基于iec61850的新型遠動通信建模與分析

基于iec61850的新型遠動通信建模與分析

0基于多agent技術(shù)的電力遠動通信國際電工委員會制定的iec61850標(biāo)準(zhǔn)是世界上第一個完整、高度網(wǎng)絡(luò)化的電氣工程自動系統(tǒng)。遠動系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢是變電站內(nèi)以及變電站到調(diào)度中心之間均采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)無縫通信,從而滿足整個調(diào)度自動化系統(tǒng)的互操作性和開放性要求。目前幾乎所有基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的研究都是圍繞該標(biāo)準(zhǔn)的特點及其在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用而展開的,而關(guān)于將該標(biāo)準(zhǔn)擴展到電力遠動通信系統(tǒng)以實現(xiàn)調(diào)度自動化系統(tǒng)無縫通信的報道卻很少。Agent作為一種新的軟件抽象機制能夠使開發(fā)人員較好地理解和開發(fā)復(fù)雜的分布式軟件系統(tǒng),基于Agent和多Agent的系統(tǒng)所具有的自主性、異步并行性及通信交互性等特性能較好地解決基于廣域網(wǎng)的電力遠動信息傳輸中的分布性和異構(gòu)性問題,為保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的服務(wù)質(zhì)量以及提高整個遠動通信系統(tǒng)的靈活性提供有力支持。目前,多Agent技術(shù)雖然已在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用,但卻較少應(yīng)用于遠動通信中。本文對采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850構(gòu)建新型電力遠動系統(tǒng)進行了深入研究,建立了基于IEC61850的新型電力遠動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在分析其主要通信實體功能的基礎(chǔ)上,提出了一種基于多Agent的系統(tǒng)分析和建模方法,并給出了主要Agent類的模板結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法,最后通過實驗室原型系統(tǒng)的開發(fā)和測試驗證了該方案的可行性和有效性。1基于同步數(shù)字系列電力通信專網(wǎng)的遠程定位方案設(shè)計為了使現(xiàn)有變電站系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能分配向完全遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)平滑過渡,新型遠動系統(tǒng)必須既要滿足現(xiàn)有系統(tǒng)要求又能符合未來發(fā)展趨勢。本文建立的遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新型遠動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)可基于同步數(shù)字系列(synchronousdigitalhierarchy,SDH)電力通信專網(wǎng),利用光纖網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、高傳輸速率及高可靠性等特點將多個調(diào)度中心和多個變電站的遠程終端設(shè)備(remoteterminalunit,RTU)及智能電子設(shè)備(intelligentelectronicdevice,IED)通過廣域網(wǎng)相連。變電站的通信代理網(wǎng)關(guān)和遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)并具有網(wǎng)絡(luò)接口的IED都可作為獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而被分配IP地址,它們可直接向站控層的局域網(wǎng)或控制中心通信服務(wù)器傳送信息,這種變電站IED直接上網(wǎng)的方法與原來的專線電路交換完全不同,前者消除了通信“瓶頸”問題,極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。2新遠動信息傳輸系統(tǒng)的建模2.1遠動通信功能目前很少甚至沒有基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的、成熟的IEDs產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng),而關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)在電力遠動通信中的應(yīng)用也未見報道。因此,本文將從基于廣域網(wǎng)的遠動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中選擇一個有代表性的、小范圍的電力調(diào)度自動化系統(tǒng),即1個調(diào)度中心與1個變電站內(nèi)多個完成不同任務(wù)的IEDs,并研究它們之間的信息傳輸。這種以點帶面的研究方式可以暫不考慮包含多個調(diào)度中心的大區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題,而著重研究未來的IED如何以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)建立設(shè)備模型并實現(xiàn)遠動通信。在圖1所示的新型遠動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)的主要實體是調(diào)度中心端的通信主機和各種IEDs,系統(tǒng)的主要任務(wù)是在廠站IEDs與調(diào)度中心之間傳輸遠動信息。新標(biāo)準(zhǔn)下可直接上網(wǎng)的IED的遠動通信功能的特點和要求為:(1)作為變電站IED的外圍輔助設(shè)備,統(tǒng)一的配置器應(yīng)提供遵循IEC61850的人機界面來幫助工程師根據(jù)設(shè)備功能對其進行預(yù)配置,并生成用變電站配置描述語言描述的、擴展名為.SCL的IED設(shè)備預(yù)配置文件。同時,IED應(yīng)具有對自身預(yù)配置描述文檔的解析功能。(2)IED內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)提供數(shù)據(jù)訪問接口,以建立各種IEDs具體的實例化設(shè)備數(shù)據(jù)模型,為遠動通信提供各類型報文的數(shù)據(jù)源。(3)遠動信息種類繁多,各類信息的報文長度和實時性要求不盡相同,IED的遠動通信部分需要有靈活的通信控制策略和調(diào)度機制來滿足各種不同的需求。(4)IED應(yīng)具有能在特定情況下實現(xiàn)人工干預(yù)遠動通信過程的良好人機交互界面。(5)IED可作為網(wǎng)絡(luò)中獨立的通信實體被分配IP地址,便于調(diào)度中心對其進行靈活管理或?qū)崿F(xiàn)即插即用。調(diào)度端對應(yīng)的遠動通信服務(wù)器應(yīng)具有以下功能和特點:(1)具有符合調(diào)度人員操作習(xí)慣的變電站設(shè)備數(shù)據(jù)訪問、通信控制以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)顯示等功能的人機界面。(2)具有與變電站IED設(shè)備一致的遠動信息傳輸和訪問方式以及通信控制策略和機制。(3)能對傳輸過來的設(shè)備自描述文檔進行解析并采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行設(shè)備信息的存儲、管理和維護等。2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面的主要突破結(jié)合Agent、多Agent技術(shù)的特點,構(gòu)造駐留在IED、RTU內(nèi)部和調(diào)度中心通信主機中的、實現(xiàn)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的遠動信息傳輸?shù)能浖郃gent系統(tǒng)。該軟件與傳統(tǒng)的變電站通信軟件相比,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能分配以及通用性和可移植性方面有了較大突破。從系統(tǒng)構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)功能方面考慮,為上述多Agent系統(tǒng)定義了兩類Agents,即IED＿Agent和Dispatching＿Agent。不同的IEDs根據(jù)其功能特性由IED＿Agent類產(chǎn)生不同的IED＿Agent對象,同時根據(jù)調(diào)度端通信管理的需要,由Dispatching＿Agent生成1個或多個Dispatching＿Agent對象。調(diào)度中心與變電站內(nèi)部IED之間的遠動信息傳輸及設(shè)備管理可通過Dispatching＿Agent對象與多個IED＿Agent對象之間的交互和管理來完成,如圖2所示。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和性能的提高主要依賴于2類Agent自身的結(jié)構(gòu)、特性以及它們之間交互的結(jié)果。2.3ied灘頭模型2.3.1模型創(chuàng)建和原理不同類型的IEDs除了內(nèi)部的過程數(shù)據(jù)采集模塊接口方式、過程數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)值不同外,與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合時在底層通信協(xié)議的選擇上還具有較大的靈活性。各種服務(wù)的具體參數(shù)不是在IEC61850-7-2定義的抽象通信服務(wù)接口(abstractcommunicationserviceinterface,ACSI)中定義,而是在特定通信服務(wù)映射部分定義。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)僅提供了ACSI服務(wù)的概念模型和信息模型,由于電力遠動系統(tǒng)對于實時性能要求相對較低,可以考慮為ACSI單獨定義一套具體的應(yīng)用編程接口,這樣可以使信息模型、信息交換模型與通信協(xié)議棧真正地分離,允許各種IEDs在ACSI的映射方式以及與所映射協(xié)議相關(guān)的通信控制機制上有所不同,因此可由開發(fā)者根據(jù)具體情況來選擇和實現(xiàn)。由于各種IEDs的建模思想和方法都是基于IEC61850的,因此在設(shè)備配置、SCL文檔解析、用戶操作界面、消息處理、ACSI事件監(jiān)視和事件觸發(fā)等方面可以采用相同的模塊來完成,以提高軟件的可重用性。本文將IED＿Agent類模板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分成兩大部分:Agent基(Agent＿Base)和Agent基因(Agent＿Gene)。Agent基是實現(xiàn)IEDs共性的部分,不同的IED＿Agent對象可以繼承同一個Agent基而基本上不需做任何改變。Agent基因是與具體IED設(shè)備的硬件構(gòu)造和采用的映射協(xié)議相關(guān)的IED個性部分,不同的IED＿Agent對象的Agent基因差別較大,相同的Agent基與不同的Agent基因構(gòu)成了不同的IED＿Agent對象。IED＿Agent類模板用巴科斯范式可表示為式中IED＿Aid是每個IED＿Agent對象在整個多Agent系統(tǒng)中的唯一標(biāo)識符。IED＿Agent模板結(jié)構(gòu)見圖3。2.3.2服務(wù)器實例化模塊(1)SCL文檔解析模塊。由于SCL以XML1.0為基礎(chǔ),因此SCL文檔解析模塊主要實現(xiàn)類似于XML核心解析器的功能。由于IEC61850提供了定義SCL文檔語法的XML模式的Schema描述,因此該解析過程需要增加IEC61850-6詞匯表,并利用該Schema實現(xiàn)嚴(yán)格的語義檢查、驗證以及自動提示糾錯功能。經(jīng)SCL文檔解析后可得到按照ACSI中所定義的設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)(如服務(wù)器-邏輯設(shè)備-邏輯節(jié)點-數(shù)據(jù)對象-數(shù)據(jù)屬性)組織的樹形結(jié)構(gòu)模型(類似于XML解析器中的文檔對象模型)的應(yīng)用程序接口(applicationprogramminginterface,API)。因此該模塊相當(dāng)于IED＿Agent的語言包裝機制。(2)服務(wù)器實例化模塊。SCL文檔解析后生成的邏輯結(jié)構(gòu)代表了IED設(shè)備內(nèi)部各項功能的參數(shù)名稱,要得到各項參數(shù)的具體參數(shù)值,需要將其與對應(yīng)的過程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),因此服務(wù)器實例化模塊要利用SCL文檔解析模塊提供的邏輯結(jié)構(gòu)訪問API和設(shè)備內(nèi)過程數(shù)據(jù)采集模塊所提供的過程數(shù)據(jù)訪問接口,以實現(xiàn)設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)與具體過程數(shù)據(jù)的對應(yīng),并在內(nèi)存中形成設(shè)備通信服務(wù)器實例,該模塊的執(zhí)行結(jié)果為IED＿Agent構(gòu)造了內(nèi)部數(shù)據(jù)庫。(3)ACSI事件監(jiān)視模塊。服務(wù)器除提供對運行參數(shù)的各種訪問操作以外,在設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時還要完成將相應(yīng)數(shù)據(jù)對象及其屬性值形成數(shù)據(jù)集和報告并發(fā)送以及傳輸文件等服務(wù)。因此,服務(wù)器實例化后將啟動ACSI事件監(jiān)視模塊,該模塊對已與過程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的具有“觸發(fā)選項(TrgOp)”數(shù)據(jù)屬性值(如數(shù)據(jù)變化(dchg)、品質(zhì)變化(qchg)、數(shù)據(jù)刷新(dupd)等)的數(shù)據(jù)對象進行周期性掃描,發(fā)現(xiàn)符合條件的便啟動ACSI事件觸發(fā)模塊。該模塊屬于IED＿Agent內(nèi)部的感知模塊,它負責(zé)感知外界環(huán)境(主要是IED所連接的變電站過程層設(shè)備的動態(tài)運行參數(shù))的變化。(4)ACSI事件觸發(fā)模塊。當(dāng)ACSI事件監(jiān)視模塊提供了數(shù)據(jù)或狀態(tài)發(fā)生變化的消息時,ACSI事件觸發(fā)模塊將根據(jù)一定的遠動信息形成條件和傳輸要求,通過其報告控制塊和記錄控制塊將發(fā)生變化的數(shù)據(jù)對象及其屬性值生成記錄、非緩存報告或緩存報告等并啟動決策控制模塊進一步確定通信服務(wù)的選擇和控制。該模塊包含了IED＿Agent關(guān)于遠動通信方面的規(guī)則庫和條件推理機制。(5)人機界面和消息處理模塊。人機界面不僅要提供啟動IED的遠動通信服務(wù)并了解和控制通信過程,還應(yīng)提供實現(xiàn)IED網(wǎng)絡(luò)配置(包括人工設(shè)定IED的特定網(wǎng)絡(luò)名稱、IP地址及端口號等)和管理功能的界面,這部分信息可作為IED＿Agent的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和屬性,用于多Agent系統(tǒng)對每個Agent的管理。消息處理模塊針對不同用戶界面完成不同任務(wù),例如對于通信控制界面中輸入的用戶命令或參數(shù),需要將其與基于ACSI的IED遠動通信服務(wù)模型進行映射,將接收到的消息與設(shè)備實例化服務(wù)器中具體的數(shù)據(jù)對象及其屬性和訪問方式(如讀數(shù)據(jù)值(GetDatavalue)、寫數(shù)據(jù)值(SetDatavalue)、讀數(shù)據(jù)目錄(GetDataDirectory)等)一一對應(yīng);對于IED網(wǎng)絡(luò)配置和管理界面,需要將接收到的信息處理為對應(yīng)IED＿Agent的屬性表。該模塊是IED＿Agent與用戶交互的人機界面和消息處理部分。2.3.3通信映射模塊(1)提供數(shù)據(jù)訪問接口。數(shù)據(jù)訪問接口不是IED＿Agent的軟件部分,而是IED設(shè)備所實際配備的、通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)接口等方式與變電站過程層設(shè)備相連并進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的硬件板塊提供給IED＿Agent的設(shè)備過程參數(shù)訪問接口。不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集板卡在功能和數(shù)據(jù)訪問接口方面也不同。(2)完成決策控制和ACSI通信映射。ACSI是獨立于具體協(xié)議棧的抽象接口層,其通信服務(wù)必須映射到具體的底層協(xié)議。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn),ACSI可以映射到制造報文規(guī)范或其它協(xié)議。由于每種協(xié)議的應(yīng)用層接口不同,ACSI通信服務(wù)向其映射的方式不同,使得協(xié)議本身的通信機制和提供的控制方法也不同,ACSI通信映射模塊可以根據(jù)這些特點完成將基于ACSI的遠動通信服務(wù)模型向所選擇的具體協(xié)議棧的相應(yīng)通信服務(wù)的映射。IED遠動通信在發(fā)生如下通信需求時啟動:1)ACSI事件觸發(fā)模塊提供了有關(guān)數(shù)據(jù)或狀態(tài)變化的消息。2)調(diào)度中心Dispatching＿Agent發(fā)出數(shù)據(jù)請求或發(fā)布命令。3)作為用戶的變電站工程師通過人機接口進行通信操作或控制等。決策控制模塊針對各種通信請求和各類型信息傳輸?shù)奶攸c和要求,采用不同的處理機制實現(xiàn)通信過程的靈活性和智能性,并負責(zé)整個Agent的協(xié)調(diào)運行。該模塊包含知識庫和策略庫。知識庫存放IED＿Agent通信過程中所需要的符合實時性、準(zhǔn)確性、完整性要求的知識以及專家經(jīng)驗提供的各種遠動通信知識,這些知識分為動作型和啟發(fā)型2種,前者負責(zé)將通信請求信息直接映射為ACSI通信服務(wù),后者對得到的復(fù)雜信息進行推理判斷,分析出需要采用的算法、策略、活動規(guī)劃和將要執(zhí)行的動作等。策略庫與ACSI所映射的具體協(xié)議平臺相關(guān),它包括協(xié)議中的各種通信機制和控制策略等。提高多Agent系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵在于IED＿Agent模板中的ACSI遠動通信服務(wù)模型與具體應(yīng)用層協(xié)議的有效映射以及所采用的策略和控制機制,因此該部分被視為整個IED＿Agent的分析、計算、推理的核心模塊,也是Agent的心智部分。(3)執(zhí)行通信操作。通信執(zhí)行模塊完成具體的通信操作并實現(xiàn)與Dispatching＿Agent的交互。它根據(jù)ACSI通信服務(wù)向具體協(xié)議通信服務(wù)的映射關(guān)系及決策控制模塊提供的通信控制策略來完成可靠、快速的通信功能,因此該模塊是IED＿Agent通信模塊的執(zhí)行部件。IED＿Agent內(nèi)部各功能模塊之間保持低耦合度能提高模塊之間的并行性,使整個Agent和整個通信系統(tǒng)有較高的執(zhí)行效率。2.4西普頓資源模型2.4.1各類ied設(shè)備應(yīng)用程序存儲及運行接口在整個遠動系統(tǒng)中,調(diào)度中心通信機除了與變電站IED之間按照一致的遠動通信方式進行信息傳輸外,還需要考慮存儲變電站各類IED設(shè)備的相關(guān)信息以及為調(diào)度中心其它應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問接口。通信機在整個多Agent遠動通信系統(tǒng)中負責(zé)各種IED＿Agent對象的通信服務(wù)啟動及信息維護等,是多Agent系統(tǒng)的管理者,因此運行在通信機上的Dispatching＿Agent具有如圖4所示的模板結(jié)構(gòu)。2.4.2acsi遠動通信的運行模式(1)SCL文檔解析模塊。由IED配置器生成的變電站IEDs自描述文檔通過文件傳輸方式傳給調(diào)度中心,調(diào)度中心通過SCL文檔解析模塊對該文檔進行解析后,一方面得到關(guān)于變電站及IED的類型、功能等靜態(tài)信息并將其存儲到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中;另一方面得到ACSI遠動通信服務(wù)的名稱和參數(shù)信息并形成ACSI通信服務(wù)列表,為調(diào)度中心啟動遠動通信提供相應(yīng)信息。(2)人機接口和消息處理模塊。調(diào)度中心通信機的人機接口采用分層方式對復(fù)雜功能和圖形進行分解,并提供獨立于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)所定義的設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)和服務(wù)模型的、符合常規(guī)遠動通信操作習(xí)慣并便于調(diào)度員理解的用戶輸入和顯示方式。針對用戶輸入的各種操作命令,需要將其轉(zhuǎn)化為對ACSI的報告和記錄的控制命令以及對數(shù)據(jù)對象和其屬性值的訪問,這些工作同樣由消息處理模塊來完成。(3)通信控制、ACSI通信映射及通信執(zhí)行模塊。在基于IEC61850的ACSI遠動通信模型中,調(diào)度中心與變電站IED分別作為客戶和服務(wù)器進行通信,因此Dispatching＿Agent與IED＿Agent在ACSI所映射的具體協(xié)議棧、映射方式、采用的通信控制策略以及通信執(zhí)行方法等方面都是對應(yīng)的。通信執(zhí)行模塊與調(diào)度端實時數(shù)據(jù)庫相連,將遠動通信訪問到的設(shè)備動態(tài)運行參數(shù)存入實時數(shù)據(jù)庫中。(4)Agent管理模塊。Dispatching＿Agent不僅需要與各種IED＿Agent進行交互以完成遠動信息的傳輸,作為整個多Agent系統(tǒng)的管理者,它還要負責(zé)對系統(tǒng)中的多個IED＿Agent進行管理,包括每個IED＿Agent的注冊、注銷、生命周期管理以及信息維護等,這些任務(wù)是由其內(nèi)部的管理模塊來完成的。3相關(guān)實時性技術(shù)的相關(guān)板目前國內(nèi)外專家學(xué)者在理論上對多Agent系統(tǒng)的研究較多,但在實現(xiàn)Agent方面尚無規(guī)范可循,筆者針對所建立的模型探索了多Agent系統(tǒng)實現(xiàn)方法。由于所建立的Agent類模板的內(nèi)核以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),該標(biāo)準(zhǔn)的最主要特點就是采用了面向?qū)ο蠹?/p>