智能變電站設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

篤 峻，張海寧，柏 楊，胡紹謙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著智能變電站建設的深入推廣，對變電站內(nèi)變壓器、開關(guān)等一次設備狀態(tài)的在線監(jiān)測和維護已成為智能變電站建設的重點內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國家電網(wǎng)公司要求智能變電站配置統(tǒng)一的設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（或一體化監(jiān)控系統(tǒng)）［1］，對下接入各類設備狀態(tài)監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對全站一次設備狀態(tài)的在線采集和監(jiān)測，滿足變電站內(nèi)一體化監(jiān)控的需要；對上與網(wǎng)省調(diào)設備狀態(tài)監(jiān)測主站進行通信，及時上送站內(nèi)一次設備狀態(tài)監(jiān)測信息，滿足國家電網(wǎng)公司“大運行”、“大檢修”體系建設的要求。

為此，2012年國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《變電設備在線監(jiān)測I1接口網(wǎng)絡通信規(guī)范》（以下簡稱I1規(guī)范）與《變電設備在線監(jiān)測I2接口網(wǎng)絡通信規(guī)范》（以下簡稱I2規(guī)范）2個標準，分別對設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在變電站內(nèi)的建模和通信以及變電站與主站之間信息交換的內(nèi)容和方式進行了說明。其中，I1規(guī)范規(guī)定了變電站內(nèi)綜合監(jiān)測單元（CMU）和站端監(jiān)測單元（SMU）之間采用IEC61850進行通信，并給出了站內(nèi)監(jiān)測各類一次設備狀態(tài)所需的IEC61850模型及服務規(guī)范［2］；I2規(guī)范規(guī)定了變電站側(cè)狀態(tài)接入控制器（CAC）與主站側(cè)狀態(tài)接入網(wǎng)關(guān)機（CAG）之間采用Web Service進行通信，并給出了站端接入設備狀態(tài)監(jiān)測主站所需的數(shù)據(jù)及服務規(guī)范［3］。

但是，I1、I2規(guī)范相互獨立，I1規(guī)范規(guī)定了變電站內(nèi)的通信細節(jié)，I2規(guī)范規(guī)定了主、子站之間的通信細節(jié)。因2套規(guī)范采用了不同的通信模型和服務，在具體應用過程中有如下問題：

a.缺乏統(tǒng)一的信息建模與維護［4］，如從I1規(guī)范定義的IEC61850模型轉(zhuǎn)換成I2規(guī)范自定義的數(shù)據(jù)模型時，會損失部分有用信息，導致轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)模型描述能力不足；

b.缺乏統(tǒng)一的服務接口，I2規(guī)范定義的服務接口有限，不能涵蓋I1規(guī)范所定義的豐富的IEC61850服務，如I2規(guī)范僅提供監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳服務，但不能區(qū)分事件與告警，限制了主站的數(shù)據(jù)應用；

c.I2規(guī)范與I1規(guī)范在模型和服務定義上脫節(jié)，無法直接利用IEC61850規(guī)范的最新成果，每次規(guī)范的修訂與升級都需要修改CAC、CAG等環(huán)節(jié)的程序。

為使I1、I2規(guī)范實現(xiàn)無縫銜接，本文基于I1、I2規(guī)范進行改進，通過將IEC61850映射到Web Service協(xié)議棧來實現(xiàn)主、子站之間的IEC61850建模和通信，從而滿足I1、I2這2套規(guī)范統(tǒng)一建模和通信的需求。

1 IEC61850通信到Web Service協(xié)議棧的映射

IEC61850通信的1個突出特點是實現(xiàn)了上層應用和底層通信的解耦，通過設計獨立于具體網(wǎng)絡實現(xiàn)的抽象通信服務接口（ACSI），使得IEC61850通信可以靈活地映射到不同的網(wǎng)絡通信協(xié)議棧，稱為特定通信服務映射（SCSM）。目前，IEC61850規(guī)范僅提供了映射到ISO/IEC9506制造報文規(guī)范（MMS）協(xié)議棧的方法，但映射到Web Service協(xié)議棧也是一種可行的選擇。IEC61850與MMS、Web Service協(xié)議棧的映射關(guān)系如圖1所示。IEC61850-7-2部分定義的ACSI既可以映射到MMS協(xié)議棧，也可以映射到Web Service協(xié)議棧，只是在應用層、解釋層、會話層的實現(xiàn)上有所不同，并不會影響上層的IEC61850模型。

采用MMS協(xié)議棧映射和Web Service協(xié)議棧映射在技術(shù)上各有優(yōu)勢，適用于不同的應用場合。文獻［5］對圖1描述的2種映射進行了對比分析，指出MMS協(xié)議棧映射在通信的實時性、效率、資源占用上較有優(yōu)勢，更適合用于變電站內(nèi)基于局域網(wǎng)的IEC61850通信。而Web Service起源于Internet，采用標準的Internet協(xié)議與開放的Web規(guī)范［6］，能夠在電力Intranet環(huán)境下穿越防火墻，實現(xiàn)跨平臺和跨網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換，為與上層生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）之間設備狀態(tài)信息的縱向貫通提供了技術(shù)手段［7］。雖然Web Service協(xié)議棧映射在通信的實時性和效率上不如MMS，但符合設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時性要求不高的特點。所以結(jié)合I2規(guī)范的內(nèi)容，Web Service協(xié)議棧映射應該更適合用于設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中基于廣域網(wǎng)的主、子站之間的IEC61850通信。

圖1 IEC61850到MMS及Web Service協(xié)議棧的映射Fig.1 IEC61850 mapping to protocol stacks of MMS and Web Service

實際上，作為IEC61850規(guī)范在風電領(lǐng)域的延伸，IEC61400-25標準就描述了如何將風力發(fā)電的信息模型和服務映射到Web Service協(xié)議棧［8］，可以借鑒其映射的思路和方法來將IEC61850通信映射到Web Service協(xié)議棧。但文獻［8］并未考慮具體實現(xiàn)的技術(shù)細節(jié)，如代理建模、冗余通信、并發(fā)服務、源端維護等問題，本文將對這些問題進行詳細闡述。

2 設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)IEC61850通信的關(guān)鍵技術(shù)

綜上所述，設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主、子站之間可以采用映射到Web Service協(xié)議棧的IEC61850通信，這樣從變電站內(nèi)的設備狀態(tài)監(jiān)測裝置（CMD/CMU），到設備狀態(tài)監(jiān)測子站（SMU /CAC），再到遠方的設備狀態(tài)監(jiān)測主站（CAG），都將具備IEC61850通信的能力，使得I1規(guī)范為變電站內(nèi)提供的模型和服務可以直接應用于主、子站之間的通信，實現(xiàn)站內(nèi)通信和主、子站通信的無縫銜接，可以很好地解決上述存在的因I1、I2規(guī)范脫節(jié)造成的一系列問題。下面將詳細介紹設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實現(xiàn)IEC61850通信的技術(shù)細節(jié)。

2.1 變電站內(nèi)的IEC61850通信

變電站內(nèi)的IEC61850通信在SMU與CMD/CMU之間完成。SMU通過與CMD/CMU進行IEC61850通信，采集設備狀態(tài)監(jiān)測信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給上層的 CAC。有關(guān) SMU與 CMD/CMU之間的IEC61850通信，I1規(guī)范提供了詳細說明。在模型方面，I1規(guī)范為設備狀態(tài)監(jiān)測擴展定義了20多個邏輯節(jié)點（LN），用于描述設備狀態(tài)監(jiān)測信息。通過這些邏輯節(jié)點的組合，可以靈活地描述各類CMD/CMU的IEC61850模型。在服務方面，I1規(guī)范直接引用了IEC61850-7-2部分定義的ACSI服務，包括模型、報告、控制、定值、文件等服務。變電站內(nèi)的ACSI服務通過映射到MMS協(xié)議棧來實現(xiàn)［9］。

CAC通過SMU對下接入多個IEC61850裝置（CMD/CMU），而對于設備狀態(tài)監(jiān)測主站，CAC只是1個IEC61850裝置，需按IEC61850網(wǎng)關(guān)進行建模，為每個IEC61850裝置建立1個或多個邏輯裝置（LD）。如圖2所示，CAC網(wǎng)關(guān)模型中的CMU1.LD1表示變壓器CMU1，CMU2.LD1表示斷路器CMU2，圖中點劃線表示實際模型在CAC網(wǎng)關(guān)模型中的映射。所不同的是，網(wǎng)關(guān)模型中的LPHD.Proxy數(shù)據(jù)對象值置為 true，表示代理關(guān)系。另外，CAC中的LD0用于描述子站自身的邏輯裝置特性，如子站自身的通信工況、配置更新、報告使能等，都可以通過LD0進行建模。

圖2 設備狀態(tài)監(jiān)測子站IEC61850網(wǎng)關(guān)建模Fig.2 IEC61850 gateway modeling for slave station of equipment status monitoring system

以子站通信工況監(jiān)視為例，介紹設備狀態(tài)監(jiān)測子站網(wǎng)關(guān)建模的特殊性。推薦用LLN0.Mod數(shù)據(jù)對象標識其所在LD的通信工況，Mod數(shù)據(jù)對象定義為枚舉類型，在 IEC61850-6部分中的定義如下［10］：

其中，Mod=1表示通信通，Mod=5表示通信斷。

按照圖2所示的建模關(guān)系，主站對子站及其下接裝置的通信工況監(jiān)視如圖3所示。以變電站S1為例，S1.CAC1.LD0.LLN0.Mod標識主站與子站CAC1之間的通信工況，S1.CAC1.LD1.LLN0.Mod則標識子站CAC1與其下接的變壓器CMU1之間的通信工況，其他類推。根據(jù)圖3所示的主、子站之間的通信工況，繪制主站監(jiān)測到的與子站及其下接裝置的通信狀態(tài)表如表1所示。表1中主站與子站CAC1通信通，所以主站可以清楚地知道子站CAC1下接各裝置的通信狀態(tài)（CAC1與 CMU1通，CAC1與 CMU2斷）。而主站和子站CAC2通信斷，主站并不知道子站CAC2下接各裝置的通信狀態(tài)（雖然CAC2知道，但是無法上送主站），所以此時主站通信模型中對應Mod數(shù)據(jù)對象品質(zhì)位的值為questionable，表示其對應的通信狀態(tài)不可知。當子站CAC與其下接的CMU之間的通信狀態(tài)發(fā)生變化時，CAC負責將對應的Mod數(shù)據(jù)對象置值，并發(fā)送報告通知上級主站。

圖3 設備狀態(tài)監(jiān)測主、子站之間的通信工況監(jiān)視Fig.3 Working condition monitoring of communication between slave and master stations of equipment status monitoring system

表1 設備狀態(tài)監(jiān)測主站通信狀態(tài)Table1 Master station communication status of equipment status monitoring system

2.2 主、子站之間的IEC61850通信

主、子站之間的IEC61850通信在CAC和CAG之間完成。CAC對下接收SMU采集的設備狀態(tài)監(jiān)測信息，并封裝成滿足Web Service標準的數(shù)據(jù)和服務，提供給主站的CAG調(diào)用。關(guān)于Web Service的技術(shù)原理及細節(jié)不再贅述，這里重點介紹如何在 Web Service上實現(xiàn)IEC61850通信。

a.定義IEC61850服務文件，形如IEC61850Service.wsdl。WSDL文件定義了 CAC作為 IEC61850服務端所能提供的數(shù)據(jù)和服務，按IEC61850-7-2部分定義的ACSI服務實現(xiàn)?；赪SDL文件提供的設備狀態(tài)監(jiān)測服務模型如圖4所示。

圖4 基于WSDL提供的設備狀態(tài)監(jiān)測服務模型Fig.4 Equipment status monitoring service model based on WSDL

服務模型中，Types元素用于描述ACSI服務所用到的數(shù)據(jù)類型，包括simpleType和complexType。simpleType用于描述簡單數(shù)據(jù)類型，如 int、float、string等。complexType用于描述復雜數(shù)據(jù)類型，如數(shù)組、結(jié)構(gòu)等。Message元素用于描述ACSI服務用到的消息，消息用于封裝調(diào)用ACSI服務所需的輸入、輸出參數(shù)。PortType元素用于描述服務接口，即調(diào)用服務的方法、輸入/輸出參數(shù)等信息。Binding元素用于描述調(diào)用服務所使用的協(xié)議（如SOAP協(xié)議）及方法、輸入/輸出參數(shù)的封裝格式。Service元素用于描述服務訪問點信息［11］。

b.選擇合適的開發(fā)工具（本文選用gSoap），編譯WSDL文件，生成服務的頭文件IEC61850Service.h、客戶端的存根文件IEC61850ServiceClient.cpp及服務端的存根文件IEC61850ServiceServer.cpp。這3個文件定義了調(diào)用IEC61850服務的代碼框架，將WSDL文件中用可擴展標記語言（XML）描述的服務自動轉(zhuǎn)換成C++函數(shù)，但未給出函數(shù)的具體實現(xiàn)。

c.實現(xiàn)上述CPP文件中函數(shù)的具體邏輯，并將IEC61850ServiceClient.cpp放在CAC端與設備狀態(tài)監(jiān)測子站的程序聯(lián)編，將IEC61850ServiceServer.cpp放在CAG端與設備狀態(tài)監(jiān)測主站的程序聯(lián)編，即可實現(xiàn)Web Service的通信架構(gòu)。主站程序只需按IEC61850Service.h定義的接口調(diào)用子站程序提供的IEC61850服務即可實現(xiàn)主子站之間的IEC61850通信，而無需關(guān)心IEC61850通信映射到Web Service協(xié)議棧的細節(jié)，包括如何按SOAP協(xié)議封裝消息，如何利用HTTP進行傳輸?shù)炔僮鞫紝该魍瓿伞Ｍㄟ^檢查服務請求和服務應答的XML文件，可以檢驗服務調(diào)用的正確性。

2.3 主、子站之間的冗余通信

為了保證設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主子站之間通信的可靠性，需要考慮采用冗余通信機制［12］。冗余通信機制通過終端冗余、通道冗余并配合相關(guān)通信技術(shù)來實現(xiàn)。設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用雙通道主備冗余通信機制，如圖5所示。主、子站配置A、B 2套通信系統(tǒng)，每套通信系統(tǒng)各包含1套設備狀態(tài)監(jiān)測子站、通信前置終端及獨立的通道鏈路，2套通信系統(tǒng)互為主備。變電站內(nèi)的設備狀態(tài)監(jiān)測裝置（CMD/CMU）提供雙網(wǎng)口分別接入A、B 2套設備狀態(tài)監(jiān)測子站，子站接收到裝置上送的設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為IEC61850報告上送主站。主站通信前置終端接收到IEC61850報告后推送給上層的設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）進行數(shù)據(jù)的分析和處理。因為采用熱備用冗余通信方式，SCADA將會接收到來自于A、B 2套通信系統(tǒng)的IEC61850報告。為了防止產(chǎn)生重復數(shù)據(jù)，SCADA必須采用冗余過濾算法濾除重復數(shù)據(jù)，然后再送給后臺的各個應用，如數(shù)據(jù)庫、告警、畫面等?？梢猿浞掷肐EC61850報告的以下屬性來保證主、子站之間冗余通信的正確性和可靠性。

a.SqNum：報告順序號。用來檢測接收到的數(shù)據(jù)報文的連續(xù)性，目的是為了可以從應用層報文偵測到數(shù)據(jù)的丟失。

b.TimeOfEntry：報告時間戳。通過比較Time-OfEntry，配合報告數(shù)據(jù)的索引和值，來鑒別和過濾因冗余通信帶來的重復數(shù)據(jù)。

c.BufTm：報告緩存時間。用來配置報告的緩存時間，超過該時間，作為備用緩存的報告將被刪除，該時間應大于從偵聽到通信斷開再到通信恢復的時間總和。

圖5 主、子站之間的冗余通信Fig.5 Redundant communication between master and slave stations

d.EntryID：報告條目ID。用來實現(xiàn)通信連接的無縫恢復，通過記錄上次通信斷開時裝置上送的最后一個EntryID，待通信恢復后通知裝置從所記錄的EntryID開始繼續(xù)上送報告，從而可以有效地補送通信中斷期間裝置產(chǎn)生的報告。

主站通信前置終端通過設置子站報告的OptFlds屬性項，可以強制要求子站上送上述報告屬性。子站需要能夠支持主站對OptFlds屬性項的這些報告屬性的設置。

2.4 多子站的并發(fā)通信

Web Service采用同步通信機制，當服務端接收到客戶端的服務請求，將去執(zhí)行后臺服務的應用邏輯，如讀取IEC61850模型、上送數(shù)據(jù)報告、設置裝置定值、上傳各類文件等，此時的服務端處于等待服務調(diào)用返回狀態(tài)，如等待與裝置的交互返回，這可能需要等待較長時間。如果不采用特殊的技術(shù)處理，此時的服務端不再接受其他客戶端的服務請求，其他服務請求將被阻塞，直到等待的服務調(diào)用返回。對于主站連接多個子站的情況，主站顯然不能因為響應某個子站的服務調(diào)用而拒絕其他子站的服務請求?？梢圆捎镁€程池技術(shù)來解決多子站的并發(fā)通信問題。線程池技術(shù)就是創(chuàng)建1組線程資源，當服務端接收到某個客戶端的服務請求時，為該客戶端分配1個服務線程供其調(diào)用服務使用。等待服務調(diào)用返回的過程將使該服務線程被阻塞，但不會影響服務端響應其他客戶端的服務請求。線程池技術(shù)的概念比較簡單，但在具體實現(xiàn)的過程中需要注意一些細節(jié)問題，如要保證公共資源訪問的線程安全，要避免因頻繁創(chuàng)建線程而耗盡系統(tǒng)資源，要及時回收僵死線程，要根據(jù)服務優(yōu)先級靈活調(diào)度線程等?；诰€程池技術(shù)實現(xiàn)的服務調(diào)用機制如圖6所示。

圖6 基于線程池技術(shù)實現(xiàn)的服務調(diào)用機制Fig.6 Service call mechanism based on thread pool technology

2.5 通信配置文件的源端維護

通信配置文件采用IEC61850規(guī)范規(guī)定的SCL文件格式，用于定義設備狀態(tài)監(jiān)測子站的IEC61850模型和配置設備狀態(tài)監(jiān)測主子站之間的通信。按照國家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導則》中關(guān)于源端維護的要求，模型、通信等信息的維護工作需在變電站端完成，以減少主站端建模、通信配置的工作量，保證主站端與變電站端數(shù)據(jù)的一致性，消除因兩端數(shù)據(jù)不一致可能帶來的潛在風險［13］。所以，上述的通信配置文件需由變電站端生成并維護，主站端在線從變電站端獲取通信配置文件并導入使用。為了方便維護，主站并不直接從變電站獲得通信配置文件，而是首先獲得通信配置文件的索引文件。主站可以根據(jù)文件修改時間、版本號等文件變更信息選擇召喚最新版本的通信配置文件，這樣在接入子站較多的情況下，可以大幅節(jié)約主站系統(tǒng)的通信帶寬和處理資源。主站可在與各子站建立通信連接后，主動召喚各子站的配置索引文件。主站主動召喚過程如圖7所示。

圖7 主站主動召喚方式Fig.7 Master station polling mode

子站在本站通信配置文件版本發(fā)生變化（如子站下接的設備狀態(tài)監(jiān)測裝置模型發(fā)生變化）后，更新配置索引文件記錄的版本信息，并通過IEC61850報告及時通知主站召喚讀取配置索引文件。子站應能支持手動觸發(fā)配置索引文件變化通知的功能。子站觸發(fā)召喚過程如圖8所示。

圖8 子站觸發(fā)召喚方式Fig.8 Slave station request mode

3 系統(tǒng)測試

本文在實現(xiàn)上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，設計開發(fā)了一套設備狀態(tài)監(jiān)測通信系統(tǒng)原型。該系統(tǒng)主要是為了測試和驗證設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主、子站之間的通信過程。主、子站之間的通信網(wǎng)絡模擬電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，帶寬為2 Mbit/s。測試分單子站接入和多子站接入：單子站接入測試主要用于測試功能，多子站接入測試主要用于測試性能。

單子站接入測試的功能包括登錄注銷服務、模型召喚服務、報告服務、控制服務、定值服務、文件服務等，主站均能正確調(diào)用子站提供的以上服務，完成基本的IEC61850通信功能。其中，報告服務測試又分為遙測報告測試和遙信報告測試，遙測、遙信采用變化上送方式，采用人工置數(shù)改變遙測或遙信的值觸發(fā)報告上送。在實驗室網(wǎng)絡環(huán)境下，從數(shù)據(jù)變化到主站收到數(shù)據(jù)的時間，基本可以控制在2 s以內(nèi)。雖然離文獻［14］規(guī)定的“實時數(shù)據(jù)刷新時間應不大于1s”的標準有一定差距，但考慮到設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性的要求沒有調(diào)度系統(tǒng)高，所以該測試結(jié)果可以接受。文件服務測試采用子站通知主站召喚的方式，主站分別召喚100 KByte、1 MByte、5 MByte 3種大小的文件，均能完整接收文件，但傳輸時間要比MMS或FTP傳輸方式略慢。

多子站接入測試主站連接多子站時線程池的處理能力。采用IEC61850通信仿真軟件模擬20個子站，每個子站建10個LD模擬10個CMU。實驗項目包括：

a.20個子站同時上送報告，主站遙信報告無丟失；

b.多個子站同時做雪崩試驗（程序控制每個子站一次批量置200個遙信變位），主站對所有子站的遙信報告無丟失；

c.多個子站同時上送文件（文件大小為5MByte），主站對所有子站的遙信報告無丟失。

以上實驗均能達到預期效果。其中，實驗b按照文獻［14］要求的“雪崩模式數(shù)據(jù)變化要求：遙信變位4000點 /s”來模擬雪崩試驗條件，主站收到數(shù)據(jù)報告的最大延遲為5 s左右。實驗c中，多個子站同時上送文件雖然不影響主站對子站報告的接收和處理，但是主站計算機的CPU占用率較高（>50%），主要是因為IEC61850的文件服務映射到HTTP上，HTTP傳輸文件的效率較低，需要占用較多系統(tǒng)資源來處理，可以考慮文件服務單獨采用FTP傳輸來提高文件傳輸?shù)乃俾屎拖到y(tǒng)整體的性能。

4 結(jié)語

本文分析了IEC61850映射到Web Service協(xié)議棧的可行性及實現(xiàn)方法，探討了基于IEC61850、Web Service實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信需要解決的若干關(guān)鍵技術(shù)，并通過對原型系統(tǒng)的測試，驗證了以上技術(shù)的可行性。本文為設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的通信方案提供了另外一種可行的選擇，對目前正在實施的設備狀態(tài)監(jiān)測項目具有一定的借鑒意義。

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