IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用

龐宇峰

【摘 要】IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是未來數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ秃徒７椒ㄊ荌EC61850標(biāo)準(zhǔn)的核心，本文先總體闡述了IEC61850的建模過程，進(jìn)而結(jié)合電能量管理終端的應(yīng)用進(jìn)行電能量管理終端的建模介紹。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化變電站；IEC61850；智能電子設(shè)備；面向?qū)ο?；信息模?/p>

【Abstract】IEC61850 standard is the digital substation communication network and system of the international standard. Object-oriented information model and modeling method is the core of IEC61850 standard. This article overall expounds the modeling process of IEC61850 first， and then combined with the application of electric energy management terminal of electric energy management terminal modeling is introduced.

【Key words】Digital substation； IEC61850； Intelligent electronic equipment； Object oriented； The information model

0 引言

在智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)中，需要接入大量的來自不同生產(chǎn)廠家的監(jiān)控設(shè)備。采用傳統(tǒng)的通信規(guī)約如IEC60870-5-102，Q/GDW376.1-2009，DNP3.0等，難以做到互聯(lián)互通、即插即用，接入和維護(hù)的工作量都十分大。圖1是智能變電站一體化監(jiān)控系模型。

IEC61850為變電站自動化提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了不同智能設(shè)備之間的無縫接入。隨著IEC61850的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，其技術(shù)和方法逐漸推廣至變電站自動化以外的其它應(yīng)用領(lǐng)域，包括變電站與EMS主站之間的通信、水力發(fā)電（IEC61850-7-410）、分布式電源（IEC61850-7-420）、風(fēng)力發(fā)電（IEC61400-25）等等。引入IEC61850采用統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)主站與DRTU以及不同DRTU之間的互操作，從而解決大量DRTU的有效接入問題，減少維護(hù)工作量，是智能變電站通信的發(fā)展方向[1]。

1 IEC61850簡介

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是IEC、IEEE與美國電科院（EPRI）合作的結(jié)果，其目的是建立一個真正的全球性標(biāo)準(zhǔn)，解決變電站自動化系統(tǒng)的互通互聯(lián)問題。下面介紹IEC61850的采用的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型

常規(guī)的通信協(xié)議（如IEC60870-5系列、SC1801、ModBus等）從各種自動裝置接收數(shù)據(jù)需要三個處理過程。首先，裝置把實際數(shù)據(jù)映射成適當(dāng)?shù)膮f(xié)議消息；將數(shù)據(jù)傳遞到請求者那里，并寫入數(shù)據(jù)庫中；最后，將數(shù)據(jù)以圖形符號的方式顯示給用戶。存在的問題是，在協(xié)議消息傳輸過程中，其中一個數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的關(guān)系丟失了，因此，必須映射協(xié)議消息與其他數(shù)據(jù)的關(guān)系（一般叫作交叉關(guān)系表映射）。在安裝調(diào)試變電站自動化系統(tǒng)，處理所有的數(shù)據(jù)點時，（映射）配置工作非常耗費時間并且容易發(fā)生錯誤。

IEC61850采用面向?qū)ο蟮男路椒?，單一的?shù)據(jù)是沒有意義的，IEC61850將信息分為可以訪問的邏輯信息組，例如保護(hù)信息、開關(guān)設(shè)備信息、測量信息組等。邏輯信息組被進(jìn)一步劃分為不同的邏輯節(jié)點。邏輯節(jié)點是組成變電站自動化應(yīng)用功能，能夠互相交換信息的最小實體，是變電站最基本的虛擬表示單元。每一個邏輯節(jié)點由代表一些特定應(yīng)用功能的數(shù)據(jù)組成。按照定義好的通信方法與服務(wù)，包含在邏輯節(jié)點中的信息能夠同其他邏輯節(jié)點交換。用戶可以比較容易地研究和瀏覽這些邏輯節(jié)點，提取出所需要的信息。

圖2給出了一個叫XCBR的邏輯節(jié)點的例子。這個邏輯節(jié)點代表一個IED模型中的斷路器對象。XCBR包含一個數(shù)據(jù)類Pos，表示斷路器的位置。這個數(shù)據(jù)類被賦予不同的屬性。例如，狀態(tài)值stVal表示斷路器的分合位置。這樣，斷路器的信息可以通過訪問具體的邏輯節(jié)點XCBR獲得。假設(shè)已知一個包含斷路器的IED模型，數(shù)據(jù)類XCBR的實例叫做XCBR1，則訪問XCBR1.Pos即可獲得斷路器所有的位置屬性信息，而訪問XCBR1.Pos.stVal就可以獲得斷路器的分合位置信息。

一組邏輯節(jié)點組合在一起，完成一個具體的應(yīng)用功能，它們可能分布在變電站內(nèi)若干個實際物理設(shè)備中。圖2所示的保護(hù)功能為例，它包含三個邏輯節(jié)點（HMI：人機(jī)界面、P：保護(hù)、XCBR：斷路器）和一個獨立的邏輯節(jié)點（TCTR：電流傳感器），它們分布在斷路器、電流互感器、保護(hù)裝置三個具體的物理設(shè)備中。需要指出，在其他一些應(yīng)用場合，這些邏輯節(jié)點有可能都集中在一個物理設(shè)備中。

一個物理設(shè)備可能包含多個邏輯節(jié)點。使用邏輯節(jié)點可以為一個具體的IED（例如單元層保護(hù)裝置）建模，這些IED與變電站內(nèi)的其他物理設(shè)備相互作用，完成具體的功能。一些邏輯節(jié)點可以認(rèn)為是代表變電站內(nèi)物理設(shè)備（例如斷路器或電流互感器）的邏輯對象。其他一些邏輯節(jié)點只完成一部分功能。以開關(guān)或斷路器控制為例，控制邏輯節(jié)點和斷路器邏輯節(jié)點相互作用完成斷路器的操作。如此，一組邏輯節(jié)點可逐步地建立起描述單元層裝置控制行為的模塊。

1.2 抽象通信服務(wù)接口

IEC61850總結(jié)了電力生產(chǎn)過程的特點和要求，歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)，設(shè)計出抽象通信服務(wù)接口（Abstract Communication Service Interface：ACSI），其應(yīng)用功能、對象、服務(wù)與具體的技術(shù)及實現(xiàn)方法（通信協(xié)議）無關(guān)。ACSI提供6種服務(wù)模型：連接服務(wù)模型、變量訪問服務(wù)模型、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)模型、設(shè)備控制服務(wù)模型、文件傳輸服務(wù)模型、時鐘同步服務(wù)模型。它所定義的服務(wù)、對象、參數(shù)通過特殊通信服務(wù)映射（Specific Communication Service Mapping：SCSM）綁定到底層的應(yīng)用程序（協(xié)議）中，例如綁定到MMS或IEC60870-5等應(yīng)用層協(xié)議上。這使得IEC61850的應(yīng)用可以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)。在底層網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化的情況下，只需要改變相應(yīng)的特殊通信服務(wù)映射即可。

1.3 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型面向設(shè)備的自描述

IEC61850提供的模型覆蓋了變電站自動化領(lǐng)域幾乎所有功能和數(shù)據(jù)對象，并提供了擴(kuò)展機(jī)制。因而在傳輸數(shù)據(jù)時，通過附帶數(shù)據(jù)自我描述信息的方法，實現(xiàn)信息的自描述，數(shù)據(jù)在傳到調(diào)度系統(tǒng)后，可以直接通過軟件解析，簡化現(xiàn)場驗收工作，數(shù)據(jù)庫維護(hù)工作量大為減少。

1.4 系統(tǒng)配置

因為IEC61850建立了統(tǒng)一的模型體系和統(tǒng)一的ACSI接口，并且支持現(xiàn)場設(shè)備的直接訪問，因而在設(shè)備配置發(fā)生變化的情況下，調(diào)度系統(tǒng)可以很方便地得知配置改變情況，并據(jù)此進(jìn)行更改。IEC61850包含了十個部分的內(nèi)容。電力系統(tǒng)工程師和用戶可能需要一些時間認(rèn)識了解它。然而，隨著對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求越來越多，信息新技術(shù)的不斷應(yīng)用，IEC61850最終會成為處理變電站配置、模型和通信的主要標(biāo)準(zhǔn)。

2 IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用

由圖3可知，一區(qū)和二區(qū)之間的防火墻開放相應(yīng)的路由，使計量采集終端可以訪問。常規(guī)普通電表通過RS485接入常規(guī)終端，多合一裝置由于掛在Ⅰ區(qū)，需要通過防火墻開發(fā)路由接口，終端通過以太網(wǎng)接口的IEC61850-8-1訪問多合一裝置中的電量信息。

2.1 電能量管理終端設(shè)備模型

圖4定義的模型中基本上都是采用了IEC61850-8-1中定義的LN，本文采用的是xml語言進(jìn)行描述的。

2.2 信息交換模型

IEC61850-7-2定義了比較完備的抽象服務(wù)接口（Abstract Communication Service Interface，ASCI），包括基本模型規(guī)范和信息交換服務(wù)模型，信息交換服務(wù)模型包括核心服務(wù)、通用變電站事件（Generic Substation Event，GSE）模型、采樣值（Sample Value，SV）傳輸模型、時間同步等。1.核心服務(wù)。核心服務(wù)采用Client/Server模式，支持Server、Association等模型，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和檢索；設(shè)備控制；事項報告和日志；發(fā)布/訂閱；設(shè)備的自描述等。核心服務(wù)是配網(wǎng)自動化通信的基礎(chǔ)，主站與終端、終端與終端之間的通信都需要支持核心服務(wù)。2.GSE模型。通用變電站事件GSE包括面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Events，GOOSE）和通用變電站狀態(tài)事件（Generic Substation Status Event，GSSE）。GSE采用廣播方式，對傳輸?shù)难訒r有嚴(yán)格的限制。

GOOSE是IEC61850定義的一種通信機(jī)制，用于快速傳輸變電站事件（如命令、告警等）。GOOSE利用了VLAN和優(yōu)先等級等以太網(wǎng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸時間<4ms。配網(wǎng)自動化對于通信的實時性要求相對較低，并且終端設(shè)備的數(shù)量比較大，為避免出現(xiàn)大量的廣播信息造成網(wǎng)絡(luò)的堵塞，建議不采用GOOSE模型。

2.3 通信服務(wù)映射

ACSI的具體報文及編碼需要通過特定通信服務(wù)映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）映射到具體的實現(xiàn)方式上。對于核心服務(wù)的實現(xiàn)方式，目前比較可行的映射方式有映射到制造業(yè)報文規(guī)范（Manufacturing Message Specification， MMS）和映射到IEC 60870-5-101/104。1.映射到MMS：IEC61850-8-1中詳細(xì)定義了用戶/服務(wù)器模型映射到MMS的實現(xiàn)方式。MMS底層采用TCP/IP，編碼格式采用ASN.1。在配網(wǎng)自動化中采用以太網(wǎng)，以MMS+TCP/IP來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信是一種比較可行的實現(xiàn)方式。2.映射到IEC60870-5-101/104：IECTC57制訂了IEC61850與IEC60870-5-101/104之間信息交換的導(dǎo)則IEC61850-80-1。通過IEC61850-80-1可以完成IEC61850向IEC60870-5-101/104的數(shù)據(jù)模型的映射，用于變電站與控制中心的通信。

IEC61850-80-1對于信息模型能夠很好的進(jìn)行映射，但對服務(wù)模型支持的不夠好，比如Server的Get Server Directory、Logical Device的Get Logical-Device Directory等偏重于信息模型自描述的部分在IEC60870-5-101/104中沒有相應(yīng)的實現(xiàn)。這主要由于兩種標(biāo)準(zhǔn)所采用模型不一致造成的，對于這些不能映射的部分可以采用Web Service、文件傳輸，或者對IEC60870進(jìn)行擴(kuò)展，添加相關(guān)的應(yīng)用來實現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文對IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用背景進(jìn)行描述，介紹了IEC61850面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型、抽象通信服務(wù)接口及系統(tǒng)配置及面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型面向設(shè)備的自描述，舉例說明了IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了電能量管理終端設(shè)備模型、信息交換模型及通信服務(wù)映射。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]