多的选择空间，所以具体采用什么样的采样值，需要视情况而定，如果其本身就可进行数模转换，则两种封装都可以实现；如果接收的采样值是数据信号且该信号已经经过常规协议封装，如IEC60044-7/8，而且对精度和回调次数要求不是太高，则采用比较通用的IEC61850-9-1，反之，则使用IEC61850-9-2增加通道数和改变数据类型，以适应高精度的选择。对开关状态仅使用IEC61850-9-1规定的帧格式。

3.2 信息模型的映射

上一节对采样值进行了格式规范，形成了符合IEC61850-9-1通信的通用数据，形成了能被各类智能电子装置识别的数据信息。在本节中，需要就数据信息和设备信息进行传送整合，并标识出信息来源以便于控制装置能识别是哪一个设备传来的信息。基于以上的分析，最终形成的符合IEC61850帧格式的采样值传输映射

3 IEC61850采样值报文与传输实现

协议栈如图3.8。

OSI模型层应用层名称GOOSE报文（对应SendGOOSEMessage）GSE管理报文（对应GSE管理服务）Ｐａｒｔ　９－１定义的采样值报文（对应ＳｅｎｄＭＳＶＭｅｓｓａｇｅ）Ｐａｒｔ　９－２定义的采样值报文（对应ＳｅｎｄＭ（Ｕ）ＳＶＭｅｓｓａｇｅ）ＡＳＮ．１的ＢＥＲ编码（Ｐａｒｔ　９－１定义的采样值报文除外）服务规范IEC 61850协议规范表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层ISO/IEC 8824-1ISO/IEC 8825以太网优先级协议/VLANCSMA/CD光纤或RJ45连接件IEEE 802.1QISO/IEC 8802-3IEC 60874-10 或 ISO/IEC 8877

图3.8 采样值传输映射协议栈

Fig3.8 Transmission mapping protocol stack for sampling value

上述分别对设备模型和采样值建立了统一的信息模型和数据格式，为采用面向对象的思想整合模型与数据提供了便利，这样，设备与数据来源便建立了一一对应。有鉴于此，形成该模型需从两个方面着手，构造对象整体模型。

3.2.1 信息模型属性的映射

信息模型建立后形成了4种不同的语义空间，针对形成的语义空间，借助制造报文规范MMS的方式，将信息模型映射到虚拟制造设备（等同于用ASN.1标记数据APDU）[37]，定义某种抽象类，在对象变量选择时，采用多对一的变量存储方式，将多种属性映射到统一抽象变量中，保证变量的唯一性。因该抽象变量被重复利用，可能有多种属性的并行映射，形成嵌套格式，但注意嵌套层数，为了区分表达方式（如同区分与、或操作位），在信息模型映射中采用$符号以标识多对一的嵌套存放。在行为方式上，以信息模型语义路径描述变量，这样既能体现各自的功能，又便于模型重构，再次体现了面向对象的思想，如图3.9示例，其中，命名变量Named Variable和域Domain均为VMD的对象子集。

IEC61850类型ServerLDLNDODAServer1SPUSPU/phsaTCTRSPU/phsaTCTR.AmpSPU/phsaTCTR.Amp.instMagNamed VariableIEC 61850 实例MMS 对象VMDDomainVMD1SPUSPU/phsaTCTRSPU/phsaTCTR$MX$AmpSPU/phsaTCTR$MX$Amp$instMagMMS 实例

图3.9 采样值处理单元向MMS的映射

Fig3.9 Mapping from processing unit of sampling value to MMS

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3.2.2 采样值报文通信服务的映射

与信息模型属性映射方式类似，在此以IEC61850-9-2采样值报文映射到MMS以读取采样值控制块值GetMSVCBValues服务为例, 分析采样值报文通信服务的实现。

① 上述对采样值格式作了统一，并实现了以太网格式封装，基本已经满足了从应用层直接向数据链路层的映射，余下的工作仅仅是按照计算机网络数据传输方式对IEC61850规范格式进行传输帧封装，借助服务器与客户机的三次握手机制进行报文发送与请求，从配置文件中调用对象的属性，即语义路径，结合以太网传输的套接字请求发送报文；

② 服务器经套接字接收到报文后，利用ASN.1对其进行BER解码，由通信程序读取采样值，发送设备的采样值控制块实例名和请求信息，再由请求信息服务的应用程序访问内存数据库中的数据，并将其映射成IEC61850格式封装的统一数据，在响应服务后，将响应报文按照握手回应机制发送给客户机，在查询报文发送成功后制造报文规范执行机撤消发送状态机；

③ 客户机将收到的报文解析存储于内存，并识别其读取采样值控制块值。这样就完整地实现了读取采样值控制块值服务。对于采样值信息模型底层协议栈的通信映射，有几点需要注意：

1）IEC61850-9-1与IEC61850-9-2只映射MMS服务的信息模型和数据封装格式中的基本数据类型和某些IEC61850规定的抽象类型；

2）在映射设备信息模型时，必须有完整的配置信息，即4个信息语义层次，只要这样，通信映射程序才能正确识别信息模型；

3）映射时，信息模型必须与对应的MMS机制耦合，即抽象服务通信接口与MMS之间的映射必须按照配置文件一一映射，不存在一对多或多对一的映射；

4）如同一般协议栈下的数据映射一样，加上IEC61850对采样值报文映射的特殊要求，采用不经过会话、网络、传输的协议栈映射与三次握手机制是满足实时性要求的较佳选择，本文对采样值传输在操作系统中的实现就是采用这种方式。

3.3 面向对象的信息传输实现

对设备构造实体信息模型是IEC61850不可或缺的环节，而统一数据更是IEC61850实现互操作的前提。结合两者信息，准确对应了设备的位置、功能、状态和数据信息，这将方便于电力参数及设备的有效监控。实际应用中，作者设计了有三种整合信息的可行方案，如图3.10, 现对其分析比较如下：

3 IEC61850采样值报文与传输实现

SCSM 1Socket APISendRecvAcceptSocketBindListen服务原语ASN.1 APIEncoderDecoder数据库用户定义数据结构1...m遵循IEC61850语义空间数据结构1...nIEC61850信息模型1...o内部用户程序任务 1任务 2①②③功能 1功能 2功能 1功能 3任务 3任务 4MMS APIMMPM②网络驱动RecvSendSCSM 2MSVAPDU外部③①函数调用直接访问数据关联ACSI过程控制ACSI语义解释ACSI映射程序ASCI接口运行信息配置信息SCLIED实例通用信息模型库通信中间件图3.10 信息模型与采样数据的结合方式

Fig3.10 Combining manner between information model and sampling data

方式一：与用户定义的数据结构相聚合

新增一个通信中间件来识别抽象通信服务（如设计一个API接口）以连接信息模型与采样值APDU，应用接口API通过数据类型和行为进行关联。这种方法看似简单，但是因为信息模型的功能及行为规范类型的不同，如信息模型只能生成16位的数据，而要求采样值是32位，这样类型不能统一；此外，有的设备包含的信息多，有的包含少，信息属性不统一，所以仅仅依靠数据关联是行不通的，最多能实现数据的共享，但不能实现互操作，因为IED功能特性不匹配。这种情况下，可以分离本身的功能特性，不进行IEC61850格式的封装，可借助虚拟设备服务器来实现IEC61850协议的转换，这种方案与数字化变电站的要求不甚相符。

方式二：建立统一的层次化数据结构

智能电子设备中的可视功能已经按照IEC61850标准进行了功能解耦，为实现统一化，可以将IED的所有功能实施解耦，IEC61850不支持不可视功能服务，对其可自行定义。自行定义的服务不具备类特有的属性行为，只能有结构体形式，因而没有与抽象服务接口对应的服务功能。但数据传输时，即功能可视时，外部对象不能调用其功能函数，而只能通过读写单一的数据信息来交互，不能准确知道全部信息模型。ACSI与信息不关联，就无法通过形成统一的索引和约束，即直接定义代替派生，这一系列不规范环节的存在，就必须对数据结构和用户程序进行严谨的设计，否则也无法实现完整的互操作。

方式三，面向对象构建完整统一的信息模型

这种方式的特点是，无论实体设备基本功能是否可视，对所有功能都要建立

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基类。重要的是对基类中的成员变量和成员函数要实现其可靠耦合，其它非规范性的功能可通过派生来实现语义的一致性和准确性，使不同CPU之间的全部信息能严格按照ACSI服务规范来实现特殊通信服务映射，这样ACSI就如同成员函数一样被封装在信息模型的类里，其服务可通过调用同名函数来实现。但是该方案实施的难度大，因为需要寻求一种能完全按照协议规范IED所有信息进行设计的方法，而这种方法只能是对ASCI进行分析建模，使IED的所有基本功能均为标准的、开放的，从而将所有功能展现出来，这样才是互操作的真正实现，但用ACSI抽象服务来整合信息，难度是比较大的。尽管如此，鉴于这一方式，在课题研究中，编制了一个测量单元获取三相电流幅值过程的程序，以此为例从理论上可深入理解所提出的方案。

//lib_demo.h #include using namespace std; unsigned short a1lDataNum;

struct AnalogValue // 基本数据类型 {int i;}mAnalogValue;

struct VECTOR // 基本数据类型 {AnalogValue mag;}mVECTOR; class DATA // DATA类 {public: string DataRef; string FC;};

class CMV:DATA // 符合测量值CMV类 {public: VECTOR cVal;};

class WYE:DATA // 三相测量值WYE类 { public:

CMV phsA; // A相符合测量值 CMV phsB; // B相符合测量值 CMV phsC;}; // C相符合测量值

class DATASET // 数据集DATASET类 { private:

string dsRef; // 数据属性

unsigned short daNum; // 数据号

3 IEC61850采样值报文与传输实现

unsigned short dsMemberIndex[128]; // 数据集属性成员变量 public:

int CreatDataSet(string DSRef,string DSMemberRef[]，int n) // 代表ACSI服务的同名函数 {

daNum=0; for (int i=1;i<=n;i++) {

for(int j=1;j<=a1lDataNum;j++) {

If(SPU_ DataIndex[j].dataRef==DSMemberRef[i]) dsMemberIndex[++daNum]=j; } }

if(daNum!=n) return 1; else

dsRef=DSRef; return 0; }

int GetDataSetDirectory(string DSRef,string DSMemberRef[])

// 数据集命令路径设置，返回整型

{

if(DSRef!=dsRef) return 0; else

{ for (int i=1;i<=daNum;i++)

DSMemberRef[i]=SPU_DataIndex[dsMemberIndex[i]].dataRef;

}

return daNum; }

int GetDataSetValues(string DSRef,void* DAValue)

// 读取数据集值，返回整型值

{

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if(DSRef!=dsRef) return 0; else

{ int *p=(int *)DAValue; for (int i=1;i<=daNum;i++)

P[i]=*( SPU_DataIndex[dsMemberIndex[i]].dataAdr);

}

return daNum; } }；

class MMXU // 派生兼容测量单元类

{public: WYE A;}; // 继承兼容三相测量值类，电流实例 class LLN0 // 派生LLN0类，包含公共数据集DataSet {public: DATASET DataSet[17];};

//lib_demo.cpp #include #include #include\"lib_demo.h\" using namespace std;

MMXU mmxul ; // 创建兼容逻辑节点的实例 LLN0 In0; // 创建逻辑节点实例

Int U_MMXU() // 应用函数，对测量单元成员变量赋值 {

mmxul.A.phsA.cVal.mag.i = xx; // 数值范围在0~232 mmxul.A.phsB.cVal.mag.i = xx; // 数值范围在0~232 mmxul.A.phsC.cVal.mag.i = xx; // 数值范围在0~232 return 0; }

int U_IHMI(); // 人机接口 {

string w_dsMemberRef[4]，r_dsMemberRef[4];

int phaseCurrents[4];

w_dsMemberRef[1]=\"M/MMXU1$MX$A$phsA$cVal$mag$i\"; // 属性嵌套

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w_dsMemberRef[2]=\"M/MMXU1$MX$A$phsB$cVal$mag$i\"; w_dsMemberRef[3]=\"M/MMXU1$MX$A$phsC$cVal$mag$i\";

i=1n0.DataSet[1].GetDataSetDirectory(\"M/LLN0$dsA\

// 动态创建数据集，包含三相电流幅值

if(i==1) {

printf (\"CreatDataSet error \\n\"); return 1; }

i=1n0.DataSet[1].GetDataSetDirectory(\"M/LLN0$dsA\if (i==0) // 查询永久数据集dsA创建 {

printf (\"GetDataSetDirectory error \\n\");

return 1; }

for (int j=1;j<=i;j++)

printf(\"%s\\n\"，r_dsMemberRef[j].c_str());

i=1n0.DataSet[1].GetDataSetValues(\"M/LLNO$dsA\

// 成功创建则数据集值LN0中获取三相电流幅值，数据集成员在mmxu1中，但数据集只是起ACSI的索引功能 if (i==0) {

printf (\"GetDataSetValues error \\n\"); return 1; }

for (int j=1;j<=i;j++)

printf(\"%d\\n\return 0; } int main() {

SPU_DataIndex[1].dataAdr=&mmxul.A.phsA.cVal.mag.i; // 数据初始化 SPU_DataIndex[1].dataRef=\"M/MMXU1$MX$A$phsA$cVal$mag$i\"; SPU_DataIndex[2].dataAdr=&mmxul.A.phsB.cVal.mag.i;

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SPU_DataIndex[2].dataRef=\"M/MMXU1$MX$A$phsB$cVal$mag$i\"; SPU_DataIndex[3].dataAdr=&mmxul.A.phsC.cVal.mag.i; a1lDataNum=3; U_MMXU(); U_IHMI(); Retutn 0; }

3.4 嵌入式操作系统的引入

嵌入式系统以应用为中心，以嵌入式计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于对功耗、成本、功能、可靠性、体积等有严格要求的专用计算机系统[38]。实时操作系统RTOS的出现为开发复杂多任务提供了解决方案，将保护算法编写与底层驱动开发分离，可加快软件开发进度，促成保护装置平台统一化。本课题结合IEC61850的特点，选取VxWorks操作系统作软件平台，因该操作系统包含了多达1800个功能强大的应用程序开发接口[39]，是一种比较适合电力系统用的RTOS。它终端延迟短（一般为10微妙）、任务切换快（一般为11微妙），具有优先级抢占模式+时间片轮转的任务调度方式以及组件可裁剪的特点，实时性和可靠性更高，其特有的集成优势非linux与ucosII所能比，使协议应用在网络上开发更加便利。这里简要介绍一下VxWorks操作系统的使用，为后文的研究作铺垫。

① VxWorks操作系统包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等部分[40]，图3.11是VxWorks的系统结构图。

独立于硬件的软件部分应用I/O 系统File 系统依赖于硬件部分Wind KernelSCCI DriverBSPHardwareSCCI ControllerSCCTimerLAN ControllerLAN DriverVxWorks 库TCP/IP协议栈MUX 图3.11 VxWorks的系统结构图 Fig3.11 Architecture diagram for VxWorks

② 主机上的开发工具通过WTX(Wind River Tool eXchange)协议与Target

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Server通信[41]，使用开发环境Tornado 2.0[42]，其间关系如图3.12。

SheetDebuggerBrowserWindViewEditorProject主机系统目标机服务器Target ServerWTX目标机代理Agent用于软件仿真的目标仿真器WDB目标系统应用程序VxWorks目标机代理Agent

图3.12 Tornado开发环境

Fig3.12 Tornado Development Environment

③ Vxworks 内核（wind）的基本功能可分为任务管理、事件和异步信号服务、信号量服务、消息队列服务、内存管理、中断服务程序、时钟管理和定时器服务、出错处理八个大类[43]；

④ 合理分配任务的优先级和对较高优先级任务的合理调度是解决饥饿问题的有效方法 [44]，正确运用操作系统函数可重入性（Reentrancy）[45]；

⑤ Vxworks 系统中优先级分为 256 级，其中 0 为最高优先级。任务的优先级在任务创建时分配，但在任务运行时可通过系统调用优先级设置函数动态地改变其优先级[46]；

⑥ Vxworks操作系统移植至特定的处理器时，要依据处理器特点编写、修改相应的介于主板硬件和操作系统之间板级支持包BSP(Board Support Package)和关键目录config\\all_xhc_http，启动时采用在ROM中运行VxWorks启动顺序[47]，注意在VxWorks下驱动设备和程序、BSP开发及测试方法[48-49]。

3.5 采样值报文在嵌入式操作系统中的实现

考虑采样值报文有两种形式，可按照构造多任务思想，将采样值数据报文传输服务以应用任务形式实现，借助操作系统的多任务处理方式，将其应用于两种采样值的并行传输与存储。上述已借助IEC61850标准体系及网络对过程层采样值进行了统一格式帧规范，并对其采样值数据传输进行了通信服务映射，结合一次电子式电流/电压互感器等IED设备的信息模型，将两种信息捆绑后，通过以太网发送。由于IEC61850对采样值报文传输的特殊性，即报文直接从应用层映射到数据链路层进行传输，所以在选择操作系统时，要注意：多形式的采样值传输必须考虑与报文规定格式相兼容。

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VxWorks采用TCP/IP进行通信，是一种比较适合电力系统用的实时操作系统，它不仅支持完整的OSI七层协议传输，而且支持不经过表示层、会话层、传输层、网络层的传输方式。基于上一章对采样值的分析与格式构造，以下将讨论实现数据格式的跨层传输链接，这样，借助操作系统特有的以太网传输特质，可使采样值传输服务在VxWorks协议栈中得以实现。

3.5.1 支持IEC61850协议传输的VxWorks网络协议栈设计

由于采样值报文传输服务模式是隔层传输，所以需要一个衔接应用层与数据链路层的传输，这样已经封装的统一数据格式才能在以太网传输中进一步添加传输首部，形成可传输的以太网数据报，最终封装的格式（如前文所示）才能在以太网可靠传输。VxWorks自己默认的网络协议栈中已经提供了一个转发数据报的多路转换接口MUX，它本身已经与下面的的数据链路层中的多个网络驱动连接，且独立于高层协议，方便了接口扩展。常规网络协议栈的传输是通过网络层和传输层中的套接字实现的，借助该思想，可对这两层合并，在符合采样值传输跨层映射特点的前提下，设计一个实时通信接口，满足IEC61850采样值报文的高实时性传输。鉴于上述分析，可形成支持IEC61850协议传输的网络协议栈，这样就可实现采样值在以太网中的传输，其结构如图3.13。

应用层应用 1应用 2FMTS应用RTCI风河标准Socket接口表示层会话层风河 BSDSocket后端驱动用户Socket后端驱动传输层网络层TCP/IP 协议用户协议MUX数据链路层物理层END 1以太网......END 2串行通信图3.13 支持IEC61850协议传输的网络协议栈

Fig3.13 Network protocol stack supported by IEC61850 protocol transmission

3.5.2 衔接跨层通信接口设计

依据上述构思, 在多路转换接口MUX上扩展设计了一个实时通信接口RTCI（Real Time Communication Interface），借助操作系统，可实现两种报文在以太网中的可靠传输。借鉴OSI开放系统互联协议的TCP/IP协议栈传输思想，设计了适应于通信接口的传输方式，该传输方式是不对报文进行编/解码的，对报文的维护

3 IEC61850采样值报文与传输实现

也不是其职责，具体设计思想如下：

① 接口功能辨识。遵照API的应用思路，所设计的通信接口必须能被多路转换器MUX可靠识别和连接。所以，通信接口必须依照MUX的API数据结构对自身进行定义，API结构包含的内容有自身设备名、自身标识号、预接入网络协议名和协议类型、接口指针。建立连接时，由MUX接口对实时通信接口进行调用，将接口信息装入接口协议链表中，以此完成实时通信接口与操作系统协议栈的多路转换接口的连接，这类似于传输层与网络层的连接；

② 规范发送数据包的组织形式。建立连接后，仅仅是一个初步的吻合，还有两个工作要做：一是组织由微处理器从应用层发来的采样值报文，该报文经过应用程序处理形成格式统一的报文，按照TCP/IP的思想对数据报进行格式封装，设计具有调用IEC61850报文的类型、应用协议数据单元和目的地址指针的函数，此外，还需有基于MUX的格式设计出封装报文的源地址、目的地址等组织形式，对采样值报文配置传输地址，如广播或多播地址；二是设计用以被MUX调用的接口指针，使MUX通过调用该指针对实时通信接口进行操作和接收采样数据报文，并同时向数据链路层发送报文，这类似网络层与数据链路层的连接；

③ 建立握手查询机制。类似于客户端/服务端之间的TCP传输的三次握手机制，确保可靠面向点对点的连接；

④ 停止接收报文。为避免一个报文未解析完就接收另一个新报文，或者接收了重连时的错误报文，需设计停止实时通信接口继续传输报文的函数，通过断开通信接口与多路转换接口即可实现；

⑤ 接收处理报文。如同TCP/IP传输数值时从上到下的封装发送和从下到上的解析数据报一样，该实时通信接口需设计能接收从底层发来的采样值数据报文，并作简单处理。RTCI从MUX接收经过自身操作系统协议栈解析和分离了同步信号和校验序列的以太网帧，可设计接收判断函数来确认帧的正确性，该过程在TCP/IP中的实现过程是比较复杂的，但是依据传输特点也可以设计出相应的处理函数，尤其是对数据报文的判断。判断其是不是规范的以太网类型，通过判断数据报第17字节是否为0x88BA即可（前文有对该数值的说明），其后并将IEC61850数据报中的APDU存入共享区，借助信号量机制可以唤醒读取数据等应用；

⑥ 异常通信报告。如通信出错，则重启实时通信接口；重启成功后就进行重传数据报文，而在此，采样值严格限定为不重传，在软件设计传输函数中可对其赋初值来设定不重传。

根据上述设计思想，设计了一种能反映数据交换过程的实时通信接口，如图3.14所示。

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函数调用应用任务函数调用函数调用muxBind() 配置 MUXRtciOpen() 启动RTCImuxIoctl() 绑定 MUXmuxMCast增加多播地址配置多播AddrAdd()muxMCast删除多播地址RtciMCastAddrSet()AddrDel()muxMCast读取多播地址AddrGet()muxSend() 发送报文RtciSend() 发送报文RtciPollSend()查询发送RtciPollReceive()查询接受RtciClose()关闭RTCIRtciShutdown关闭返回Rtn()RtciRcvRtn() 接收报文RtciError() 通信出错RtciTxRestart重启发送Rtn()RTCImuxPollSend() 查询发送muxPollReceive() 查询接受muxUnbind()解绑 MUXmuxReceive() 接收报文muxError() MUX 出错muxTxRestartRtn() 重启发送MUXEND释放信号量函数回调

图3.14 快速通信接口RTCI及数据交换 Fig3.14 Fast communication interface and data exchange

3.5.3 采样值报文的应用设计

借助操作系统的网络协议栈，完成了通讯的连接，但仅仅连接是不够的，还需要通过多任务调度机制实现IEC61850-9-1及IEC61850-9-2两种报文的并行传输，对已经格式封装的数据再次编码和解析，前者是为了获取统一的数据，方便数据共享和操作，后者是为了智能电子设备自身的读取显示与控制命令操作，因而需解析数据。由于数据设备和传输数据均符合标准，按照面向对象的思想设计出了某些专用的映射语义，如控制块参数、数据集等等。

操作系统的多任务协调机制和信号量通信机制在这里将起到重要的作用，因两种采样值格式的实时要求较高，所以对其配置较高的优先级，在这里设置采样值报文格式IEC61850编码任务为SST，解析任务为SRT。其他应用任务则配置较低的优先级，具体配置视具体情况而定，这里只给出一种平台化思想的设计方案，形成一个整体的采样值传输与共享结构，如图3.15。

说明：函数调用F；获取IEC61850数据报G；更新IEC61850数据报U；定时获取IEC61850数据报TG；核心通用数据报APDU读出R；核心通用数据报APDU写入W；释放信号量S。

① IEC61850的编码任务SST

因为IEC61850-9-1格式封装的数据比IEC61850-9-2格式封装的数据较为通用，这里就通用性对两者统一编码。当采样程序结束后定时或者中断触发借助信号量启动IEC61850编码任务，该任务读取采样值并按照IEC61850规范数据及定义将其封装成通用数据类APDU，最后压入共享内存区。该任务的设计思路为：首先判断数据是否有效，主要体现为与硬件要求的采样位数是否一致，并判定数据是否

3 IEC61850采样值报文与传输实现

是新采集的，这需要根据数据库中的值进行对比；判断采集有效后，读取A/D转换后的数据，并编码应用协议数据单元APDU，先对不变参数编码，如调控制块、数据集、测试及成员列表等。调用实时通信接口的发送函数，并启动定时器，由软件实现周期定时，IEC61850的编码任务流程如图3.16。

其他应用任务G共享内存U应用任务SRTR共享内存WRTCIFMUXSR共享内存WFSU共享内存TG应用任务SST

图3.15 采样值传输任务形成其他任务的数据共享

Fig3.15 Data sharing between task of transferring sampling and other tasks

开始ASN.1/BER编码可以发送吗？NYSqNum++或复归读应用数据、ASN.1/BER编码发送APDU：RtciSend任务延时：taskDelay

图3.16 IEC61850的编码任务 Fig3.16 Coding task for IEC61850

② IEC61850的解码任务SRT

编码后的任务写入共享内存区，以方便解码任务获取并解析。IEC61850解码任务相比编码任务要更加复杂，如同在普通TCP/IP传输时，数据发送时的封装及

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传输过程要相对简单，而接收数据及其解析过程却需要诸多的状态机判断，例如如是否ARP报、IP报和UDP报等。在这里，借鉴普通协议栈的数据传输，需要判断报文是采用的IEC61850-9-1还是IEC61850-9-2，否则应用任务难以可靠辨识。具体设计过程是，依据两者在格式组织上的不同，在一帧的数据报中，前者的应用协议数据单元只有一个应用服务单元和一个协议控制单元，后者不仅包括一个协议数据单元，还包括两个协议数据单元，它们需经过不同的配置表来辨识，该配置表中的信息是经过ASN.1语法标记过的，在软件实现时，需借助ASN.1 专用编译器生成C语言基本的语法信息，两者差异还有协议数据占的位置、标识符、数据集和采样数据集的不同。值得注意的是，在IEC61850报文解析时，要将其解码为模拟量和状态量，解码后参考常规模拟量计算Vm*S/Vr，其中：Vm为瞬时值，Vr为额定设置值，S为互感因子。 IEC61850解码任务流程如图3.17。

开始是9-1报文吗？YN记录出错值，进行出错处理采样计数器正确吗？Y更新计数值9-1解码：bypApdu9-1ubypApdu9-1s更新应用数据释放信号量NASN.1/BER解码:bypApduSavAsdu[1]数据集已配置吗？MsvID存在YDatSet存在采样计数器正确吗？Y更新计数值、ASN.1/BER解码：SavAsdu[1].bypSamples更新应用数据释放信号量N退出SavAsdu[n]N记录出错值，进行出错处理更新计数值、ASN.1/BER解码：SavAsdu[n].bypSamples更新应用数据释放信号量... 图3.17 IEC61850的解码流程 Fig3.17 Decoding flowchart for IEC61850

其中，MsvID为数据类型标识符，前文已说明两种报文在数据类型和大小上的不同。根据以上流程，调用借助配置描述文件建立的数据结构即可解码采样值的通用数据编码，解码任务完成后，释放信号量供其他任务使用，或者回归主程序。

3.6 改进的组网形式

为最大化节约建设成本，协调变电内及变电站之间的数据交换，本课题在研

3 IEC61850采样值报文与传输实现

究采样值传输的基础上，对其传输过程中的组网方式也做了改进，以最大限度地利用以太网资源。

3.6.1 IEC61850提出的变电站组网方式

电工委提出了将数字化变电站通信分为三层的构想，即过程层、间隔层和变电站层，按照其网络通信特点，IEC61850提出了两种组网方式，它们均由站级网络和过程层两个独立的物理子网组成，如图3.18。

变电站层站级PC…交换机站级设备站级网络变电站层站级PC…交换机站级设备站级网络远方变电站路由器远方变电站路由器间隔层代理网关传统设备…保护单元…间隔层代理网关传统设备测控单元…保护单元…测控单元交换机过程层采样数据处理单元电子式电流互感器ECT…智能开关设备过程层采样数据处理单元电子式电流互感器ECT…智能开关设备电子式电压互感器EVT

电子式电压互感器EVT

(a) 过程层点/点多模式 (b) 过程层总线模式

图3.18 两层独立物理子网络

Fig3.18 Independent physical subnetwork for two layers

在IEC61850提出的变电站数据通信中，变电站层和间隔层之间的通信由站级网络实现，间隔层与过程层之间的通信由过程层网络实现,其特点如表3.1所示。

表3.1 两层网络对比表

Table3.1 Comparison between two-layers’ network

网络方式过程层点点/点多模式

过程层总线模式

星型拓扑

所有间隔层设备

过程层连接方式点对点/多点

过程层数据共享范围

本间隔设备

均不能访问过程层数据变电站层范围范围

3.6.2 变电站组网方式的改进

为了统一规范，现有的组网方式可进行改进，将通信网络升级和优化，组建成唯一的网络，以达到数据的全站均能直接应用的目的。通过交换机连接所有智

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能电子设备，如ECT/EVT，开关单元等，通过虚拟服务器的过程总线连接非IEC61850装置，这些装置通过铜导线连接普通刀闸和开关。改进的组网方式如图3.19。

站级PC…交换机站级设备路由器远方变电站交换机交换机代理网关传统设备智能开关设备…采样数据处理单元……保护单元…测控单元…采样数据处理单元电子式电压互感器EVT虚拟设备服务器非IEC61850装置过程总线电子式电流互感器ECT电子式电压互感器EVT电子式电流互感器ECT

图3.19 统一网络连接方式

Fig3.19 Connecting manner for unified network

在此有必要对改进的组网方式和IEC61850提出的组网方式作一简单对比，以体现其优越性，对比结果如表3.2。

表3.2 两种组网方式对比

Table3.2 Comparison between two kinds of network

组网方式

优点

兼容传统设备连接，子网节点少，网

两层网络

络负荷轻，性能高，分布实现数字化

缺点

信息共享度低，因为分布建设各层功能致使建设成本高建设

变电站功能，组网和运行管理简便。程度。可实现数字化变电站全站全层的信息

改进的统一网络

共享，实现分布式应用，使用全站统一以太网服务。

网络规模增大，交换机节点多且分散，信息高度共享可能侵占网络带宽。

3.7 采样值算法选择

无论什么样的电力系统，对系统中电压、电流等的获取是不可或缺的，实时、准确的数据采集对电力系统保护是极为重要的。监控系统的主要功能是对设备进行监制，而数据采集又是实现这一功能的最重要和最基本的环节，尤其是如何准确快速地采集数据，一直备受关注。在电力系统数字保护装置中，需要获取系统

3 IEC61850采样值报文与传输实现

各元件的电压、电流、功率等交流电量，且必须满足实时性的要求，以便及时响应现场各种状态的变化，迅速、准确地做出保护反应，消除或降低故障引起的严重后果。交流电量的快速测量大多采用交流采样法，但交流采样所得到的是信号的瞬时值，无法直接识别其大小和传送方向（功率），这就需要通过一定的算法把信号的有关特征电量计算出来。电力系统数字保护算法是指数字保护装置根据数据采集系统提供的输入电气量的采样离散数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法。

分析和评价各种不同算法的优劣标准是速度和精度。速度包括两个方面：一是算法所需要的采样点数（或称数据窗长度）；二是算法的运算工作量。而精度和速度又总是矛盾的，若要提高计算精度，则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算，所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。此外，有些算法本身具有数字滤波的功能，有些算法则需配以数字滤波器一起工作。因此选择算法时还要考虑对数字滤波的要求。

交流采样法，对电量大小和方向是难以判断的，但提取电量特征量又必不可少。在现代电力系统中，对采样值一般采用离散算法实现采样值特征的可靠提取，简称数字保护算法。国内外电力系统研究工作者对此作了许多研究，并提出了几种适合于电力系统自动化的保护算法，如全波傅氏算法、最小二乘法和差分算法等，它们都是从若干采样值序列中计算出有关电流、电压的幅值、相位、功率等基本电参数，再依据不同保护原理的动作判据进行运算，实现保护功能。

3.7.1 全波傅氏算法

全波傅氏算法基本思想源自傅立叶级数的傅氏算法，原理简单、计算精度高。它是将周期函数分解为恒定直流、基波和各次谐波等多个分量，该算法适用于继电保护基波、谐波分量的计算，虽省去了模拟滤波电路，但它能滤除所有整次谐波分量，且在滤波的同时，可获得信号的实部和虚部。该算法的输入为周期函数信号，采集的电流和电压可视为周期函数信号。这种算法所用的数据窗为N个采样点，即一个周期的时间。计算时需用到一个周期的全部N个采样值，因此计算必须在第N个采样值得到后，计算的结果才是正确的，但傅氏算法不能完全滤除非整次谐波分量和纯直流分量。采集量可表示为：

x(t)=∑Xnsin(nω1t+ϕn)

=∑[(Xnsinϕn)cosnω1t+(Xncosϕn)sinnω1t]

n=0n=0

∞∞

=∑(bncosnω1t+ansinnω1t) (3.1)

n=0

∞

式中 n=0,1,2,…； ω1— 基波角频率； Xn、ϕn— n次谐波的幅值和相位；

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an、bn— 分别为直流、基波和各次谐波的正弦项、余弦项的幅值，bn=Xnsinϕn，an=Xncosϕn。

按傅氏原理可计算n次谐波正弦项、余弦项的幅值：

an=∫x()sintnω1tdt (3.2)

T02T

bn=∫x()costnω1tdt (3.3)

式中T为函数x(t)的周期。于是x(t)中的n次谐波分量为：

xn(t)=ansinnω1t+bncosnω1t (3.4) 令n=1，可得到基波分量：

x1(t)=a1sinnω1t+b1cosnω1t (3.5) 合并正、余弦项，可得：

x1(t)=2X1sin(ω1t+α1) (3.6) 式中X1为基波分量有效值；α1为基波分量初相角。将式中sin(ω1t+α1)展开后，与式(3.5)比较得：

a1=2X1cosα1，b1=2X1sinα1 (3.7)

根据(3.7)，计算有效值和相角：

a12+b12 X1= (3.8)

α1=arctan1 (3.9)

上述均是在连续域中的傅氏算法获取谐波分量。然而，在数字化电力参数监控中，参数是经过采样、A/D转换后的离散数字信号，所以须用离散傅立叶算法。这里可将式(3.2)，(3.3)中的积分变为求离散和，以获得离散数字信号，设x(k)是与连续信号x(t)对应的离散序列，其离散变换为：

2N2π

an=xsin(nk) (3.10) ∑k

Nk=1N2N2π

bn=xkcos(nk) (3.11) ∑Nk=1N

式中N— 基波信号的周期采样点数；xk— 第k次采样值。那么对应的幅值和相位为：

22 Xn=an+bn (3.12)

ϕk=arctan(bn/an) (3.13)

说明：依据n求出不同谐波分量的实部和虚部，继而可求得它们的幅值和相位。在实时计算时，一般在每出现一个新采样值便计算一次。根据式(3.10)和式(3.11)，微处理器应对这一新值前的包括新出现的一个采样值在内的N个采样值同

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时加以运算。在实际应用时，可首先计算出正弦滤波系数sin(2πnk)和余弦滤波系

数cos(2πnk)，并将计算值存入相应的存储链表中，避免计算重复。

3.7.2 递推最小二乘法

递推最小二乘法是近年来提出来的一种较新的算法，利用这种算法，可以有效地从受干扰的输入信号中估计基波电压或基波电流复数振幅的实部和虚部，利用它们对电压、电流的有效值进行计算，同时利用电压相角的变化可以计算出频率。最小二乘算法是拟合输入的暂态分量和预定的含有非周期、基频、某些整次谐波等分量的函数，它的突出优点是其频响特性随数据窗增加而自行改善，较好地满足保护对实时性的要求。当数据窗越大、拟合函数模型包含的谐波次数越多，其计算精度就越高，同时工作量就越大，但它不能克服衰减的直流分量。最小二乘法的拟合函数一般可选为：

y(t)=x0e

−t/τ

+∑(xRkcoskωt+xIksinkωt) (3.14)

k=1

−iTs/τ

离散处理后得：y(i)=x0e

+∑(xRkcoskωiTs+xIksinkωiTs) (3.15)

k=1

形成矩阵方式为：y(i)=h(i)x (3.16)

−iT/τ

式中：h(i)=[es,cosωiTs,sinωiTs,L,cosnωiTs,sinnωiTs] x=[x0,xR1,xI1,L,xRn,xIn]T

x0— 衰减直流分量的初始值； τ— 衰减直流分量的时间常数； ω— 基频角频率； Ts— 采样周期； xRk,xIk— 第k次谐波分量的余弦和正弦项幅值。

假设信号的采样值为z(i), i=l,2,…, n，则残差平方和为：

J=∑[z(i)−y(i)]2 (3.17)

i=1n

达到最小的最小二乘估计为：

ˆ X(n)=[HT(n)H(n)]-1HT(n)Z(n) (3.18) 其中：H(n)=[h(1),h(2),L,h(n)]T； Z(n)=[z(1),z(2),L,z(n)]T； ˆ X(n)— 待估计向量的估计值。

依据最小二乘法的特点，增加新的采样数据可提高算法的精度。但是，每增加新的采样数据，采用式(3.18)就必须重新计算一次，计算量大，因而可对其进行改进，改进的最小二乘法算法是：仅对原有的估计值进行修正，构成递推最小二乘算法：

ˆX(k+1)=X(k)+K(k+1)[z(k+1)−h(k+1)X(k)] (3.19)

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K(k+1)=P(k)hT(k+1)[h(k+1)P(k)hT(k+1)+I]−1 (3.20) P(k+1)=[HT(k+1)H(k+1)]−1

=P(k)−P(k)hT(k+1)[h(k+1)P(k)hT(k+1)+I]−1h(k+1)P(k) (3.21) P(k)=[HT(k)H(k)]−1 (3.22) 其中，实时计算可以借助方程(3.19)，而且，可事先离线计算出与采样值无关的增益矩阵K(k+1)。另外，当采样数据远多于待估计参数时，递推最小二乘算法将大大优化计算量。

3.7.3 带差分滤波环节的全波傅氏算法

如上所述，当输入信号为周期性信号时，采用计算精度不受直流分量和谐波分量影响的全波傅氏算法，可准确求出信号中的基波分量。但在实际情况下，故障信号通常不呈周期性变化，例如按指数规律衰减的纯直流分量。依据频谱分析，该分量包括基波的频谱均为连续的。若采用傅氏算法，基波分量必有误差。

设输入信号为： x(t)=Ae式中：Ae

−at

+∑Insin(nω1t+ϕn) (3.23)

n=1

∞n=1

∞

为非周期衰减直流分量；∑Insin(nω1t+ϕn)是基波及各次谐波分

∞

量的总和，且基波的角频率为ω1。该信号经采样，离散化为：

x(n)=Ae

−anTs

+∑Xksin(kω1nTs+ϕk) (3.24)

k=1

式中：Ts为采样间隔。由于一阶差分滤波y(n)=x(n)-x(n-1)对高次谐波具有放大作用，而二阶差分y(n)=x(n)-x(n-2)滤波效果则有所改善，故选用二阶差分滤波算法。对采样序列x(n)进行二阶差分变换： x′(n)=x(n)−x(n−2)

=A(e

−anTs

−e

−a(n−2)Ts

)+∑Xk[sin(kω1nTs+ϕk)−sin(kω1(n−2)Ts+ϕk)] (3.25)

k=1

∞

当采取24点时，Ts=0.833ms，可以近似认为e直流分量A(e

−anTs

e−a(n−2)Ts，从而消除衰减

−e−a(n−2)Ts)，式(3.25)可进一步变换为：

x′(n)=

∑X

k=1

∞

[sin(kω1nTs+ϕk)−sin(kω1(n−2)Ts+ϕk)]

=2Xk∑cos(kω1nTs+ϕk−kω1Ts)sin(kω1Ts)

k=1

∞

=2Xksin(kω1Ts)∑sin(kω1nTs+ϕk−kω1Ts+)

2k=1

=c1Xk∑sin(kω1nTs+ϕk+c2) (3.26)

k=1∞

∞

3 IEC61850采样值报文与传输实现

式中，c1=2sin(kω1Ts),c2=π−kω1Ts分别为幅值和相位补偿系数。

用全波傅氏算法对差分滤波后的序列x′(n)进行变换，得到k次谐波分量的幅

x′c′c值和相位x′k，ϕ′k，则原谐波分量的幅值、相位为k/1，ϕk-2。整个算法的数据

窗长度为N。其中，可离线计算的量在程序中以常量的形式给定，这样可以提高算法速度，如在提取基频分量的实部与虚部时，可以借助24点全波傅氏变换算法

2π2π

来离线计算并以数组的形式给定cos(nk)和sin(nk)，同样，差分滤波后的幅

NNπ

值相位补偿系数c1=2sin(kω1Ts),c2=−kω1Ts也能以常量的形式出现在程序中。

依据上诉推导过程，因为增加了补偿系数，带差分滤波环节的全波傅氏算法的数据窗变为N+1，计算量较小，而且，采用这种二阶差分法来修正采样值，仅需输入信号的形式如同式(3.23)，这样，就能较为精确地消除衰减非周期分量的影响，滤出基波及各次谐波分量的实部和虚部，以此优化采样值数据信息。

全波傅氏算法和最小二乘法都各有其特点。① 傅氏算法是一种能够适用于各种监控及保护的算法，最适合于周期采样。它具有数字滤波作用，可以省去模拟滤波电路，适合于电子式传感器送出的数字采样值，但傅氏算法通常不能滤除衰减直流分量。实践证明，差分法与傅氏算法的结合能有效处理直流分量。② 最小二乘法是按最小二乘原理拟合预设含有非周期分量、谐波分量的函数和采样传输的暂态电气量，计算出输入值的基频及各种暂态分量的幅值和相位。需要注意的是，在选择运用最小二乘法设计的拟合模型时，须折衷精度和速度，满足实时性和准确性。鉴于数字化变电站的要求，以及对各类算法的分析和评价，依据权衡标准，速度和精度，兼顾实时性和有效性；同时，对采样值的计算是在报文未封装时进行的，不会影响在报文中占用的字节和封装格式，所以，采取带二阶差分滤波环节的全波傅氏算法作为采样算法是一个好的选择。

3.8 本章小节

本章重点研究了IEC61850核心报文的编码和统一传输，实现了嵌入式操作系统与采样值传输的结合，同时对数据传输网络进行了改进的组网设计，讨论并分析了三种采样算法，并对适合数字化变电站的采样值算法作出了选择。

4 监控软件设计

本章针对采样值报文传输，借助嵌入式操作系统的多任务调度功能，提出了一种嵌入式监控软件的设计方案，

4.1 嵌入式监控对硬件的基本要求

因为对应用的实时性要求高、数据规范必须满足数字化变电站设备互操作的需要，所以对接入变电站的采样设备有一定要求，必须采用多设备同步采样，所以在硬件设计上可采取无线通讯方式，如GPS同步采样，在采样时发送无线同步采样信号；其次，在数据处理上，要求精度高，快速性好，故FPGA的功能可应用于硬件系统中，微控制器与FPGA相结合是将来嵌入式发展的必经之路。鉴于上述对硬件的要求，结合以单片机为主的控制板集成功能，论文提出了一个可满足数字化变电站的硬件模块结构，但依据实际情况，设计了实际的硬件，如图4.1所示，分别给出了理论分析硬件图和实际做的可行性硬件结果图。

电RS232/485通以太网收发器接口采样控制器以太网MAC数字输入接口时钟MCF52235用I/OFPGA源信号调理ADBDM复位电源P CG P S接收器P P S接收器实时钟I2CE2PROM模拟量输入波形变换开关量输入开关量输出DTINGPIOGPIOCommunicationMCF52235GPIOLEDLCD按键图4.1 控制系统硬件结构

RS232RS485CAN以太网 (a) 基本硬件要求结构 (b)

实现的硬件结构

Fig4.1 Hardware architecture for Control system

说明几点：

① 硬件设计时，要注意硬件的抗干扰措施，因为硬件用于变电站系统，可能工作在高压、高电流的环境，应考虑干扰的因素。硬件设计时采用如滤波、隔离、接地、电源技术、屏蔽等；

② 通过通用I/O或外部总线外扩，硬件设计应预留有足够的资源，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势，如时钟频率高（一般可有40MHz）、内部延时小，全部控制逻辑可由硬件完成。

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4.2 电力参数计算方法的软件实现

上一节选择了带差分滤波环节的全波傅氏算法，对采样的数据进行差分滤波、存储、傅立叶变换，求出幅值和相位。因数据处理时需多次使用差分滤波与傅立叶变换，故在软件实现时，可以将它们做成函数，本设计将差分滤波函数设计为void Diff(int *pData, int *pDiffBuf)，其中，pData为缓冲区最新数据指针，从中取出新采集的指定组合窗数据，pDiffBuf是保存计算后的差分数据指针；将傅立叶变换函数设计为void Fourier_l(int *pData, int *pT)，其中，1代表1次谐波，pData代表缓冲区最新数据指针，供傅立叶变换函数调用差分滤波函数的数据指针，pT用于保存幅值和相位值。对于高次谐波的傅氏变换，可借助Fourier_n( )来实现。

ADC采集到的是幅值范围为0~2.5V的电压瞬时值，需先对其进行滤波，滤除其谐波成分，然后加组合窗处理，抑制泄漏，最后通过标度变换等计算将其变为范围约为-1.25 V~+1.25 V的电压信号，再乘以修正系数得到实际输入幅值约为AC220V的电压瞬时值。电流部分计算过程与此相同，实现流程图如图4.2。

开始保存到内部RAM的电压数据作数字滤波处理加组合窗抑制泄露标度变换及系数修正计算有效值、功率因数等参数返回图4.2 电参量计算流程

Fig4.2 Electric parameters calculation process

4.3 嵌入式监控软件系统结构

基于Vxworks的多任务和信号量、管道等多种通信机制运行和IED61850对接入系统的基本软件要求[50]，任务的建立也要灵活多变，可以在任务调度开始前全部建立，或者由其他任务建立，类似于µCOS-II的动态任务建立，以此来构建整个软件框架，框架结构如图4.3。

4 监控软件设计

开始VxWorks初始化目标板初始化建立多任务三相电能参数定时采集任务事件监测与告警上报任务键盘任务LCD显示任务终端通信任务动态事务管理任务启动多任务返回图4.3 软件系统构架 Fig4.3 Software System Architecture

对终端软件中的应用任务应当依据操作系统和实际可能的重要程度安排优先级，注意优先级的分配不能高于对IEC61850-9-1及IEC61850-9-2报文所分配的优先级，如表4.1。

表4.1 终端任务参数配置表

Fig 4.1 Terminal task parameter configuration table 任务分类三相电能参数的定时采集任务用电现场事件监测与告警上报任务键盘任务LCD显示任务终端接收任务终端发送任务动态事务管理任务优先级堆栈（字）频率98710561112812812812812864128300s30s10ms2s任务函数名Task_Electric parameter_SampTask_AlarmTask_KeyTask_LcdTask_Uart0_RevTask_Uart0_SendTask_Dynamic_Manager

4.3.1 主程序设计

采用面向对象的模块化结构取代目前变电站自动化系统中结构化设计的通信软件，由主控模块、界面显示模块、规约模块、数据库控制模块和同步信号处理中断模块组成，强化了数据处理和数据通信功能，可完成控制信息的格式统一与网络化传输，主程序流程如图4.4。

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入口开始启动数据库管理PPS检测Y发送同步命令获取节点信息信息处理IEC61850协议初始化信息存储启动数据库管理以太网发送数据结束N发送信息到二次设备N自检是否通过Y提示自检失败原因串口发送信息结束读取配置文件系统初始化设置中断启动通信图4.4 主程序框图

Fig4.4 Main program block diagram

4.3.2 三相电力参数定时采集任务

三相电力参数是终端的重要检测数据源，是计量装置能否正常运行的依据。终端对电力参数定时采集并予以保存，以备与测量点电力数据进行对比分析，从分析结果中得出控制策略，所以采样部分是非常重要的一环。对采样部分设计借助FPGA对GPS秒脉冲信号正确识别以确保发送同步采样命令，程序流程图如图4.5。

初始化捕捉到连续脉冲Y有新脉冲到来YN秒脉冲头t>10usYN脉冲间隔t=1s?Y倍频脉冲产生采样控制信号并计算秒脉冲信号晶振频率均值退出NN晶振分频产生采样控制信号，补偿时间误差退出图4.5 FPGA产生采样控制信号流程

Fig4.5 Sampling control signal flow produced by FPGA

其次，在收到有效的采样命令后，对三相电能参数的采样，如图4.6。

4 监控软件设计

开始定义任务的局部变量读取时间调用X1226ReadC()N测量点采样时间到？Y读取当前测量点电能参数，调用ReadAP()保存当前测量点电能参数到FM25L256N测量点号加1最后测量点否？Y调用OSTimedly(),执行任务调度图4.6 多点定时电能采集任务流程图

Fig4.6 Flowchart of energy acquisition task by specified time

重点是采样值的传输，根据前述分析，设计了采样值的传输流程，如图4.7。

入口开始IEC61850协议报初始化N系统正常Y系统初始化以太网控制器IEC61850协议报初始化串口中断？Y采样值数据接收采样值报文封装以太网发送N系统自检不定时采样中断入口切换控制芯片绑定相关协议中断返回

图4.7 采样值传输流程

Fig4.7 Sampling value transmission flowchart

4.3.3 用电现场事件监测与告警上报任务

借鉴江西省用电现场服务与管理系统通信规约对现场的要求[52]，本章设计了一个基本的告警和上报任务。任务的关键是对捕捉告警事件状态，设置告警事件参数，按照符合实际的判据对现场采集到的电力参数进行分析，得出告警事件的状态，一旦告警事件发生，将告警信息按照规约帧格式通过GPRS模块发送到前端，功能实现如图4.8所示。

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开始定义任务的局部变量读取时间调用X1226ReadC()N调用OSTimedly(),执行任务调度终端告警事件扫描时间到？Y当前告警事件屏蔽否？N调用当前告警事件分析模块下一个告警项Y当前告警事件发生否？Y生成告警数据并在终端保存，最后通知通信任务主动上报告警数据N最后告警项否？YN 图4.8 用电现场事件监测与告警上报任务流程

Fig4.8 Task flowchart for field event monitoring and alarm report

4.3.4 键盘任务

键盘功能包括终端地址、前置机地址及端口、终端时间等的设置。在设计过程中，LCD任务和键盘任务对CPU资源的占用是容易混淆的，在某些操作系统中采用互斥机制，鉴于实时性考虑，本设计采用下面的方案：LCD模块采用静态显示驱动模式，任务只需要调用LCD的API就能显示需要显示的内容。在键盘任务中，通过配置/取消LCD的管脚配置，退出后再配置LCD管脚这一系列动作来显示数据。这样就做到了键盘任务独占LCD，而其它需要显示的任务同时在后台运行，解决了键盘的实时性和多任务共用LCD的问题，功能实现如图4.9。

开始定义任务的局部变量调用OSTimedly(),执行任务调度并实现键盘延时扫描设置键按下？N上建按下？N下建按下？NY调用Key_Page_Dn()Y调用Key_Page_Up()Y调用Key_Set_up()

图4.9 键盘任务的功能 Fig4.9 Function for keyboard task

4 监控软件设计

4.3.5 LCD显示任务

LCD任务的各类数据包括IEC61850规约中规定的电力参数解析后的数据，本身状态数据和告警数据等。LCD任务按照固定顺序依据固定的字符摸集从铁电存储器内读出数据，并调用LCD的API显示数据，同时通过调用OSTimeDly()实现数据延时更新，更新频率由数据项根据实际情况配置，以达到获取最新实时数据的效果, 显示任务流程图如图 4.10。

开始读取缓存数据得到对应字模数据将字模数据写入显存更新显示延时等待图4.10 显示任务流程图 Fig.4.10 Flowchart for display task

4.3.6 终端通信任务

终端通信任务是采样值发送不可或缺的一部分，终端通信任务实现终端与前端的数据交换，它包括对前端收到命令帧的分析、执行命令帧、回应命令帧、组帧数据和发送[44]。通信任务采用采样值同步命令等远程数据收发，通过GPRS模块实现。当数据传送处于等待状态，在UART0收到数据时，任务率先按统一的数据帧将数据缓冲，然后解析帧命令、数据项及数据正确性。对于符合要求的数据帧，终端对其要求的功能进行相关操作并回复前端，内容有数据项及帧接收成功标志，而对于不符合要求的数据帧则回应错误。

在任务主动向前端发送数据过程中，将发送数据按规范化的IEC61850格式进行组帧，送到UART0的发送缓冲区中，并由UART0的API接口函数发送。这里要注意的是，通常终端通信任务占用的内存空间大，一般配置连续的内存来满足任务的发送和接收缓冲，可采取链表数据结构。

其它任务主动向前端发送数据时，通过操作系统中的消息邮箱与该任务进行通信；另外一方面使用信号量可以解决多任务对硬件UART0串行的占用，所以该任务调用了操作系统的两种通信机制：信号量和消息邮箱。终端通信任务的设计

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流程可用图4.11来描述。

开始定义任务的局部变量调用OSMbosPend(),等待接收通信事件N帧数据校验正确否YN控制码有效否Y出错处理分析当前帧的控制码执行当前帧对应的操作调用OSSemPost()通知接收任务应答请求帧调用UART0的API函数UART0Put(),将发送缓冲区的数据从UART0送出调用OSMboxPend()等待发送通信事件开始定义任务的局部变量调用OSSemSend()释放URAT0的信号量UART0Sem

图4.11 通信任务的设计流程图

Fig4.11 The design flowchart for communication task

4.3.7 动态事务管理任务

开始定义任务的局部变量调用时间函数读取时间N动态任务管理时间到Y读取动态任务控制块当前任务号任务打开否YY当前任务号任务创建否N创建当前任务号任务并置创建标志调用OSTimeDly()执行任务调度NY当前任务号任务删除否N删除当前任务号任务并置删除标志

图4.12 动态事务管理任务设计流程图

Fig4.12 Design flowchart for dynamic transaction management task

4 监控软件设计

鉴于实际需要，往往需要临时或者阶段性地对部分电能参数进行定时采集，这就要求终端能够动态创建任务，并对配置的数据项数据进行定时采集。不仅需要动态创建，而且还需要能够动态删除任务，从而取消先前的事务安排，不进行临时的采集任务。这种动态事务配置，让终端软件功能能够灵活配置，使终端软件平台化、智能化。因为动态任务涉及的操作比较多，如创建和删除任务，和其他任务通信，可以采用信号量和消息邮的通信机制，动态事务管理任务的设计流程可用图4.12来描述。

4.4 本章小结

基于操作系统和硬件提供的功能，设计了一个原型终端软件平台，采用任务优先级调度机制，实现了现场设备与企业信息系统及以太网的可靠连接，满足数字化变电站数据采集的实时性、可靠性等方面的要求，研究了IEC61850规约在操作系统中的实现，可供设计IEC61850的工程应用提供借鉴。

5 系统测试和性能分析

本章针对数字变电站中的三相电流/电压等数据发送和接收必须符合IEC61850标准，结合实际的硬件设备，设计了一个八路信号的变电站数据交换的原型系统，以此验证其是否与IEC61850中的第十部分要求一致。

5.1 测试系统组建

综合前文建立的应用软件平台，遵照3.6节改进的组网方式组建的测试环境包括六个基本部分：一台用于模拟二次侧的电子式互感器的测试电源、运行VxWorks及采样值编码/解析任务及其相关应用软件（如A/D采样，采样值发送/接收等）的MCF52235采样值处理单元、一台windows xp下运行的免费报文分析软件Ethereal测试主机、一台线路保护单元、一台工业交换机及一台电力测控装置，组建的结构如图5.1所示。

采样值JCD-3060B三相精密测试电源快速以太网交换机KN-S1016测试主机PC基于MCF52235的采样值处理单元EDCS-7210线路保护单元（IED）EDCS-7510电力测控装置图5.1 测试环境 Fig5.1 Test Environment

同时建立了采样值的测试程序，其流程如图5.2。几点说明：

① 限于已设计的电路板上只有8路通道，为便于测试分析，这里仅设置测试采样变压器三相高、低电压和低压测电流，开放A/D八路采样通道，测试数据还原精度；

② 借助XBY系列程控三相电表装置模拟电子式电流/电压互感器，将二次侧送出的各种电压/电流模拟值传输给52235监控主板，对比分析新格式下的采样数据，经还原后与标准供电电源数值比较，以便分析误差和精度；

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入口设置通道计数器N=1初始化FPGA初始化DMA控制寄存器和PLL初始化IEC61850-9-1报头、APDU\\ADSU读取通道N头信息和参数信息，设置输出缓冲9-1out[n]=0根据基波参数(幅值、相位、频率)利用数据产生方案计算9-1格式的数字量outA初始化定时器1中断9-1out[n]=outA设置通道计数器N=1填充至ASDUn=2吗？Yn=1N退出

图5.2 采样值数据测试流程

Fig5.2 Test flowchart for sampling value data

③ 按照第三章中设计的IEC61850-9-1及IEC61850-9-2配置表，对其数据结构进行合理的网络信息配置，其测试配置如表5.1所示。

表5.1 数据结构配置

Table5.1 Configuration table for data structure

以太网帧格式源地址目的地址 PDU TPID APPID APDU ASDU LNName DataSetName LENGTH Reserverd status Reserverd status Priority

基本数据集广播

00 50 C2 1E AF FB ff ff ff ff ff ff 0x88BA 0x8100 0x4000

tag length

0x80 94 2 0x02 0x1 0x3e 0 0 4

状态集组播

00 50 C2 1E AF FB 01 0C CD 04 00 00 0X88BA 0x8100 0x4000 0x80 52 2 0x02 0x2 0x3e 0 0 4

5 系统测试和性能分析

5.2 测试结果与性能评价

5.2.1 电量数据结果与分析

由表5.1，在要求精度不高的情况下，配置两种格式的报文，传送的采样值误差小，基本在0.025以内，有效验证了采样值的封装和数据还原，也满足精度要求。

表5.2 三相电压/电流采样监控结果

Table 5.2 The Monitoring results for A phase Current

标准值被测量 UHa UHb UHc ULa ULb ULc Ia Ic

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

5V/ 0.5A 5.00 5.00 5.02 5.03 5.00 5.02

10V/ 1A 20V/ 1.5A 40V/ 3A 50V/ 4A 57.7V/5A 平均误差 10.01 20.01 40.02 50.01 57.71 0.010 9.98

19.89 40.04 50.02 57.73 0.015

10.02 20.03 40.01 50.02 57.72 0.016 10.03 20.01 40.03 50.01 57.73 0.024 10.01 20.04 40.02 50.03 57.73 0.010 10.03 20.02 40.01 50.02 57.71 0.014

1.57 1.53

3.01 3.01

4.02 4.03

5.01 5.03

0.013 0.023

0.502 1.02 0.501 1.01

5.2.2 测试报文显示与分析

借助网络数据捕获软件可以获取网络包，其功能是测量网络流过的数据。 ① 基本数据集及其数据报捕获分析如图5.3及图5.4所示。

图5.3 基本数据集 Fig5.3 Basic data set

重庆大学硕士学位论文

图5.4 基本数据集捕获分析 Fig5.4 Ethereal analysis of basic data set

② 状态指示数据集及其数据报捕获分析如图5.5和图5.6所示。

图5.5 状态指示(不适合IEC61850-9-2)数据集

Fig5.5 Status indication for dataset (not fitting for IEC61850-9-2)

5 系统测试和性能分析

图5.6 状态指示(不适合IEC61850-9-2)数据报捕获分析

Fig 5.6 Ethereal analysis of status indication of dataset(not fitting IEC61850-9-2)

从通用数据集和状态指示集的传输结果和以上是采样值传输的实验结果测试，

帧的捕获显示可以看出，帧数据流中的前导码、帧首定界符、目的地址、源地址、用来判断通讯所遵循的协议以及发送方的MAC地址等网络传输信息等这些测试实验结果与程序报文配置是完全对应的。

依据对IEC61850-9-1的网络性能分析，对比计算IEC61850-9-1与IEC61850-9-2的对网络的带宽要求，计算公式为Sr*Tl*N<=Dr,其中Sr为采样率，Tl为最大数据报（最大为773b），N为接入网络的采样数据处理单元，Dr为网络带宽。依据本章的测试，采样单元为1，且各自的最大ASDU个数不同，计算结果为：

1）IEC61850-9-1帧格式下的采样值：600Hz*424*1=2.1M/s； 2）IEC61850-9-2帧格式下的采样值：600Hz*773*1=3.7M/s。

测试结果表明：数据基本吻合，只是IEC61850-9-2不显示状态数据集, 分析发现其采样值传输需要牺牲网络带宽，因占用字节数大，增加了带宽负担，有一定的传输性能误差，可通过合理的设置优先级、划分虚拟局域网或选择更高的以太网传输介质如1G/S，以优化配置和传输媒质，实现两种报文的高度统一。

5.3 本章小结

本章在理论研究分析的基础上实现了一个数据传输原型系统，测试结果表明所设计系统具有可行性和合理性。

6 总结与展望

6.1 总结

IEC 61850“变电站通信网络和系统”是关于变电站自动化的最新国际标准， IEC 61850采用面向对象的数据自描述方法，即在数据源就对数据本身进行自我描述，不需要再对数据进行工程物理量对应或者进行标度转换等工作。

在今后较长一段时间内，IEC 61850将一直会是SAS领域中的一个热点技术问题，但目前为止，大部分研究工作还只是框架性的。本课题力图有所突破：通过对若干具体应用技术和方法的探讨，使对IEC 61850的研究不再停留在认识和理解的层面上，而期望为IEC 61850的工程实践提供有益的参考和借鉴。但由于IEC 61850本身庞大而复杂，本论文仅能以一些典型或关键的问题作为研究对象，给出一般规律和方法，难以对所有问题一一涉及，更深层次的细节问题有待在更深入的实践中加以解决。

本文完成了以下的研究工作：

① 基于IEC61850标准建模核心思想研究，结合面向对象数据结构的思想对设备进行了类的封装，使其可规范化配置，统一了智能电子设备的信息模型。

② 研究了采样值数据报的统一格式封装，设计了基于ASN.1语法标记的采样值编/解码、发送、接收采样值等程序处理流程，基于采样值报文传输服务特点分析，设计了在嵌入式操作系统中实现采样值报文传输服务的实时通信接口、应用任务与相关函数，提出了采样值报文传输服务的处理方法。

③ 提出了改进的采样值传输组网方式，有效形成了对以太网资源高效利用和信息大范围共享。

④ 构造了一个采样值传输测试系统，初步实现了一个原型系统，采样值报文在网络传输的仿真测试表明，合理配置采样值格式和使用高速以太网可实现数据的可靠传输，设计实现的采样值传输测试原型系统具有可行性和合理性。

6.2 展望

作者接触研究IEC 61850变电站通信网络和体系的时间较短，可供参考借鉴的经验又十分缺少，系统实现所涉及的各个方面的技术比较多，因而在具体的基于IEC61850标准的变电站电力参数监控系统的实现方面存在许多不足的地方。并且研究的过程是基于嵌入式技术的角度来进行，对所涉及的其它的技术有所欠缺。接下来的工作需要完成：

① 基于ACSI到MMS的特殊映射和具体的基于XML语言的变电站客户端应用程序的实现。

重庆大学硕士学位论文

② 仅提出了FPGA与单片机的集成，其耦合度有待深入讨论，但两者的结合必定是今后嵌入式控制器的必然趋势。

③ 最后的系统测试，是基于一种简单的数据传输，对于更多数据的传输与分析，乃至互操作都将是一个大的工程，有待以后研究深化和实现。

④ 采样值数据有待对其他保护操作的研究，如依据数据分析功率平衡的方式和方法。

⑤ 虽然采用了以太网方式保证了数据网络传输，满足数字化变电站运行的基本要求，但可能存在端口竞争，也可能存在碰撞和排队等问题，这些都有待进行深入研究。

致谢

由衷地感谢我的导师余楚中副教授，本论文从选题、构思到撰写完成，均倾注着导师的心血，得到了导师的细心指导。导师严谨务实的治学态度、谦和待人的品德、高度的责任感无不值得我敬佩。余老师不仅在学习上给我悉心指导，培养和训练了我探索科学知识和科学研究的能力，还在生活中给予我无微不至的关怀。在此，感谢余老师对我的教诲和鼓励，在以后的工作中，我会尽自己最大努力做出更多成绩。

衷心感谢邓仁明教授，邓老师给予了我深切的关怀和精心的指导，使我的学术理论水平得到了很大的提高。邓老师渊博的知识，忘我的工作作风、一丝不苟的求学精神和平易近人的师长风范，给我留下了深刻的印象。在邓老师的悉心指导下，提出了宝贵的意见，使得本论文得以顺利完成，在此，向邓老师表示最真诚的感谢！

感谢与我同级的唐利军、郑淼同学，还有师弟师妹们。感谢他们在日常学习和生活中给予我很多无私的帮助和鼓励，让我在一个大家庭一般的环境中度过了极具意义的三年时光。

特别感谢我的家人和朋友一直一来对我的关心和支持，你们是我前进路上的永远的动力，祝你们的生活幸福快乐！

衷心感谢评阅我论文和参加答辩的各位专家、教授！

张青

二O一O年四月于重庆

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