IEC 61850-9-2标准下合并单元信息模型及其映射的实现

谷晓妍，罗 彦，段雄英

（大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116023）

0 引言

IEC 61850-9-2标准规范了采样值的网络传输方式：合并单元将数字量采样信号以光纤方式接入过程层总线，间隔层保护、测控、计量等设备不再与合并单元直接相连，而是通过过程层总线获取采样值信号，从而达到采样信号的信息共享[1]。与IEC61850-9-1相比，IEC 61850-9-2不仅对采样频率提出更高的要求，而且由于采用了过程层网络总线传输介质，在传输时还需要考虑网络传输流量的控制[2]。

本文通过IEC 61850标准中的采样值传输模型对合并单元进行了具体构建，并利用IEC 61850-9-2标准将此模型映射到实际的通信协议和通信网络中。

1 合并单元建模

1.1 采样值传输模型

IEC 61850标准总结出变电站内信息传输所必需的通信服务，定义了抽象通信服务接口（ACSI）。ACSI独立于网络和应用层协议，这使得IEC 61850可灵活地采用高速发展的通信技术，而无须改变上层ACSI的模型定义。根据变电站内不同类型通信服务，ACSI共定义了14种模型。按照信息模型中的数据对象及其属性，分别引用该模型与其相应的服务[3-4]。

采样值传输模型描述了电子式互感器合并单元的通信服务，见图1。该模型采用有组织的、时间受控制的方式来传输DATA-SET的值。信息传输基于发布/订户机制：在发送侧发布方将值写入发送缓冲区，在接收侧订户从当地缓冲区读值，并在值上加上时标[5]。IEC 61850支持2种交换采样值的方法，多路广播应用关联控制块（Multicast Sampled Value Control Block，MSVCB）和双边应用关联即单路传播采样值控制块（Unicast Sampled Value Control Block，USVCB）。根据IEC 61850-9-2需要，本文采用多路广播采样值控制MSVCB方法，以多路广播采样值 MSV（Multicast Sampled Value）报文的格式单方向发送采样值，无需确认回复，有效地利用了信道带宽，发布方和订户可以动态接入或退出，具有良好的实时性[6]。

图1 采样值传输模型

采样值传输模型涉及到了2类通信服务：一类是基于Client/Server的MMS服务（SetSVCValue等），另一类是多路广播的采样值传输服务（SendSMVMessage）。根据IEC 61850-7-2规定的模型实现一致性说明，在采样值传输模型中，最基本的通信服务是SendSMVMessage，必须在合并单元中实现，否则无法通过一致性测试。其他服务非基本服务,不影响一致性测试[7]。现阶段国内外一般都将Send SMVMessage服务作为合并单元实现的重点。本文也将着重实现此基本服务。

1.2 合并单元的服务器模型

图2是本文设计的合并单元服务器模型。根据IEC 61850-9-2对合并单元功能的规定，以及IED信息模型的分层分类思想[8]，合并单元的服务器模型主体框架为：合并单元作为逻辑设备，除了必需的逻辑节点LLN0和LPHD，电流互感器和电压互感器的每一相作为逻辑节点，用A，B，C和N代表互感器的各相。TCTR和TVTR类数据定义主要用于对电流值和电压值的采样。以逻辑节点I11ATCTR1为例，选取表示采样值电流的属性Amp，其属性类型是公共数据类SAV。进一步选取SAV的属性instMag、q和sVC，并进行细化，将电流的sVC.scaleFactor设定为0.001，电压的sVC.scaleFactor设定为0.01，使逻辑节点的数据描述更为具体[9]，见表1。

图2 合并单元的服务器模型

表1 公共数据类SAV的数据属性

逻辑节点I11ATCTR1-4代表的互感器用于检测保护电流；I22ATCTR1-4代表的互感器用于检测测量电流；U11ATVTR1-4代表的电压互感器用于检测电压。IEC 60044规定互感器的测量值和保护值使用不同速率传输，因此需要设计2个采样值控制块及相应的通信服务分别控制测量值和保护值传输。MSVCB01和数据集PhsMeas1绑定，控制保护值的传输、MSVCB02和数据集Phsmeas2绑定控制测量值的传输。

2 映射实现

2.1 采样值的特定通信服务映射

信息模型完成了功能服务的抽象，而特殊通信服务映射将抽象的服务映射到具体的通信网络和协议上，服务借助通信得以实现。IEC 61850-9-2规定了间隔层和过程层之间通信的特定通信服务映射SCSM，除了支持映射到数据链路层，还支持制造报文协议MMS的映射[10]。从图3中可以看出，采样值传输模型中的SendSMVMessage服务被映射到了以太网链路层。

图3 采样值模型特定通信服务映射

在以太网的表示层上，采用了抽象语法记法（ASN.1）来规范应用层上的数据类型以及值的表示方法，传输语法采用基本编码规则BER（Basic Encoding Rules）。合并单元同时发送测量值采样包和保护值采样包。

2.2 合并单元实现的整体框架

本文采用FPGA实现合并单元的所有功能。FPGA的精准时钟频率和纯硬件并行的工作特性完全能够满足电子式互感器精确同步的要求[11]。

按照本文设计的合并单元服务器模型的功能要求，图4中的采样控制块1负责4路保护值的传输，传输频率为每周波80个点，采集1个点，发送1个保护数据包；采样控制块2负责8路测量值的传输，传输频率为每周波200个点，采集8个点发送1个测量数据包。由于保护数据包和测量数据包在发送时是互斥的访问以太网控制器，因此，在2种数据包同时需要发送时，算法优先发送保护数据包，这样就可以保证保护包的时延最小。

图4 合并单元整体框架

通信系统由以太网控制器Lan9215、物理芯片ICS1889和激光收发器HFBR5103构成，实现了100Base-FX全双工光纤以太网传输，完全符合IEC 61850 9-2标准的要求。

2.3 系统运行结果

图5是本文使用MMS-Ethereal软件的抓包结果，可以看出：包内所含的采样点数为1（Number of ASDUS）；smvID为E1Q1SB1Munn01；采样包序号（Sample count）为53 257；配置版本号（Config Rev）为1；采样同步（Sample Synched）为TRUE；

ASN1编码的采样值包中各个字段已被软件正确解析，证明MU发出的采样包完全符合IEC 61850-9-2标准。

图5 系统运行结果

3 结论

IEC 61850-9-2标准的推出，是网络的普及应用，交换机技术的迅速发展及其成本降低的结果。随着技术的发展，IEC 61850-9-2标准下的采样值网络传输模式将在数字化变电站得到了更为广泛的应用。本文通过构建符合IEC 61850-9-2的合并单元采样值传输模型，使合并单元能够符合IEC 61850-9-2标准下的过程总线数据通信传输，对数字化变电站的网络化发展有一定的实践意义。

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