基于IEC61850的配電自動(dòng)化系統(tǒng)信息交互技術(shù)

宣科， 栗大維， 王立靖(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱　150000)

0　引　言

配電自動(dòng)化基于一次網(wǎng)架和設(shè)備，圍繞配電自動(dòng)化系統(tǒng)，利用多種通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)的監(jiān)控和管理，有效提高了供電可靠性[1-2]。隨著“智能電網(wǎng)”概念的提出，配電自動(dòng)化技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，而配網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)了一定的問(wèn)題。配網(wǎng)終端設(shè)備多種多樣、通信規(guī)約間互操作性差，因此需要統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的信息集成[3]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的重要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為智能變電站乃至智能電網(wǎng)領(lǐng)域提供信息交互的規(guī)范[4]。IEC61850作為變電站內(nèi)的通信標(biāo)準(zhǔn)，不包括站外通信、與控制中心的通信和變電站之間的通信。但是，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的某些特征也可以擴(kuò)展到變電站外部的應(yīng)用。吳在軍提出，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο竽Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和開(kāi)放性技術(shù)特點(diǎn)，可以為配電網(wǎng)自動(dòng)化提供全面、準(zhǔn)確的信息模型[5]。2013年6月，WG17工作組發(fā)布了IEC61850在配電自動(dòng)化中應(yīng)用的技術(shù)報(bào)告，進(jìn)一步加快了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電網(wǎng)中應(yīng)用。 Mohagheghi S在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)建模，討論了包括柱上開(kāi)關(guān)FTU、環(huán)網(wǎng)柜DTU及變壓器TTU等智能終端的建模細(xì)節(jié)，提出了可用的信息交換模型[6]；韓國(guó)政在主站與配電終端之間的通信領(lǐng)域也有一定的探索，分析了該標(biāo)準(zhǔn)下幾種主流服務(wù)映射的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性[7]。顧建煒、陳志偉等專(zhuān)家分析了IEC61850建模技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化通信領(lǐng)域的最優(yōu)服務(wù)映射，論述了IEC61850應(yīng)用于配電自動(dòng)化的前景[8-9]。章堅(jiān)民提出了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站子站系統(tǒng)信息建模與通信建模方案，對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)用IEC61850進(jìn)行信息交互具有一定的參考價(jià)值[10]。

本文通過(guò)深入分析IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，研究其在配電自動(dòng)化系統(tǒng)信息交互領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定分析了信息交互模型架構(gòu)及建模方法；而后，編寫(xiě)SCL配置文件建立不同功能模塊的邏輯節(jié)點(diǎn)，建立具有三遙功能的配電終端模型；最后，編制基于IEC61850的配電自動(dòng)化系統(tǒng)信息交互系統(tǒng)軟件，并運(yùn)用DK61開(kāi)發(fā)套件對(duì)系統(tǒng)的三遙功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1　IEC61850標(biāo)準(zhǔn)信息交互模型

1.1　IEC61850分層信息模型架構(gòu)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用分層分類(lèi)的建模思想，對(duì)變電站智能電子設(shè)備IED中交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息建模。該信息模型包含4個(gè)主要層次：服務(wù)器(Sever)、邏輯設(shè)備(Logical Device)、邏輯節(jié)點(diǎn)(Logical Node)、及數(shù)據(jù)對(duì)象(Data Object)[11]。大多情況下，將一個(gè)物理裝置建模為1個(gè)IED，每個(gè)IED包含眾多服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器包含多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象。

IED分層模型的每一層都只是抽象的類(lèi)，要建立實(shí)際設(shè)備的具體模型，需要進(jìn)一步實(shí)例化抽象類(lèi)[12]。實(shí)際模型與抽象類(lèi)之間是“類(lèi)”和“對(duì)象”的關(guān)系，如圖1所示?！癕yServer”是服務(wù)器類(lèi)的對(duì)象名稱(chēng)，“DK61”是Logical Device類(lèi)的對(duì)象名稱(chēng)，“XCBR1”是兼容邏輯節(jié)點(diǎn)XCBR類(lèi)的對(duì)象名稱(chēng)，“Pos”是數(shù)據(jù)類(lèi)對(duì)象的名稱(chēng)。分層信息模型的每一層類(lèi)都由若干屬性和服務(wù)組成，屬性描述該類(lèi)所有實(shí)例的特征。同一類(lèi)導(dǎo)出的所有實(shí)例擁有相同的屬性類(lèi)型，而具體的數(shù)值則根據(jù)實(shí)例變化。

圖1　抽象類(lèi)和實(shí)例模型的關(guān)系

1.2　IEC61850信息建?；玖鞒?/h3>

建立符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IED數(shù)據(jù)模型是實(shí)際工程應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟。實(shí)際IED建模分為三個(gè)步驟。

(1)確立邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)

首先，需要明確IED所具備的功能，以及功能中涉及到網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)交換的部分。根據(jù)IEC61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)，將所有與數(shù)據(jù)通信相關(guān)的功能分解為若干邏輯節(jié)點(diǎn)[13]。在實(shí)際功能建模過(guò)程中，需要考察標(biāo)準(zhǔn)中是否已經(jīng)存在可以滿(mǎn)足該功能要求的邏輯節(jié)點(diǎn)，并且優(yōu)先選取這些節(jié)點(diǎn)；若沒(méi)有能完全滿(mǎn)足功能的節(jié)點(diǎn)，則需要按照規(guī)定新建邏輯節(jié)點(diǎn)LN類(lèi)，或者用通用LN類(lèi)來(lái)代替，以保證各個(gè)廠商之間的互操作性。

(2)構(gòu)建邏輯設(shè)備

確立了邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)，需要將建立好的邏輯節(jié)點(diǎn)劃分到對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備中。劃分邏輯設(shè)備仍然遵守以功能劃分的原則，將具有公共特性的邏輯節(jié)點(diǎn)組合為一個(gè)LD。而邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0則存放該邏輯設(shè)備的一些公用信息，如數(shù)據(jù)集、報(bào)告控制塊、定值組控制塊等，也可以包含多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)例。

(3)構(gòu)建服務(wù)器

將建好的邏輯設(shè)備整體建模到同一個(gè)服務(wù)器中的某個(gè)訪問(wèn)站點(diǎn)下。經(jīng)過(guò)相關(guān)的通信配置，接入信息網(wǎng)絡(luò)，參與數(shù)據(jù)的傳輸與交互。對(duì)于全數(shù)字化的IED，需要建模為3個(gè)服務(wù)器，分別放在MMS服務(wù)、GOOSE服務(wù)、采樣值服務(wù)三個(gè)子網(wǎng)下[14]。各個(gè)服務(wù)器的建模方法基本相同，僅僅在通信模式上有細(xì)微差別。

2　配置文件設(shè)計(jì)與模型參數(shù)設(shè)置

2.1　裝置ICD配置文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建立擁有配電自動(dòng)化遙信、遙測(cè)、遙控功能的信息模型，并實(shí)現(xiàn)該裝置與PC客戶(hù)端之間的信息交互，其ICD文件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。SCL文件采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)展開(kāi)，符合面向?qū)ο蟮姆謱咏＠砟睢０凑展δ芤约皵?shù)據(jù)傳送的要求創(chuàng)建了4組邏輯節(jié)點(diǎn)及一個(gè)AccessPoint站點(diǎn)。

圖2　配置文件結(jié)構(gòu)圖

2.2　通信部分參數(shù)設(shè)置

IED通信參數(shù)配置中設(shè)置了名為“SubNetwork”的MMS通信子網(wǎng)，另外考慮到部分信息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，對(duì)于過(guò)程層采用GOOSE通信的功能，還添加了GOOSE通信子網(wǎng)。

GOOSE報(bào)文發(fā)生變化后，采用快速重發(fā)機(jī)制來(lái)保證傳輸?shù)目煽啃浴?MinTime>設(shè)置為2 ms，表示當(dāng)發(fā)生變位之后，裝置要在2 ms內(nèi)補(bǔ)發(fā)第二幀報(bào)文；設(shè)置為5 000 ms，為報(bào)文的心跳時(shí)間，表示恢復(fù)正常之后GOOSE報(bào)文每5 000 ms發(fā)送一幀。這樣可以給接收裝置提供依據(jù)，判斷是否有丟幀以及通信鏈路中斷，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3　邏輯設(shè)備參數(shù)設(shè)置

SCL配置文件采用了樹(shù)形結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上與分層信息模型相對(duì)應(yīng)。本文建立的信息模型服務(wù)器Server中包含了邏輯設(shè)備“LDevice1”，邏輯設(shè)備中包含了邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0和兼容邏輯節(jié)點(diǎn)DIPS_GGIO1、DIPS_GGIO2、LEDO_GGIO3及STMP1。邏輯節(jié)點(diǎn)中包含數(shù)據(jù)實(shí)例，如IND1-4、ALM5-8、SPCSO1-8等。除了邏輯設(shè)備以外，Server中也包含元素。此處屬性設(shè)置為默認(rèn)屬性“NONE”，表示無(wú)須認(rèn)證。

客戶(hù)端模型共包含19個(gè)主要邏輯節(jié)點(diǎn)，其中狀態(tài)量9個(gè)，控制量8個(gè)，測(cè)量值1個(gè)，整形輸入量1個(gè)。為了保證信息交互的正確性，服務(wù)器信息模型與客戶(hù)端模型基本一致。但是，由于服務(wù)器方定義了本地通信和非本地通信兩種信息交互方式，分別適用于客戶(hù)端和服務(wù)器應(yīng)用相同或相異IP地址和物理地址的情況。因此，在LLN0邏輯節(jié)點(diǎn)中，需要另外添加節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)通信模式指示信息，如表1所示。

表1　通信模式邏輯節(jié)點(diǎn)

2.4　邏輯節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

利用數(shù)據(jù)集對(duì)要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組打包，可以大大減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁俊榱耸沟猛ㄐ烹p方預(yù)先知曉數(shù)據(jù)集中的成員、排列順序以及數(shù)據(jù)類(lèi)型，需要將這些信息在邏輯節(jié)點(diǎn)中集中整合存儲(chǔ)。邏輯節(jié)點(diǎn)LNN0中包含各種數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的報(bào)告控制塊。本文將所有需要被傳送的數(shù)據(jù)分為4個(gè)數(shù)據(jù)集來(lái)傳送，分別為表示1-4盞指示燈狀態(tài)的指示數(shù)據(jù)集Indicate_DataSet、表示5-6盞報(bào)警燈狀態(tài)的警報(bào)數(shù)據(jù)集Goose_Alarm_DataSet、存儲(chǔ)溫度報(bào)警信息的溫度警報(bào)數(shù)據(jù)集DSTMPAlm以及存儲(chǔ)溫度報(bào)警上限值的數(shù)據(jù)集DSTMPVal。由于本文所建立的模型不涉及具體裝置的定值，不含有dsParameter以及dsSetting數(shù)據(jù)集，因此無(wú)須設(shè)置定值組控制塊SGCB。

3　配電自動(dòng)化信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　客戶(hù)端程序算法

客戶(hù)端主要任務(wù)包括構(gòu)建能實(shí)現(xiàn)三遙功能的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)刷新指示燈、開(kāi)關(guān)位置、服務(wù)器溫度值，返回報(bào)警信息，輸入指令開(kāi)關(guān)指示燈和設(shè)置溫度極限值。固有屬性含客戶(hù)端-服務(wù)器通信標(biāo)識(shí)、讀取信息函數(shù)、寫(xiě)入信息函數(shù)、實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)函數(shù)以及終止函數(shù)?？蛻?hù)端的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)初始化設(shè)置如表2所示。

表2　客戶(hù)端基本參數(shù)配置表

本文通過(guò)共用一個(gè)數(shù)據(jù)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端和服務(wù)器的通信。服務(wù)器將其采集到的值按照一定規(guī)律存儲(chǔ)在PIS10堆棧中，客戶(hù)端通過(guò)數(shù)據(jù)更新函數(shù)不斷讀取，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交互。數(shù)據(jù)更新函數(shù)獨(dú)立于主循環(huán)之外，滿(mǎn)足相應(yīng)的條件即可觸發(fā)(數(shù)據(jù)變化、報(bào)告上送、強(qiáng)制指令等)，主要負(fù)責(zé)讀取服務(wù)器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和當(dāng)前溫度，并且檢測(cè)是否存在溫度報(bào)警等情況。圖3所示的系統(tǒng)邏輯反映了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動(dòng)、處理和儲(chǔ)存。

主程序的算法流程如圖4所示。通過(guò)指針定位函數(shù)合理劃分，安排各個(gè)功能組的區(qū)域位置，完成人機(jī)界面的創(chuàng)建。用戶(hù)在客戶(hù)端按照一定格式輸入指令，改變PIS10公用協(xié)議棧內(nèi)的數(shù)值。在確認(rèn)寫(xiě)入完成之后，根據(jù)棧內(nèi)數(shù)據(jù)刷新界面。完成對(duì)遠(yuǎn)方信號(hào)燈的控制以及溫度極值的設(shè)定。根據(jù)返回的錯(cuò)誤代碼序號(hào)，程序?qū)⒖赡艿腻e(cuò)誤反應(yīng)到主界面上，便于查找通信過(guò)程中的錯(cuò)誤。

圖3　數(shù)據(jù)更新函數(shù)算法流程圖

圖4　客戶(hù)端主程序算法流程圖

3.2　服務(wù)器程序算法

服務(wù)器端的主要功能包含采集數(shù)據(jù)、上傳報(bào)告、警報(bào)監(jiān)控以及按照指令控制指示燈。對(duì)基于PC上的虛擬服務(wù)器，還需增加可以手動(dòng)輸入實(shí)時(shí)信息的人機(jī)界面來(lái)模擬實(shí)際運(yùn)行情況。固有屬性含客戶(hù)端-服務(wù)器通信標(biāo)識(shí)、讀取信息函數(shù)、寫(xiě)入信息函數(shù)、實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)函數(shù)以及終止函數(shù)。與客戶(hù)端程序相比，服務(wù)器除了構(gòu)建信息顯示界面外，還需要進(jìn)行一些底層接口的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際裝置的控制。主程序算法流程圖如圖5所示。

圖5　服務(wù)器主程序算法流程圖

3.3　系統(tǒng)驗(yàn)證

本文選擇MMS的通信協(xié)議，以PC機(jī)作為客戶(hù)端、DK61作為服務(wù)器，模擬實(shí)際配電自動(dòng)化主站和終端之間的信息交互過(guò)程，進(jìn)行系統(tǒng)三遙功能的驗(yàn)證。

(1)遙測(cè)功能

在客戶(hù)端設(shè)定溫度極值為27 ℃，溫度超過(guò)極值會(huì)返回溫度警報(bào)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)溫度為26 ℃時(shí)，服務(wù)器檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度反應(yīng)良好，客戶(hù)端與服務(wù)器保持了數(shù)據(jù)上的一致性，以及傳輸?shù)目焖傩?。?dāng)溫度升到28 ℃超出溫度極值后，客戶(hù)端跳出了溫度警報(bào)提示，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)遙測(cè)功能驗(yàn)證

(2)遙控功能

遙控模塊根據(jù)客戶(hù)端輸入的指令，控制DK61上LED燈組的亮暗。例如，在客戶(hù)端輸入指令控制服務(wù)器點(diǎn)亮第1、2、7盞指示燈。服務(wù)器測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)遙控功能驗(yàn)證

(3)遙信功能

遙信功能能夠?qū)Ψ?wù)器開(kāi)關(guān)量進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)上送。手動(dòng)調(diào)整DK61上的撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)為00100111。服務(wù)器采集到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“OFF-OFF-ON-OFF-OFF-ON-ON-ON”，與DK61上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)一致。其中，1-4 開(kāi)關(guān)采用報(bào)告控制塊的方式主動(dòng)上送到客戶(hù)端，5-8開(kāi)關(guān)量作為報(bào)警按鈕，采用GOOSE方式上送，以保證實(shí)時(shí)性的要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息交互模型架構(gòu)及建模方法；應(yīng)用IEC61850建模技術(shù)，根據(jù)IEC61850提供的數(shù)據(jù)模型和邏輯節(jié)點(diǎn)，對(duì)變電站智能電子設(shè)備進(jìn)行了信息建模，并完成了相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置及配置文件設(shè)計(jì)。最后，以PC機(jī)和DK61為原型，模擬了配電終端與主站、配電終端與終端之間的通信，將配電自動(dòng)化基本“三遙”功能在實(shí)際裝置中落實(shí)。

IEC61850節(jié)點(diǎn)覆蓋大多數(shù)的配電自動(dòng)化應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的基于IEC61850的配網(wǎng)自動(dòng)化信息交互系統(tǒng)對(duì)配電終端進(jìn)行了統(tǒng)一建模，規(guī)范了設(shè)備接口，能夠簡(jiǎn)化配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備之間的互聯(lián)操作。同時(shí)，面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)和MMS技術(shù)能夠提高設(shè)備之間的互操作性，提高現(xiàn)有配網(wǎng)通信體系的性能。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 程紅麗,唐開(kāi)成,劉健. 配電自動(dòng)化條件下配電系統(tǒng)供電可靠性評(píng)估[J]. 高電壓技術(shù),2007,33(7):166-172+185.

[ 2 ] NORDELL D E. Communication systems for distribution automation[C]//2008 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition,2008.

[ 3 ] 王雷. 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)閉所監(jiān)控終端DTU模型研究[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

[ 4 ] GUI H, TANG X, LIANG Z, et al. Study on IEC61850 Conformance Testing [J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 8.

[ 5 ] 吳在軍,胡敏強(qiáng). 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2002,30(11):70-72.

[ 6 ] MOHAGHEGHI S, MOUSAVI M, STOUPIS J, et al. Modeling distribution automation system components using IEC61850[C]//Power & Energy Society General Meeting, IEEE, 2009: 1-6.

[ 7 ] 韓國(guó)政,徐丙垠. 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能配電終端建模[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,39(2):104-107.

[ 8 ] 顧建煒,張鐵峰,韓書(shū)娟. 基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]. 電力科學(xué)與工程,2012,28(1):30-36.

[ 9 ] 陳志偉. 基于IEC61850的配網(wǎng)自動(dòng)化通信技術(shù)研究[D]. 山東：山東大學(xué),2012.

[10] 章堅(jiān)民,朱炳銓,趙舫,等. 基于IEC 61850的變電站子站系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(21):43-48.

[11] 韓法玲,黃潤(rùn)長(zhǎng),張華,等. 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IED建模分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(19):219-222.

[12] 朱發(fā)國(guó),武苗. 對(duì)我國(guó)配電網(wǎng)建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)的思考[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2013,7(3):58-62+66.

[13] BAIGENT D, ADAMIAK M, MACKIEWICZ R, & SISCO, G. M. G. M. (2004). Iec 61850 communication networks and systems in substations: an overview for users. SISCO Systems.

[14] 吳佳毅. IEC61850 MMS服務(wù)器應(yīng)用的研究[D].北京：華北電力大學(xué),2009.