摘要：随着IEC 61850标准的推广，变电站内部以及向调度主站方向通信体系的结构和方法被提出了新的要求和意见。本文在对传统通信网关和IEC 61850标准规约进行精要分析的基础上，深入讨论了现有标准规约及厂商规约与IEC 61850标准规约相互转换的硬件选配、软件实现等相关问题，最后对变电站通信网关的未来发展趋势进行了一定的分析和预测。
1 引言
IEC 61850是IEC TC57为变电站自动化系统制定的一个重要标准，我国也正在将该标准等同引用为我国国家标准。IEC TC57在总结以往通信协议使用经验的基础上，在IEC 61850中采用了很多新思路和新技术，例如使用了面向对象建模技术、独立与具体通信网络的抽象通信服务接口（ACSI）、基于可扩展。置标语言（XML）技术的变电站配置描述语言（SCL）技术等。IEC 61850的技术体系无疑是先进的，代表了变电站自动化技术的未来发展方向。
2 IEC 61850标准规约和传统通信网关的分析
2.1 IEC 61850标准规约的目标与特性分析
IEC 61850标准规约制定的目的主要有三点：①实现设备的互操作性，即：该标准允许不同厂商生产的电子智能设备IED进行信息的交换并且利用这些信息实现设备本身的特定功能；②建立系统的自由结构，也就是允许变电站自动化系统的功能在不同设备间的自由分配；③保持系统的长期稳定性，该标准具有面向未来的开放性特性能够满足不断发展的通信技术与变电站自动化系统的需求。
基于以上目的，IEC 61850具有以下几个特点：①信息分层，该标准无论从逻辑概念上还是从物理概念上都将变电站的通信体系分为变电站层、间隔层和过程层三个层次，并且定义了层和层之间的逻辑接口；②采用了与网络独立的抽象通讯服务接口ACSI，该标准总结了电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，设计出抽象通信服务接口ACSI，它独立于具体的网络应用层协议例如目前采用的MMS，并与采用的网络无关；③具有面向对象的开放性自我描述，该标准所采用的面向对象的数据自我描述方法在数据源就对数据进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作；④采用数据对象统一建模，在面向对象建模技术的基础上，定义了基于客户/服务器（Client/Server）结构的数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公共数据类的命名实例。从通信角度看，IED
同时也扮演客户的角色，任何一个客户通过抽象通信服务接口ACSI与服务器通信进而访问数据对象；⑤采用面向设备的电力系统配置管理，因为IEC 61850提供了直接访问现场设备的服务，所以对各个制造厂的设备可用同一种方法进行访问，这种方法用在重构配置方面，很容易获得新加入设备的名称并用于管理设备属性。
2.2 传统通信网关的分析
在早期的因特网中，术语网关即指路由器。过去的十几年中公共的基于IP的广域网的出现和成熟促进的路由器的成长，现在，路由器变成了多功能的网络设备，它能将局域网分割成若干网段、互联私有广域网中相关的局域网以及将各广域网互联成因特网。这样路由器就失去了原有的网关概念（网络中超越本地网络的标记）。总之网关被越来越多地应用到不同的功能中，目前主要有三种网关：①协议网关；②应用网关；③安全网关。它们唯一保留的通用意义是作为两个不同的域与或系统间中介的网关，要克服的差异的本质决定了需要的网关类型。协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收一种格式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。输入和输出接口可以是分立的，也可以使用同一网络连接。安全网关是各种技术的一种融合，具有重要且独特的保护作用。
在变电站自动化系统的通信网络构架中，通信网关主要担负的是规约转换的任务，同时也可集成其它专用的翻译和网络安全功能。目前，由于变电站自动化设备种类繁多且生产厂家众多，又缺乏统一的标准规约，导致甚至同类设备可能使用的也是不同的厂商私有规约，其种类数量也相当庞大。所以，为了使变电站内部各设备相互兼容、通信，实现规约转换功能的协议网关就成了必要的工具。反观IEC 61850标准规约的提出，正是为了改变当前这种规约不统一的混乱现象，但是目前对IEC 61850标准的推广还处在一个相对稳定的过渡阶段，众多通信规约（或协议）共存的状态还将持续相当长的一段时期。这样，具有传统规约（较IEC 61850之前的标准规约或厂商私有规约）与IEC 61850标准规约的双向转换功能的协议网关（以下简称IEC 61850协议网关），将成为把非IEC 61850设备纳入整个变电站 IEC 61850体系的关键。
3 IEC 61850协议网关的设计分析
IEC 61850协议网关的设计关键是两个重要的基础问题：①合理的硬件平台的选择和搭建；②实现规约转换过程中，协议内部数据结构（或模型）的映射方法。
3.1 IEC 61850协议网关硬件平台的选择与搭建
硬件平台是整个网关设计的物理基础，直接影响网关功能实现的成败与效果。
由于各种原因，国内的变电站自动化系统存在大量不同厂家、不同通信方式的设备，因此短期内变电站内部网络不会被一种现场总线所垄断，多种现场总线将长期并存。于是，开发多I/O的集成网关就成了顺应变电站现场实际需要的设计方案。现阶段，普遍应用于变电站自动化领域的现场总线有RS-485、RS-232和CAN总线。此外，以太网的低成本、开放性、广泛的开发和应用的软硬件支持，已经使其成为目前应用最广泛的局域网络技术，也已经越来越多地应用到变电站自动化系统中，成为变电站现场总线重要组成部分。反观IEC 61850，其定义的特殊通信服务映射又是用于运行在IEEE802.3以太网链接之上的7层协议框架。因此，本设计的硬件平台应能够适合多任务和实时性要求、支持多以太网接口及其它各种外设接口。由上所述，Freescale公司的PowerQUICC系列通信芯片是比较符合网关的功能要求的。因为PowerQUICC芯片通常包含三个处理模块：一个是嵌入式PowerPC内核；一个是系统接口单元（SIU）；另一个就是通信处理模块（CPM）。其中CPM是包含串行通信控制器（SCC）和串行管理控制器（SMC）的专门用于对各种外部接口进行通信管理的处理模块，它有效分担了嵌入式PowerPC内核的外围工作任务，因此这种PowerQUICC体系结构的处理器可以使CPU拥有更多的资源去满足多任务和实时性的要求，同时这种体系结构也大大降低了芯片的功耗，这些对实现IEC 61850网关的功能都是一种有力的支持。以MPC860
PowerQUICC芯片为例，它的嵌入式PowerPC内核采用32位版本（与PowerPC结构定义完全兼容）；其通信处理模块（CPM）主要包括RISC控制器、5k字节双端口RAM、16个串行DMA（SDMA）通道以及三个平行I/O寄存器；同时它支持四个SCC（用作以太网口），
而实际上它有八个串行通道、四个SCC、两个SMC（用于RS-232/485、CAN等串口）、一个串行外围接口电路（SPI）和一个I
图1 MPC860 PowerQUICC芯片内部结构图
此外，"MCU+DSP"结构的处理器芯片是可用于IEC 61850网关设计的另一种选择，它也是最近逐渐流行起来的一种混合处理器构架。它的最大特点就是将MCU的控制功能与DSP的高速数据处理能力相结合以降低成本为各种消费和工业类任务提供最佳的解决方案。在本设计中，MCU将利用嵌入式操作系统实现规约转换中多任务的运行控制功能，而DSP的高速数据处理能力则用来缓解协议数据结构（或模型）之间映射程序的大数据运算量，从而保证网关的实时性功能。Freescale公司的56800系列混合处理器、Atmel公司的AVR32系列通信处理器等是这类芯片的代表产品。
3.2 IEC 61 850标准规约转换的软件实现方法的研究
所谓IEC 61850标准规约的转换，是指从非IEC 61850规约信息载体中解析出数据信息，并与IEC 61850数据模型之间建立起相应的映射关系，使数据能够在两类规约中互相转换。以非IEC 61850规约向 IEC 61850标准规约的转换过程（其相反过程的实现方法与之类似）为例：
首先，应建立起所需的IEC 61850数据模型。IEC 61850规定了基于XML（可扩展置标语言）的SCL（变电站配置语言）来进行数据建模。利用IEC 61850提供的XML-Schema文件再通过XMLSPY这一软件可以方便地使用图形化的方法对变电站各种设备及其通信服务进行数据建模。图2为某保护设备的数据模型片段。
图2 某保护设备数据模型片段
对非IEC 61850规约的解析过程通常包括搜索报文头、校验、判断帧类别进而拆包提取有用信息等几个步骤。其中，拆包就是将待转换的协议帧按功能分块，如启动字符、帧类别、帧长、控制信息、地址信息、结束字符等；提取有用信息则是根据目标规约（本文为IEC 61850标准规约）的帧格式（数据模型），提取待转换协议帧的有用信息，并利用已有信息求出需要的却不能直接得到的信息。这一过程主要是通过编程实现。考虑到IEC 61850是面向对象的数据模型，编程中使用C++语言会更加有效率。
在解析出的有用信息与IEC 61850数据模型之间实现映射的过程，也可以理解为是一个重新打包的过程，即按照IEC 61850标准规约的数据模型重新组织信息并存储转换结果。这一过程可以也可以利用C++配合嵌入式操作系统进行编程实现。这一方法从原理上讲与传统的规约转换实现方法一致，只是具体代码因为IEC 61850的数据模型所以需要加入更多面向对象的编程思想和具体编程策略，使程序与配置信息保持一定的独立性，即当提供待转换数据的设备或该设备中某些待转换数据的类型发生变化时，程序不必做任何修改或只做少量的简单调整。此方法目标清晰、思路明确，但需要较高的编程技巧来保证程序的可靠性和减少程序的维护成本。
除此之外，利用XML文件来实现数据映射，也是一种可选的方法。此方法是应用XML文件来存储非IEC 61850规约有用信息中的数据与 IEC 61850数据模型中的逻辑节点数据属性之间的对应关系，它符合IEC 61850数据结构的层次性。当变电站配置发生变化时，只需要利用更改其相应的XML文件。另外，XML文件与平台无关、与具体的编程语言无关、并且与Internet具有良好的结合性，对文件的处理和浏览相当方便，有利于变电站信息的管理。DOM（Document Object Model）、SAX（Simple API for XML）和XSLT（XSL transformations）等XML编程接口提供的API，可以非常方便地实现对文件的导航、增加、修改、删除元素或内容等操作。
4 变电站通信网关的未来发展趋势
近几年来，IEC 61850标准规约开始逐渐为国内各厂商和用户所认识和认可。尽管该标准在我国的推广还需要加以时日，但电力系统用户对IEC 61850的需求之声已经越来越强，各种支持IEC 61850的电力系统自动化设备也随之陆续投入市场。可以说，61850时代已经到来。变电站通信网关未来的发展必然与IEC 61850标准密切相关。在当前阶段，变电站通信网关主要是提供了老系统与IEC 61850新规约的接口功能，在IEC 61850的推广过程中扮演了至关重要的规约转换器角色。可以预见到，在未来几年随着大量IEC 61850变电站智能电子设备（IED）投入实际使用，通信网关的这种规约转换功能必将逐渐减化。这样，通信网关本身将有更多的系统资源来集成实现各种其他网络功能，例如前文提到的专用解释功能、保护网络安全的防火墙功能等，甚至在条件允许的情况下还可以集成一些对数据进行分析、重组、过滤等类似于信息处理机或前置机的预处理功能。总之，变电站通信网关的未来发展趋势是多功能性、高集成度的综合网络通信设备。
5 结论
本文对IEC 61850体系下变电站通信网关的设计进行了较为深入的分析，对向IEC 61850的规约转换功能的软、硬件实现方法提出了相应的参考设计方案并进行了分析讨论。在此基础上，又对变电站通信网关的发展趋势进行了分析和预测，指出多功能性、高集成度的综合网络通信设备是其未来的发展方向。
华北电力大学 刘麟 秦立军 石峻峰
2008年12月25日星期四
IEC 61850体系下变电站通信网关的设计研究
订阅：
博文评论 (Atom)
0 评论:
发表评论