基于IEC 61850的多視窗主站源端維護方法

張曉悅，陳哲，袁方方，王廣民，李永照，張思遠

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2. 許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

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基于IEC 61850的多視窗主站源端維護方法

張曉悅1，陳哲2，袁方方2，王廣民2，李永照2，張思遠2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2. 許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

當(dāng)前多視窗主站源端維護普遍采用IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)進行建模和IEC 60870-5-104擴展規(guī)約進行傳輸，針對這種實現(xiàn)方式在建模和傳輸過程中存在的問題，提出基于IEC 61850的多視窗主站源端維護方法。該方法基于IEC 61850建立主子站模型，取消中間文件，使主子站模型文件保持一致；通過部署動態(tài)數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)主站形成轉(zhuǎn)發(fā)表后直接向子站下發(fā)；提出基于消息總線的傳輸模式，實現(xiàn)源端維護的功能。最后，提出基于IEC 61850的多視窗主站源端維護方法的實施方案，該方案能夠解決目前工程實施中存在的文件交互過多以及主子站模型轉(zhuǎn)換繁瑣的不足，提升主子站交互的效率和可靠性。

IEC 61850；IEC 61970；源端維護；公共信息模型；動態(tài)數(shù)據(jù)集

近年來，自動化技術(shù)、通信技術(shù)在電網(wǎng)生產(chǎn)運行中廣泛應(yīng)用，變電站智能化程度越來越高，變電站自動化系統(tǒng)的高級應(yīng)用也向著更加便捷和高效的方向發(fā)展。為了順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司提出了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)的目標(biāo)，制定了南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范。規(guī)范中提出了源端維護技術(shù)，要求在變電站端維護模型、數(shù)據(jù)等信息，并實現(xiàn)全網(wǎng)共享[1-2]。國內(nèi)主流支持源端維護技術(shù)的設(shè)備廠商均采用IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)變電站與主站系統(tǒng)圖模交互。

智能變電站廣泛采用的IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)為全站數(shù)據(jù)提供了完整的建模規(guī)范，統(tǒng)一定義和描述了數(shù)據(jù)的命名、屬性及行為，實現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模，使得數(shù)據(jù)源端維護的實現(xiàn)成為可能[3]。本文基于IEC 61850和多視窗源端維護的理念，提出一種新的源端維護實現(xiàn)方案，并對相關(guān)建模及傳輸方案進行探討。

1　基于IEC 61970的源端維護多視窗主站實現(xiàn)方法

目前，源端維護通過廠站端采用IEC 61850進行全站數(shù)據(jù)建模，生成變電站配置描述(substation configuration description，SCD)文件，依據(jù)IEC 61970生成公共信息模型(common information model，CIM)和矢量圖形(scalable vector graphics，SVG)文件，為主站提供所需的電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型[4]。多視窗主站是主子站傳輸裝置與多級主站互聯(lián)的一種應(yīng)用方式，傳輸采用獨立通道，通過IEC 60870-5-104協(xié)議或者文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)方式將CIM文件和SVG文件上傳。主站端將接收到的CIM文件和SVG文件導(dǎo)入本地數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)中，生成子站圖形和模型，實現(xiàn)主站的源端維護[5]。

1.1IEC 61970源端維護建模方法

子站端基本都已采用IEC 61850進行全站數(shù)據(jù)建模，使用具有變電站配置語言(substation configuration language，SCL)格式的SCD文件來建立全站統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，模型中包含全站所有智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)信息。子站監(jiān)控系統(tǒng)通過一體化配置工具將SCD文件中IED信息和變電站的一次設(shè)備、二次設(shè)備信息導(dǎo)入到本地數(shù)據(jù)庫中形成子站監(jiān)控數(shù)據(jù)庫[6-7]，并根據(jù)主接線圖生成子站的圖形。

圖形和全站模型制作完成后，一體化配置工具將子站端的SCD模型文件、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以及私有圖形文件，按照IEC 61970的要求生成調(diào)度主站能夠解析的CIM文件和SVG文件，完成建模過程[8]。

張曉悅，等：基于IEC61850的多視窗主站源端維護方法下面是110 kV許繼變電站(以下簡稱“許繼變”)的SCD文件中SCL模型片段：

type="FCK-851B">

SCD文件通過層級嵌套關(guān)系清晰描述了110 kV許繼變中的設(shè)備掛接關(guān)系。在110 kV電壓等級部分110 kV線路1間隔的110 kV線路1測控裝置CL1101中含有1101斷路器信息。

一體化配置工具將SCD文件和數(shù)據(jù)庫信息整合成CIM文件，1101斷路器信息如下述程序片段所示。

設(shè)備定義：

1101斷路器

設(shè)備信息：

1101斷路器

經(jīng)過一體化配置工具導(dǎo)出的CIM已經(jīng)包含了整個變電站的設(shè)備信息，在量測模型(cim:Measurement)部分中rdf：ID表述了110 kV許繼變110 kV線路間隔的1101斷路器的標(biāo)識識別號(identification，ID)為10000B130000030EAF03BA C015A0081002。此標(biāo)識ID具有唯一性。

而在主子站傳輸裝置中，110 kV許繼變110 kV線路間隔的1101斷路器在數(shù)據(jù)庫中的索引名稱是CL1101CTRL/CBSynCSWI1$ST$Pos，這就需要一個中間文件gid_ref.xml來描述數(shù)據(jù)庫與量測模型ID的關(guān)聯(lián)關(guān)系，文件片段如下：

< LDEVICE name=" CL1101" iedid="15">

通過LDEVICE name和iedid來確定數(shù)據(jù)庫中所屬裝置的索引號，id和ref用來存儲數(shù)據(jù)庫和模型ID的對應(yīng)關(guān)系，建立子站端的SCD文件和CIM文件的整個映射關(guān)系。

SVG文件中關(guān)于1101斷路器設(shè)備模型的描述如下：

ObjectID的信息對應(yīng)CIM設(shè)備定義中的斷路器rdf:ID，再經(jīng)過設(shè)備模型的索引，最終與主子站傳輸裝置實時庫中該設(shè)備的參引形成映射關(guān)系，完成整個圖形文件的建模過程。

1.2IEC 61970源端維護多視窗主站的實現(xiàn)

多視窗主站對建模的準(zhǔn)確性、高效性和易維護性要求比較高。主站接收到子站的CIM文件后，進行轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)據(jù)的挑選，生成MAP映射文件，文件包含IEC 60870-5-104中所必須的信息點號以及CIM文件中的設(shè)備ID，使信息點號和設(shè)備ID產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。變電站端的主子站傳輸裝置接收MAP文件后，將MAP文件載入，通過映射關(guān)系重新生成子站轉(zhuǎn)發(fā)模型，裝置再將子站模型文件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各級調(diào)度主站。MAP文件片段如下：

其中，URI是設(shè)備ID，no是IEC 60870-5-104信息點。

對于多視窗主站，主子站傳輸裝置對于每一路通道都要進行CIM文件、SVG文件的上傳和下載MAP文件，通過映射關(guān)系形成子站轉(zhuǎn)發(fā)模型的流程?？梢钥闯龃朔桨复嬖谖募换ミ^多以及主子站模型轉(zhuǎn)換繁瑣的不足，如果主子站模型一致，采用以下方法將大大簡化交互流程，操作更為便捷。

2　基于IEC 61850源端維護的建模方法

2.1IEC 61850源端維護站內(nèi)建模方法

基于IEC 61850源端維護的子站模型如圖1所示。子站采用IEC 61850統(tǒng)一建模，無需進行模型文件的映射。站內(nèi)IED裝置的邏輯設(shè)備(logical device，LD)信息將完整映射到主子站傳輸裝置中，其邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)集的功能控制塊沒有改變，并把全站的數(shù)據(jù)共享給主站的多種應(yīng)用，添加站級IED后可作為子站模型上傳給主站。遠動機的IED能夠繼承IED1和IED2中的所有LD設(shè)備的全部信息，如圖1中的3個箭頭所示。同時為了能夠?qū)h動機自身進行規(guī)范性描述，需要新增一個邏輯設(shè)備LD0，如圖1中遠動機IED中的虛線框所示，該邏輯設(shè)備包含LPHD、LLN0和LN邏輯節(jié)點，LPHD是對遠動機物理設(shè)備信息的描述，包括設(shè)備銘牌信息、數(shù)據(jù)空間等；LLN0則包含邏輯設(shè)備的各種數(shù)據(jù)集和各種關(guān)聯(lián)服務(wù)的控制塊等；LN為站級邏輯節(jié)點模型[9]。

圖1　基于IEC 61850源端維護的子站模型

子站模型中添加子站IED模型，一是將主站傳輸裝置的軟硬件信息構(gòu)建入子站IED模型中，二是子站IED模型中包含全站IED的通信狀態(tài)，通過創(chuàng)建LN為lnClass="GGIO"，DOI的name定義為每個IED的iedname來完成每個裝置的通信狀態(tài)，因此可定義片段如下：

inst="1" lnClass="GGIO" lnType="GGIO2_02">

三是可以將主站的動態(tài)數(shù)據(jù)集放到此IED模型中，動態(tài)數(shù)據(jù)集中的信息為子站上送主站的信息，就如同之前的轉(zhuǎn)發(fā)表或IEC 61970建模中的MAP文件。關(guān)于動態(tài)數(shù)據(jù)集的實現(xiàn)方法在第3節(jié)中進行深入探討。

2.2IEC 61850源端維護圖形建模方法

采用IEC 61850統(tǒng)一建模后，無需使用CIM文件和gid_ref.xml作為過渡文件。站內(nèi)模型SCD文件和圖形制作完成，可在圖形文件中直接找到全站設(shè)備的參引信息(參引信息與SCD模型文件中一致)，并把參引信息直接存到SVG文件中，形成SCD模型文件和SVG文件的映射，SVG文件其他關(guān)于圖元的靜態(tài)信息不變，程序片段如下：

transform="scale(1,1)" width="10" x="916"

xlink:href="#Breaker:斷路器0108-5@0" y="266" />

ObjectName="1101" />

圖2　　　　IEC 61850與IEC 61970　　　的圖形映射

圖2是IEC 61850建模方式與IEC 61970建模方式的圖形文件映射過程比較。采用IEC 61850統(tǒng)一建模，使得圖形文件建模方法也趨于簡單，取消了中間文件的轉(zhuǎn)換映射，減少映射次數(shù)，降低出錯率，提升了效率。

3　基于IEC 61850動態(tài)數(shù)據(jù)集實現(xiàn)源端維護的多視窗主站傳輸方法

第1、2節(jié)分別探討了基于IEC 61970和基于IEC 61850的源端維護子站的圖模建模方法，通過比較可知，兩者的區(qū)別在于使用IEC 61850傳輸可省去模型文件轉(zhuǎn)換以及文件交互的步驟，模型則是子站的SCD文件添加站級IED?；贗EC 61970的源端維護多視窗主站的實現(xiàn)采用IEC 60870-5-104規(guī)約進行主子站間的信息傳輸，需要子站接收主站的MAP文件，重新生成子站傳輸模型，而IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)可通過在線修改數(shù)據(jù)集的方式在主站形成轉(zhuǎn)發(fā)表，無需重新生成新的子站傳輸模型文件，保證了子站傳輸模型的穩(wěn)定性，減少了出錯概率，同時也保證了子站模型與站內(nèi)裝置模型的一致性。

圖3　　　　IEC 61850源端維護動態(tài)　　　數(shù)據(jù)集交互流程

動態(tài)數(shù)據(jù)集交互流程中，在每次建立連接后，使能報告控制塊前，要完成動態(tài)數(shù)據(jù)集(Dynamic DATA SET)的創(chuàng)建，連接建立后由主站下發(fā)創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)集。此數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)為主站挑選過的需要子站上送主站的數(shù)據(jù)，類比于IEC 61970源端維護多視窗主站中的轉(zhuǎn)發(fā)表，子站根據(jù)主站下發(fā)的數(shù)據(jù)集創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)集，完成后回復(fù)創(chuàng)建新數(shù)據(jù)集成功。由于IEC 61850中不存在創(chuàng)建報告控制塊的服務(wù)，需要在完成創(chuàng)建數(shù)據(jù)集后，使能報告控制塊前，將該報告控制塊關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集更新成新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集，接著主站下發(fā)使能命令，從而完成對新數(shù)據(jù)集的使能。交互流程如圖3所示。

這個數(shù)據(jù)集可以動態(tài)在線創(chuàng)建和修改，所以稱之為動態(tài)數(shù)據(jù)集。隨著動態(tài)數(shù)據(jù)集的部署方式不同，存在幾種不同的傳輸方案。

3.1多動態(tài)數(shù)據(jù)集方案

多動態(tài)數(shù)據(jù)集是指每個IED設(shè)備下面均配置一個動態(tài)數(shù)據(jù)集。在創(chuàng)建動態(tài)數(shù)據(jù)集的時候，需要將信息進行分類，根據(jù)信息類型歸屬到單個IED，并在每個IED中添加動態(tài)數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集模型如圖4所示。多動態(tài)數(shù)據(jù)方案的優(yōu)點是信息歸類較為清晰，缺點是存在動態(tài)數(shù)據(jù)集個數(shù)較多的問題。

圖4　多動態(tài)數(shù)據(jù)集模型

3.2單動態(tài)數(shù)據(jù)集方案

與多動態(tài)數(shù)據(jù)集不同，單動態(tài)數(shù)據(jù)集中子站與主站交互模型中只創(chuàng)建一個動態(tài)數(shù)據(jù)集，將動態(tài)數(shù)據(jù)集放到站級IED內(nèi)。站內(nèi)其他IED模型不變，使得主子站內(nèi)模型保持一致性，且步驟簡單，模型結(jié)構(gòu)清晰。從運維角度來看，主站檢查信息是否正確，只需查看站級IED中的這個動態(tài)數(shù)據(jù)集信息即可。數(shù)據(jù)集模型如圖5所示。

圖5　單動態(tài)數(shù)據(jù)集模型

3.3遠傳信息總線模式方案

圖6　　　　主子站信息交互　　　數(shù)據(jù)流(主站部分)

多視窗主站采用多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Internet Protocol，IP)連接子站的單個IP，源端維護業(yè)務(wù)與此類似，即通過多個端口連接子站的單個端口，因此需要解決多套轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)一IP和端口出站的問題。解決此問題最好的方法是采用信息總線模式，多主站分別將命令下發(fā)到信息總線上，由消息總線模塊統(tǒng)一進行分類和信息交互，根據(jù)IP標(biāo)識來確定對應(yīng)的通道，并將消息下發(fā)到對應(yīng)的通道模塊中，信息交互數(shù)據(jù)流如圖6所示，其中M表示主站，CH表示通道。信息上傳過程由單個通道模塊上送到消息總線模塊，消息總線對信息進行處理，統(tǒng)一軟硬件出站。各通道動態(tài)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)可以不一樣，各路主站IP不同，實現(xiàn)了信息的中轉(zhuǎn)出站功能。這個方案的好處是，多視窗主站都各自與子站模型保持了一致性，并且各級主站只接收各自所需數(shù)據(jù)。

4　項目實施方案

2015年，筆者進行了制造報文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)主子站數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸裝置的研發(fā)與應(yīng)用，提出了基于IEC 61850動態(tài)數(shù)據(jù)集實現(xiàn)源端維護的多視窗主站傳輸方法的工程實施方案。

4.1站內(nèi)建模

廠站端采用IEC 61850體系標(biāo)準(zhǔn)進行全站建模，對變電站的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、一次設(shè)備、二次設(shè)備及一二次設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系進行建模，生成SCD模型文件，使用IEC 61850對于變電站數(shù)據(jù)模型進行全面描述。并針對各級主站采用預(yù)留報告控制塊的方式，來標(biāo)示不同主站的動態(tài)數(shù)據(jù)集報告控制塊。

4.2系統(tǒng)方案

針對多視窗主站源端維護，本項目采用多動態(tài)數(shù)據(jù)集和消息總線結(jié)合的方式。

4.2.1多主站與MMS主子站傳輸裝置數(shù)據(jù)交互縱向數(shù)據(jù)流

主站發(fā)送至子站的數(shù)據(jù)首先通過消息總線統(tǒng)一接收和分發(fā)，消息總線獲取到主站的IP信息，結(jié)合子站通道配置文件中主站IP與通道的關(guān)聯(lián)信息，將數(shù)據(jù)分發(fā)到對應(yīng)的通道模塊中，子站通道配置文件如圖7所示。通道模塊再將數(shù)據(jù)傳送到業(yè)務(wù)處理單元。子站發(fā)往主站的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到消息總線，消息總線根據(jù)配置文件再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)主站。

圖7　子站通道配置文件

4.2.2主子站報告控制塊的建立

主站與MMS主子站傳輸裝置建立連接后，主站下發(fā)召喚SCD文件命令，主站接收到子站上送的SCD文件后，進行信息點的挑選。挑選完成后下發(fā)到子站對應(yīng)的通道模塊。

子站通道模塊接收到相應(yīng)主站下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)據(jù)后，形成各自的動態(tài)數(shù)據(jù)集。由于IEC 61850中規(guī)定報告控制塊不能動態(tài)創(chuàng)建，所以在子站發(fā)送給主站的SCD中需要預(yù)留一些報告控制塊，與主站約定預(yù)留報告控制塊命名規(guī)則，每個主站根據(jù)命名規(guī)則來選擇自己的預(yù)留報告控制塊。主站將預(yù)留的報告控制塊與子站新建的動態(tài)數(shù)據(jù)集進行關(guān)聯(lián)服務(wù)。消息總線接收到主站下發(fā)的關(guān)聯(lián)命令后，根據(jù)預(yù)留報告控制塊的規(guī)則，將信息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的通道模塊。最后由通道模塊和MMS主子站傳輸裝置的IEC 61850業(yè)務(wù)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能，處理流程如圖8所示。

圖8　多視窗主站源端維護實現(xiàn)流程

5　結(jié)論

本文對基于IEC 61970和基于IEC 61850的源端維護多視窗主站實現(xiàn)方法進行了詳細的討論分析。通過比較兩種方法以及項目應(yīng)用得出結(jié)論：主子站統(tǒng)一IEC 61850建模，并且采用多動態(tài)數(shù)據(jù)集和消息總線相結(jié)合的方式，實現(xiàn)多視窗主站的源端維護是可行的。但IEC 61850在通信上對帶寬的要求比較高，主站個數(shù)越多占用網(wǎng)絡(luò)資源就會越多。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和通信設(shè)備的升級，該研究成果將會有更好的應(yīng)用前景。

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FENG Shanqiang，ZHANG Daojie，MA Kai，et al. Research of New Remote Terminal Unit Transmission Scheme Based on Distributed Deployment[J]. Power System Protection and Control，2015，43(12)：67-72.

(編輯彭艷)

Maintenance Method for Source End of Multi-windows Master Station Based on IEC 61850

ZHANG Xiaoyue1, CHEN Zhe2, YUAN Fangfang2,WANG Guangmin2, LI Yongzhao2, ZHANG Siyuan2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. Xuji Group Corporation, Xuchang, Hunan 461000, China)

In maintenance for source end of present multi-windows master station, IEC 61970 standard is widely used for modeling and IEC 60870-5-104 expansion protocol is used for transmission. In allusion to problems in modeling and transmission, this paper presents a method for maintenance on source end of multi-windows master station based on IEC 61850. This method establishes master station and substation models based on IEC 61850 and cancels intermediate files so as to keep files of station models consistent. By deploying dynamic data set, the master station can issue a turn table to the substation directly. It also proposes transmission mode based on message bus which can realize source end maintenance. Finally, it presents an implementation scheme for this method which can solve problems of excessive file interaction and tedious model conversion in present engineering implementation and improve efficiency and reliability of master station and substation interaction.

IEC 61850; IEC 61970; source end maintenance; common information model (CIM); dynamic data set

2016-03-30

2016-06-06

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.014

TM734

A

1007-290X(2016)09-0067-06

張曉悅(1986)，女，福建龍巖人。工程師，工學(xué)碩士，從事變電站自動化研究與測試工作。

陳哲(1984)，男，河南許昌人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品研發(fā)工作。

袁方方(1984)，男，河南許昌人。工程師，工學(xué)碩士，從事電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品研發(fā)工作。