基于IEC 61850的臺區(qū)設(shè)備即插即用實(shí)現(xiàn)方法

吳海，滕賢亮，周成，胡國，周華良，何昭輝，潘志成

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京211106)

0 引言

近年來，隨著南方電網(wǎng)對配電網(wǎng)發(fā)展越來越重視，逐年加大對配電網(wǎng)的改造投入，配電臺區(qū)作為電力供應(yīng)的“最后一公里”直接關(guān)系到用戶的用電體驗(yàn)[1 - 4]。低壓配電臺區(qū)已然成為配電自動化系統(tǒng)的應(yīng)用中心，然而，配電臺區(qū)電多面廣，臺區(qū)建設(shè)過程中需大量的運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場通信調(diào)試(配置通信點(diǎn)表、人工對點(diǎn)等)，而且采用這種方式不僅效率較低且容易出錯，因此如何實(shí)現(xiàn)海量臺區(qū)的可視化、高效接入與即插即用成為了當(dāng)前亟待解決的問題[5 - 7]。

很多專家學(xué)者對配電自動化終端的即插即用進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[8]提出了端設(shè)備自適應(yīng)接入的方法，文獻(xiàn)[9 - 10]提出了配變終端邊緣節(jié)點(diǎn)、容器化、軟件定義終端的概念，文獻(xiàn)[11]提出了IEC 61850模型映射到通信規(guī)約的實(shí)現(xiàn)方法，文獻(xiàn)[12]提出了基于IEC 61850模型的自動化通信技術(shù)。以上研究主要集中在信息模型的建立和應(yīng)用上，不適應(yīng)邊緣計(jì)算和軟件APP化的場景，要基于新協(xié)議，未考慮如何兼容存量設(shè)備。

臺區(qū)智能配變終端作為數(shù)據(jù)匯聚和邊緣計(jì)算中心，可通過互聯(lián)、互通、互操作實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用。本文結(jié)合現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)數(shù)據(jù)交互的特點(diǎn)提升互操作性和一致性，提出基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)APP加載、卸載、多實(shí)例動態(tài)追蹤的軟件層面的即插即用控制方法，支持不同應(yīng)用場景的按需定義，綜合考慮存量設(shè)備和新增設(shè)備的兼容性問題，最后通過工程應(yīng)用的建設(shè)效果，論證文中所述終端功能和方案的可行性。

1 總體思路

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，配電自動化可包括云、邊、端3個(gè)層面，其中“云”指的是云主站，主要用于實(shí)現(xiàn)臺區(qū)的信息監(jiān)測與資產(chǎn)管理；“邊”為配變終端 (TTU)，主要用于臺區(qū)設(shè)備監(jiān)測與控制；“端”設(shè)備主要指末端漏保開關(guān)、傳感器等。

圖1 即插即用構(gòu)架Fig.1 Framework of plug and play

1.2 總體方法

配變終端即插即用是以設(shè)備模型標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，采用軟件定義終端的理念[13]，實(shí)現(xiàn)臺區(qū)邊、端設(shè)備即插即用，最終實(shí)現(xiàn)臺區(qū)可視化?？傮w方法如下。

1)設(shè)備注冊

設(shè)備初次上電，配變終端主動上送注冊信息，如該設(shè)備在云主站未注冊，則視為新增設(shè)備，將設(shè)備的自描述模型上送至云主站進(jìn)行注冊。

2)設(shè)備點(diǎn)表配置

云主站收到設(shè)備的自描述模型后，進(jìn)行解析并選擇需要配變終端測點(diǎn)，并對上送數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，下達(dá)至配變終端。

3)通信實(shí)現(xiàn)

配變終端收到云主站下達(dá)的模型后進(jìn)行解析，按照主站要求上送的測點(diǎn)進(jìn)行信息上送，實(shí)現(xiàn)即插即用。

2 設(shè)備建模

2.1 建模方法

為了實(shí)現(xiàn)端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化接入與通信點(diǎn)表配置，本文采用的建模方法基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[14 - 16]。

1)配變終端本體模型

配變終端本體模型文件統(tǒng)一命名“device.icd”,根據(jù)配變終端功能需要，模型包含5類邏輯設(shè)備，如表1所示。

表1 邏輯設(shè)備Tab.1 Logical device

邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)實(shí)例。由于臺區(qū)配變終端一般采用輕量型硬件平臺，性能受限于CPU能力、電池容量等因素影響，因此若全部采用IEC 61850方式進(jìn)行建模，將導(dǎo)致模型文本信息冗余，引起設(shè)備解析模型工作量增大，影響設(shè)備性能，所以邏輯節(jié)點(diǎn)下不采用多級數(shù)據(jù)實(shí)例(DOI)已減輕配變終端的運(yùn)算壓力。

2)APP模型與多實(shí)例

為了適應(yīng)配變終端功能APP化，與端設(shè)備、高級應(yīng)用與對應(yīng)的APP模型相互對應(yīng)，APP模型文件與APP名相互對應(yīng)，命名為“AppName.icd”。同樣地，根據(jù)APP的功能，其邏輯設(shè)備同樣包括表1中列出的邏輯設(shè)備，并在邏輯設(shè)備前增加AppName前綴。

2.2 模型實(shí)例化

由于配變終端對下接入的端設(shè)備類型、數(shù)量是不確定的，且端設(shè)備增加、刪除、在線、離線等狀態(tài)變更情況復(fù)雜，需要模型動態(tài)體現(xiàn)其狀態(tài)[17 - 20]。以漏電保護(hù)開關(guān)(RCD)APP為例，當(dāng)某臺區(qū)接入多個(gè)漏電保護(hù)開關(guān)時(shí)，需對RCD APP對應(yīng)的模型進(jìn)行實(shí)例化，并合并至配變終端模型中。其操作包含模型的合并、刪除和修改。該工作由配變終端在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)端設(shè)備與配變終端為半雙工方式通信時(shí)，配變終端通過輪詢方式識別對下接入的設(shè)備種類和數(shù)量，根據(jù)接入數(shù)量對該設(shè)備對應(yīng)的模型的邏輯設(shè)備進(jìn)行實(shí)例化并增加前綴，如實(shí)例化N個(gè)，則APP實(shí)例化后的模型應(yīng)為“APP Name01_LD Name*, APPName02_LDName*, …，APPNameN_LDName*”。同樣地，當(dāng)接入的設(shè)備減少，則需要對該APP對應(yīng)的模型實(shí)例刪除至對應(yīng)的個(gè)數(shù)。

2.3 通信配置

當(dāng)前南方電網(wǎng)配電自動主站一般采用IEC101、IEC 104通信規(guī)約，早期的IEC 61850模型規(guī)范未考慮到這種通信規(guī)約，直至IEC 61850- 80-1規(guī)范的發(fā)布，介紹模型到IEC 101、IEC 104的映射，該規(guī)范將模型中的每個(gè)數(shù)據(jù)引入了私有信息的概念[21]。本文在此基礎(chǔ)上，根據(jù)市場調(diào)研數(shù)據(jù)采集量建模，匹配IEC 61850模型所需數(shù)據(jù)量，結(jié)合臺區(qū)的應(yīng)用需求，對私有信息進(jìn)行了擴(kuò)展如表2所示，私有域?qū)傩詾闃I(yè)務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行識別?？筛鶕?jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展，涵蓋了配、用電領(lǐng)域業(yè)務(wù)應(yīng)用范疇。

表2 DA私有屬性Tab.2 DA private property

2.4 資產(chǎn)管理

為了實(shí)現(xiàn)臺區(qū)的可視化，需要收集各個(gè)臺區(qū)的測點(diǎn)信息，而測點(diǎn)信息需要一次設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，方可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際意義的表達(dá)。因此需對臺區(qū)的設(shè)備進(jìn)行功能位置定位，設(shè)備功能位置由云主站的PMS2.0系統(tǒng)進(jìn)行管理，其中每個(gè)設(shè)備功能位置均有自己獨(dú)一無二的PMSID，APP模型中每個(gè)邏輯設(shè)備中均包含LLN0.NamPlt.vendor，將物理設(shè)備的PMSID錄入模型中邏輯設(shè)備LLN0.NamPlt.vendor，實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備與邏輯設(shè)備的關(guān)聯(lián)與對應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)臺區(qū)設(shè)備功能位置編碼的管理。工程實(shí)踐中，運(yùn)維人員通過手持掃碼器讀取末端設(shè)備的PMSID，再將末端設(shè)備的PMSID導(dǎo)入配變終端中，由相應(yīng)APP實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)與一次設(shè)備關(guān)聯(lián)。

3 即插即用技術(shù)

配變終端即插即用是以設(shè)備模型標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，分為云-邊的即插即用、邊-端的即插即用。

3.1 云與邊即插即用流程

新增配變終端時(shí)，配變終端上送注冊報(bào)文進(jìn)行注冊，并向配電主站上送ICD文件。配電主站自動解析該ICD文件，自動完成遙信、遙測和遙控信息點(diǎn)號與PMSID的設(shè)置并下達(dá)CID 模型，同時(shí)檢測低壓設(shè)備即插即用過程中是否出現(xiàn)一二次設(shè)備映射錯誤的情況，如有則通過四區(qū)應(yīng)用推送給現(xiàn)場安裝人員進(jìn)一步分析排查，直至所有的錯誤消除完畢，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入流程的閉環(huán)。該過程全自動實(shí)現(xiàn)，無需人工干預(yù)。云與邊的即插即用流程如圖2所示，其具體步驟如下。

步驟1：配變終端向配電主站上送本體注冊信息；

步驟2：配電主站下發(fā)臺區(qū)下一次設(shè)備描述文件給配變終端，一次設(shè)備描述文件中含有該臺區(qū)一次設(shè)備的PMS ID及設(shè)備類型；

步驟3：配變終端內(nèi)的通信服務(wù)APP完成一次設(shè)備描述文件解析，并將PMS ID分發(fā)至相應(yīng)APP進(jìn)行匹配；

步驟4：配變終端完成所接入二次設(shè)備的注冊發(fā)現(xiàn)和一二次設(shè)備映射；

步驟5：采集APP對二次設(shè)備進(jìn)行一二次設(shè)備映射，若某二次設(shè)備的一次PMS ID信息能在一次設(shè)備PMS ID清單中找到，則一二次設(shè)備映射成功，否則一二次設(shè)備映射失敗。最終配變終端形成映射成功的二次設(shè)備清單和映射失敗的二次設(shè)備清單，并根據(jù)映射結(jié)果生成ICD文件，同時(shí)對ICD文件進(jìn)行實(shí)例化；

步驟6：APP與二次設(shè)備正常通信，并將該APP生成的此類型設(shè)備的ICD文件傳輸給通信服務(wù)APP。通信服務(wù)APP合成臺區(qū)總ICD文件并上送配電主站，該文件包含了臺區(qū)內(nèi)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)和默認(rèn)上送主站的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

步驟7：配電主站接收配變終端上送的ICD文件，解析該文件從而完成主站側(cè)通信模型的建立，并自動完成對數(shù)據(jù)集的訂閱，生成CID文件；

步驟8：配電主站將設(shè)置好數(shù)據(jù)集的CID文件下發(fā)配變終端。配變終端通信服務(wù)APP解析主站下發(fā)的CID文件，生成配變終端與主站信息交互的通信模型并通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約與主站進(jìn)行正常信息交互。

圖2 云與邊的即插即用Fig.2 Plug and play of cloud and edge

3.2 邊與端即插即用流程

配變終端和低壓端設(shè)備之間的即插即用，可以分為低壓設(shè)備主動注冊和配變終端定時(shí)輪詢兩種方案。主動注冊方案適用于IP化設(shè)備或經(jīng)過IP化改造的設(shè)備，適用于新增設(shè)備；而為了實(shí)現(xiàn)存量設(shè)備的即插即用，本文提出了定時(shí)輪詢即插即用方案，即采用RS485等半雙工通信方式的端設(shè)備，不需進(jìn)行改造。

3.2.1 主動注冊

主動注冊由低壓設(shè)備主動向配變終端發(fā)送注冊請求。低壓設(shè)備在現(xiàn)場安裝接線完成后，現(xiàn)場人員在二次設(shè)備中錄入一次設(shè)備PMSID信息，然后低壓設(shè)備主動向配變終端發(fā)送注冊請求進(jìn)行自動注冊；對于IP化設(shè)備，配變終端作為服務(wù)器端，低壓設(shè)備作為客戶端主動發(fā)起連接，對于少量通過RS485等非IP化的通信接口需要通過接口轉(zhuǎn)換器接入，流程如圖3所示。

圖3 主動注冊流程Fig.3 Active registration process

3.2.2 定時(shí)輪詢

低壓設(shè)備在現(xiàn)場安裝接線完成后，現(xiàn)場人員在二次設(shè)備錄入一次設(shè)備PMSID信息及設(shè)備地址，然后等待配變終端發(fā)起設(shè)備掃描。配變終端需要預(yù)設(shè)各種類型低壓設(shè)備最大數(shù)量，然后發(fā)送包含設(shè)備類型和設(shè)備地址的掃描信息，低壓設(shè)備匹配配變終端掃描信息，匹配成功則向配變終端回復(fù)掃描確認(rèn)命令，匹配失敗則不響應(yīng)，流程如圖4所示。

圖4 輪詢流程Fig.4 Polling process

3.3 模型變更流程

設(shè)備退役或設(shè)備更換由PMS系統(tǒng)設(shè)備資產(chǎn)信息變更觸發(fā)，當(dāng)PMS系統(tǒng)維護(hù)設(shè)備退役或者設(shè)備更換時(shí)發(fā)起設(shè)備退役流程，由PMS系統(tǒng)向配電主站發(fā)起模型變更通知，配電主站接收到模型變更通知后將最新一次設(shè)備描述文件下發(fā)配變終端。配變終端將主站下發(fā)一次設(shè)備描述文件與原有一次設(shè)備描述文件進(jìn)行對比，如發(fā)現(xiàn)變更則通知相應(yīng)APP重新進(jìn)行模型實(shí)例化，流程如圖5所示。

圖5 設(shè)備模型變更流程Fig.5 Equipment model change process

PMS系統(tǒng)設(shè)備資產(chǎn)信息變更后，將變更后的一次設(shè)備描述信息通知配電主站，配電主站將變更后的一次設(shè)備描述信息下發(fā)配變終端，配變終端按照新的一次設(shè)備描述信息進(jìn)行本地模型實(shí)例化；當(dāng)有新增設(shè)備或者設(shè)備替換時(shí)，現(xiàn)場設(shè)備更換/安裝完成后，在二次設(shè)備錄入一次設(shè)備PMS ID信息，低壓設(shè)備按照即插即用流程主動注冊或者等待配變終端輪詢掃描完成設(shè)備注冊及接入，配變終端將ICD文件上送配電主站，配電主站檢查配變終端服務(wù)信息模型并對服務(wù)進(jìn)行訂閱，生成CID文件，配電主站將訂閱結(jié)果(CID文件)下發(fā)配變終端，模型變更完成。

4 工程試點(diǎn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)方案的可行性，在蘇州、云浮和東莞等地進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。以云浮低壓可視化項(xiàng)目的一個(gè)臺區(qū)為例，現(xiàn)場部署采用容器技術(shù)設(shè)計(jì)的配變終端1臺，溫濕度傳感器3臺，低壓故障指示器72套，剩余電流保護(hù)器4臺，其中溫濕度傳感器采用MODBUS規(guī)約，低壓故障指示器和剩余電流保護(hù)器采用DLT 645規(guī)約與配變終端進(jìn)行通信。由于對低壓故障指示器進(jìn)行了設(shè)備改造，使其支持全雙工方式，因此低壓故障指示器采用主動注冊方式，配變終端對溫濕度傳感器和剩余電流保護(hù)器采用輪詢方式進(jìn)行設(shè)備的發(fā)現(xiàn)。施工人員首先完成設(shè)備接線，其次通過手持設(shè)備對端設(shè)備與其對應(yīng)的一次設(shè)備進(jìn)行映射，將PMSID信息發(fā)送至配變終端。至此，配置工作完成。與原有施工方法相比，施工時(shí)間由50 min降低為10 min，施工效率提高80%。，配置時(shí)間由原先30 min降低為5 min，配置效率提高83.3%。

施工完畢后，終端按照云、邊即插即用流程，配電自動化主站下發(fā)低壓故障指示器、溫濕度傳感器和剩余電流保護(hù)器模型。終端按照邊、端即插即用流程通過輪詢和自發(fā)現(xiàn)方式發(fā)現(xiàn)末端設(shè)備，并生成所屬臺區(qū)的總模型文件，模型中自動生成點(diǎn)表，上送主站。主站通過模型中對應(yīng)的點(diǎn)表關(guān)系，自動入調(diào)度數(shù)據(jù)庫。其效率與傳統(tǒng)方法相比，將終端的接入時(shí)間由原先1 h縮短至15 min，接入效率提高75%。

采用本項(xiàng)目提出的基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)APP加載、卸載、多實(shí)例動態(tài)追蹤的即插即用控制方法，不再需要工程人員進(jìn)行現(xiàn)場通信對點(diǎn)及主站配置庫時(shí)間，解決了實(shí)際工程中對點(diǎn)問題，運(yùn)維調(diào)試?yán)щy問題。

5 結(jié)語

本文提出了基于IEC 61850的臺區(qū)設(shè)備即插即用技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)化、一致化，綜合考慮南方電網(wǎng)現(xiàn)有新增設(shè)備和庫存設(shè)備的實(shí)際情況。其中包括基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的模型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了APP加載、卸載、多實(shí)例動態(tài)追蹤的即插即用體系和控制方法。解決了配電臺區(qū)點(diǎn)多面廣，臺區(qū)建設(shè)過程中運(yùn)維苦、難且易出錯的問題。該方法通過工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)海量低壓臺區(qū)的可視化、高效接入與即插即用，大幅提升配電物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維效率。

未來面向配電網(wǎng)大規(guī)模推廣建設(shè)過程中仍需繼續(xù)完善模型，本模型也適用于配電物聯(lián)網(wǎng)場景下與IOT平臺的數(shù)據(jù)交互，但在數(shù)據(jù)表達(dá)的可視性上仍不夠直觀。因此計(jì)劃按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)字典方法，將各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行明確表達(dá)，使得數(shù)據(jù)內(nèi)容保持統(tǒng)一。同時(shí)提出并發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，并完善覆蓋各種類型的低壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同類型設(shè)備、不同廠家設(shè)備的互操作，設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)范低壓設(shè)備規(guī)約，減少即插即用數(shù)據(jù)采集APP的種類。本文的研究工作對解決現(xiàn)場運(yùn)維等現(xiàn)實(shí)問題有積極的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。