基于IEC61850的远动网关机与调度主站通信方法的研究

姚 晔，许晓峰，张武洋

基于IEC61850的远动网关机与调度主站通信方法的研究

姚 晔1，许晓峰1，张武洋2

（1.沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

在综合分析传统远动通信系统存在问题的基础上，提出了基于IEC61850的远动通信系统结构，并对其技术优点进行了总结。同时针对远动网关机的特点，提出了基于IEC61850的远动网关机与调度主站通信的3种技术方法，分别是数据透转、数据映射和模型映射，并分析得出一种最值得广泛应用的技术方法。

IEC61850；远动网关机；远动通信

电力系统远动指的是为电力系统调度服务的远距离监测控制技术。由于电能生产的特点，电力系统分布在很广的区域，负荷中心和能源中心一般距离很远，其中发电厂、变电站、电力调度中心和用户之间的距离可达到几十公里、几百公里甚至数千公里。因此，面对要管理和监控分布广泛的众多厂站、设备包括元器件的运行工况，通常的电联系或机械联系已经不能满足有效传递控制信息或反馈数据的要求，必须采取另一种技术手段，这就是远动技术。目前，随着计算机技术、电力电子技术和通信技术的不断发展进步，对信息共享和应用集成在电力系统中应用的需求越来越迫切，传统的远动技术也已经不能满足高可靠性、高实时性和大数据容量信息传输的要求［1］。

目前变电站内、变电站与调度中心之间，以及调度中心各应用之间存在协议无法完全兼容的问题，为了克服必须经过协议转换才能互相连接起来的弊病，可以采用统一的通信协议交换数据，制定统一的传输通信协议，使得从变电站的过程层至调度中心之间不同层次、不同类型的应用。其中，变电站内、变电站与调度中心之间采用的是lEC61850系列标准［2］。

本文在分析和总结传统远动通信系统和基于IEC61850标准的远动通信系统优缺点的基础上，重点介绍了基于IEC61850的远动通信网络结构，开展了基于IEC61850标准的远动通信网关机与调度主站的通信技术研究，列举了基于IEC61850标准的远动网关机与调度主站通信的3种可行性方案，通过对3种不同方案的性能、指标和可行性对比，得出一种适用于智能电网远动通信的最佳方案，从而实现智能电网调度端掌握的设备运行信息全面化，事故异常处理命令下达更快捷。

1 远动通信网络概述

1.1 远动通信网络发展及存在问题

实现远动信息网络化传输的关键是支持网络的电力远动通信协议。随着电力工业信息化进程的推进，原来的微波、载波线路和电力远动通信信息的网络化传输必然会被以国家电力数据网SPD Net为代表的ATM、SDH电力数据通信专网逐步取代。网络化的远动信息传输必将极大地提高数据传输效率，达到远动信息的实时性和可靠性的要求［3］。

通过调研及对相关文献的研究分析，可以发现目前变电站自动化系统远动通信普遍存在以下的问题。

a.国内很多系统使用的CDT规约是适用于采用点对点的远动通道结构、以循环字节同步方式传送的远动设备与系统。随着变电站数据传输的种类、数量和传输目的不断增长，CDT传输规约已无法满足无人值守变电站大信息量传输的需要，特别是在事故状态下大量报文的上传还会产生拥堵的现象。

b.POLLING是一种主从远动规约，采用异步通信方式，是传统的串行工作方式，由调度端不断地发出召唤代码发动通信，变电站只有在响应后才上送本站信息，这种采用点到点进行数据传输的电路交换方式，无法实现远动信息的网络化传输。

c.IEC103是一个相当成熟、实用性强的规约，但目前在实现无人值班远方集控时存在一些变电站自动化系统采用的是CDT规约，与按IEC103规约传输的保护信息不相互兼容，导致调度中心信息量远远超出了规约定义的范围，只能压缩传输信息量，致使远方调度中心接收到的信息不全面，更导致定值调取、故障录波和修改等功能得不到开发。

因此，为了适应智能电网建设的步伐，急需一种高可靠性、高带宽、标准统一的新的通信协议来满足智能电网远动通信的需求。IEC61850标准具备了智能电网远动通信的所有要求，可以实现对象建模的标准化、数据格式的统一化，将站内、站外用IEC61850标准无缝连接，进一步提升智能电网设备间的互操作性。

1.2 基于IEC61850的远动通信网络结构

基于IEC61850标准的变电站通信网络结构分为3层，依次为过程层、间隔层和变电站层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议（TCP／IP）以太网或光纤网。在间隔层和过程层采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的IED均采用统一的IEC61850协议通过网络进行数据交换。

远动网关机按照功能位于变电站层。远动网关机既要通过变电站层网络，采集各种遥测、遥信、SOE等数据，负责与间隔层的各个IED通信，也要通过电力调度数据网，负责与调度主站通信，向主站上送远动数据。远动网关机和调度主站之间网络采用IEC61850标准通信可实现无缝集成，并将抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）。基于IEC61850电力远动通信网络结构如图1所示。远动网关机在远动通信体系中起到数据通信承下启上的关键作用。远动网关机是变电站内IED装置的通信代理，避免了IED装置直接接入调度数据网，同时也避免了调度主站直接与每个IED装置通信，提高了系统安全性。变电站内部以及变电站与调度主站之间都采用IEC61850作为唯一的网络通信协议，省去了变电站到调度主站之间的协议转换，实现了变电站到调度主站的无缝集成［4］。

图1 基于IEC61850的远动通信网络结构

2 远动网关机与调度主站通信的方法

2.1 远动网关机与调度主站通信技术概述

IEC61850通信网关机既是IEC61850的客户端，与变电站的各个IED通信，又是IEC61850的服务端，与调度主站通信，同时IEC61850比传统远动协议通信数据流量大，这就要求IEC61850网关机具有较快的数据处理能力和通信能力。而目前电力远动系统涉及的功能，除了保护动作信息，还包括测量、遥信、遥控等其他信息，其传输是在变电站与控制中心之间，与变电站内的系统有很大差异［5］。因此，必须结合电力远动系统的功能与需要，研究基于IEC61850的电力远动系统通信方法。现有的研究还很少。本文针对基于IEC61850电力远动通信的需要，提出了远动网关机与调度主站的3种通信方法来解决传统远动通信方法所存在的问题。

2.2 数据透转

数据透转就是利用远动IED作为网关，起代理作用与主站进行通信，从功能实现角度，所有信息透明传输，主站可以通过远动模块访问所有IED数据。如图2所示，即主站通过远动模块透明访问到站内所有IEC61850装置，从而获取所有IED数据。

图2 数据透转示意图

这种方法的优点：①标准且稳定，与其他通信方法相比没有干扰数据、准确度高、稳定性强。②成本低便于管理。③易于推广。对于变电站信息采集要求的资源不是太多。缺点是处理器的异步数据接口波特率需要预先设定，不能实现自适应。

2.3 数据映射

数据映射是给定2个数据模型，在模型之间建立起数据元素对应关系的过程。如图3所示，远动IED作为网关，起代理作用与主站进行通信，从功能实现角度，所有信息透明传输，主站可以通过远动模块访问所有IED数据。远动作为站内客户端、主站服务端采用相同SCD文件，服务端通过客户端数据的映射来获取全站所有IED数据。即远动将所有61850装置的数据获取，主站通过访问远动模块获取所有IED数据。

2.3.1 建模原则

图3 数据映射示意图

a.物理建模原则：对外为多个个物理设备（物理设备个数＝站内装置个数＋1），应建立1个远动网关机自检信息IED。该对象是1个容器，包含服务器对象，服务器对象中至少包含1个LD对象，每个LD对象中至少包含3个LN对象：LLNO、LPHD、其他逻辑节点。

b.服务器（Server）建模原则：服务器描述了1个设备外部可见（可访问）的行为，本模式下，每个IED对外只建立1个服务器。服务器只包含1个访问点。支持远动网关机与调度主站的通信。

c.逻辑设备（LD）建模原则：远动网关机自检信息单独建立1个逻辑设备，其逻辑设备命名为SUBPUB。

站内装置逻辑设备建模原则：宜与站内装置ICD文件LD模型保持一致，不需要更改逻辑设备模型。

d.逻辑节点（LN）建模原则：需要通信的每个最小功能单元建模为1个LN对象，属于同一功能对象的数据和数据属性应放在同1个LN对象中。LN类的数据对象扩充应遵循DL／T860系列标准工程技术实施规范。远动网关机自检信息应建立至少2个逻辑节点对象，分别用于建立远动网关机自身的遥信信息及远动网关机自身的遥测信息模型。自检信息模型应选用通用LN模型（GGIO），或遵循DL／T860系列标准工程技术实施规范的原则进行扩充。

e.站内装置的模型实施原则：宜采用站内逻辑设备直接映射原则，不改变其逻辑设备以下的模型，以确保模型的一致性，以及模型的自动映射。2.3.2 实现过程

a.系统配置工具导入站内装置的ICD文件，配置装置通信地址等相关参数，从而生成全站共用的作为数据源的SCD文件。

b.系统配置工具导出每个装置用到的CID文件，并通过FTP或其他相关传输方式下装到装置中。

c.交互流程：调度主站下发指令给代理模块，网关模块根据reference名称下发给相应的站内设备。站内设备发出的报告、返回报文，代理模块根据reference转发给调度主站。这种方法有利于开发过程中的数据追踪审查。

2.4 模型映射

模型映射就是将原有SCD模型中的各个IED映射到代理模型上变成1个统一的代理IED，而原有IED内部的LD全部映射到代理IED内部的特殊LD，这些LD通过特殊的LN来表示其原有IED归属，而LD0则是包含了与代理IED相关的一些信息，为代理IED特有的LD信息。由于客户端和服务端采用SCD模型不同，所以要通过模型映射实现全站数据，如图4所示。

图4 模型映射示意图

2.4.1 建模原则

a.物理建模原则：对外为1个物理设备，应只建立1个IED对象。该对象是一个容器，包含server对象，server对象中至少包含1个LD对象，每个LD对象中至少包含3个LN对象：LLNO、LPHD、其他逻辑节点。

b.服务器建模原则：服务器描述了1个设备外部可见（可访问）的行为，本模式下，对外只建立1个服务器。服务器只包含1个访问点，支持远动网关机与调度主站的通信。

c.逻辑设备建模原则：远动网关机自检信息单独建立1个逻辑设备，其逻辑设备命名为SUB⁃PUB。站内装置逻辑设备建模原则：去掉IED层次，将该IED下所有LD提取，直接映射到代理IED下，其逻辑设备名称映射规则：逻辑设备名称＝IED名称＋LD名称。

d.逻辑节点建模原则：需要通信的每个最小功能单元建模为1个LN对象，属于同一功能对象的数据和数据属性应放在同1个LN对象中。LN类的数据对象扩充应遵循DL／T860系列标准工程技术实施规范。远动网关机自检信息应建立至少2个逻辑节点对象，1个用于建立远动网关机自身的遥信信息，另1个用于建立远动网关机自身的遥测信息模型。远动网关机自检信息模型应选用通用LN模型（GGIO），或遵循DL／T860系列标准工程技术实施规范的原则进行扩充。

e.站内装置的模型实施原则：宜采用站内逻辑设备直接映射原则，不改变其逻辑设备以下的模型，以确保模型的一致性，以及模型的自动映射。

2.4.2 实现过程

a.系统配置工具导入站内装置的ICD文件，配置装置通信地址等相关参数，从而生成全站共用的作为数据源的SCD文件。

b.系统配置工具导出每个装置用到的CID文件，并通过FTP或其他相关传输方式下装到装置中。

c.交互流程：调度主站下发指令给代理模块，代理模块根据逻辑设备中IED的名称，更改reference名称后下发给相应的站内设备。站内设备发出的报告、返回报文，代理模块根据IED、LD名称，更改reference后转发给调度主站。

2.5 方法比较

IEC61850标准总结了智能变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用协议的抽象通信服务接口。在IEC61850中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑节点模型、逻辑设备模型、数据模型和数据集模型。客户通过服务接口，由特定通信服务映射，映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范等。上述提出的前两种方法都是起代理的作用与主站进行通信，第三种方法可从源模型到目标模型之间可通过一对一、一对多、多对一、多对多等多种不同映射类型来访问所有IED数据且还原数据实现全站数据传输。鉴于调度中心与变电站的数据模型存在较大差异，在互通上需要进行转换，模型映射是可以解决实际应用问题的通信。

3 结束语

随着IEC61850标准的应用逐渐成熟，变电站内部已经具备了完整的数据模型，信息的传输能力也有了很大的提高，本文将IEC61850标准引入到远动通信系统中，提出了3种远动网关机与调度主站通信的方法，通过比较发现，模型映射的方法解决了调度中心与变电站之间数据贯通进行实时数据传输这一基础性问题，所以模型映射将成为远动网关机与调度主站通信的主要方式，对促进电网自动化的发展、保证电网安全运行具有重要意义。但是这一方法还没有实际操作运用，因此仍然存在很多问题需要进一步发现和研究。

［1］ 窦仁晖.IEC61850与IEC61970无缝通信技术研究与实现［D］.南京：东南大学，2012.

［2］ 黄少雄，黄太贵，程 栩.智能变电站信息一体化平台建设方案研究［J］.东北电力技术，2012，33（2）：21-24.

［3］ 于海洋，王英明，张武洋，等.基于多元数据的智能变电站高级应用探讨［J］.东北电力技术，2014，35（6）：38 -40.

［4］ 笃 竣，祁 忠.基于IEC61850的变电站新型远动网关机［J］.电力自动化设备，2011，31（2）：112-115.

［5］ 曹晏宁.调度自动化实时系统与数字化变电站接入研究［J］.城市建设理论研究，2012（13）：1-7.

Research on Communication Method of Remote Control Gateway and Control Center Based on IEC61850

YAO Ye1，XU Xiao⁃feng1，ZHANGWu⁃yang2
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper proposes the structure of remote communication system with IEC61850 based on the problemswhich exist in tra⁃ditional remote communication system，its technological advantages are summarized.According to the characteristics of remote control gateway，the three communicationmethods of remote control gateway and control center are proposed.The threemethods are data trans⁃fer，datamapping andmodelmapping，respectively.This paper concludes that it's advisable to apply this threemethods through analy⁃zing research ata.

IEC61850；Remote control gateway；Remote communication

TM764.2

A

1004-7913（2015）07-0024-05

姚 晔（1990—）女，硕士，主要从事智能电网等方面的研究。

2015-04-05）