继电保护装置IEC61850通信模型规范化测试软件开发

第42卷 第

17期

电力系统保护与控制

Vol.42 No.17

2014年9月1日 Power System Protection and Control Sep. 1, 2014

继电保护装置IEC61850通信模型规范化测试软件开发

丁国兴

1

，王宏彦

1

，邱建斌

1

，高 伟

2

（1.福建省电力有限公司检修分公司，福建 福州 350013；2.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350002）

摘要：针对智能变电站系统集成中保护装置建模不规范的情况，开发一种保护模型规范化测试软件对装置模型进行规范化检

测，以提高智能变电站系统集成效率。软件基于IEC 61850 SCL schema对模型进行语法检查，以确定其中是否存在导致解

析错误的定义；并根据国网公司《IEC 61850工程继电保护应用模型》创建规则库，比对检查模型中各种逻辑对象的建模，

如命名要求、强制包含性要求等，以确定模型是否遵循国网公司标准。软件采用Java/Netbeans工具开发，兼容Win32/Linux

平台，检测准确迅速，满足智能变电站系统集成中模型检测的需要。最后提供了对实际保护模型文件进行检测的实例。

关键词：模型检测；IEC-61850标准；智能变电站；检测软件；继电保护

Development of checking software of protection devices based on IEC-61850

communication model

DING Guo-xing

1

, WANG Hong-yan

1

, QIU Jian-bin

1

, GAO Wei

2

(1. Maintenance Branch of Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350013, China;

2. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

Abstract: According to non-standardized modeling in the system integration of smart substation, a standardized model checking

software which checks model files of relay devices is developed to improve the efficiency of system integration. The checking is

firstly based on IEC 61850 SCL schema to determine if there are mistakes to lead to analysis fault. A rules bank is built based on relay

applying model published by SGCC. The checking also compares the model and rules bank to determine if the definition of logic

objects follows the standard of SGCC, such as naming regular, mandatory existing, etc. The checking software is developed using

Java/Netbeans and can be compatible to Win32 or Linux platform. The checking software runs quickly and accurately which nicely

meets the needs of system integration. An application example is introduced finally, which proves the design of the model checking

software is effective.

Key words: model checking; IEC-61850; smart substation; checking software; relay protection

中图分类号： TM77 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2014)17-0096-06

0 引言

智能变电站调试中引入了系统集成的概念，即

集成商将全站所有智能保护、测控、智能终端、合

并单元等设备进行统一配置，形成一个完整通信系

统的过程，而变电站中的各种操作指令、数据、信

号则在该系统上传递。系统集成的具体内容包括：

收集全站智能装置通信模型ICD文件（设备能力描

述文件），将ICD文件导入专用工具软件

[1-3]

，完成

逻辑设备命名、地址分配、虚端子连线后生成全站

通信模型SCD文件，各个智能装置再从SCD文件

基金项目：福建省电力有限公司科技项目（NC2012041）

中提取本装置所需的通信模型CID文件（经配置的

设备文件）下载到装置中，实现对装置通信行为的

控制。目前，保护装置ICD文件建模中存在较大随

意性，造成统集成过程中数据类型冲突、ICD文件

无法识别的问题，致使现场频繁更改模型，而引入

较大的安全风险。本文介绍一种基于IEC-61850的

通信模型检测工具（下称模型检测工具），在系统集

成前对保护装置通信模型进行规范性检测，减少系

统集成中的错误，提高工作效率。

1 IEC61850模型及其规范性检测的含义

（1）IEC-61850模型简介

[4-7]

在IEC-61850标准体系中，变电站的全部数据

丁国兴，等 继电保护装置IEC-61850通信模型规范化测试软件开发 - 97 -

和功能被抽象成具备一定隶属关系的一系列对象，

包括：逻辑设备LD、逻辑节点LN、数据对象DO、

数据属性DA 四种。其中，逻辑设备是将逻辑节点

按照功能聚合形成；数据对象包含数据属性，它们

是对逻辑节点状态的描述；逻辑节点是最基本的功

能单元和通信单元，具有标准的输入/输出及其描述

信息。所谓模型，即以上所有对象的总和，保存在

ICD文件中，是智能变电站中的关键技术资料之一。

ICD文件实质上是一个特定命名空间的XML

文件，从结构上看分为四部分：①Header段保存文

件标识信息；②Communication段保存了装置MMS

网和GOOSE网地址信息，网络超时参数、VLAN

号等；③IED段对整个装置通信功能的具体描述，

包含逻辑设备的定义、逻辑设备输入输出数据定义、

通信服务定义等；④DataTypeTemplates段是对逻辑

节点、数据对象、数据属性及基本数据类型的定义。

ICD文件是IEC-61850模型的具体体现，是模型规

范性检测的目标。

（2）IEC-61850模型规范性检测的意义和标

准

[8]

模型规范性检测源于生产实际需求。在智能变

电站系统集成过程中，常出现由于模型不规范造成

通信失败的情况：如模型中存在语法错误导致装置

不能识别、通信双方对数据类型建模不一致造成通

信失败、模型中对象随意命名造成调试人员建立虚

端子连线困难等。归纳起来，模型的规范性体现为

三个方面：①符合IEC标准语法；②使用规范的数

据类型；③对象的命名符习惯约定。模型规范性检

测即以这三点为目标，对模型文件进行检查。模型

规范性检测依据两个标准，一是IEC发布的SCL

schema模型规范性文件，该标准由一组XSD文件

组成，定义了ICD/SCD/CID的语法结构；二是国家

电网公司颁布的《Q/GDW 396-2009 IEC 61850工程

继电保护应用模型》（下称396标准）

[9]

，规定了模

型中可使用的数据类型及其定义，并规定了对象命

名原则。

文本段结构化存储等数据调理工作；经调理的数据

被检测模块调用进行检测，检测模块分为IEC SCL

schema标准检测和396标准检测两个子模块；而导

入的规则库则可根据需要进行编辑修改；用户界面

与检测模块、数据接口模块接口，实现所有人机交

互功能。

图1 软件框架图

Fig. 1 Framework of software

开发工具的选择上，考虑到运行环境的多样性

和移植便利性，选用Java平台下NetBenas集成开

发环境，拟将检测软件开发成Java Applet模式。这

样，检测软件无需安装即可在Unix、Linux及

Windows平台上运行，以适应现场各种软硬件平台；

并可方便的嵌入到基于Java的Web应用中，成为

一个模型文件检测服务器

[10]

。

3 基于IEC SCL schema规则的检测功能实现

3.1 利用SCL schema验证ICD的原理

XSD（XML Scheme Description）文件是一种

描述XML结构的规则文件，是整个XML标准体系

的一部分，由万维网联盟（W3C）制定。XSD使用

正则表达式对XML的标签树结构、标签命名、数

据格式进行规定。经XSD验证的XML文件在进入

特定的解析器后不会因数据格式错误造成解析失

败，即保证了XML的语法正确性。

为了规范智能变电站中装置模型文件的结构，

IEC发布了SCL schema以规范智能设备建模。SCL

schema包括：、SCL_BaseSimpleTypes.

XSD、SCL_、SCL_Communication.

XSD、SCL_、SCL_Enums.

XSD、SCL_、SCL_Substation等8个文件，

其中通过include语句引用了其他7个文

件，是整个规则的总和，使用SCL schema时只要

向检测器指明文件的路径即可引用所有

2 检测软件框架及开发平台选择

按照软件开发一般原则，对模型检测软件进行

功能分析，可将其划分为4个模块：输入输出模块、

检测模块、用户界面和规则库，整体框架如图1所

示。

图1中，模型文件指ICD文件，规则库包含IEC

SCL schema语法规范文件和396标准库，均以XML

文件形式存储；待检模型文件和规则库由输入输出

模块读入，并进行XML文件的基本格式检查、XML

- 98 -

电力系统保护与控制

规则。SCL schema有1.4、2.0、3.0三个版本，对

被测ICD文件的语法要求有细微差异，但使用方法

相同。

XSD对XML的校验表现在两个方面：一是对

标签包含关系的检查；二是对标签格式的检查。XSD

文件中的标签为树形结构，并通过标签的属性定义

了标签的类型、出现次数、必要性等特性，该结构

是对被测XML结构的反应。检测器要求被测XML

须具备与XSD相同的树形结构，据此实现了对标签

包含关系的检查。另外，XSD中利用正则表达式对

标签的文本格式进行规定，例如在文件

中对SCL标签的描述有如下定义

[11-13]

：

use="required"/>

该定义要求SCL标签中应含有名为version的

属性，其类型为tVersion，且该属性在ICD中的必

须出现，即use属性值为required。查看

SCL_文件发现tVersion定义

如下：

value="20d{2}(p{Ll}[p{L},d,-,.,_]*)?"/>

即tVersion的基类型是tName类型，进一步查

找发现tName的基类是normalizedString类型，即

字符串类型；tVersion类型的格式应符合正则表达

式“20d{2}(p{Ll}[p{L},d,-,.,_]*)?”的规定。即表

达式长度为4个字符，其中前两个字符是20，后两

个字符时任意数字。因此，“2011”是一个正确的

tVersion类型数据，而“201a”、“20112”、“2011-”都

是不符合要求的格式。

3.2 Java平台下编程实现XSD验证XML文件

Java平台下可用的XML API很多，本文选用

dom4j实现检测软件所需的各种XML操作。dom4j

是一个开源软件，其性能优异、功能强大且易于使

用。在Netbeans 6.8集成开发环境中使用dom4j时，

只需将文件添加到项目中，并在程

序文件中引用相应包，即可使用dom4j中的各种对

象。下面的代码说明了dom4j的基本使用方法，包

括读入XSD文件和验证XML文件的方法。

try {

XMLErrorHandler errorHandler = new XMLError

Handler();//创建错误处理器

SAXParserFactory factory = SAXParserFactory.

newInstance();//获取SAX的解析器类工厂的实例

idating(true); //设置解析器在解析

时验证XML内容

espaceAware(true); //设置解析器

支持XML名称空间

SAXParser parser = Parser();//创

建解析器实例

SAXReader xmlReader = new SAXReader();//创

建一个读取器

Document xmlDocument = (Document)xml

(new File(xmlFileName)); //获取要校验

xml文档实例

perty("/xml/jaxp/

properties/schemaLanguage","/200

1/XMLSchema");

perty("/xml/jaxp/

properties/schemaSource","file:" + xsdFileName); //设

置SCL schema文件路径

SAXValidator validator = new SAXValidator

(Reader());//创建一个SAXValidator校

验器

orHandler(errorHandler); //设置

校验器的错误处理器

te(xmlDocument); //进行校验

if (ors().hasContent()) { //进

行错误处理 }

} catch (Exception ex)

{tackTrace();}

可见，dom4j的使用是从获取类工厂实例开始，

再由类工厂创建解析器，并通过设置解析器属性指

定要使用的XSD规则文件；通过创建读取器和文档

对象载入外部XML文件，并将载入的文档对象传

给解析器解析；最后创建校验器并将解析器传入进

行校验。校验结果由错误处理器截获，可在校验结

束后遍历错误处理器获得校验结果；若错误处理器

内容为空则表明ICD通过了相应SCL schema的验

证。

4 基于396标准的检测功能实现

国家电网公司于2010年发布了Q/GDW 396-

2009 《IEC61850工程继电保护应用模型》标准，

是智能保护装置建模的统一规范，其中包括各种逻

辑对象的定义、命名规则等

[9]

。但396标准是一套

文字描述性标准，无法直接被计算机处理，要根据

396标准对模型进行检测，就必须首先将标准量化。

本文通过设计一套规则库将396标准规则量化，利

丁国兴，等 继电保护装置IEC-61850通信模型规范化测试软件开发 - 99 -

用软件进行ICD文件和规则库的遍历对比以实现检

查ICD文件的目的。

4.1 396规则提炼与规则库设计

分析发现，396标准对模型的规定主要体现在

6个方面，即：物理设备建模的规定、逻辑设备所

含逻辑节点的规定、逻辑节点所含数据对象的规定、

数据对象所含数据属性的规定、枚举类型的规定、

各种对象的命名规定。其中，前4条是属于“存在

性”规则，即规定了数据对象至少应含有那些子元

素，这种规定可提炼成一系列的标准对象，形成规

则文件；对枚举类型的规定是一种强制规定，可直

接将396标准中给出的定义归纳成一个规则文件；

规定对象的命名是为了便于人工阅读ICD文件，可

利用正则表达式和XPATH路径表达式对象命名检

查。因此，可建立一个含有三种规则的规则库，即

存在性规则、强制一致性规则、命名检查规则，每

种规则有若干条，每条可存储为一个XML文件。

不同规则按文件名区分，适用于ICD不同部位的检

查，下面举例说明这三种规则的设计。

①存在性规则。396标准规定了差动保护逻辑

节点含有一系列数据对象，可将其提炼成如下XML

片段，成为一条存在性规则。

name="LinAngOfsPG" type="ASG"

MO="ESG"/>

该片段中，首行

lnClass="PDIS">和末行表明这是一

个PDIS（差动保护）类型的逻辑节点；中间诸行每

行表示该逻辑节点的数据对象。如

name="Mod" type="INC" MO="M"/>数据对象，其名

称为Mod；类型为INC，即可控整数状态；存在性

要求为M，即必须含有。数据对象

name="K0Fact" type="ASG" MO="O"/>中，其名称

为K0Fact，即零序补偿系数；类型为ASG，即模拟

量定值；存在性要求为O，即根据需要出现的可选

项。数据对象

MO="ESG"/>中，其名称为LinAng0，即线路零序

阻抗角；存在性要求为ESG，即国网标准要求的项，

必须含有。数据对象

type="SPG" MO="EO"/>中，名称为SedBlkRec，即

两相跳闸闭锁重合闸；类型为SPG，即单点定值；

存在性要求为EO，即装置厂商自行定义的对象，

为非必要项。

②强制一致性规则。396标准规定模型中使用

的枚举类型与IEC61850标准完全一致，可将全部

枚举类型归纳成一个规则文件，其中类型range的

定义片段如下。

③命名规则。396标准在逻辑设备的建模部分

规定保护LD inst名为“PROT”，合并单元LD inst

名为“MU”，可设计如下两条XPATH路径表达式：

/SCL/IED/AccessPoint[@name=’S1’]/Server/L

Device[@inst='PROT']

/SCL/IED/AccessPoint[@name=’M1’]/Server/

LDevice[@inst='MU']

表达式中@name=’S1’表示选取name属性为S1

的AccessPoint节点。第一条表达式指向了一个

PROT逻辑设备，第二条表达式指向一个MU逻辑

- 100 -

电力系统保护与控制

设备。在检查程序中利用XPATH表达式进行寻址，

如能找到相应的逻辑设备即表明逻辑设备命名正

确，否则命名错误。

4.2 ICD文件与规则库遍历对比

建立规则库后，即可利用规则库对ICD文件进

行遍历对比。根据ICD文件结构特点，应先扫描其

IDE段，穷举其中所有的LN、DO、DA，并在

DataTypeTemplates段中找到相应的原型，将这些原

型置入一个临时链表中；然后从该链表中逐一取出

元素与标准对象进行比较。比较的基本思想是：在

标准库中查找与待检验对象同名且同类型的对象，

若找到则进行对象子元素的比较；若找不到则表明

发现了非标准对象；如此循环直到发现费标准对象

或对象再没有子元素，遍历流程如图2所示。

图3 继电保护模型测试软件界面

Fig. 3 Software UI of protection devices model checking

图2 ICD文件遍历流程图

Fig. 2 Checking flow chart of ICD files

5 检测实例分析

利用本软件对工程中常见的南京南瑞继保电

气有限公司PCS-902、PCS-931，长园深瑞继保自动

化有限公司PRS-753等智能保护装置模型进行检

测，程序运行界面如图3所示。在“检测结果”栏

中，第一行“[消息]XML文件通过标准SCL文件验

证成功！”表明模型文件通过了标准SCL schema 3.0

文件的验证，以上三种保护模型文件均能通过该验

证，表明其建模遵循了IEC标准；后续行中错误信

息表明模型文件检出了与396规则库不符合情况，

常见的错误情况有以下四种。

（1）超出类型库的类型。按照396标准，模

型中所有的枚举类型均应在规定了19中枚举类型

中，其他特殊类型定义将被视为错误检出，如

PCS-902模型中的angidCMV枚举类型。

（2）数据属性（DA）类型不吻合。即装置模

型中定义的DA类型与396标准要求不一致。如

PCS-902模型的CN_PulseConfig类型定义中将

cmdQual声明为range类型，而396标准中对应的

声明为PulseConfigCmdQual类型。

（3）数据对象（DO）类型不吻合。即装置模

型中定义的DO类型与396标准要求不一致。如

PCS-902模型的CN_SPC_EX类型（DO类型）定

义中含有名为ctlVal的成员，而396标准的

CN_SPC_EX类型定义中不含该项。类似的情况还

存于PCS-902的CN_INS、CN_STG_SP_EX、

CN_INS_FltLoop、CN_SAV_EX；PCS-931的

CN_STG_SP_EX；PRS-753的CN_MV、CN_SAV、

CN_WYE、CN_SPC_DC、CN_ASG_SG等定义。

（4）逻辑节点（LN）类型不吻合。即装置使

用的LN定义与396标准不吻合。如PCS-902模型

中NRR_LLN0_90X逻辑节点的定义未按要求包含

CBFlt、RemSetGrpEna、SelfRstCBFlt三个子项。类

似的情况还存在于PCS-902的NRR_PTOC（未包含

DirToBus）、NRR_PDIS（未包含StrVal、

LinAngOfsPG）；PRS-753的SZNR_PDIS_JL_

PRS753（未包含NamPlt、LinAngOfsPG）；PSC-931

的NRR_PDIS（未包含StrVal、LinAngOfsPG）。

6 结语

随着智能电网的建设步伐加快，智能变电站及

其集成调试在未来电网维护业务中的地位愈发突

出，坚持模型标准化一方面是提高调试效能的实际

需求，同时也提高了智能保护模型的技术管理水平。

丁国兴，等 继电保护装置IEC-61850通信模型规范化测试软件开发 - 101 -

本文介绍的模型规范化思路与相应的检测软件充分

满足了现场进行智能保护装置模型检验的需要，实

现的基于IEC SCL schema和国家电网公司396标准

的检测功能实用性强，效益显著；引用的代码、流

程图、运行效果图来自实际项目软件，具有较强的

参考价值。

参考文献

[1] 祁忠, 笃竣, 张志学, 等. IEC61850 SCL配置工具的

研究与实现[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(7):

76-81.

QI Zhong, DU Jun, ZHANG Zhi-xue, et al. Research and

implementation of IEC61850 SCL configuration tool[J].

Power System Protection and Control, 2009, 37(7):

76-81.

[2] 林知明, 蒋士林. 基于SCL模型的配置工具的设计与

实现[J].电力系统保护与控制, 2009, 37(12): 82-85.

LIN Zhi-ming, JIANG Shi-lin. Design and achievement

of configuration tools based on SCL model[J]. Power

System Protection and Control, 2009, 37(12): 82-85.

[3] 王凤祥, 方春恩, 李伟. 基于IEC61850的SCL配置研

究与工具开发[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(10):

106-109.

WANG Feng-xiang, FANG Chun-en, LI Wei. Design of

substation configuration tool based on IEC61850

standards[J]. Power System Protection and Control, 2010,

38(10): 106-109.

[4] 胡刚. 智能变电站实用知识问答[M]. 北京: 电子工业

出版社, 2012.

HU Gang. Smart substation practical knowledge quiz[M].

Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2012.

[5] 冯军. 智能变电站原理及测试技术[M]. 北京: 中国电

力出版社, 2011.

FENG Jun. Smart substation principle and testing

technology[M]. Beijing: China Electric Power Press,

2011.

[6] DL/T 860.5-2006 idt IEC 61850-5: 2003 变电站通信网

络和系统 第5部分: 功能的通信要求和装置模型[S].

北京: 国家电网公司, 2006.

DL/T 860.5-2006 idt IEC 61850-5: 2003 communication

networks and systems in substation part 5:

communication requirement for functions and device

models[S]. Beijing: State Gird Corporation of China,

2006.

[7] DL/T 860.6-2008 idt IEC 61850-6: 2004 变电站通信网

络和系统 第6部分:与智能电子设备有关的变电站内

通信配置描述语言[S]. 北京: 国家电网公司, 2008.

DL/T 860.6-2008 idt IEC 61850-6: 2004 communication

networks and systems in substation part 6: configuration

description language for communication in electrical

substation related to IEDs[S]. Beijing: State Gird

Corporation of China, 2008.

[8] 何磊, 田霞, 韩永进, 等. IEC61850配置文件工程化测

试探讨[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(16):

147-154.

HE Lei, TIAN Xia, HAN Yong-jin, et al. Research on the

testing of IEC 61850 configuration file in engineering[J].

Power System Protection and Control, 2011, 39(16):

147-154.

[9] Q/GDW 396-2009 IEC61850工程继电保护应用模型[S].

北京: 国家电网公司, 2010.

Q/GDW 396-2009 relay protection models of IEC61850

in engineering[S]. Beijing: State Gird Corporation of

China, 2010.

[10] 葛一鸣. Java程序性能优化[M]. 北京: 清华大学出版

社, 2012.

GE Yi-ming. Performance optimization of Java

application[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012.

[11] DL/T 860.72-2004 idt IEC 61850-7-2: 2003 变电站通信

网络和系统 第7-2部分: 变电站和馈线设备的基本通

信结构抽象通信服务接口(ACSI)[S]. 北京: 国家电网

公司, 2004.

DL/T 860.72-2004 idt IEC 61850-7-2: 2003 commun-

ication networks and systems in substation part 7-2: basic

communication structure for substation and feeder

equipment abstract communication service interfaces[S].

Beijing: State Gird Corporation of China, 2004.

[12] DL/T 860.73-2004 idt IEC 61850-7-3: 2003 变电站通信

网络和系统 第7-3部分: 变电站和馈线设备的基本通

信结构 公用数据类[S]. 北京: 国家电网公司, 2004.

DL/T 860.73-2004 idt IEC 61850-7-3: 2003 commun-

ication networks and systems in substation part 7-3: basic

communication structure for substation and feeder

equipment common data classes[S]. Beijing: State Gird

Corporation of China, 2004.

[13] DL/T 860.74-2006 idt IEC 61850-7-4: 2003 变电站通信

网络和系统 第7-4部分: 变电站和馈线设备的基本通

信结构 兼容逻辑节点类和数据类[S]. 北京: 国家电

网公司, 2006.

DL/T 860.74-2006 idt IEC 61850-7-4: 2003 commun-

ication networks and systems in substation part 7-4: basic

communication structure for substation and feeder

equipment compatible logical node classes and data

classes[S]. Beijing: State Gird Corporation of China,

2006.

收稿日期：2013-11-23； 修回日期：2014-03-11

作者简介：

丁国兴（1983-），男，硕士，工程师，从事电力系统继

电保护、电力系统通信方面工作；E-mail：***************

王宏彦（1970-），女，硕士，高级工程师，从事电力系

统规划设计、智能化变电站技术管理工作；

邱建斌（1980-），男，硕士，工程师，从事电力系统通

信方面工作。