直流控制保護系統中的IED自動建模設計

陳宏君，王國棟，劉克金

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

IEC 61850通信已經在國內外智能變電站進行了成功應用。文獻[1]介紹了新一代交流保護測控裝置的邏輯節點建模方法，該方法先將保護功能按照模塊劃分，形成圖形化、可重用的符號庫，在模塊化符號內可創建若干標準的邏輯節點（LN），配置變量和邏輯節點的數據屬性實例（DAI）的映射關系，在創建功能模塊時,同步實現LN建模，該方案適用于模型明確定義的場合。文獻[2]闡述了智能變電站SCD集成配置軟件中的圖模一體化設計理念，實現了智能變電站從主接線圖到虛擬二次回路的完整設計功能。

在直流控制保護等應用領域，由于系統復雜，程序規模龐大，使用圖形化編程軟件開發應用程序[3]。文獻[4]闡述了新一代控制保護系統圖形化編程軟件設計與實現，采用面向對象的層次化方法管理應用程序，可形成高效緊湊靈活的C代碼，并支持可視化調試等功能。IEC 61850在直流應用方面，文獻[5]提出一種直流輸電控制保護內部故障錄波信息采集和遠傳技術實現的新方案，故障錄波信息往主站推送時采用IEC 61850標準協議。文獻 [6]探討了直流系統的IEC 61850模型建立問題，重點介紹了數據對象類的擴充模型，但未提及IEC 61850建模的具體思路步驟。 在圖形化編程模式下，變量分布于各個頁面，不適合采用交流裝置先有固定LNodeType，后實例化配置邏輯節點的建模方式，為避免應用程序變量和模型配置脫節不對應，需在進行編程同時完成建模工作。

1 IED建模設計方案

IED（智能裝置）能力采用IEC 61850-6中定義的變電站配置SCL語言描述。SCL基于可擴展的XML格式定義，信息表示晦澀，一般用戶很難快速配置[2]。為此設計一種適用于直流應用的圖形化編程模式下的IED自動建模方案，包括圖形化建模符號設計與處理、IED層次模型和程序結構映射實現、以及模型文件的形成方案。

1.1 操作流程設計

裝置的IED模型是個層次化結構[7]，如圖1所示。在IED節點下，有若干個連接接入點（AccessPoint）。AccessPoint下有 1 個服務器（Server），Server包括若干邏輯設備（Ldevice），Ldevice包括若干LN。

圖1 裝置IED模型結構

在進行直流控制保護系統的IED建模時，首先需遵循IEC 61850標準的各項規范；并結合應用的特點和功能，對數據模型（DOType，LNodeType）進行適當擴充。關鍵技術是層次結構的映射和分布式圖形化建模。基于圖形化符號實現IED建模，其操作流程如圖2所示。

圖2 概要建模過程

根據圖2給出步驟，具體操作如下：

（1）設計圖形化建模符號.定義符號的輸入輸出管腳、圖形外觀、屬性；定義符號的數據模型,通常1個符號和1個DOI對應，例如DO類型建模符號包括雙點觸發事件、單點觸發事件、遙控、遙測、遙調等；此外還需編寫符號的屬性處理腳本。

（2）根據直流工程需求。定義候選邏輯節點列表（lnClass名稱、描述）、定義候選DO描述列表；在預定義格式的ini文件中配置。

（3）在圖形化頁面內建模，繪制事件、四遙等建模符號，通過連接線，將程序中的功能塊函數輸出變量和建模符號輸入點相連接，即實現了程序變量和數據實例sAddr屬性映射配置，并雙擊符號，在彈出的對話框中選擇建模符號對應的lnCalss、標題描述、其他屬性。

（4）進行圖形化程序數據和IED主要層次結構AccessPoint，LDevice 映射配置。

（5）調用代碼生成工具，形成裝置代碼和XX.cid文件，匯總圖形化頁面內建模符號，執行符號腳本，動態創建LNodeType，LN，數據集等關鍵內容。

1.2 建模符號設計

通過符號編輯工具SymbolEdit進行建模符號的圖形、屬性、腳本編輯。建模符號分圖形、數據兩個庫文件描述。圖形包括輸入點、輸出點、包圍矩形框、需要在界面上顯示的屬性字符文本等，采用XML描述。建模符號的數據由若干一維、二維屬性、參數組成。以雙點觸發事件符號為例，其屬性定義如表1所示。

表1 雙點觸發事件屬性定義

雙點觸發事件符號的DOType定義如下[6]：

此外還可定義建模符號的腳本，編程工具提供了一套開放API接口，可在python腳本中調用[8]。當新增加建模符號時，不需額外增加處理代碼，實現編程工具和應用建模的解耦。雙點觸發事件腳本段示例如下：

pnd1=symb.searchNode('trip0')

name1=symb.getVarName('trip0')

pnd2=symb.searchNode('trip1')

name2=symb.getVarName('trip1')

if(pnd1.isLinked()and pnd2.isLinked())∶

stitle=symb.attribute('title')

sdesc=symb.attribute('desc')

pln=cid.new LNByDesc(symb,stitle)

pdo=cid.newDOByDesc(pln,symb,sdesc)

saddr=name1+','+name2

pdo.setDaAddr('stVal',saddr)

...

pdo.setDataSet('dsA larm','ST')

在上述腳本段中，symb為當前符號，cid為IED建模處理接口對象，先通過輸入點trip0，trip1獲取連接的變量名，當輸入點有變量連接時，根據符號的標題和描述，調用API接口動態創建邏輯節點和DOI，設置短地址sAddr信息、將事件添加到dsAlarm數據集。

1.3 標題描述配置文件設計

在可視化頁面雙擊建模符號后，需選擇符號對應的組標題、描述。組標題和邏輯節點的lnClass對應，裝置開發人員只需選擇熟悉的標題、描述，不需要設置lnClass，DOType等專業內容，降低了配置的難度。工具通過讀取標題描述配置文件后，下拉展示候選內容。配置文件由熟悉具體應用工程和IEC 61850模型的開發人員共同創建。編程工具定義了邏輯節點、DO描述等配置文件的字段格式。LN配置文件定義了邏輯節點類名（lnClass）、LN 組標題（lnDesc），例如：

lnClass=ESWL,title=切換邏輯

lnClass=ETCC,title=分接頭控制

DO描述配置文件定義DO名稱、DO描述等信息，例如：

name=YXWAW 1Q1IND，

desc=遙信_WAW 1Q1IND

name=YCIAFCL1，desc=遙測_IAFCL1

標題描述配置文件存放在工程目錄。

1.4 建模符號和變量關聯

圖形化頁面由程序功能塊、配置建模符號、連接線組成。在程序頁面中定義變量，通過繪制相關符號和數據流拉線實現應用邏輯與建模配置。用戶從建模符號庫中挑選觸發事件、遙控等符號，釋放到圖形化頁面，然后繪制連接線，將功能函數塊的輸出和建模符號的輸入進行關聯，實現程序和建模的同源維護，避免了程序的變量和模型中短地址不匹配的風險。如圖3所示，函數UNPPACK的輸入b0連接到單點觸發事件的輸入點，連接線定義變量名為flag0,則程序代碼片段為：

flag0=TCOM_OK&0x01;

建模文本片段為：

…

圖3 變量和符號關聯示例

1.5 IED和程序結構映射設計

圖形化編程層次數據參照IEC 61131-3的數據模型，按照層次化數據組織管理，如圖4所示。

圖4 IED和程序結構映射示例

（1）配置位于模型的最上層，它包括硬件模型、處理資源、頁面程序等，通常和裝置對應。

（2）資源位于模型的第二層，包括可支持系統運行的程序和目標HEX文件，通常和裝置中的微處理器對應。

（3）應用則可把資源程序拆分為粒度適中的若干應用，應用由若干頁面組成；應用包括數據和任務函數，在周期任務中使用其他應用的輸出，自身的輸出也傳遞給其他應用。

在圖4中，將AcessPoint和資源進行對等映射，LDevice則是1個或多個應用的集合。在IED節點下創建若干AccessPoint，例如用于MMS層收發的實例S1、用于過程層GOOSE收發的實例G1、用于過程層SMV收發的實例M 1。創建邏輯設備可選LD0（公用）、PROT（保護）、CTRL（控制）等名字[1]。在資源配置頁面內，通過創建配置符號AcessPointCfg中定義其所屬的邏輯節點列表，通過創建配置符號LDeviceCfg設置關聯的應用列表，實現圖形化編程數據和IED層次數據的映射配置。

2 CID文件形成設計方案

在工程配置節點，調用代碼生成工具，可形成裝置代碼和模型文件XX.cid，概要處理過程如圖5所示。

圖5 CID文件形成過程

CID文件自動形成原理如下：（1）代碼生成工具讀取工程管理文件，導入程序頁面，對頁面符號進行拓撲排序，生成圖形頁面對應的代碼[8]。（2）形成IED層次結構。根據映射配置符號，創建AccessPoint，LDevice實例；邏輯設備可管理多個應用和頁面內的建模符號。（3）動態創建LN。匯總邏輯設備內頁面符號，提取各類建模符號，執行符號的腳本。在腳本中，調用API接口，從標題描述配置文件中獲取對應的lnClass；根據符號塊設置的DO描述，從DO描述配置文件中獲取對應的DO默認名。將連接線上的變量填入到DAI的sAddr字段。將具有相同lnClass的DO實例用鏈表管理，并處理鏈表內DO重名，為避免MMS通信過程中讀取數據模型時單幀報文過大，按照35個DO進行分組，形成若干個LN。（4）形成數據模板。LNodeType根據自動創建的LN實例化數據，一一對應形成；DOType在符號庫建模數據文件中定義。DAType、Enum Type通過basedata.ini文件預先定義。（5）形成數據集。例如用dsParameter匯總單區定值，用dsSetting匯總多區定值，用dsWarning匯總告警信號，用dsA larm匯總故障信號等，在腳本中根據符號的類型，自動將FCDA添加到數據集中。（6）形成報告控制塊。通過report.ini設置數據集和報告塊關聯關系，可自動創建報告控制塊。（7）形成其他節點。定義SubNetwork ，Services，Header等圖形化配置符號，分析相關符號配置內容，形成變電站、服務、文件頭等節點信息。

3 結束語

介紹了直流保護系統中IED自動建模方案，以圖形化符號可視化連線的方式完成程序和模型關聯，通過代碼生成工具，執行相關腳本，可創建邏輯節點，完成數據項的配置，并輸出IED模型文件。該方案已經在多個直流工程中進行了應用。

[1]陳宏君，劉克金，馮亞東，等.新一代保護測控裝置配套工具軟件設計與應用[J].電力系統自動化，2013，37(20)：92-96.

[2]葉 翔，劉 輝，周永忠.智能變電站圖模一體化設計軟件實現方案[J].江蘇電機工程，2014，33(3)：41-44

[3]張慶武，王永平，陳小軍，等.特高壓直流控制保護系統與開發[J].電力系統自動化，2013，37(21)：88-93.

[4]劉克金，陳宏君，馮亞東，等.新一代控制保護系統圖形化編程軟件設計與實現[J].工業控制計算機，2014，27(10)：82-87.

[5]沈 剛，薛海平，呂 冰，等.直流控制保護故障錄波采集及遠傳研究與應用[J].江蘇電機工程，2013，32(3)：16-18.

[6]王俊生，吳林平，王振曦，等.高壓直流控制保護系統 IEC 61850 建模[J].電力系統自動化，2009，33(1)：41-44.

[7]Communication Networksand Systems for Power Utility Automation-Part 6∶Configuration DescriptionLanguage for Communication in ElectricalSubstation Related to IEDs[S].Ed 1.0.2003.

[8]陳宏君，劉克金，馮亞東，等.一種基于組件和腳本的可視化程序產物形成架構及應用[J].工業控制計算機，2013，26(12)：1-5.