基于 IEC 61850 的输电线路设备建模和通信协议研究

方 炯， 杨先进， 李颖浩， 付俊强

（1.杭州市电力局，杭州 310009； 2.浙江大学电气工程学院， 杭州 310027）

电力信息

基于 IEC 61850 的输电线路设备建模和通信协议研究

方 炯1， 杨先进1， 李颖浩2， 付俊强2

（1.杭州市电力局，杭州 310009； 2.浙江大学电气工程学院， 杭州 310027）

IEC 61850 标准规定了变电站信息建模及其方法，该标准的核心内容是面向对象的信息模型和建模方法。 基于 IEC 61850 模型提出并拓展了输电线路状态检测设备的对象模型， 并将之转换为IEC 60870-104 与主站进行通信， 使设备的建模与通信能够符合国际标准。

智能电网； IEC 61850；IEC 60870-5-104；面向对象； 信息建模

0 引言

输电线路监测的对象是各类输电设备与运行环境，监测功能的实现离不开相关的采集与通信装置，到目前为止，输电线路监测各组成部分（如采集装置、 通信装置、 子站与主站）相互之间耦合度仍然很高，但不同厂商的监测装置、通信装置、主站之间很难共享与通用，装置之间互操作性与互换性差，降低了用户选择系统解决方案的灵活性，不利于系统升级或扩展。

IEC 61850 是迄今为止最为完善的变电站自动化通信标准[1]， 以实现互操作性为首要目标， 为现场设备的配置与互操作提供一套完整的模型体系与标准化建模方法，使各个制造厂的设备可用同一种方式进行管理，这种面向设备的方式解决了由于不同制造厂商采用私有规约所造成的一系列问题。

由于输电线路状态监测与变电站自动化在模型设计、通信结构、主站等方面具有很多类似之处， 把 IEC 61850 从变电站自动化领域延伸到输电领域并不存在着技术障碍； 并且随着 IEC 61850逐步推进到轻量级的通信环境中， 应用 IEC 61850国际标准对输电线路设备进行建模，对于保障输变电统一模型具有一定的工程意义。

在此基于 IEC 61850 国际标准， 结合输电线路设备监测的实际，提出并拓展了输电线路状态监测设备的对象模型， 并将之转换为 IEC 60870-104 与主站进行通信， 使设备的建模与通信能够符合国际标准。

1 输电领域应用 IEC61850 分析

IEC 61850 不仅包括变电站自动化系统中数据对象的模型，而且包括变电站自动化通信系统的模型，这些模型与面向对象的抽象通信服务接口结合起来， 形成带自描述信息的通信平台[2]。

对 智 能 电 子 设 备 （IED ） 分 层 次 建 模 是 IEC 61850 标准应用的关键， 通常 1 个 IED 建模为 1个 SERVER 类的实例。 1 个服务器至少包含 1 个逻辑设备，此外，还包括由通信系统提供的其他一些公共基本组成部件。

逻辑节点是功能的基本单位，数据建模方法的核心是对逻辑节点的设计，对服务器、逻辑设备的设计只是使得模型变得更清晰与规范化[3]， 因此，对逻辑节点的设计非常重要。

IEC6 1850 的自描述方式与建模方法完全适用于输电线路监测领域，与变电站自动化系统比较起来， 在输电领域应用 IEC 61850 时应注意以下差异：

（1）实现目标不同。 IEC 61850 应用在变电领域主要为了实现 IED 间的互操作性， 而输电领域应用 IEC 61850 主要为了实现 IED 设备的互换性与远程配置的标准化。

（2）功能分配层级不同。IEC 61850 在变电领域功能分为变电站层、间隔层、过程层；而在输电领域由于没有 IED 间的通信， 只有过程层与站级层。

2 输电线路设备检测功能分析

由于输电线路状态监测只是一个采集系统，没有 IED 间的通信问题， 因此只建 IEC 61850 的两层， 即过程层和站级层。 过程层 IED 的建立不需要考虑相互间的配合，原则上一类设备的1种监测建 立 1 个 IED， 如 导线 的 温 度 为 1 个 IED，也可以同样的采集量使用同一个 IED， 如导线的温度和金具的温度由同一个设备采集，则使用同一个 IED 来进行建模。 站级层 IED 的建立主要是收集过程层 IED 的信息， 并作为网关机将信息转发给主站。

对过程层的 IED 进行分析， 从整体上把输电线路的监测功能抽象为以下几类：

（1）电气类。 监测与线路电气有关的数据，如电压、电流、放电、电气距离、雷电等数据采集单元。

（2）机械类。 监测与线路机械力学有关的数据，如导线温度、微风振动、舞动、次档距振荡、覆冰、弧垂、张力、杆塔倾斜、绝缘子串风偏和偏斜、杆塔振动、杆件应力分布、基础滑移、不均匀沉降等数据采集单元。

（3）运行环境类。 监测与运行环境有关的数据，如气象、污秽、大气质量、通道环境、图像/视频等数据采集单元。

为了能够更清晰地理解功能，也可以按输电线路结构进行分类检测：

（1）导线类。 包括导线弧垂、 导线温度、 导线微风振动、相间风偏、覆冰状况、导线舞动等。

（2）地线类。 包括微风振动、 舞动、 覆冰、 张力等。

（3）金具类。包括金具温度、微风振动类。

（4）绝缘子类。 包括绝缘子污秽度、 绝缘子串风偏等。

（5）杆塔类。包括杆塔倾斜、 杆塔振动、杆件应力分布等。

（6）杆塔基础类。 包括基础滑移、不均匀沉降等。

（7）通道类。包括气象条件、 大气环境、外力破坏、 通道状况、 图像/视频、 雷电等。

3 输电线路设备监测信息建模

3.1 逻辑节点建模

对输电线路状态监测逻辑节点的设计需要充分考虑输电线路状态监测实际系统结构（见图1）。典型的系统由传感器、 代理装置（CMA）、 主站几部分构成。其中，安全通信组件统一负责传感器与 CMA 之间的唤醒、认证、数据通信和信息安全任务，可与传感器捆绑组成各类监测装置，CMA 则完成数据的加工和主站侧集中通信。

输电线路逻辑节点分为站级层与过程层2级，站级层的逻辑节点主要使用远方监测接口（IMTI）来建模， 考虑到对通道的监测实际， 在站级层还增加了远程控制接口（ITCI）、 通用自动过程控制（GAPC）， 共同表达了 CMA 的逻辑功能（如图2所示）。 过程层的各类传感器所具有的逻辑

功能，主要由不同的应用逻辑节点来建模。

图1 输电线路状态监测系统结构

图2 输电线路状态监测逻辑节点结构

根据 IED 的分层信息模型可知， 一旦确定了某个应用逻辑节点，即得到了 IEC 61850-7-4 中某个兼容逻辑节点类的实例，该逻辑节点就自然拥有了逻辑节点类中所有的兼容数据，如果兼容数据无法满足，就需要创建新的数据。因此，输电线路状态监测逻辑节点建模，需要进一步对数据、数据属性和服务进行设计。

3.2 逻辑设备建模

逻辑设备至少要包含 3个逻辑节点对象：1个物理装置逻辑节点（LPHD）； 1 个逻辑节点零（LLN0）； 1 个或多个特定应用逻辑节点。 其中LLN0 包含物理装置中 IED 相关数据。 LPHD 表述其所在的物理设备的公共信息，如铭牌信息、设备健康状态等； LLN0 代表逻辑设备的公共数据，包括逻辑设备的运行模式、行为和此逻辑设备的数据集内容。

以杆塔功能监测为例，包含2种典型采集装置， 分别对应杆塔振动（STGP）、 杆塔倾斜（STLF）2个逻辑节点，如图3所示。

杆塔所对应的逻辑节点模型包含 LPHD 属性集、LLN0 属性集、 STGP 属性集及 STLF 属性集，详细内容见表1—4。

图3 杆塔监测功能涉及的逻辑节点

表1 LPHD 类

表2 LLN0类

表3 STGP 类

4 多种通信方式比较

4.1 通信协议

IEC 61850 将功能与具体的通信技术和通信协议分离，通过将功能分解为标准化的模块，来规范信息的语义。 IEC 61850 并不对具体的通信技术和采用的通信协议做出限定，只要满足技术需要并能传输标准的信息模型，就可以使用该通信技术和协议，唯一需要做的工作是解释该通信技术和协议如何承载标准的信息模型，即映射问题。由于信息模型的功能服务独立于具体网络，功能的具体实现依赖于特定通信服务映射。所以可以采用3种方式实现：

表4 STLF 类

（1）根据信息模型中功能服务的特点， 在子站采集器管理机上向 IEC 60870-101 或 IEC 60870 -104 进行映射，实现通信映射，并通过变电站配置语言配置扩展来实现与主站的无缝连接。

（2）在子站采集器管理机上将IED 内容直接使用 61850 的 Web Service 方式发送给主站， 主站直接解释 61850 的 ACSI命令。

（3）在子站采集器管理机上将 IED 内容直接转换为 61970/61968 的信息格式， 以 Web Service方式来进行消息传递， 采用 61968 所定义的消息格式。

4.2 映射为 101 或 104

IEC 60870 标准的体系并不是分层的， 它是一种平面化的通信标准，这种标准将传输信息的语义和通信规则紧密的耦合在一起，它不能离开通信规则独立存在。 因此和 IEC 61850 与制造报文规范的映射不同， 由于 IEC 61850 与 IEC 60870在体系上的巨大差异，这种映射是两种不同体系之间的映射。 IEC 60870 主要用于过程层的实时信息交换， 并不能支持 IEC 61850 的所有功能。

映射到 IEC 60870-5-104 主要是为了实时交换过程信息，并提供文件传输和日志服务。这些实时信息可以映射为一部分 IE6 1850 通用数据类的数据属性， 在过程层将 ACSI中提供的过程层服务映射为 IEC 60870-5-104 的应用服务数据单元（ASDU）来交换信息。 因此必须提供信息模型的对象引用到公共 ASDU 地址和信息体地址（IOA）的映射来支持过程层的信息交换， 在过程层的服务中，监视方向上使用最多的就是读数据抽象服务请求 Get Data Values， 其可以映射为 ASDU<102>的读服务请求， 根据请求的信号类型的不同采用不同类型的 ASDU。数据集则映射为描述一组信号的子容器， 这组信号也通过 IOA 引用，类似于逻辑公共 ASDU 地址和 IOA 应能直接从IED 中检索。

4.3 W eb Service 上送

按照 IEC 61850 定义的服务器、 逻辑设备、逻辑节点和数据及数据集及所有服务，生成以XML 描述的 Web Service 的数据结构、 函数、 参数和返回值以及服务接口。在 Web Service 中，采用用户名和密码登陆的方式，每个设备均分配单独的统一资源标识来区分。

因 Web Service 的数据交换由客户端发起，故报告的实时上送是 Web Service 作为 IEC 61850通信接口的关键。因此在智能装置中，除了具有服务器端的功能外还必须具有客户端的功能，在其有突发数据时，可以将数据直接发给服务器，在监控后台中，除用于请求数据的客户端外，还必须具有接收报告的服务器端，以实时接收智能装置的报告信息。

61968 的消息交互主要用于系统和系统间的信息交互， 因此在 IED 中如果要实现 61968 的消息交互， 则需在 IED 中进行 SCL 映射， 将 IED 的61850 模型映射成 61968 模型， 并使用 61968 的消息动词来进行与主站的通信。3种通信方式的比较见表5。

4.4 使用 SCL 进行 IEC 60870-5-101 通信参数设置

SCL 文件是 1 个可配置文件， 能够被客户端和服务器共享。 它是 1 份配置表， 说明了 IEC 60870-5-101 或 IEC 60870-5-104 地址信息到基于 LN和 CDC 的信息模型之间的对应关系。 SCL 文件存储在服务端，客户端可以读取，内容将反映最后的配置信息，表6定义了能被使用的参数名。

表5 多种通信方式比较

表6 定义的参数

在输电线路设备监测领域使用的 SCL 文件可描述如下：

5 结语

对输电线路与变电站自动化两个领域应用IEC 61850 进行差异性分析， 对输电线路设备监测功能进行分解，提出并扩展了输电线路对象模型，并以杆塔功能为例，对逻辑设备进行建模。在对多种通信方式比较的基础上， 提出了把 IEC 61850 转换为 IEC 60870-104 的通信方式， 使设备的建模与通信能够符合国际标准，为输电线路状态监测自动化设备使用 IEC 61850 国际标准提供了借鉴。

[1]韩 法 玲 ，黄 润 长.基 于 IEC 61850 标 准 的 IED 建 模 分 析[J].电力系统保护与控制，2010，19（8）∶62-64.

[2]王 照 ， 任 雁 铭.IEC 61850 数 据 集 模 型 的 应 用 [J].电 力系统自动化，2005，29（2）∶61-63.

[3]张 杰 ， 候 思 祖 ， 陈 小 倩 ， 等.基 于 IEC 61850 信 息 建 模 方法的应用研究[J].电力系统通信，2011，32（229）∶31-34.

[4]IEC 61850 communication networks and systems in substations[S]．2004．

[5]全 国 电 力 系 统 控 制 及 其 通 讯 标 准 化 技 术 委 员 会.IEC 61850 变电站通讯网络和系统系列标准[S].北京：中国电力出版社，2002，

（本文编辑：杨 勇）

Research on M odeling and Communication Protocol for Transm ission Line Equipment Based on IEC 61850

FANG Jong1， YANG Xian-jin1， LIYing-hao2， FU Jun-qiang2
（1.Hangzhou Electric Power Bureau， Hangzhou 310009， China；2.College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Information modeling and themethod in substations are specified in IEC 61850， the core content of which are object-oriented information model and the modeling method.The paper proposes and extends objectmodel of detection facilities for transmission line status and changes it into the communication between IEC 60870-104 and the master station so that the modeling and communication of the equipment can meet the international standards.

smartgrid； IEC 61850； IEC 60870-5-104；object-orientation；informationmodeling

TM726.1∶TP319

： B

： 1007-1881（2012）11-0077-05

2012-03-23

方 炯（1973-）， 男， 杭州人， 工程师， 从事输电线路专业技术管理工作。