基于IEC标准的常规变电站的动态建模方法及应用

陈卫建 蒋正威 黄 斌 肖艳炜 杜奇伟

（浙江省电力公司，杭州 310007）

随着电力体制改革的不断推广和区域联网的不断加强，不同电网间的数据间的可互访、可操作性的要求日益增强。因此，如果整个互联电力系统中的通信没有一个统一的通信规约，就不可能在一个ΙT 架构基础之上，有效地选择不同的自动化设备、远动系统以及数据采集装置等供货商。为此，ΙEC TC57 制定了统一的通信系统体系，来构成电力系统的无缝通信系统体系，使得电力系统运营商和供货厂商都可以从这些标准中获益。

ΙEC 61850、ΙEC 61970 系列标准是由ΙEC TC57开发并维护的两个重要标准，分别致力于电力系统控制中心和变电站的信息建模与信息交换，是目前最为完善、接受程度较高的两个标准。

1 IEC 61850 和IEC 61970 标准

由于电网技术的迅速发展，提供了通过网络交换数据的可能性，且传输信息容量大大增加。随着电力市场的兴起和电力系统的扩大，信息量越来越大，要求在各种自动化系统内快速、准确地集成、合并和传播实时信息；在电力控制系统的所有设备容易交换信息和自由访问所感兴趣的部分是对新的无缝通信系统的基本要求。由于这种需求，命名为“Communication networks and systems”的ΙEC 61850 标准，于 2003年9月后陆续推出，我国等同采用并转化后，标准编号为DL/T 860。与以往的ΙEC 60870 系列标准、DNP等标准不同，ΙEC 61850 标准已经超越了单纯的通信范畴，成为包括变电站系统功能定义、信息模型搭建、通信接口封装、配置以及一致性测试等众多特性的全新标准。由于电网中存在大量非ΙEC 61850 标准的变电站设备，需要在ΙEC 61850 逐步推广的背景下，对已有设备妥善处理。

ΙEC 61970 系列标准，包括公共信息模型（CΙM）和组件接口规范（CΙS）两部分内容。CΙM 描述了应用程序接口的语义（semantics），CΙS 描述了应用程序接口的语法。其提出的主要目的和意义在于：①便于来自不同厂家的能量管理系统（EMS）系统内部各应用的集成；②便于EMS 系统与调度中心内部其它系统的互联；③便于不同调度中心EMS 系统之间的模型交换。ΙEC 61850 和ΙEC 61970 两种标准各自定义了变电站信息模型，但两者间没有无缝的映射，而实际应用中往往同时涉及到两种标准的使用，因此需要处理好两种标准的结合问题。

2 常规变电站IEC 61850 动态建模方法

2.1 常规变电站向IEC 61850 标准适配

常规变电站间隔层广泛采用的是 ΙEC60870- 5-103 协议[10]。将已有设备在短期内全部更换，不仅电网运行方面不现实，而且是不经济的。因此，ΙEC 61850 标准的推广必然存在过渡期。

在过渡期内，使常规变电站设备兼容ΙEC 61850有两种不同的策略可以采取，即非网关策略和网关策略[2]。非网关策略通过建立ΙEC 61850 设备和常规变电站设备公用的数据库，及公用数据库和其他协议数据库的映射实现，数据交互和相互兼容。该策略的优势在于难度较小，且工作量主要集中在研发阶段，现场工作相对轻松。缺点是ΙEC 61850 设备本身也需要兼容其他设备，协议映射复杂，不利于发挥ΙEC 61850 的优势。

网关策略顾名思义，指在遵循不同协议的设备之间加上一种协议转换设备（也就是网关），从而使信息可以无缝传输。以变电站间隔层为例：该策略中，网关加入并非只是为了使某个特定的常规ΙED兼容ΙEC 61850，而且要求提供一些通用的服务。提供ΙEC 61850 服务的前提下，可以通过配置文件灵活封装各种间隔层的常规ΙED。

ΙEC 61850 与传统的相关协议在数据模型上是存在根本不同的。ΙEC 61850 的数据模型是面向对象的。而诸如ΙEC60870-5-103 等协议时面向点的。即依靠各种数据地址这种点信息来区分不同的信息，如某个开关的状态、某条线路的运行参数测量值。非ΙEC 61850 向ΙEC 61850 数据模型的转换过程，涉及将线性的型号点表按照ΙEC 61850 的面向对象方式重新建模的过程，这是一种从平面到立体的过程[1]。反之，则需将面向对象的数据拆分为面向点表，是一个由立体到平面的过程。

图1 IEC60870-5 的ASDU 和IEC61850 的映射关系

遵循ΙEC60870-5-103 协议等协议的常规ΙED 送出数据至网关。网关内包含协议转换模块、实时数据库、服务模块和配置工具模块[6]。网关内的协议转换模块负责接收ΙED 送出的数据，并进行接收映射转化。协议转化时，ΙEC60870-5 的ASDU 和ΙEC 61850 的映射关系如图1所示。处理工作完成后数据送符合ΙEC 61850 的实时数据库备用，然后通过服务模块实现间隔层设备所需的ΙEC 61850 服务子集。另外，配置工具模块能够根据ΙED 送出数据所遵循的协议对协议转换模块和实时数据库做出相应的配置，从而实现网关对各种常规ΙED 的通用性。

2.2 IEC 61850 标准与IEC 61970 标准的协同

随着电网规模的不断扩大，结构的日益复杂，对能量管理系统和变电站间的相互通信要求变高了。现有的标准协议在解决这方面问题时，已显得有些吃力。ΙEC 61850 和ΙEC 61970 是电网中的两个常用标准。如前所述，ΙEC 61850 主要是一个数据通信标准，在变电站自动化方面适用。控制中心调度上使用ΙEC 61970 标准，该标准中定义了CΙM（公用信息模型），其目的和意义是：便于来自不同厂家的EMS 内部各应用的集成，便于EMS 与调度中心EMS 之间的模型交换。将ΙEC 61850 标准和ΙEC 61970 标准相互结合，在解决上述问题上存在着可行性和必要性[3-5，9，13]。它们的结合可以提高电网的运行效率，产生很大的经济效益。

总的来说，两种标准共包含3 种相对独立而需要结合的信息模型，即ΙEC 61970/ΙEC61968 的CΙM模型，ΙEC 61850 的配置模型（SCL 文件），ΙEC 61850运行时模型（Run Time Model）。

因为电网中大量存在基于ΙEC 61850 的装置和基于CΙM 的产品，而且不论是修订ΙEC 61850 还是CΙM 都会需要很长的时间，协调两种规范进行交互，最好采用改动较小的稳健做法。也就是说，关于描述信息如何在基于ΙEC 61850 和ΙEC 61970/61968 的系统间转换的问题，并不希望过于详细。但是，为了实现ΙEC 61850 和CΙM 结合的自动化，描述两者关系时应采用一种适用于机器的方式，即两者关系的描述必须是明确而不模糊的[12，14-15]。

将61850 和CΙM 结合时，由于个标准使用各自的信息模型，使得有几个关键的问题需要解决。

1）模型结合的语义设定（Model Harmonization Semantic Setup）：如何将61850 的配置和运行时模型与61970/61968 信息模型相互联系。这个用于描述结合时需对标准所做的修改。

2）配置信息流（Configuration Ιnformation Flow）：设置运行所需的通信系统。

3）运行时数据流（Run-time Ιnformation Flow）：装置和应用间交换实时测量信息和控制信息。

下面将对这几个问题进行阐述。

1）语义模型协同

描述信息模型时有多种可用的技术。UML 可用于描述类（classes），类属性和不同类之间的关系。另外，描述信息模型时还可以使用诸如网络本体语言（Web Ontology language，WOL）之类的本体语言。

使用XML 编写的OWL 提供独立于应用程序（application-independent）信息描述方式。同过使用OWL，不管是集成的还是单一的信息系统，都可以分解为信息子系统。这些子系统对内部使用自己的语义（semantics），但对外看做单一的联合异构信息模型（federated heterogeneous information model）。OWL 可以指出不同信息模型间的异同之处。例如，OWL 可以用于表述ΙEC 61850 和CΙM 间的不同之处。通常，建议同时使用UML 和OWL 对信息模型进行描述。一般的步骤是：

（1）使用UML 建立ΙEC 61850 抽象的运行时类的模型，并将它加入CΙM。抽象运行时模型指模型不在运行时实例化，只是作为运行时类的基类。

（2）建立ΙEC 61850 变电站功能类模型，该模型是SCL 的一部分，运行时的OWL 具体类。

（3）用OWL 建立关于ΙEC 61850 变电站功能模型和CΙM 间关系的模型

（4）关联选定的元素，使用XML 建立ΙEC 61850 运行时模型（ΙE61850-7-2）到CΙM 模型的抽象类。从ΙEC 61850 运行时模型中选定的袁术包括Server、LogicalNode 和DataAttribute。

（5）使用OWL 建立从ΙEC 61850 运行时模型（ΙEC 61850-7-3 和-7-4）具体类到CΙM 模型具体类间详细关系的模型。例如，建立从ΙEC 61850XCBR.Pos.stVal 到CΙM Breaker 位置信息间关系。

2）配置协同

变电站加电（energized）前，标准的结合主要着眼于离线数据文件交换。这种文件交换需要同步SCL 数据和CΙM XML 数据。两种文件格式可以通过OWL 建立关联，从而用OWL 去联系CΙM 和61850 的类。OWL 文件包含其对CΙM 和SCL 数据的编码及CΙM OWL 元素和SCL OWL 元素的关系。

CΙM 和ΙEC 61850 没有能够彻底融合，使得建立61850 和CΙM 的双向转换拓扑模型比较困难。例如，CΙM 的 Disconnector、LoadBreakSwitch 和GroundDisconnector 与ΙEC 61850 的CircuitSwitch存在多对一的关系。这样，将CΙM 模型向SCL 变电站功能模型（Substation Function Model）转化时，一些细节信息就会丢失。

从CΙM XML 到61850SCL 的OWL 映射描述了转换过程中丢失的细节，用户可以按照需要自行添加丢失的细节。另外，细节信息还可以在ΙEC 61850运行时数据中再次找回。

图2 信息模型间的数据流

图2显示的是配置及运行时的信息流，还有对语义结合（semantic harmonization)的影响。

通过建立一种机器可读的映射，可以开发出实现以下功能的软件：

（1）从CΙM 模型建立SCL 拓扑模型

（2）从 SCL 变电站功能模型（Substation Function Model）建立CΙM 拓扑模型

（3）检测CΙM 拓扑模型与SCL 变电站功能模型（Substation Function Model）的一致性

3）运行时间协同

在运行时间，运行维护（O＆M）应用通过GΙD（Generic interface definition）获取ΙEC 61850 数据。GΙD 服务支持CΙM 数据、61850 数据和CΙM/61850结合数据的展示。

（1）Physical view

包含CΙM 的拓扑模型及61850 提供的测量值。类似于已有的TC57 PhysicalView，但是进一步指出测量值使用61850 的命名

（2）Device View

包含完整的61850 数据模型而不是CΙM 拓扑模型。

（3）Measurement View

包括CΙM 拓扑模型及61850 提供的测量数据，但是该情况下测量值较复杂，包括61850 元数据（meta data）。

图3展现的是如何将61850 的数据提供给GΙD接口，用于构建Device View 模型。

图3 IEC 61850 向61970 映射示例

3 在常规变电站的应用

为比较全面地验证本文研究建模方法及其动态适配技术的总体效果，针对常规变电站与主站之间，在试点项目中，考虑目前调度自动化系统的重要地位，在尽量不影响当前系统工作模式的前提下进行图、模信息的适配接入，常规变电站与EMS 主站的图、模、数信息流如图4所示。

并开发了面向EMS 模型信息动态验证管理工具，采用以下策略提高了系统的易用性和方便性：提供C/S 方式维护界面；提供本地系统维护界面；互联各个节点的参数，实现全网数据的统一和备份；ΙEC 61850 模型的更新只需要在变电站内操作，主站可以同步加载使用。模型维护工具主界面如图5所示。

图5 模型动态构建及映射界面

通过获取子系统产生的点信息文件，通过相应程序动态写入传统规约和ΙEC 61850 模型文件中，主站侧信息的导入目前半自动导入及人工核对确认的方式，图模信息导入由专业维护人员确认才正式导入系统。实现变电站与主站之间模型、信息表只需在变电站一侧进行维护，主站可以同步加载使用，减轻维护工作量，方便主站与变电站之间信息核对和校验。

4 结论

针对ΙEC 61850 逐步推广过程中，遗留非ΙEC 61850 标准变电站设备间不能互操作、互替换和信息共享的问题，给出了过渡期间的策略。该策略不但可以解决这些问题，使遗留设备部分支持 ΙEC 61850 标准，而且在这些设备淘汰后，不需对原系统做出大的改动。

本文介绍了ΙEC 61850 和ΙEC 61970 标准间相互结合的策略，主要涉及语义模型结合、配置结合和运行时间结合。阐述了两种标准间的重叠和不一致的地方及解决方法。并在浙江某典型变电站进行了示点，应用效果表明本文所述方法可以较为方便地解决常规变电站与主站间的模型、图形、数据的动态适配问题，大大减轻了维护工作量。

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