IEC 61968 和 IEC 61850 量测模型的差异性分析(论文学习)

引言

IEC 61968与IEC 61850融合问题的提出最初是因为基于IEC 61850标准的变电站与基于IEC 61970/IEC 61968标准的控制中心之间存在大量的信息交互和共享(包括配置信息和实时测控信息等),但是由于标准间在信息模型、接口服务、通信协议上的差异导致信息无法对应或描述不一致,严重阻碍了信息集成的正常进行。其中,信息模型的差异是最关键的,也是导致变电站和控制中心间无缝通信障碍产生的根本原因

主要的解决方案:
  • 映射:在不改变现有标准模型的前提下,通过建立两者公共部分的对应关系,实现映射转换。但是并没有从根本上解决两个模型间的差异冲突,只能实现模型的部分对应。
  • 融合:将两个模型进行语义层面的统一,以一定的方式融合在一起。根本目的是消除两者之间的差异,实现语义层面的模型一致。

因此要从根本上解决IEC 61850和IEC 61968信息模型间的差异问题,必须依靠融合手段。CIM模型和IEC 61850模型用途不一样,只是存在一部分交集,且目前都由各自的工作组不断进行独立更新。将两个模型完全合并,是一项从标准制定角度和系统改造角度上都耗费巨大的工作。


IEC 61968的量测模型分析

IEC 61968的量测模型完全继承于IEC 61970, 主要类包含在Meas包内 。其中的核心类见图1。
 
IEC 61968 和 IEC 61850 量测模型的差异性分析(论文学习)_第1张图片
 
量测类(Measurement):
  • 由IdentifiedObject类泛化而来(即量测类继承识别对象类);
  • 与电力系统资源(power system resource)是多对一聚集关系;
  • 与端子(Terminal)是多对一关联关系;
  • 4种子类:模拟量量测(Analog)、离散量量测(Discrete)、累积量量测(Accumulator)和字符串量测(StringMeasurement)。

量测与电网拓扑关联的两种方式:

  • 直接与电力系统资源(包括其各种子类设备)关联。多数情况下该方式足够,国内的EMS/DMS中也一般使用这种关联方式。
  • 通过端子关联到导电设备。更精确地描述量测的位置。

量测本身仅包含量测类型、相别、单位及其乘子,各个子类中也仅扩展了一些限值类属性,实际的量测值是通过量测值类 (MeasurementValue)来表达的。量测值类的4个子类分别与量测的4个子类有多对一的关联关系,例如多个模拟量量测值(AnalogValue)关联一个模拟量测量测值本身还与量测值来源(MeasurementValueSource)、量测值品质(MeasurementValueQuality)关联。也就是说,通常在IEC 61968范畴中,设备包含量测,量测关联量测值,量测值关联品质和来源,以此建立一个完整的导航关系

需要特殊说明的是,IEC 61968量测模型中还有一类特殊的量测量,即表计计量量(在IEC 61850中一般包含在MMTR逻辑节点内),在模型中计量值BaseReading是作为MeasurementValue类的第5个子类的。但是,由于计量量通常可以被认为是累积量,因此在实际使用时可以直接作为Accumulator处理


IEC 61850的量测模型分析

IEC 61850的量测模型是 IEC 61850的IED模型的一部分(对应SCL配置文件的IED部分和 DataTypeTemplates部分),描述了量测数据在IED中的存放路径、整体结构和数据类型。它是一个分层模型,文章中以标准中的一个实例来说明,见图2。

IEC 61968 和 IEC 61850 量测模型的差异性分析(论文学习)_第2张图片

IEC 61850的所有公共数据类(CDC)的实例(即数据对象DO),可以根据其功能约束(FC),构成功能约束数据对象(FCD)。FCD共有6类:

  • 状态数据对象
  • 模拟量测数据对象
  • 控制数据对象
  • 状态定值数据对象
  • 模拟定值数据对象
  • 描述信息数据对象

其中,状态数据对象模拟量测数据对象属于IEC 61850的量测模型范畴(即对应SCADA中的“二遥”概念,遥信和遥测),对应的功能约束FC为ST(状态)、 MX(模拟量测)和许多的辅助类数据属性(如命名空间等)。FCD可以再分为功能约束数据属性(FCDA)

对于 IEC 61850的量测模型而言,需要上送给主站的量测数据,一般只有状态数据对象模拟量测数据对象中的量测值(即实际的状态值、模拟量测值,一般属性名后缀为“Val”,如stVal、cVal等)、量测值品质(q)量测值时间戳(t)几个属性,这些属性的FC也均为ST或 MX,并且都是必选属性。例如图2中最下方,MMXU逻辑节点的PhV 数据对象就是FC=MX的FCD,PhV数据对象内的cVal数据属性就是FC=MX的FCDA,表示量测值。另外模拟量测值的数据对象中有时还会包含量测值的单位(units)属性,该属性虽然功能约束并不是MX,但也需要上传给主站


IEC 61968与IEC 61850的量测模型对比分析

IEC 61968和IEC 61850的量测模型差异主要有以下几个方面:

(1)量测值数据结构及数据类型的差异 。

IEC 61968 和 IEC 61850 量测模型的差异性分析(论文学习)_第3张图片

IEC 61968:
  • 4种量测值类都包含value属性;
  • 4种量测值的类型、单位(包括乘子)都不在量测值类中表述,而是在量测类中
  • 4种量测值的时间戳属性从量测值类中继承,同时继承量测值类量测值品质量测值来源类的关联;
  • IEC 61968浮点型无位数限制。

IEC 61850:

  • 量测值数据类型复杂,数据对象可以再分为数据对象,数据属性又可以再分为数据属性,即一个数据对象可以展开成一个树形的数据结构,位于“叶子”部分的才是不可分的数据属性,类型都是IEC 61850的基本数据类型;
  • FLOAT32类型是IEC 61968的子集;
  • 可见字符串型是IEC 61968字符串型的子集;
  • 可见字符串类型只在公共数据类可见字符串型状态“VSS”的实例数据对象中使用,其量测值stVal属性的类型是Visble String。

IEC 61968 和 IEC 61850 量测模型的差异性分析(论文学习)_第4张图片

(2)单位、时间戳、品质类型差异。量测的单位、量测值的时间戳和品质是除了量测值本身之外最重要的数据。

(a)单位的差异

IEC 61850:

  • 单位类型Unit是一个单独的数据属性类,不是基本数据类型。
  • 由2个枚举型(Enumerated)的子数据属性组成:SIUnit、multiplier。

SIUnit:

  • 代表标准单位符号,为必选属性;
  • 包含83个枚举值,均为国际标准单位;
  • 除了电气量单位之外也包括光强、流量等其他物理量单位;
  • 可以囊括主动配电网中的电气量与非电气量(如环境监测量)的量测值单位。

multiplier:

  • 代表乘子,为可选属性。
  • 包括从10^{-2} - 10^{24}共20个乘子,分别以英文缩写作为其枚举值,如10^{3} 对应的枚举值为k。

IEC 61968:

  • CIM模型在CIM14版本以前还存在一个单独的单位类Unit,但CIM15版本以后删去了该类;
  • 使用UnitSymbol和UnitMultiplier 2个枚举类来表达单位。
  • UnitSymbol只包含27个单位,多数为电气量单位,不足以满足主动配电网量测单位的需求;
  • UnitMultiplier包含从10^{-12} - 10^{12}共11个乘子,以英文缩写作为枚举值(乘子10^0以none表示),乘子范围比IEC 61850要小。

(b)量测值时间戳的差异

IEC 61850:

  • 时间戳是一个数据属性类,但不是基本属性类型;
  • 包含一个32位无符号整型(INT32U)的属性SecondSinceEpoch,表示1970年1月1日0点整开始到当前时间所经过的整秒数;
  • 包含一个INT24U类型的属性FractionOfSecond,表示秒的小数部分,精度可达到2^{-24}s;
  • 包含一个时间品质属性TimeQuality,该属性类型也为TimeQuality,是包含3个布尔型和1个枚举型的子属性的复杂类型。

IEC 61968:

  • 在CIM14版本以前是一个单独定义的类型,名为AbsoluteDateTime,包含一个String型的value属性,其格式在模型的注释中予以规定,为“yyyy-mm-ddThh:mm:ss.sss”,即“年—月—日T时:分:秒.毫秒”。若为世界统一时间,则为“yyyy-mm-ddThh:mm:ss.sssZ”;若为相对时区时间,则为“yyyy-mm-ddThh:mm:ss.sss-hh:mm”。
  • 在CIM15版本以后,将AbsoluteDateTime类删去,直接使用UML的基础数据类型DateTime。理论上DateTime类支持任意精度的时间表达,但是CIM16的基础版(IEC61970 CIM16V00_IEC 61968 CIM12V01)中,该类的注释说明依然没有对时间戳的精度进行调整,只能支持毫秒级的精度,格式与AbsoluteDateTime的value属性没有区别。

(c)量测值品质的差异

IEC 61850:

  • 量测值品质是一个数据属性,类型为Quality。该类含validitydetailQualsourcetestoperatorBlocked 5个子数据属性。
  • validitysource是CODED ENUM类型,分别包含good、invalid、reserved、questionable 4个枚举值和process、substituted 2个枚举值(默认为process);
  • testoperatorBlocked是BOOLEAN类型;
  • detailQual则还可以再分为overflow、outOfRange、badReference、oscillatory、failure、oldData、inconsistent、inaccurate 8 个BOOLEAN类型的子属性。

IEC 61968:

  • 量测值品质类名为MeasurementValueQuality,是从Quality61850类泛化而来,并未添加任何属性。
  • Quality61850类就是 IEC 61968模型参照IEC 61850模型的Quality类所增加的一个类,包含overflow、outOfRange、badReference、oscillatory、failure、oldData、test、operatorBlockedestimatorBlockedsuspect 10个布尔型的属性,以及sourcevalidity 2个枚举型的属性。
  • 其中overflowoutOfRangebadReference、oscillatory、failure、oldData、test、operatorBlocked与IEC 61850品质类型中的同名属性完全对应;
  • estimatedBlockedsuspect 2个属性是由主站层总线上的状态估计应用进行设置的,并非从终端层的IEC 61850装置中获取。
  • source属性的Source枚举类包含GOOD、QUESTIONABLE、INVALID 3个枚举值,不包含IEC 61850中的reserved枚举 值;
  • validity属性的Validity枚举类包含DEFAULTED、PROCESS、SUBSTITUTED 3个枚举值,其中PROCESS和SUBSTITUTED对应于IEC 61850中的process、substituted,DEFAULTED则代表IEC 61850中的默认值 process。

 

 

 

 

 

 

 

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