額爾德木吐 汪巨森 肖政

摘 要：當代信息化和自動化項目面臨不同專業(yè)領域之間的資源共享和互操作等難題，IEC61850系列標準處理這方面問題具有獨特的優(yōu)勢，掌握和采用IEC61850建模和信息通信技術實現(xiàn)標準覆蓋范圍之外的擴展應用，對實現(xiàn)裝置、項目和系統(tǒng)的全生命周期管理，以及同類技術可無縫重用、消除信息壁壘、實現(xiàn)互操作具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：互操作;資源共享;全生命周期管理;通信接口;業(yè)務模型;智能系統(tǒng)

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-06

0 引 言

在信息技術和自動化技術快速發(fā)展形勢下，在國家的大力推動下，諸如智能樓宇、智慧園區(qū)、智慧城市、智慧工場等涉及多個專業(yè)的綜合性項目需求越來越多，信息深度融合的趨勢愈發(fā)明顯。

在涉及多個不同專業(yè)信息融合應用的過程中，原本各自自成體系的應用系統(tǒng)出現(xiàn)了互操作的需求，作為系統(tǒng)提供商，如何提高系統(tǒng)效率、充分共享資源、減少開發(fā)和維護成本，成為當今產(chǎn)業(yè)界研究的熱點。

IEC61850系列標準是以解決電網(wǎng)智能設備之間互操作問題為目的的國際標準，在電網(wǎng)系統(tǒng)之外掌握和擴展應用IEC61850系列標準方法同樣具有現(xiàn)實意義。

1 當前的問題

從當前智能電網(wǎng)、智能樓宇、智慧園區(qū)、智慧城市、智慧工場等項目的實施情況看，在實現(xiàn)互操作和信息的融合過程中，不同標準之間進行適應的代價凸顯，主要表現(xiàn)為需要花費大量人力物力進行規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換;另一方面，資源浪費的現(xiàn)象十分嚴重，表現(xiàn)為各專業(yè)都獨自開發(fā)，數(shù)據(jù)共享能力差、信息壁壘，缺乏分工協(xié)作的紐帶，導致軟硬件及數(shù)據(jù)無法共用、無法統(tǒng)一部署等問題。隨著項目的建設和發(fā)展，系統(tǒng)的可維護性、可操作性及實施成本都面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

作為技術和產(chǎn)品供應商，如果不及時注意調(diào)整產(chǎn)品設計及開發(fā)思路，會給產(chǎn)品推廣帶來不同程度的障礙。作為項目設計單位，若不能有效約束供應商的行為，很難保證設計性能與裝備及系統(tǒng)制造商提供的性能一致，項目維護方面、使用方面都面臨極大的維護工作量和管理難度。

由此可見，實現(xiàn)裝置、項目和系統(tǒng)的全生命周期管理，實現(xiàn)同類技術可無縫重用、消除信息壁壘、實現(xiàn)統(tǒng)一標準下的互操作是當務之急。

2 解決方法及措施

從技術實現(xiàn)過程和原理角度分析，不同領域的自動化和信息化產(chǎn)業(yè)在技術實現(xiàn)過程和原理上存在諸多共性，這為實現(xiàn)技術可無縫重用、資源共享提供了條件，這些共性往往是平臺級別的，若實現(xiàn)平臺和業(yè)務去除耦合，即可以實現(xiàn)平臺級別的資源共享。在未出臺正式的技術規(guī)范標準之前，選擇這方面相對完善的領域標準進行擴展應用是較好的解決方法。

電力自動化和信息化系統(tǒng)作為整個自動化和信息化產(chǎn)業(yè)的一個分支，在實現(xiàn)裝置、項目和系統(tǒng)的全生命周期管理，以及同類技術可無縫重用、消除信息壁壘、實現(xiàn)互操作等方面有較早的實施經(jīng)驗和技術優(yōu)勢，其中最有代表性的是IEC61850系列標準。

自從國際電工委員會TC57在2004年制定并頒布第一版IEC61850標準以來，IEC61850建模技術和通信技術在數(shù)字化變電站和智能站得到了大量應用。IEC61850系列標準的特點是：采用配置語言，在信息源定義數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性;采用對象建模技術，面向設備建模和自我描述以適應應用功能的需要和發(fā)展，滿足應用開放互操作性要求;根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點，制定了滿足實時信息和其他信息傳輸要求的服務模型;采用抽象通信服務接口并可映射到具體的網(wǎng)絡協(xié)議棧;定義和傳輸元數(shù)據(jù)，擴充數(shù)據(jù)和設備管理功能;快速傳輸變化值;數(shù)字化傳輸采樣測量值等。IEC61850系列標準還提出了變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的總體要求，制訂了系統(tǒng)、項目管理規(guī)范和一致性測試規(guī)范，IEC61850標準體系為裝置、項目和系統(tǒng)實現(xiàn)全生命周期管理提供了技術手段。

因IEC61850標準具有極強的兼容性，TC57在IEC61850正式版發(fā)布之后相繼制訂了IEC61850-7-4x，IEC61850-80和IEC61850-90等系列擴展應用標準，原來的《變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》系列標準正發(fā)展推廣應用到配電自動化、分布式能源、電動汽車、水電廠、廣域網(wǎng)、Web應用、網(wǎng)絡工程、主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)等領域。IEC61850標準組織“一個世界一個技術”的理念有助于解決自動化和信息化系統(tǒng)中的技術重用性差、信息壁壘、互操作困難等問題。

下面從IEC61850系列標準對項目和系統(tǒng)產(chǎn)生作用的原理出發(fā)，結(jié)合當前現(xiàn)實項目需求，通過舉例說明利用IEC61850系列標準技術實現(xiàn)在當前IEC61850標準覆蓋范圍之外領域擴展應用的可行性和帶來的好處。

2.1 基本原理

從智能設備和系統(tǒng)設計、開發(fā)及使用角度看，IEC61850標準作用于智能設備和系統(tǒng)的一般過程是：按照IEC61850 建模規(guī)則構(gòu)建智能電子設備（IED）模型（icd文件），進而通過配置工具構(gòu)建系統(tǒng)模型（scd文件），智能電子設備運行時加載經(jīng)配置好的模型文件（cid文件），并與一種與平臺無關的統(tǒng)一的IEC61850服務內(nèi)核關聯(lián)，生成智能電子設備數(shù)據(jù)交互引擎和對外信息通信功能，智能電子設備通過數(shù)據(jù)交互引擎與設備本地功能模塊進行信息交互，通過對外信息通信功能與系統(tǒng)內(nèi)的其他設備或主站進行信息交互。智能系統(tǒng)運行時通過一種與平臺無關的IEC61850系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)與系統(tǒng)內(nèi)設備的通信，智能系統(tǒng)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)的方式可以是加載scd模型或者通過通信獲取設備信息建立，智能系統(tǒng)還可通過IEC61850系統(tǒng)內(nèi)核與系統(tǒng)數(shù)據(jù)進一步生成系統(tǒng)功能引擎，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化。設備與設備之間、設備與系統(tǒng)之間通過通信功能攜帶操作語義和數(shù)據(jù)完成互操作。

對于IEC61850標準模型模版尚未覆蓋的領域，若采用IEC61850方式進行建模，上述方法仍然適用。

在智能電子設備命名空間（IEDstruct）情形下，IEC61850對智能電子設備建模的方式是：把一個物理設備劃分為一個或多個功能相對獨立的邏輯設備（LD），每個LD由若干具有特定功能的邏輯節(jié)點（LN）構(gòu)成，每個LD通常包含兩個缺省的邏輯節(jié)點，一個是帶有公共屬性的邏輯節(jié)點零（LLN0），一個是物理裝置信息邏輯節(jié)點（LPHD），此外便是專用邏輯節(jié)點。所有邏輯節(jié)點的建模原則都是從IEC61850-7-4或IEC61850-7-4X選擇兼容的邏輯節(jié)點類模版進行建模。每個兼容的邏輯節(jié)點類模版由若干個數(shù)據(jù)（DO）組成，IEC61850-7-3為數(shù)據(jù)定義了兼容的數(shù)據(jù)類，邏輯節(jié)點模版中的每個DO是基于這些兼容數(shù)據(jù)類的實例，兼容數(shù)據(jù)類指明了數(shù)據(jù)的屬性組成和功能特性。這些數(shù)據(jù)類具有很強的兼容性，被證明可以被大多自動化過程引用。

國際電工技術委員會中其他技術委員會推薦使用的分類標識為：H，水電;F，燃料電池;W，風能;O，太陽能;B，電池;N，發(fā)電廠。在沒有兼容邏輯節(jié)點模版可供參考的情況下，可以參照兼容邏輯節(jié)點模版的定義規(guī)則進行擴展。擴展方法所建立的模型仍然可以具有較好的自動化特性和互操作特性，如果據(jù)此進一步申請TC57的支持，還可能被吸收為國際標準。

2.2 應用舉例

目前IEC61850標準尚未覆蓋視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識別系統(tǒng)這兩個系統(tǒng)，本文選取這兩個有交互需求的案例舉例說明IEC61850建模和通信技術實現(xiàn)在當前IEC61850標準覆蓋范圍之外領域的擴展應用方法。

2.2.1 需求分析

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能組成是視頻數(shù)字化、視頻控制、視頻存取、視頻檢索、視頻播放。

人臉識別系統(tǒng)的基本功能組成是特征庫的建立、視頻數(shù)字化采樣、特征抽取、特征比對、分析結(jié)果存儲、分析結(jié)果應用。

實現(xiàn)兩者的互操作，可以實現(xiàn)很多新的應用。例如，可對原有錄制的視頻數(shù)據(jù)進行人臉識別分析，得出某一段時間內(nèi)某一場合的活動人數(shù)，各人員的活動軌跡及同行人員情況，還可按人員、時間、地點結(jié)合對原有視頻系統(tǒng)進行檢索和播放，大大提高檢索效率。

兩者在功能模塊開發(fā)設計過程中如果實現(xiàn)功能模塊之間的通信標準接口和數(shù)據(jù)標準接口，便可以充分利用資源，提升開發(fā)效率。如共用攝像頭技術、視頻圖像存取技術及視頻采集與控制技術等。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識別系統(tǒng)模塊交互需求如圖2所示。

2.2.2 解決措施

本文采用IEC61850信息建模和通信規(guī)范解決上述需求。

首先，從操作需求和通信需求的角度出發(fā)，找出視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)各功能，以及兩者結(jié)合時功能之間的相互操作需求（也可稱之為通信需求）。本文案例中，攝像功能模塊的操作需求為：獲取攝像機配置信息，包括型號、安裝位置、出廠日期、設備狀態(tài)、當前模式等信息;控制攝像機的云臺方向和圖像捕獲、圖像輸出等參數(shù);接收攝像機數(shù)據(jù)，包括塊序號、塊類型、存儲塊大小、格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容、時間范圍等。視頻存取模塊的操作需求為：設定視頻存取的位置、文件名，啟動發(fā)送或接收數(shù)據(jù)等。人臉分析模塊的操作需求為：分析特征設定，包括特征文件路徑;分析對象設定，包括源路徑、源位置范圍/源時間范圍;分析控制，包括源路徑、啟動標志等;分析結(jié)果信息獲取，包括源路徑、結(jié)果類別、結(jié)果值等。視頻播放模塊的操作需求為：設定播放的源路徑，設定播放的起始位置，設定播放的圖像參數(shù)，包括播放速度、播放幅面、畫面明暗度等。視頻檢索模塊的操作需求為：設定檢索方式，輸入檢索條件，啟動檢索等。

其次，為每個相對獨立的操作功能建模，分別形成可供復用的邏輯節(jié)點模版。與電力系統(tǒng)同樣的道理，可以將視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識別系統(tǒng)進行分層處理，攝像機作為圖像數(shù)字化轉(zhuǎn)換設備可以列入過程層設備，視頻在線記錄存儲和人臉分析設備可以列入間隔層設備，分析結(jié)果記錄存取、視頻檢索、視頻播放功能劃歸站級設備。但由于目前標準尚未給視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人臉識別系統(tǒng)分配邏輯節(jié)點名，為了向標準過渡，這里不創(chuàng)建新的邏輯節(jié)點名，僅以“GGIO（通用輸入輸出）”為基本模版，演示如何創(chuàng)建符合IEC61850建模規(guī)則的擴展應用模型。根據(jù)第一步互操作需求分析的結(jié)果及引用通用建模方法，可以創(chuàng)建類似下面的邏輯節(jié)點模版，以下邏輯節(jié)點模版創(chuàng)建了部分新的數(shù)據(jù)關鍵字，這些關鍵字通過字段“desc”進行表述，在實現(xiàn)互操作過程中將有確切的含義。

3 工程應用優(yōu)勢

從上文介紹的方法可以看出，應用上述方法可以從根本上改變項目、裝備和系統(tǒng)的工程實施模式，工程應用優(yōu)勢可歸納為如下幾個方面：

（1）資源共享：充分利用數(shù)據(jù)的數(shù)字化共享特性，保證了系統(tǒng)內(nèi)軟硬件資源共享。

（2）業(yè)務與計算機軟硬件平臺實現(xiàn)了解耦：業(yè)務可以形成組件庫，從而在資源具備的前提下靈活分配，也為平臺的批量化制造提供了解決方案。

（3）互操作性：設備和系統(tǒng)模型包含的確定的語義，提供了設備與設備之間，設備與系統(tǒng)之間良好的互操作特性。

（4）管理：模型可以作為核心紐帶，貫穿設備和系統(tǒng)功能設計、功能開發(fā)、運行、測試、維護全過程，從而實現(xiàn)項目全生命周期管理。

（5）快速構(gòu)建新的應用：通過模型配置可以快速定義新的功能搭配關系，從而快速實現(xiàn)新的應用場景。

4 結(jié) 語

本文從當代信息化和自動化項目面臨的實際問題和客觀需求出發(fā)，圍繞互操作、資源共享等問題，介紹了IEC61850標準建模和通信技術的基本原理，并舉例說明了擴展利用IEC61850進行項目需求分析、業(yè)務建模、實例化裝置及裝置自動化的方法。該方法具有眾多優(yōu)點，較好地解決了資源共享、互操作、對項目進行全生命周期管控的需求，具有推廣應用價值。

參 考 文 獻

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