IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站低壓電源設(shè)備的應(yīng)用

呂杰輝 夏社幸 張穎基

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

隨著配電網(wǎng)建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，實(shí)時(shí)信息傳遞量持續(xù)增加，相關(guān)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化信息管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的要求顯著提高。在該背景下，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠家電子設(shè)備間的交互操作和信息共享，還具有自由配置性、長(zhǎng)期應(yīng)用性等特點(diǎn)，有助于為搭建數(shù)字化變電站信息管理平臺(tái)提供支持，滿足變電站各基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信需求，并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。綜上所述，圍繞IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站低壓電源設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行分析，其目的是為開發(fā)基于IEC61850的產(chǎn)品提供幫助，從而推動(dòng)變電站建設(shè)的創(chuàng)新與發(fā)展。

1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的提出背景

在以往變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，通常使用1997年頒布的繼電保護(hù)信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，但隨著智能數(shù)字化設(shè)備的快速發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯。一方面，該標(biāo)準(zhǔn)未定義以太網(wǎng)的通信規(guī)范且缺乏針對(duì)系統(tǒng)功能的標(biāo)準(zhǔn)要求，該標(biāo)準(zhǔn)并不適用于當(dāng)前的以太網(wǎng)建設(shè)環(huán)境；另一方面，該標(biāo)準(zhǔn)缺乏權(quán)威的一致性測(cè)試且不支持元數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而限制自動(dòng)化系統(tǒng)的功能。此外，對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不同國(guó)家、不同廠商所遵循的通信協(xié)議往往存在較大差異，導(dǎo)致自動(dòng)化集成度不足，容易影響系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。在該背景下，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)可以解決通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一問(wèn)題，其基于現(xiàn)有的IEC/IEEE/ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，采用開放且支持設(shè)備自我描述的協(xié)議，能夠提升自動(dòng)化系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性，滿足用戶的個(gè)性化功能需求；同時(shí)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)能夠規(guī)范設(shè)備邏輯模型和設(shè)備通信接口，可以對(duì)變電站層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)不僅作用于變電站數(shù)據(jù)通信，而且還能夠?yàn)樽冸娬竞涂刂浦行耐ㄐ盘峁┲С帧?/p>

2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)2.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)包括面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)、通信網(wǎng)絡(luò)性能要求、接口與映射、系統(tǒng)與項(xiàng)目管理以及一致性測(cè)試等內(nèi)容，其約束文本共有10個(gè)部分。

此外，從概念上來(lái)說(shuō)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞以下4個(gè)方面展開：1） 功能建模。建立IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的目的就是根據(jù)變電站自動(dòng)化通信的基本需求進(jìn)行相關(guān)的底層設(shè)計(jì)，建立變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能模型，能夠解決以往通信協(xié)議存在模型概念缺失的問(wèn)題，提高變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)的通用性和自定義性。2） 數(shù)據(jù)建模。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)最開始是直接面向?qū)ο缶幊蹋褂萌藛T可以直觀、明了地看懂?dāng)?shù)據(jù)模型并對(duì)其進(jìn)行修改，能夠滿足用戶的基礎(chǔ)功能需求，其具備建模質(zhì)量高、能夠在大部分的環(huán)境中使用、滿足行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和能夠提供改進(jìn)意見(jiàn)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，借助IEC61850標(biāo)準(zhǔn)可以保證自動(dòng)化系統(tǒng)的質(zhì)量且能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行控制，有助于提升自動(dòng)化系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。3） 通信協(xié)議。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制和向通信協(xié)議棧的映射，在間隔層和過(guò)程層之間形成串行單向多點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠提升自動(dòng)化系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性，從而更好地為用戶提供數(shù)據(jù)支持。4） 一致性測(cè)試。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的定義是基于XML的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言），能夠清楚地描述變電站和自動(dòng)化系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系，從而為系統(tǒng)測(cè)試提供測(cè)試條件和測(cè)試準(zhǔn)則。

2.2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下變電站設(shè)備的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)可知，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)包括控制、監(jiān)視以及保護(hù)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行管理、控制和維護(hù)的功能。在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的支撐下，變電站設(shè)備的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下變電站設(shè)備的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的支撐下，以以太網(wǎng)作為變電站設(shè)備通信的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升，數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)不再是一個(gè)難題，隨之而來(lái)的是實(shí)際的物理設(shè)備帶寬的限制，其不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全速上傳和下載，通過(guò)增設(shè)傳輸線路的簡(jiǎn)單方法就能夠解決數(shù)據(jù)傳輸延遲過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)，監(jiān)控主機(jī)作為物理層的重要結(jié)構(gòu)，它可以有效地監(jiān)控IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下變電站設(shè)備的通信系統(tǒng)內(nèi)、外部運(yùn)行環(huán)境，以保證通信系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。如果發(fā)現(xiàn)通信系統(tǒng)運(yùn)行異常，監(jiān)控主機(jī)就能及時(shí)報(bào)警并將異常數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，為系統(tǒng)維護(hù)工作提供良好的反饋。

選擇TCP/IP協(xié)議作為站內(nèi)IED的高層接口，能夠?qū)崿F(xiàn)IED的網(wǎng)絡(luò)化，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)以TCP/IP的方式運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)通過(guò)合適的傳輸方式將這些經(jīng)過(guò)處理的信息傳輸?shù)綉?yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要依托無(wú)線傳感技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸工作，隨著科技的進(jìn)步，智能配電系統(tǒng)已經(jīng)可以利用多種高速、低時(shí)延的通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)，使其具有信號(hào)覆蓋面廣、傳輸速率快等特點(diǎn)。

在物理層和網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下變電站設(shè)備的通信系統(tǒng)要加強(qiáng)對(duì)應(yīng)用層的建設(shè)，完善的應(yīng)用層結(jié)構(gòu)可以在通信系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)終端之間建立高效的信息共享通道，還可以幫助技術(shù)人員開發(fā)相關(guān)軟件，以便更好地建設(shè)智能通信系統(tǒng)。將微軟媒體服務(wù)器協(xié)議作為應(yīng)用層顯示協(xié)議，將數(shù)據(jù)顯示在顯示設(shè)備上，與觀測(cè)人員進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。其中，所有IED中基于IEC61850建立的對(duì)象和服務(wù)模型均映射成MMS中的通用對(duì)象和服務(wù)，這使數(shù)據(jù)自我描述成為可能，轉(zhuǎn)變了以往面向點(diǎn)的數(shù)據(jù)描述方法，不僅提高了數(shù)據(jù)管理和維護(hù)的效率，而且也使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)成為開放系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性。

2.3 MMS技術(shù)的應(yīng)用

MMS技術(shù)（微軟媒體服務(wù)器協(xié)議）是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)TC184制定的一套用于開發(fā)和維護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文規(guī)范，其通過(guò)設(shè)備及功能建模方法能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序或智能電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互和信息交換，MMS技術(shù)應(yīng)用如圖2所示。通過(guò)應(yīng)用MMS技術(shù)能夠規(guī)范智能傳感器、智能電子設(shè)備IED以及智能控制設(shè)備的通信活動(dòng)，從而使設(shè)備之間具有互操作性，進(jìn)而提升系統(tǒng)管理的便捷性。同樣，對(duì)變電站低壓電源設(shè)備來(lái)說(shuō)，MMS技術(shù)顯著地提高了低壓電源設(shè)備的自動(dòng)化水平，不僅更加方便管理人員對(duì)低壓電源設(shè)備進(jìn)行控制，而且還可以形成集信號(hào)上送、測(cè)量上送、定值、控制以及故障報(bào)告為一體的設(shè)備管理模式，有助于確保低壓電源設(shè)備穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

圖2 MMS技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)

2.4 抽象語(yǔ)法符號(hào)

實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵在于ACSI（抽象通信服務(wù)接口）到MMS的映射，而MMS協(xié)議規(guī)范使用的表示層標(biāo)準(zhǔn)為ISO8824，因此，ACSI到MMS映射的關(guān)鍵在于ASN.1編碼。其中，ASN.1是一套靈活的記號(hào)，它允許定義多種數(shù)據(jù)類型，既包括integer、bit string等簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，也包括set、sequence等復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

2.5 GOOSE服務(wù)

GOOSE服務(wù)（面向通用對(duì)象的變電站事件）同樣是實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的重要組成部分，該功能可以解決數(shù)據(jù)信息到顯示設(shè)備之間需要通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接的問(wèn)題，去除數(shù)據(jù)線直接通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)網(wǎng)中任意一臺(tái)具有顯示功能的智能設(shè)備上，具有相關(guān)權(quán)限的設(shè)備能夠修改其中的數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)線化和智能化的目標(biāo)，其主要的通信數(shù)據(jù)包括跳閘、斷路器位置以及連鎖設(shè)備信息等對(duì)實(shí)時(shí)要求高的數(shù)據(jù)。

3 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 功能建模

從邏輯角度來(lái)看，變電站設(shè)備自動(dòng)化管理由多個(gè)功能模塊構(gòu)成，不同的子功能模塊又稱為系統(tǒng)的邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)邏輯代碼相互連接，使用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)能夠定義上百個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)并控制邏輯連接過(guò)程，使針對(duì)邏輯對(duì)象的保護(hù)、控制和測(cè)量呈現(xiàn)系統(tǒng)化和精確化的特性。同時(shí)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有很高的擴(kuò)展性，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯代碼與下方的其他節(jié)點(diǎn)或者新加的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓展。在該基礎(chǔ)上，建模使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括設(shè)備的名牌信息、設(shè)備的狀態(tài)信息、設(shè)備故障情況、設(shè)備故障次數(shù)、設(shè)備熱啟動(dòng)次數(shù)和系統(tǒng)自檢數(shù)據(jù)等。因此，采用邏輯節(jié)點(diǎn)和物理設(shè)備信息邏輯節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的方式進(jìn)行功能建模，前者對(duì)設(shè)備銘牌、運(yùn)行時(shí)間以及自我診斷結(jié)果進(jìn)行控制，后者對(duì)設(shè)備狀態(tài)、故障情況、熱啟動(dòng)次數(shù)以及上電檢測(cè)情況進(jìn)行控制。此外，當(dāng)邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)的數(shù)據(jù)丟失時(shí)，邏輯節(jié)點(diǎn)往往無(wú)法正常讀取數(shù)據(jù)，只能跳出邏輯循環(huán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷；因此，需要為經(jīng)過(guò)降級(jí)處理和正常處理的節(jié)點(diǎn)添加相關(guān)標(biāo)識(shí)，便于用戶完成相關(guān)的識(shí)別工作和相應(yīng)的操作處理工作。

3.2 數(shù)據(jù)建模

邏輯節(jié)點(diǎn)只能處理簡(jiǎn)單的ASCI碼轉(zhuǎn)換工作，有很多固定代碼段是被限制處理的，而在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的要求下，超過(guò)30種數(shù)據(jù)對(duì)象名已經(jīng)得到定義。其中，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)象的多態(tài)性，不同數(shù)據(jù)對(duì)象的屬性存在較大差異。例如數(shù)據(jù)對(duì)象Beh和Health均產(chǎn)生于公共數(shù)據(jù)類的“整型狀態(tài)信息類ISI”，但二者的定義卻存在較大的差異。因此，在圍繞變電站低壓電源設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)建模時(shí)，應(yīng)根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)已經(jīng)定義好的通信需求進(jìn)行拆解，從而利用相關(guān)的數(shù)據(jù)并通過(guò)代碼段解釋、翻譯成基于面向?qū)ο蟮娘@示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括設(shè)備實(shí)施狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)、可動(dòng)變量、可變模量以及模擬數(shù)據(jù)修改量等，但是操作數(shù)據(jù)時(shí)需要注重相關(guān)的邏輯，修改新的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于生成新的邏輯節(jié)點(diǎn)，而相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)又繼承了原有的初始數(shù)據(jù)，最終給設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)賦予特定功能且能夠幫助用戶描述不同結(jié)構(gòu)及型號(hào)設(shè)備所具有的公共信息，從而進(jìn)一步提升設(shè)備通信系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性。

3.3 通信服務(wù)映射

在變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的過(guò)程中，通常采用將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器的方式，用戶根據(jù)自身需求調(diào)用服務(wù)器數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行修改后上傳至服務(wù)器，最后服務(wù)器通過(guò)判斷機(jī)制判斷修改是否合理并完成相關(guān)的記錄工作，再將其下傳給機(jī)器，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的變更，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)映射，即由低壓電源等設(shè)備承擔(dān)服務(wù)器角色，根據(jù)端口102響應(yīng)用戶要求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確化控制。與常規(guī)CDT和Polling模式不同，客戶/服務(wù)器模式以事件驅(qū)動(dòng)方式為支撐，能夠在系統(tǒng)所定義事件（例如數(shù)據(jù)值改變、數(shù)據(jù)質(zhì)量變化等）發(fā)生后經(jīng)接口向主站報(bào)告數(shù)據(jù)集并寫入事件日志，以方便用戶隨時(shí)進(jìn)行查看。同時(shí)，在一般情況下，IED設(shè)備可包括多個(gè)服務(wù)器對(duì)象，而每個(gè)服務(wù)對(duì)象均由多個(gè)邏輯設(shè)備組成，用戶通過(guò)ACSI服務(wù)便能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。此外，除客戶/服務(wù)器模式外，組播/單播模式也可作為通信服務(wù)模式，其同樣采用與網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的抽象通信服務(wù)接口，能夠支持GOOSE服務(wù)和GSSE服務(wù)，在周期采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)幕A(chǔ)上提供數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

3.4 一致性測(cè)試

一致性測(cè)試的目的在于檢驗(yàn)IED通信接口與標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性，涉及訪問(wèn)組織、幀格式、位順序、時(shí)間同步、定時(shí)、信號(hào)形式以及電平等因素。其中，在提交測(cè)試設(shè)備測(cè)試時(shí)，應(yīng)就提交協(xié)議實(shí)現(xiàn)符合性陳述（PICS）、用于測(cè)試的協(xié)議實(shí)現(xiàn)額外信息（PIXIT）、模型實(shí)現(xiàn)符合性陳述（MICS）等信息，分別為被測(cè)設(shè)備能力的總結(jié)、被測(cè)系統(tǒng)的容量以及設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)象模型元素。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)設(shè)備安裝及操作指令指南進(jìn)行檢測(cè)，從而確保設(shè)備通信的科學(xué)性。此外，在測(cè)試過(guò)程中，一般包括動(dòng)態(tài)一致性測(cè)試和靜態(tài)一致性測(cè)試，而在通常情況下，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀監(jiān)控測(cè)試過(guò)程中的錯(cuò)誤，采集以太網(wǎng)絡(luò)上IEC61850的信息流量，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)事件、網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)配置進(jìn)行記錄，在幫助用戶剔除設(shè)備通信錯(cuò)誤的同時(shí)確保設(shè)備通信系統(tǒng)穩(wěn)定、有效地運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求下的變電站設(shè)備通信系統(tǒng)具有互操作性、自由配置性和長(zhǎng)期應(yīng)用性等特點(diǎn)，不僅能夠?yàn)椴煌O(shè)備提供信息交換渠道，同時(shí)也能根據(jù)用戶的個(gè)性化數(shù)據(jù)管理需求對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化或分散化處理，有助于提升設(shè)備通信的穩(wěn)定性和可靠性。在該基礎(chǔ)上，對(duì)變電站低壓電源設(shè)備來(lái)說(shuō)，它是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主要組成部分，因此該文重點(diǎn)圍繞IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)備的建模方法和通信方法并對(duì)其進(jìn)行分析且指出了一致性測(cè)試的技術(shù)要點(diǎn)，從而為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用提供參考。