陳志偉，徐丙垠，韓國政

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255012；3.山東科匯電力自動化有限公司，山東 淄博 255087；4.山東輕工業(yè)學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

0 引言

配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用的終端設(shè)備種類繁多，這些配電終端的功能和接口大不相同，通常要進(jìn)行大量的配置和轉(zhuǎn)換工作才能實現(xiàn)設(shè)備間共享信息，增加了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。

IEC61850是IEC TC57制定的關(guān)于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，可以有效地實現(xiàn)設(shè)備間的無縫集成[1]，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展目前已更名為電力企業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。借鑒IEC61850在變電站自動化等領(lǐng)域的成功應(yīng)用經(jīng)驗，將其推廣到配電自動化領(lǐng)域，為解決配電設(shè)備之間的互操作問題提供了有效的途徑。

配電網(wǎng)中常用的通信規(guī)約有IEC60870-5系列遠(yuǎn)動規(guī)約、DL451-91規(guī)約、DNP3.0規(guī)約等。目前，將 IEC61850映射到 IEC60870-5-101／104的研究較多[2-3]，而對映射到Web Services的研究卻很少。Web Services以可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML（eXtensible Markup Language）和簡單對象訪問協(xié)議SOAP（Simple Object Access Protocol）為基礎(chǔ)，對 IEC61850 的信息模型和信息交換模型支持良好，因此，研究IEC-61850的Web Services映射及實現(xiàn)是非常有益的。

1 IEC61850的Web Services映射

1.1 IEC61850的簡介

制定IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的出發(fā)點就是為了指導(dǎo)實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的互操作。IEC61850包含4個主要部分：信息模型、抽象通信服務(wù)接口ACSI（Abstract Communication Service Interface）、特定通信服務(wù)映射SCSM（Specific Communication Service Mapping）和變電站配置描述語言SCL（Substation Configuration description Language）配置文件[4-5]。信息模型采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術(shù)，采用分布、分層的結(jié)構(gòu)體系。ACSI只是抽象地描述設(shè)備之間如何交換信息，與設(shè)備間怎樣具體實現(xiàn)交換無關(guān)。SCSM利用具體的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)ACSI中的服務(wù)模型。SCL文件用于對變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和IED信息模型、服務(wù)模型進(jìn)行統(tǒng)一的描述，從而被其他的IED和主站識別。

1.2 Web Services技術(shù)

Web Services技術(shù)是服務(wù)器程序通過Internet發(fā)布應(yīng)用服務(wù)并能夠被客戶端程序遠(yuǎn)程調(diào)用的一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制[6-8]。 它采用的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)有XML、SOAP、HTTP、Web Services描述語言（WSDL）和通用唯一識別碼（UDDI）等。Web Services不是僅針對電力行業(yè)的專用技術(shù)，具有普遍性?？蛻舳顺绦蛲ㄟ^Web Services，調(diào)用暴露在外界的應(yīng)用程序編程接口（API），就可以使用位于服務(wù)器的Web Services。下面介紹XML技術(shù)、SOAP和WSDL：

a.XML技術(shù)是Web Services的關(guān)鍵技術(shù)，是描述結(jié)構(gòu)化信息的標(biāo)準(zhǔn)格式，具有自描述、可擴(kuò)展等特點；

b.SOAP是一種基于XML的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，Web Services利用SOAP實現(xiàn)不同設(shè)備與系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程調(diào)用；

c.WSDL是基于XML的服務(wù)描述標(biāo)準(zhǔn)，用于描述Web Services的功能和調(diào)用方法。

1.3 IEC61850的Web Services映射方案

IEC61850的Web Services映射和MMS的映射不同，MMS有相對獨立的信息模型，根據(jù)模型的層次結(jié)構(gòu)，基本上可以將IEC61850的信息功能模型映射到MMS的模型。但是，在映射過程中，由于MMS與IEC61850的對象層次結(jié)構(gòu)不同，服務(wù)響應(yīng)中會包含大量的冗余信息。Web Services采用基于語法的XML Schema。XML Schema沒有相對獨立的信息模型，支持自定義。IEC61850到Web Services的映射實際上就是將信息模型和信息交換模型用Web Services的WSDL描述出來。

IEC61850的映射包括信息模型映射和信息交換模型映射2個方面。信息模型中的Server、LogicalDevice、LogicalNode、Data等對象分別映射為 Web Services 中的 tServer、tLD、tLN、tData 等對象[9]，信息交換模型中的讀服務(wù)器目錄（GetServerDirectory）等服務(wù)也映射為相應(yīng)的GetServerDirectory等服務(wù)。下面以tServer和GetServerDirectory為例介紹Web Services中的WSDL描述。

服務(wù)器類型tServer的WSDL定義如下：

在上述定義中，tServer包含若干個訪問節(jié)點（ServerAccessPoint）和若干個邏輯設(shè)備（LD）。 采用WSDL描述tServer與IEC61850中的Server有很好的對應(yīng)性。同樣，可完成對tLD、tLN、tData的定義。

在IEC61850中，GetServerDirectory服務(wù)用于獲取服務(wù)器包含的LD，其訪問參數(shù)包括對象類型等，其返回參數(shù)為包含的LD。在Web Services中，需要對訪問參數(shù)和返回參數(shù)分別進(jìn)行定義。GetServerDirectoryRequest中包含服務(wù)所需的請求參數(shù)，WSDL的定義如下：

GetServerDirectoryResponse中包含服務(wù)返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)，WSDL的定義如下：

除了IEC61850中已定義的對象類型外，還需要增加1個關(guān)聯(lián)ID用于描述通信的關(guān)聯(lián)和1個UUID。

輪腿機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足以下要求:結(jié)構(gòu)簡單,可以快速靈活地實現(xiàn)單個輪腿的升降，從而穩(wěn)定挖溝機(jī)車體姿態(tài),保證挖溝機(jī)工作部件運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠.

Web Services的映射方案如下，示意圖見圖1。

a.ACSI客戶端在數(shù)據(jù)定時更新、遙控操作或數(shù)據(jù)主動更新時建立抽象服務(wù)，調(diào)用相應(yīng)的Web Services應(yīng)用程序。應(yīng)用程序創(chuàng)建SOAP請求消息，消息中包含服務(wù)請求所需的參數(shù)，向下經(jīng)過HTTP處理模塊，將SOAP消息封裝成HTTP報文發(fā)送到服務(wù)器端。

b.服務(wù)器端以阻塞狀態(tài)等待來自客戶端的連接請求，收到請求消息后創(chuàng)建新線程同時返回繼續(xù)監(jiān)聽。新線程調(diào)用HTTP模塊解析HTTP報文，取出其中的SOAP請求消息，發(fā)送給服務(wù)器端的Web Services應(yīng)用程序，應(yīng)用程序解析SOAP請求消息，根據(jù)其中的服務(wù)請求參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)執(zhí)行程序。

c.ACSI服務(wù)器端的Web Services應(yīng)用程序?qū)⒎?wù)執(zhí)行程序返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)封裝成SOAP響應(yīng)消息，向下通過HTTP處理模塊生成HTTP報文返回給客戶端。

d.客戶端通過HTTP模塊解析出返回的SOAP響應(yīng)消息，再通過Web Services應(yīng)用程序取出其中的響應(yīng)數(shù)據(jù)，發(fā)送給ACSI客戶端，完成整個抽象服務(wù)通信過程。

圖1中的Web Services應(yīng)用程序都是利用gSoap工具包編寫的，用來實現(xiàn)SCSM過程中抽象服務(wù)到Web Services應(yīng)用層報文的生成，完成報文的處理和收發(fā)。虛線下方的通信過程無需考慮，由gSoap工具包自身完成。

圖1 Web Services映射方案Fig.1 Mapping to Web Services

2 Web Services在配電終端中的實現(xiàn)

2.1 gSoap介紹

本文介紹的Web Services的實現(xiàn)采用了開源的工具gSoap。gSoap的出現(xiàn)使在C／C++環(huán)境下實現(xiàn)一個通用性較強(qiáng)的Web Services程序變得簡單。gSoap的編譯器能夠自動地將用戶定義的本地化的C／C++數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)變?yōu)榉蟈ML語法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣只用一組簡單的API就將用戶從SOAP細(xì)節(jié)實現(xiàn)工作中解脫出來，能夠?qū)Ｗ⒌綉?yīng)用程序的實現(xiàn)中去。

2.2 配電終端

圖2 配電終端信息模型Fig.2 Information model of distribution terminal

配電終端按照功能劃分為3個LD：LD1（測控）、LD2（保護(hù)）和LD3（電源），LD下面是為了完成 LD相應(yīng)功能而聚集在一起的邏輯節(jié)點。

配電終端采用IEC61850的SCL文件實現(xiàn)配電終端的自描述，其最后下載的完整的SCL文件是pzk.cid文件，其他IED或系統(tǒng)可方便地獲得其中的配置信息，如通信參數(shù)、信息模型和所能提供的服務(wù)等。信息模型是IEC61850的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)互操作的前提，因此，獲取pzk.cid文件中的信息模型至關(guān)重要。本文通過在服務(wù)器端解析pzk.cid文件獲取信息模型[11-12]，如圖 3 所示。

在配電終端上電初始化時，運(yùn)行XML解析模塊，把pzk.cid配置文件加載至內(nèi)存進(jìn)行處理，解析獲得符合服務(wù)器、LD、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性層次關(guān)系的IEC61850信息模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將其保存在存儲器中。PZK-3配電終端采用數(shù)據(jù)點表的方式存儲數(shù)據(jù)，利用科匯公司的用戶方式字配置工具實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)點表與IEC61850信息模型的配置轉(zhuǎn)換，抽象服務(wù)通過尋址便可輕松獲得裝置的信息模型和實時數(shù)據(jù)。

圖3 信息模型獲取Fig.3 Acquisition of information model

2.3 Web Services映射實現(xiàn)

IEC61850的全部抽象服務(wù)都可由Web Services實現(xiàn)，以GetServerDirectory服務(wù)為例進(jìn)行說明[13-14]。該服務(wù)的功能是檢索由尋址服務(wù)器對請求的客戶變成可視的、可訪問的全部LD名字表或文件名字表。在IEC61850-7-2中規(guī)定的GetServerDirectory服務(wù)參數(shù)如圖4所示。

圖4 GetServerDirectory參數(shù)Fig.4 Parameters of GetServerDirectory

請求（Request）中包含一個 ObjectClass參數(shù)，此參數(shù)為被選擇的類，可以取值為LD或文件；肯定響應(yīng)參數(shù)（Response+）指明服務(wù)請求成功，在Reference中返回LD的objectReference或文件的FileName；否定響應(yīng)參數(shù)（Response-）指明服務(wù)請求失敗，返回相應(yīng)的 ServiceError。

參照圖4所示參數(shù)，實現(xiàn)Web Services的過程如下。

a.定義GetServerDirectory的響應(yīng)數(shù)據(jù)類型。

b.定義GetServerDirectory服務(wù)函數(shù)，包括函數(shù)名、形參和如何實現(xiàn)服務(wù)的具體程序代碼。

相應(yīng)地，其他的服務(wù)也可按照上述方式編寫。

c.函數(shù)編寫好之后，要想實現(xiàn)功能服務(wù)，還需要搭建SOAP的應(yīng)用環(huán)境。首先，初始化SOAP應(yīng)用環(huán)境，調(diào)用soap_bind（）將服務(wù)綁定到具體的端口，然后調(diào)用soap_accept（）等待接收客戶端的請求，在客戶端通過調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)函數(shù)，如ns_GetServerDirectory（）就可獲取相應(yīng)的服務(wù)返回。

3 試驗驗證

試驗的硬件環(huán)境如表1所示。

將PZK-3配電終端和控制中心管理者樣機(jī)接入10 Mbit／s局域網(wǎng)內(nèi)，然后在管理機(jī)側(cè)調(diào)用Get-ServerDirectory操作測試返回請求的正確性和時間性。在管理機(jī)側(cè)接收到的GetServerDirectory服務(wù)的響 應(yīng) 中，_sizeLDRef=3，LDRef[]=｛“LD1”，“LD2”，“LD3”｝，與2.2節(jié)定義的配電終端的信息模型結(jié)構(gòu)完全一致；經(jīng)過多次試驗，從GetServerDirectory請求發(fā)出到請求返回所用時間小于1 s，完全滿足配電自動化的時間需求[15]。對于一些要求響應(yīng)返回較多數(shù)據(jù)的服務(wù)如GetDataDefinition、GetAllDataValues等，返回時間會隨著數(shù)據(jù)的增多延長，由于配網(wǎng)自動化的時間要求較低，也還是可以滿足要求。

表1 硬件試驗環(huán)境Tab.1 Hardware environment of test

4 結(jié)論

目前，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電自動化中的應(yīng)用還處于探索階段。本文所提IEC61850的Web Services映射，通過分析和試驗證明了其在配電自動化領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配網(wǎng)的推廣提供一定的參考。當(dāng)然，Web Services還存在一些實際應(yīng)用方面的問題，如占用CPU、內(nèi)存資源較多；在傳輸相同數(shù)據(jù)時，需要較高的帶寬等，相信這些問題會隨著配電終端的升級和通信技術(shù)的發(fā)展得到解決。