能源管理系统EMS与IEC61850

2024-04-26 20:52 由 CSUFT_NJU 发表于 #操作系统

接上上文，板上运行提示缺少某些库，可能是因为交叉编译工具版本太高了。后续使用vitis自带的交叉编译工具编译，然后放入Xilinx开发板运行成功。

EMS，即能源管理系统，是储能“3s”之一。设计和制造一个储能EMS系统需要考虑包括系统架构设计、功能需求、软件开发、硬件选型等多个方面：

需求分析：确定系统的功能需求和性能指标，包括对储能系统的监测、控制、优化等方面的需求，同时考虑系统的可扩展性和适应性；
架构设计：设计系统的整体架构，包括前端数据采集、后端数据处理、控制算法、用户界面等部分的组成结构，确定系统各模块之间的交互和通信方式；
软件开发：开发系统的软件部分，包括数据采集、数据处理、控制算法、用户界面等功能模块的开发；
硬件选型：选择合适的硬件设备，包括传感器、控制器、通信设备等，确保硬件设备能够满足系统的性能和功能要求，并与软件系统相兼容；
测试部署：验证系统的功能和性能是否符合设计要求，确保各个模块之间的协调运行和数据的准确性，再部署到实际的储能系统中，进行现场调试和优化。

目前行业内做EMS开发的公司有杭州高特、杭州协能、山东德联和研华等公司。博主本人是做嵌入式开发出身，莫名其妙进入储能行业后第一个项目就是EMS。在第一步时就十分懵逼：以前都是实现某项功能、完成某个成果才算工作量，不理解为什么这类工作搜集材料整理个需求文档就算完成工作了？挣扎了大半年之后好像对这种解决方案类的工作有一些理解了，努力尝试“以系统的整体架构入手去思考问题”。

第一步需求分析，这一步要做的工作就是根据电站设计的指标和需求整理一堆excel和Visio文档，一般是要有多年经验的老员工才能干，半转行的应届生一般干不了。

第二步架构设计，以一个五层结构的EMS系统为例，从下到上可以是：硬件层（PC）、操作系统层（Linux，Windows）、支撑平台层（数据库、网络通信）、数学建模层（预测模型、系统模型等）及应用软件层（SCADA、应用软件）。需要完成全系统的功能分解及信息流规划，模块间通信协议、接口及线缆种类、规格等。
前端数据采集，包括光伏、风力、储能电芯、电网及负荷、PCS等模块的数据。采集后实时显示在用户界面，并使用这些数据进行系统状态估计、控制保护及实现所需其他功能（如自动发电控制、负荷预测、发电预测与经济调度等）。
模块内的通信方式以串行通信（IIC\SPI）和CAN通信为主，模块之间则以61850，modbus，104等协议为主。

第三步软件开发的工作量十分庞大，一般由专业的EMS完成底层代码开发，用户进行二次开发。

第四步类似一、二步，需要对整个系统以及常用的硬件设备非常熟悉才能干的了。

最后一步，整体测试验证、项目落地运行。

以上这些啰啰嗦嗦，讲了一堆宏观的内容，但是到了实际工作分配后，却不知道第一步要干什么。以前是做嵌入式的，实在不想去搞项目管理，还是想把工作内容与软件开发结合起来。考虑到现实情况能做的实在太少，上网查了几篇论文，看了几篇博客，发现有个开源的通信工程代码libiec61850，还有详细的文档介绍。于是下载了源码学习了一下，顺便移植到Xilinx开发板上运行，与上位机联调。

IEC61850

登录网站libiec61850.com，下载源码到本地。
工程可以在Windows、Linux下运行，包括x86及ARM架构，可以和IEDScout通信。网站上有介绍文档和API说明。在Linux虚拟机内编译后，选择client_example2和server_example_goose。进入.c文件后，修改网络接口名称、IP地址和mac地址，保存编译，然后以sudo运行server和client。可以看到服务端与客户端分别输出如下：

可以看到服务端和客户端正常运行。客户端展示了如何访问一个未知设备上的数据模型，这个数据模型在服务端文件夹内的cid文件中。这是61850的IED 模型配置文件，下面来仔细解读一下这个文件。

cid文件

读懂这个文件需要一定的XML语法知识，可以参考61850-6文档。打开文件，将其分为三部分解读。

1、通信配置

第5~36行communication部分是文件的通信配置部分。communication下是子网和接入点部分，其中接入点处定义了IED名称和接入点名称，在后面部分会用到。

接入点下的address设置IP地址、子网掩码和网关。
OSI-TSEL：表示 OSI 模型中的 TSEL（Transport Service Access Point Selector）为 0001，用于在传输层标识服务访问点。
OSI-PSEL：表示 OSI 模型中的 PSEL（Presentation Service Access Point Selector）为 00000001，用于在表示层标识服务访问点。
OSI-SSEL：表示 OSI 模型中的 SSEL（Session Service Access Point Selector）为 0001，用于在会话层标识服务访问点。

GSE表示 GSE 实例的 ldInst 为 "GenericIO"，cbName 为 "gcbEvents"，分别指定了逻辑设备名称和控制块名称。Address为地址信息，MinTime和MaxTime一般为毫秒。

2、IED

Services部分描述了服务端IED实例支持的服务。
AccessPoint是通信配置部分出现过的接入点，里面包含来一个LDevice逻辑设备GenericIO，逻辑设备内部有三个逻辑节点，分别是LN0、LPHD和GGIO。

LN0内部定义了四个数据集DataSet，两个报告控制块ReportControl，两个GSEControl和一个数据对象DO。
DataSet（数据集）：用于定义一组数据对象，这些数据对象通常包含监测点、测量值、状态等信息。可用于定义需要传输的数据集合，以便在电力系统中进行监测、控制和管理。
ReportControl（报告控制）：用于定义报告生成和传输的控制参数，包括报告生成周期、报告传输方式、报告对象等。可以用于配置系统生成和传输报告的行为，以便及时获取系统状态和事件信息。
GSEControl（GSE控制）：用于控制 GSE（Generic Substation Events）数据的生成和传输，包括 GSE 数据的采集周期、传输方式、优先级等。可以用于配置 GSE 数据的采集和传输参数，以便及时获取系统中的事件信息。

GGIO内部定义了一个Mod和四个SPCSO。SPCSO代表generic single point controllable status output是否使能，ctlModel均为direct-with-normal-security。关于这个值的具体含义可以参考61850-7-2。

3、数据类型模板

最后一部分是DataTypeTemplates，在这里定义的模板才能被第二部分使用。包括了逻辑节点、数据对象、数据属性和枚举类型。

Xilinx开发板测试

最后来在Xilinx开发板上运行代码，与电脑虚拟机之间使用61850协议互相通信。连接开发板需要用到电源线、网线和串口线（也可以用ssh协议，这样就不用串口）。

首先需要安装交叉编译环境,可参考前几节文章内容，在ARM官网下载，或者直接使用vitis自带的交叉编译工具链。如果报错command not found，运行以下命令：

apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
sudo apt-get install gcc-arm*

安装完成后，安装libiec61850官网说明，make时附带参数TARGET=LINUX-ARM，即可编译完成ARM格式的可执行文件。使用file命令校验：

可以看到文件无误。虚拟机运行服务端程序server_example_goose，客户端仍然选择client_example2，使用ssh命令传输到开发板上运行，输出结果如下：

看到输出结果与虚拟机内输出相同，程序运行无误。

同时也可以使用wireshark观察交互的数据包：

后续可以把Xilinx开发板换成BMS，电脑换成EMS、工控机，多尝试使用几个61850服务，感受协议在电力系统中的使用方式。