基于IEC61850过程层总线合并单元的研究

樊陈，吕晓荣，高春雷

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210003）

随着电力系统向大容量、超高压和特高压方向发展，一次、二次设备向小型化、智能化、高可靠性方向发展。电子式互感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、动态范围宽不易饱和、绝缘结构简单、易于数字信号传输等优点，顺应了电力工程的发展要求，得到了越来越广泛的应用[1-3]。电子式互感器通过光纤与合并单元相连，并由合并单元将采样值上送给间隔层智能电子设备（IED），合并单元的使用能够简化施工现场的电缆连接，减少占地面积，具有较大的工程价值，同时也能够促进数字化变电站的发展，并为智能电网的数字化需求提供有力保障。对合并单元的研究即是过程层与间隔层接口的研究，具有十分重要的意义，尤其是对基于过程层总线的合并单元的研究，在实现上述功能的同时还能实现不同间隔间数据的共享，使用前景十分广阔。

1 合并单元的研究现状

当前国内对合并单元的研究多基于IEC60044-7/8和IEC61850-9-1等标准，并定义了采样值传输的通用数据集。通用数据集容纳了12个通道的采样值，类型均为16位整数。采样频率在9-1中也明确指明，一般为20fr，40fr，80fr，200fr等（fr为电网的额定频率，为50 Hz）。合并单元通过串行点对点的方式向间隔层装置发送数据，9-1中也定义了具体的报文格式，在12路采样之后设置了2个16位的整数表示开关状态量，具体如表1所示[4]。

由于报文格式相对固定，很多厂家的合并单元没有按照IEC61850标准定义相应的逻辑设备、逻辑节点和数据集，仅仅按照报文的格式发送数据就行了，所以实现起来相对容易，但这并非真正意义上的合并单元。有些厂家虽然按照IEC61850标准来实现了合并单元，但是由于9-1本身是串行点对点的通信连接，不同间隔之间的数据仍然不能共享，并没有真正体现出电子式互感器的优势。因此，基于过程层总线通信的合并单元的研究就显得十分有意义。当前国外厂家如ABB、AREVA、SIEMENS等厂家均推出了基于9-2标准的合并单元，并因9-2的众多优势而被大力推广。国内厂家基于过程层总线通信的合并单元的研究还处于摸索阶段，所见论文较少，也没有实际的产品出来，因而针对9-2标准过程层总线的合并单元的研究显得尤为迫切。

表1 IEC60044-8定义的通用数据集内容

2 基于过程层总线的合并单元的研究

IEC61850-9-1部分遵循了IEC60044-7/8标准对合并单元的设定：输入通道为12路，采用专用数据集，帧格式固定，不允许改变，采用广播或组播的方法；只支持“SendMSVMessage”服务，不支持“GetMSVCBValues/SetMSVCBValues”等控制服务，也不支持对数据对象的直接访问等服务。因此，IEC61850-9-1的映射方法相对固定、简单，但对ASCI模型的支持不够完备。

由于当前采用9-1标准发送的数据是点对点通信，各个合并单元之间的数据不能共享，并不能真正体现IEC61850标准过程层总线通信的优势，这就为过程层总线的研究提供了契机。由于9-2部分所定义的标准相当灵活，所以实现起来有一定难度。为此，IEC委员会专门出版了针对9-2的Light Edition（以下简称9-2LE），专门针对9-2的应用提供了指导，并对一些参数进行了固化[5，6]。

基于9-2/9-2LE过程层总线的合并单元在实现上按照IEC61850的要求，不仅建立相应的数据模型，其相关的服务实现也完全按照MMS的要求。在数据模型的建立上通过XML文件进行数据对象的描述，并形成相应配置文件，其方式和间隔层IED的配置文件类似。在相应的服务上，在9-1仅支持“SendMSV Message”服务的基础上，增加了“GetMSVCBValues/SetMSVCBValues”等控制服务功能，可重新设定输入通道数、采样频率等参数，支持对数据集的更改和对数据对象的直接访问。在数据发送上可以按照需求随意配置相应的数据集，因而帧格式可灵活定义，对ASCI模型的支持也更加完备，并支持单播方式。因此，IEC61850-9-2的映射方法更为灵活，对ASCI模型的支持也更加完备。最为重要的是基于过程层总线的合并单元能够实现过程层数据的共享，摆脱间隔的约束。

3 基于过程层总线合并单元方案的设计

3.1 合并单元的数据模型结构

基于过程层总线的合并单元，其模型的设计方法和间隔层保护测控IED（支持IEC61850标准）一样，数据模型的获取是通过配置文件来获得，相应配置文件的例子可以参考9-2LE。在此，将合并单元的抽象数据结构列出，如图1所示。

图1 合并单元数据模型结构

由图1看出，合并单元内部的逻辑节点主要由LPHD、LLN0、电流互感器（TCTR）、电压互感器（TVTR）组成[7-10]，为了清晰展示，图1的TCTR、TVTR均带有具体实例名，即节点后的编号，而数据集则定义了这8个互感器的采样值，当然，上述模型的建立主要还是依照9-2LE来建立，因而显得相对要简单一些。若采用9-2的要求，逻辑节点和数据集可以任意定义，因而其灵活性也较大，在工程应用中不同厂家之间的区别也就越大，不利于一致性和互操作的要求，因而9-2LE提供了一个参考，便于工程运用。

根据9-2LE的要求，在数据集里增加了品质（Quality）这一参数。品质这一参数和标准7-3中的品质一样，但扩展了Derived之一项，如图2所示。

图2 品质Q的参数

Derived为布尔型变量，当其为True时，表示该项所采集的值不是来自于互感器，而是属于计算出来的量；当其为False时，表明该项采集量来自于互感器。国内目前支持IEC61850标准的产品大都不关注此参数。以典型的表示开关量的GGIO节点来说，厂家实现的时候只关注GGIO.ST.stVal和GGIO.ST.t，并不关心GGIO.st.q。以国内厂家的使用习惯来看，Q项不关注反而方便使用，因为9-2LE所指导的数据集定义中，每一项电流和电压都有相应的Q与之对应，而且都是32位，和实际的采样值的字节数相同，如果忽略Q，同样的报文长度下可以多上送1倍的采样量，这对现场运用极为有利。因为以100 M的带宽来算，包含一个ASDU的报文长度大约为124个字节（因数据集名称等不同，长度不可能完全相同），以每个周波采样80点为标准可以计算出同时能接入的合并单元的个数约为26（100×1024×1024/124×50×80×8=26）个，这一数量远远不能满足工程运用的要求，因此，省略品质因数的上送从一定程度上能够极大的提高报文的传送效率，提高合并单元的利用率。当然，为了遵循9-2LE的规范，当前仍然保留Q，今后过程层的带宽提高到1000M以后，上述问题也就得到解决。

3.2 合并单元通信服务功能

基于9-2的过程层总线的合并单元在通信实现上支持单播和多播采样值服务。同时还支持“GetMSVCBValues/SetMSVCBValues”服务。单播和多播的实现在方法和原理上完全一样，考虑到今后实际运用中数据共享的需要，在此针对多播方式进行阐述。多播方式的实现是通过多播采样控制模块来实现，该模块和报告控制模块类似，映射到MMS类型时均有其自身的结构，具体如表2所示。

表2 多播采样值控制模块结构

表2中的元素名称和报告控制模块一样，在此仅对OptFlds（可选域）所属名称进行阐述，refresh-time、sample-synchronised、sample-rate均是布尔型，当为True时，表示多播采样控制模块中包含其在内，若为Flase，则不包含，而这一区别将会在发送的9-2报文中得以体现。

GetMSVCBValues/SetMSVCBValues则分别对应于MMS的读写服务，所读/写的值就是表2中所列的各项元素，当然，写服务要符合MMS的写要求，否则合并单元会报写值出错并告之出错原因，例如:t类型不匹配（type-inconsisten）等。

基于过程层总线的合并单元，其特定映射服务（SCSM）映射到ISO/IEC8802-3，因而其帧结构有明确的定义，其APDU部分的内容将是表1中的各个元素（控制模块名称和索引除外）经过ASN.1编码后的数值，由于数据集的定义是可以随意更改的，因而其报文的长度灵活多变。

3.3 合并单元内部结构设计

既然合并单元的实现是通过逻辑设备来实现，按照IEC61850标准，1个物理设备（MU）是可以有多个逻辑设备的，合并单元内部设立几个逻辑设备是值得讨论的一个问题。若仅按图3所示，1个合并单元仅包含1个逻辑设备，即仅采样4路电压和4路电流，这种方式在任何情况下都能很好的满足要求，但它却会增加合并单元和交换机的使用数量。若1个合并单元内部设计多个逻辑设备，这样一来合并单元能够采样的通道数更多了，在一定程度上可以减少合并单元和交换机的使用数量，但是单个合并单元的成本却增加了，同时采样通道的增加还会将低其稳定和可靠性。文献[11，12]对此进行了深入研究，针对典型的3/2接线，从设备数量，同步功能、独立程度、母线电压接入等多个方面进行了综合比对，提出图4方式设计MU是综合性能最好的方式，不仅能够节省成本，而且减少了对跨间隔的依赖，有利于保护方案的选择和制定。

图3由于1个合并单元仅能接入1组采样值（4个电压互感器，4个电流互感器），所以占用的合并单元数很多，而且测量母线电压的时候还需要额外占用1个合并单元，显得十分浪费。

图4和图5总体上看是差不多的，1个合并单元不仅可接入1组（4个电压互感器，4个电流互感器），同时还可接入母线电压，图5接入的采样值更多，如此方式明显地减少了合并单元的使用数量，但由于接入了跨间隔数据，这样就增加了合并单元对其他间隔的依赖，降低了其独立性和可靠性。总体来看，图4和图5的差别不仅仅是合并单元内部的问题，而且也关系到合并单元外部组网问题，为此，1个合并单元内部能够接入多少电压/电流互感器（或者说设立多少个逻辑设备）最好依据变电站间隔的实际情况，且母线电压亦可方便地接入同一个合并单元为准则，这样设置2～3个逻辑设备较为合适。

图3 单路采样合并单元

图4 两路采样合并单元

图5 多路采样合并单元

3.4 采样频率的选择

当前国内厂家的传统保护装置采样点基本上为一个周波24点或者32点或者64点，针对这些采样点所采用的成熟算法能较好地满足工程需求。针对电子式互感器的采样，9-2LE中提出保护的采样频率为每周波80点，而测量的采样频率为每周波256点。和传统24点或者32点的采样频率相比，80点的采样率在很大程度上满足保护的要求，而测量采用256点的频率亦能极大提高测量精度，使采样波形与真实更加接近。针对不同的采样频率，合并单元内部在建立多播采样控制模块的时候就需要建立2个，但其数据集却可以完全一样。

国内厂家基于9-1实现的合并单元的采样频率不尽相同，有的厂家针对保护和测量采样都采用200点，如此高的采样频率固然能够更为准确接近真实波形，但对合并单元的性能要求也越高，占用网络的带宽也更多。因此，针对保护和测量不同需求而采用不同的采样频率较为经济和合理。当然，采用不同采样频率，发送的报文也各有差异，9-2LE中，针对保护采样，每帧报文发送一个ASDU，即每个采样点的数据都作为一帧报文发送，而对于测量采样，一次发送8个ASDU，即每8个采样点合成一帧发送。此方式能够有效提高带宽的利用率，因而在基于过程层总线合并单元设计中采用9-2LE所提出的采样方案。

3.5 传统AC量的接入

基于9-2标准实现过程层总线的合并单元也应考虑当前工程运行的现状。目前，电子式互感器并没有全面地得以运用，很多老站和新站仍然采用传统电磁式互感器，今后这些站若要进行数字化改造，势必会存在传统式电磁互感器和新的电子式或者光电互感器同时存在并投入使用的情况。为此，基于过程层总线的合并单元在设计上必须考虑与传统方式的兼容，在新的合并单元内增加传统的交流量采集模块。

新增设的交流量采集模块可以方便地套用传统的方式来实现，但是这里存在一个新的问题，就是交流量采样频率和通过光纤通信上送数据的方式有所出入，如何保证两者数据的同步和一致，这就需要合并单元内部进行重新采样，将数据进行同步汇总，然后在合并单元内部将数据传送给相应逻辑节点的数据属性，具体如图6所示。

图6 重新采样结构

3.6 同步问题

时间同步问题是实现合并单元的关键要素，同一个合并单元由于要采集来自不同互感器传送的采样值，这些数据必须对其进行同步才能保证其有效性和实时性，若同一合并单元的各个互感器间电压不同步，那么该数值经过计算后三相电压、电流彼此之间的角度就不再是120o，这些数据可能会使保护装置误动作。由于基于过程层总线的合并单元的数据能够全站共享，所以不同合并单元之间的同步也必须加以考虑，否则一些跨间隔保护装置就不能真正有效利用过程层总线上不同合并单元上送的共享实时数据，因此同步问题的重要性在基于过程层总线通信上显得尤为突出。

文献[13-15]提出了采用IEC1588标准来实现同步，这也是9-2标准所提出的要求，是今后发展的必然方向，由于其技术门槛较高，再加上工程运用的难度，所以目前实现同步都是采用GPS来实现，如通过IRIG-B来对时等。

3.7 开关状态量

在基于9-1标准实现的合并单元中存在开关状态量，但是基于9-2过程层总线标准却没有预留开关量，是否仍然沿用9-1的方式将开关量接入合并单元中，这是合并单元实现时需要考虑的问题。基于过程层总线的实现之所以有难度，其中一点就是智能开关的使用。

目前国外大厂家中实现过程层总线通信方案时只有两类装置接入，一种是用来采集光电/电子式互感器交流量的合并单元，另外就是上送开关量并能通过GOOSE实现跳闸的智能开关。国内目前并没有智能开关投入使用，因为目前国内对于智能开关的研究还处于摸索阶段，并没有出现能够工程化应用的开关产品，而这一实现有待于国内一次和二次厂家的通力合作。

针对目前这一情况，国内一些厂家推出了智能操作箱，功能类似于传统开关的智能化接口。传统开关是通过电缆接入操作箱的，操作箱通过通信的方式将开关状态量进行上送。为了保证过程层总线通信的优势，建议开关状态量通过智能操作箱来实现，因此在合并单元的设计时不考虑开关状态量的接入。

综合上述各个环节，在此对合并单元各个部分进行汇总，可以得出基于过程层总线的合并单元结构，如图7所示。

4 结束语

基于过程层总线的合并单元的研究是一项系统和长期的工作，文中主要针对过程层总线合并单元的数据结构、通信服务、对时及内部设计进行了相关探讨，希望能起到抛砖引玉的作用，为装置的开发和研制提供一定的参考。

基于过程层总线的实现将会为数字化变电站的发展起到巨大的推动作用，使得整个变电站的格局发生变化，其意义不可估量。与其相关的还有很多工作都需深入研究，如过程层总线组网方式的分析、过程层通信的研究、共享数据网络交换的探讨等，这些都是基于过程层总线的合并单元工程化所要解决的问题，也是今后进一步的研究方向。

图7 合并单元系统结构

[1] 徐雁，吴勇飞，肖霞.采用FPGA&DSP实现电子式互感器合并单元[J].高电压技术，2008，34（2）：275-279.

[2] 窦晓波，吴在军，胡敏强，等.IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现[J].电网技术，2006，30（2）：80-86.

[3] 梁晓兵，周捷，杨永标.基于IEC61850的新型合并单元的研制[J].电力系统自动化，2007，31（7）：85-89.

[4] Communication Networks and Systems in Substation—Part 9-1：Specific Communication Service Mapping（SCSM）—Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link[S].

[5] Communication Networks and Systems in Substation—Part 9-2：Specific Communication Service Mapping（SCSM）—Sampled Values over ISO/IEC8802-3[S].

[6] Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers Using IEC61850-9-2[S].

[7] IEC61850-7-1，Communication Networks and Systems in Substatons，Part 7-1：Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Principles and Models[S].

[8] IEC61850-7-2，Communication Networks and Systems in Substations，Part 7-2：Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Abstract Communication Service Interface（ACSI）[S].

[9] Communication Networks and Systems in Substations-Part 7-3：Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Common Data Classes[S].

[10] Communication Networks and Systems in Substations-Part7-4：Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].

[11] LARSA，KLAUS-PERTERB，DIETERF.Optimized Archetectures for Process Bus with IEC61850-9-2[C].Proceedings of CIGRE，Paris，2008.

[12] JOACHIM S，MARTIN S.IEC61850 Merging Unit for the Universal Connection of Conventional and Nonconventional Instrument Transformers[C].Proceedings of CIGRE，Paris，2008.

[13] 刘琨，周有庆，张午阳，等.电子式互感器合并单元时间同步问题的解决方法[J].电力系统通信，2006，27（11）：71-75.

[14] 周捷，杨永标，沈健，等.一种基于交流信号的模拟合并单元[J].电力系统保护与控制，2009，37（2）：65-68.

[15] 殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.一种遵循IEC61850标准的合并单元同步的实现新方法[J].电力系统自动化，2004，28（11）：57-61.