基于IEC61850ft9变电站自动化系统配置工具的分析与实现

O 引言
    IEC61850是一种变电站自动化系统的配置工具，其中在IEC61850-6部分定义了变电站配置描述语言(SCL)。SCL语言是根据XML的语法规则和结构定义，同时结合IEC61850标准的需要定义的一种特定用途的、可扩展的标识性语言。SCL语言就相当于XML语言在基于IEC61850变电站系统中的特定应用。而XML具有平台无关性，因而可使得文件中的数据能在不同厂家、不同平台的工程化工具之间进行交换。
    引入SCL主要有以下两个作用：一是对IED的功能和运行参数进行描述；二是对系统进行描述。本文主要对基于IEC61850的变电站自动化系统中配置工具进行了分析，同时介绍了SCL系统配置工具的应用的设计方法。

1 SCL的文档结构
    XML文档包括DTD(文档类型定义)文件、XML文件和式样单三部分，SCL语言是基于XML的。同样，SCL文档也包括这三部分。
1．1 DTD文件
    DTD文件定义了标签及其属性，可完成声明标记任务。IEC61850-6标准中给出了SCL语言的DTD文件的详细定义。理论上，可以在该标准内根据需要任意定义标签及属性，但在实际应用中，DTD的定义有很高的难度，包括标签的可用性、简洁性、从实际设备抽象出的良好的数据模型等，都需要有很丰富的实际工作经验。所有支持该标准的装置将使用相同的DTD文件。
1．2 XML文件
    该文件是采用DTD文件定义的标签，用于完成数据对象置标的任务，也就是将IED、系统等数据对象描述出来。XML文件严格受DTD的定义约束。IEC61850-6标准没有规定功能，也没有规定功能分配，各装置功能各不相同，其配置在IED上的LN也不同。所以，XML文件的内容也是不同的，但IED具有处理XML文件的能力。
1．3 式样单
    式样单是专门描述结构性文档表现方式的文档。从应用角度讲，IED可直接处理SCL数据文件，只要获取所需信息即可正常运行并与系统交互，所以，式样单文件一般不是系统所必须的。

2 SCL对象模型
    根据变电站体系结构，SCL描述了变电站、通讯和IED三种对象模型。
    其中变电站模型主要用于描述一个变电站的功能结构，标识变电站内的一次电力设备及其之间的连接关系。
    通讯模型主要用于描述逻辑节点之间通过逻辑总线和IED访问点所建立起的连接。该通讯结构具体包括的对象模型有IED的mac地址、IP地址和子网掩码，以及逻辑节点之间的客户端／服务器关系等信息。
    IED模型中描述了各IED的模型信息，包括报告接收者、逻辑节点实例、数据对象实例等。

3 SCL数据交换模式
3．1 SCL信息流模型
    SCL文件在变电站内的通讯传输涉及到系统配置工具、IED配置工具、IED数据库三个概念。
    系统配置工具是使用SCL进行变电站自动化系统的配置和管理的工具，可输入、输出按IEC61850-6标准定义的SCL文件。
    IED配置工具是IED制造商提供的IED调试专用工具，该工具能生成特定的IED描述文件(以．ICD为后缀的SCL文件)并下载到IED中，同时可向系统配置工具提供ICD文件并能处理来自系统配置工具生成的SCD文件。
    IED数据库分为参数库和实时库，参数库用于描述变电站模型和通讯模型，实时库则用于描述IED模型。IED数据库包括了变电站的各种信息数据和属性，可以供配置工具和系统调用。
3．2 SCL信息流动过程
    SCL数据流模型中不包含DTD文件，XML文件才是真正包含配置数据的文件，也是参与配置数据流动的主要文件。图1所示是SCL文档在整个系统中的数据交换流程，也就是系统管理配置的过程。

    IED配置工具可以获取各IED的ICD文件并将其发给系统配置工具，该ICD文件只包含IED的基本信息，其相关参数(如网络参数等)都没有进行设置。
    系统配置工具在接受全站的ICD文件后，将分析各IED信息，并结合IED数据库取得各逻辑节点及数据对象的信息，以生成或人工输入配置信息，同时生成SCD文件并返回给IED配置工具。
    IED配置工具可接受并处理SCD文件，它可根据得到的各IED配置信息生成下载到具体IED的配置文件CID。
    IED启动时首先解析CID文件以获取信息，并据此信息进行IED初始化，例如网络I／O将按获取的网络参数配置并启动。
    IED正常运行时可与IEC61850客户端进行通讯以交互数据，SCADA系统可根据SCD文件进行参数配置，在实时运行时，它将生成参数库和实时数据库。

4 SCL配置工具的设计和实现
   IEC61850为变电站模型定义了分层结构，与之对应的SCL也采用了分层结构来描述变电站的数据模型。基于SCL文件的这种分层模型，本程序利用网格式数据模型来模拟实现这种数据结构，并通过基于SAX(Simple API for XML)的XML解析技术来实现SCL文件的信息提取。使用嵌套图表的方式将各层次数据、属性以及他们之间的关联显示出来，其人机交互界面友好并可以进行SCL文档的配置。本程序整体上采用C／S架构，可支持多IED的读取和配置。设计时可以在某些细节部分(如XML膜块)采用插件技术架构，以便于利用成熟的软件模块，这样更有利于以后的维护和升级。
    本程序的开发环境为VC++6．0，可采用模块化设计方案和基于COM的组件技术，并可大量采用成熟的软件和开放的程序模块，故可降低开发成本和开发周期，同时也便于软件维护和升级。本设计主要由图表控件模块、XML解析模块、信息库模块、配置界面模块和通讯模块组成。
4．1 配置界面模块
    本程序主要提供一个友好的可视化用户配置界面，以打开相应的SCL文件，如IED的ICD格式文件，点击菜单或按钮“Configuration”即可打开用户配置界面，而点击相应的属性页即可对该IED进行网络参数、数据集、GOOSE等系统需求的配置，图2所示是名为REF615的IED的基本参数配置界面。

4．2 XML解析模块
    本程序选用JAVA版本的Xerces-J1．4．4解析器，这是目前最健壮、最强大的XML解析器，可以保证程序处理SCL文件的高效性、可靠性、正确性，另外，利用JAVA语言跨平台的优点，对于程序的维护升级和移植也具有极大的便利性。Xerces-J解析器的XML解析功能可支持基于DOM、SAX、JAXP的三种XML解析技术。考虑到IEC61850变电站巨大的数据量，以及多层次的、关联复杂的数据对象，数据丰富多样的功能约束和属性，需要使用一个高效且容错性较高的解析器。基于SAX的XML解析技术，本设计使用流的方式来读入SCL文件并逐行解析且顺序操作。该方法相对于DOM技术占用资源少、快速稳定，同时也无需像在DOM中那样为所有节点创建对象，因此，本程序采用基于SAX技术的Xerces-J解析器。另外，SAX采用了处理XML事件的“推”模型，该模型无需将SCL文件一次加载到内存中，这使得SAX解析器可以解析大于系统内存的文档，并且SAX“推”模型可用于广播环境，能够同时注册多个ContentHandler。它可以并行接收事件，而不是像DOM只能在一个管道中一个接一个地进行处理。
4．3 数据库模块
    数据库模块主要是分析和存储XML模块解析出来的SCL文件的各种数据信息，数据对象存储模型具体可按IEC61850-7部分的定义来实现，包括逻辑设备LD、逻辑节点LN、公共数据类CDC的基本信息、关联服务、访问接口等一系列的数据模型和对象实例。
4．4 图表控件模块
    对于分层模型，目前比较先进的程序设计技术是使用树形控件进行控制和显示，这种技术能直观的显示出层次间的关系，但是不能直观显示出数据和属性、功能约束之间的关系，而使用图表控件模型就可以用表格和图形标记的方式直观立体的显示出这种关联，同时也能高效地添加、删除和修改SCL元素节点。该模块根据XML模块获取的数据信息可以形成网格关联模型，并使用CrystalCell图表控件显示出来；每层可用一个相对独立(每个SCL文件是一个大表格，数据层层嵌套在大表格的相应单元格中)的表格显示其全部数据元素，并可根据数据元素的数目和数据属性的多少来自动确定行列的数目。同一层次下的数据在该层分行显示，同一数据的类型、功能约束、引用标记、文本描述等一列属性则在该数据行分列显示。在行列的相应地方，还可以添加图片、符号、触发控件或表格等标记，以用于注释说明该数据元素功能和数据元素间的关联，数据属性和数据操作清晰直观，数据关系更加立体形象。
4．5 通讯模块
    根据本文的信息交换过程，其使用的配置工具必需具有实时可靠的网络传输功能，该模块根据IEC61850-7和IEC61850-8的定义，可以实现ACSI到MMS的映射，其中MMS包可选用SISCO的MMS 5．06版本，该版本能高速实时地传送SCL文件和IED实时数据，并且不受具体IED通讯协议的限制。

5 结束语
    相比传统的工程化配置方式，SCL的功能和优点更为突出。由于IED间具有互操作性和互换性，配置简单且不易出错，而且数据对象意义清晰，故可极大地减少工程化的工作量，降低基于IEC61850标准的变电站自动化系统工程化集成的难度。