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。

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 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，状态数据对象和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和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）和量测值时间戳（t）等几个属性，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：

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，同时继承量测值类与量测值品质、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。

（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。
其由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validity、detailQual、source、test、operatorBlocked 5个子数据属性。
validity和source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）；
test和operatorBlocked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、operatorBlocked、estimatorBlocked、suspect 10个布尔型的属性，以及source和validity 2个枚举型的属性。
其中overflow、outOfRange、badReference、oscillatory、failure、oldData、test、operatorBlocked与IEC 61850品质类型中的同名属性完全对应；
estimatedBlocked和suspect 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。