基于IEC 60870-5-104规约扩展的配电终端自描述功能实现方法研究

徐 迅，梅 军，钱 超，郑建勇，王 勇，稽文路，张 明

(1.东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096；2.南京供电公司，江苏 南京 210019)

基于IEC 60870-5-104规约扩展的配电终端自描述功能实现方法研究

徐 迅1，梅 军1，钱 超1，郑建勇1，王 勇2，稽文路2，张 明2

(1.东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096；2.南京供电公司，江苏 南京 210019)

将IEC 61850标准运用到配电终端的建模中，使原本缺乏描述的数据具备描述信息。为了解决IEC 60870-5-104协议不能传输终端描述信息的问题，分析了几种模型文件映射方法的优缺点，提出了利用104扩展协议传输描述信息的实现方法。参考IEC 60870-5-104规约的报文格式，设计用于传输装置自描述信息的报文，实现配电终端的自描述功能，并提出基于扩展104协议的终端描述信息更新机制。最终通过国电南瑞配电自动化系统试验论证了该方案的可行性。

IEC 61850；IEC 60870-5-104；配电终端；信息模型；协议扩展；自描述

0 引言

随着配网自动化程度不断提高，配电终端与配电主站的信息交互变得越来越频繁。现有的通信方式中多采用IEC 60870-5-101/104协议，其中101规约采用串行通信方式，104规约采用以太网TCP/IP通信方式，这两种协议主要针对已知设备进行连接，并且只能发送状态、采样、控制等数据信息，对于信息的描述没有涉及。

为了实现配电终端的自描述功能，文献[1]提出通过发现/注册机制完成配电主站与配电终端的配置。这种方法需要配电主站定时发送召唤信号。文献[2]提出可以使用IEC 61850-7-2标准中的GetDirectory、GetDataDirectory等服务来获得IED设备的自描述信息，这种配置方式通过IEC 61850的通信服务返回值获得配置信息，获取信息比较方便，但是文中并没有给出相关服务的映射方法。文献[3-4]提出配电终端SCL数据模型和配电主站CIM数据模型的转换方式，通过研究两种模型之间的数据映射，将配电终端的模型信息转入到中间模型中，再通过文档传送方式写入配电主站数据库中。这种方式需要配电主站侧对文档进行解析，工作量比较大。

配电终端自描述功能主要包括终端模型的建立以及模型的传输这两方面的内容。本文提出一种新型配电终端自描述功能的实现方法。通过借鉴IEC 61850面向对象的建模思想完成配电终端的建模，在模型中增加了远程维护和在线监测这两个逻辑设备。参考IEC 60870-5-104规约的报文格式，设计用于传输装置描述信息的报文，这种基于104规约扩展的方案解决了以往装置描述信息无法传输的问题，从而实现配电终端的自描述功能。

1 配电终端的模型建立

1.1 配电终端的功能分析

配电终端是用于配电网的各种远方监测、控制单元的总称。目前，常见的配电终端大致分为三个类型：馈线终端(FTU)，配变终端(TTU)以及站所终端(DTU)。其中以馈线终端FTU最为常见[5-6]。下面以FTU为例介绍配电终端的功能。

如图1所示，FTU是集测量、保护、监控为一体的远程自动监控装置。FTU的基本功能包括遥测、遥信、遥控，故障检测与处理，故障录波，电能质量检测等。其中遥测、遥信、遥控即监控与数据采集(SCADA)功能。

图1 FTU典型应用场合Fig. 1 Typical applications of FTU

此外，配电终端还具备远程维护和实时监测功能。配电终端的远程维护功能是在远方对配电终端运行及控制参数进行修改及调整，该功能主要实现对保护定值等与系统运行相关的参数进行远程的修改及装置的相关维护工作，以便减轻运行人员的设备维护工作量。配电终端的实时监测功能主要是对配电终端主要功能模块的运行状态进行实时检测，如配电终端采样模块、控制模块及电源模块等主要元部件的工作状态，当配电终端设备相关功能模块运行出现异常时，配电终端应能够对相关异常进行自检并评估故障的严重程度，并及时将相关告警信号上送至主站，以便运行维护人员能够及时发现并对故障进行处理，从而保障系统的稳定、可靠运行。

1.2 配电终端的信息模型

针对国电南瑞的PDZ800配电自动化终端，借鉴IEC 61850的建模思想，建立了信息模型，如图2所示。

图2 FTU信息模型Fig. 2 Information model of FTU

根据对FTU功能的分类，将服务器(Server)划分为4个逻辑设备，分别为LD1(SCADA)，LD2(保护)，LD3(远程维护)，LD4(实时监测)。很多论文都研究过LD1(SCADA)和LD2(保护)这两个逻辑设备的建模，而对于LD3(远程维护)和LD4(实时监测)这两个逻辑设备建模的研究比较少[7-8]。如图2所示，LLN0和LPHD是每个逻辑设备不可缺少的两个逻辑节点，其中LLN0包含逻辑设备里的公共信息，LPHD含有与物理装置本身相关的信息。LD3中的PIOC、PTOC是为了实现配电系统带时限过流和反时限过流的定值下发。ZBAT是远方对配电终端的电池就地维护。LD4中的SIMG和SIML是绝缘介质监视，分别用来监视气体绝缘介质和液体绝缘介质。PTTR是过热逻辑节点，此逻辑节点适用于所有的过热功能。MSQI监测不平衡电压、电流，用来判断PT、CT是否断线。同时，新建终端状态监测通用逻辑节点GMIO，对无法对应到IEC 61850-7-4中逻辑节点的监测量进行统一建模。

2 通信协议的选择

2.1 配电自动化系统常用的通信协议

由配电终端的工作方式可知，配电终端的信息交换主要分为以下三类：配电终端与电压、电流互感器之间的通信；配电终端与配电终端之间的通信以及配电终端与配电主站之间的通信。IEC 61850对于前两种信息交换方式给出了明确具体的规定，其中电压、电流互感器与配电终端的通信采用采样值传输服务，配电终端与配电终端之间采用GOOSE报文[9-10]。而对于第三类通信，即配电终端与配电主站之间的通信，目前尚未实现统一的规定。为了实现配电终端的自描述功能，终端与主站的通信内容不仅要包含实时数据，还应该包括模型的描述信息。目前广泛应用的104规约仅能完成数据的传输，故模型描述信息的传输是实现配电终端自描述功能的关键。

图3给出了5种配电主站与配电终端信息交换的方式。

图3 主站与终端间的通信方式Fig. 3 Communications between the master station and the terminal

1) 传统配电网中，基于点表传输数据的IEC 60870-5-101/104协议是实现配电主站与配电终端通信的主要方式，如图中FTU1 所示。这种方式只是完成了数据传输的任务，在数据实际传输的过程中，数据之间的关系容易丢失且在安装调试配电自动化系统时，需要在主站和终端间以人工的方式核对点表，工作量巨大且易发生错误。

在IEC 61850标准引入配电自动化系统后，借鉴IEC 61850的建模思想对配电终端进行功能建模成为一种趋势，这使得原先缺乏关联的数据具有了自描述的功能。然而IEC 61850标准并未规定具体的通信协议，选择哪种通信协议以及如何将模型映射到通信协议是实现配电终端自描述功能的关键。图中所示FTU3、FTU4和FTU5是将信息模型映射到三种不同的通信协议。

2) FTU2将信息模型映射到MMS协议。MMS协议具有完整的信息模型，可以通过将IEC 61850的信息模型映射到MMS的信息模型里面实现配电终端与配电主站的通信。但是由于MMS信息模型的层次与IEC 61850信息模型的层次有所不同，例如IEC 61850里的逻辑节点、数据、控制等都要映射到MMS里的有名变量。这会造成调用逻辑节点信息的服务响应中包含大量冗余信息。又由于配电终端数量多，故这种方式不适用于配电系统。

3) FTU3将信息模型映射到IEC 60870-5-104协议，这种方式可以实现配电终端与配电主站实时信息的传输，但是还不能支持用于获取终端信息模型的GetServerDirectory以及GetLogicalDirectory等服务。

4) FTU4将信息模型映射到Web services，Webservices技术是服务器程序通过Internet发布应用服务并能够被客户端程序远程调用的一种标准机制。Web services不适合用于实时数据的传输[11-12]，配电自动化系统通常会使用IEC 60870-5-104+Web services的方法实现配电主站与配电终端的通讯。但是配电自动化系统数据传输的安全性日益成为电网公司关注的焦点，因此，Web services作为公有协议并不能保证数据传输的安全性。

5) 如图中FTU5所示，借鉴IEC 60870-5-103协议中的类型标识来扩展IEC 60870-5-104协议，使之不仅能够传输实时数据，还能通过召唤终端描述、应答等报文获取配电终端的信息模型，从而实现配电终端的自描述功能[13-14]。

2.2 IEC 61850模型映射到IEC 60870-5-104

国际电工委员会制定了IEC 61850-80-1，规范了IEC 61850模型向IEC 60870-5-104映射的方法。主站通过配置实现与终端信息模型的数据交换，配置方式有多种，常用的是以变电站配置描述语言形成的SCL(Substation Configuration Language)文件。映射的框架图如图4所示。

图4 映射框架图Fig. 4 Frame diagram of the mapping

其中，逻辑设备序号映射到公共地址CASDU(Common Address of ASDU)。逻辑节点序号和数据属性映射到信息对象地址IOA(Information Object Address)。

如表1所示，“有功值”的地址是1，“无功值”的地址是2，“A相电流幅值”是3，即相同类型的数据的地址是连续的。

由于传送的数据有各种类型，IEC 60870-5-104定义了类型标识(TI)对不同的数据类型加以区别。例如类型标识30(带CP56Time2a时标的单点信息)用来表示电池数据，类型标识31(带CP56Time2a时标的双点信息)用来表示开关位置数据，类型标识39(带CP56Time2a时标的继电保护启动事件)用来表示保护类数据。

表1 数据地址Table 1 Data address

2.3 IEC 60870-5-104的扩展

目前，在工程实际中配电终端通常使用FTP上送模型文件，配电主站通过解析配电终端的SCL文件，将配电终端信息模型内的数据映射到 IEC 60870-5-104中的地址信息中，完成配电主站与配电终端的配置工作。这种方式实施起来简单方便，但是模型文件的传输可能引起网络的延时，影响实时数据的传输。

另外一种配置方式是借鉴IEC 60870-5-103协议中的类型标识，并参考104规约的报文格式，设计用于传输装置描述信息的报文[15-17]。在104规约中扩展一种应用数据服务单元ASDU，采用八位位组串作为数据类型，传送对应信息体的描述。终端装置在与主站连接后，将装置的描述信息按照信息对象地址排列，等待主站召唤命令。

遵循104规约对报文格式的基本定义，扩展两种报文格式如表2和表3所示。

扩展报文的类型标识为A0H，其余的报文格式与104规约中要求相同。

扩展报文的类型标识为A0H，每个信息体的数据类型是八位位组串，由终端控制每帧报文上送的信息对象的个数。

主站获取终端描述时使用的传送原因为总召唤，当主站系统重新启时或者当主站判断出终端装置为重新上电时，发送召唤终端描述的报文，终端装置收到召唤报文后将按照信息对象地址排列好的装置描述信息依次送至主站，完毕后发送响应结束报文。

表2 主站召唤终端描述的报文格式Table 2 Message format for the master calling terminal description

表3 终端应答的报文格式Table 3 Message format for terminal response

2.4 基于扩展104协议的终端描述信息更新机制

新上电的配电终端向配电主站发送Register信息进行注册请求，此信息中包含配电终端的版本配置、名字、IP地址等信息。配电主站收到Register信息后发送一次Discover信息给相应的终端来召唤终端的描述，此信息中包括配电主站的名称、IP地址等信息。配电终端收到Discover信息后将描述上送主站，此后配电主站将新注册的配电终端上传的信息与主站已有的终端信息库进行比较。

处理结果分为三种情况，如图5所示。

1) 配电主站的终端信息库中没有新注册的配电终端，则配电主站要在终端信息库中增加相应的终端信息，通过扩展104获取终端的模型信息，并将全部信息按照信息对象地址录入数据库中，并将信息对象地址与系统监视画面关联；

2) 配电主站的终端信息库中有新注册的配电终端，则依次比较每一个信息对象地址的描述是否一致，如果配置信息版本号等描述有所改变，则需要更新相应信息对象地址下的描述信息，并且自动更新系统监视画面中该信息对象地址的描述；

3) 新注册的配电终端的模型在配电主站中已经存在，则配电主站可以直接获取配电终端的实时信息。

图5 终端描述信息更新机制Fig. 5 Terminal description information update mechanism

3 试验系统

3.1 配电终端自描述功能实现的基础

为了使采用IEC 61850标准建模的配电终端能够自动快速接入配电系统并实现自描述功能，国电南瑞自主研发的配电自动化管理系统通过终端注册、主站建模、模型映射、配置下发、终端接入等一系列步骤实现配电终端的即插即用。

1) 终端注册：与通常采用的发现/注册模型不同，在此系统中，当没有注册的配电终端接入系统后会主动将配电版本号、IP地址发送给主站。主站识别到配电终端的地址后，通过召唤报文获取终端的自描述信息。这样减少了配电主站按时通过UDP发送“发现”命令的步骤。

2) 主站建模：配电主站获取配电终端的整个信息模型后，解析出模型中的数据及数据属性。然后根据模型中逻辑设备的划分，自动生成符合IEC 61850-80-1的信息点表，即各数据所对应的信息对象地址。

3) 模型映射：根据IEC 61850-80-1的映射规则，主站侧生成IEC 61850模型数据映射到IEC 60870-5-104地址信息中的映射文件。

4) 配置下发：映射文件生成之后，主站将映射文件下发给相应的终端设备。这样便完成了通信双方的配置工作，配电终端从而接入配电系统。

3.2 试验验证

试验系统如图6所示，主站采用OPEN-3200，工作站为HP系列，采用Linux系统，编程软件使用microsoft visual c++6.0。终端采用PDZ800，该配电自动化终端采用高配置的硬件平台进行开发。当配电终端上电或主站系统重启时，主站侧的管理界面立即显示主站发送的召唤报文，终端在1 s内会发送应答报文将自描述信息依次上发主站。经过多次试验，从主站发送召唤报文到终端回复应答报文之间的时间少于1 s，完全满足配电自动化系统对时间的要求。

图6 试验系统Fig. 6 Test system

4 结论

本文建立了基于IEC 61850标准的配电终端信息模型，并在模型里增加了远程维护和实时监测功能的逻辑设备。在比较目前常用的通信协议的优缺点后，提出采用扩展的IEC 60870-5-104协议实现配电主站与配电终端的信息传递。配电终端的实时数据通过映射到104中的信息对象地址实现传输，配电终端的描述信息通过主站召唤终端描述报文和终端应答报文实现传输。其中，应答报文采用八位位组串的数据类型传输装置描述信息，装置描述信息按照信息对象地址排列依次上传至主站。最终通过试验证明了扩展的IEC 60870-5-104协议在配电自动化系统应用的可行性。解决了常规IEC 60870-5-104协议不支持模型文件传输的问题。

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(编辑 魏小丽)

Research method for implementation of the self-describing function of distribution terminals based on the extended IEC 60870-5-104 protocol

XU Xun1, MEI Jun1, QIAN Chao1, ZHENG Jianyong1, WANG Yong2, JI Wenlu2, ZHANG Ming2
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China)

In order to make the data lacking in descriptions enjoy self-describing information, the IEC 61850 is applied to the modeling of distribution terminal. The protocol IEC 60870-5-104 don’t support the transmission of the self-describing information, the advantages and disadvantages of several model file mapping methods are analyzed and the extension to 104 protocol is put forward to solve the problem. The message used to transfer self-description information of devices is designed through referring to the message format of 104 protocol, which can realize the self-describing function of the distribution terminal. At the same time, a terminal description information update mechanism is proposed based on the extended 104 protocol. The feasibility of the scheme is confirmed by the test on the distribution automation system of NARI.

IEC 61850; IEC 60870-5-104; distribution terminal; information model; protocol extensions; self-description

10.7667/PSPC150910

2015-06-02；

2015-11-20

徐 迅(1991-), 男, 硕士, 研究方向为智能电网；E-mail: xuxun_seu@163.com

梅 军(1971-), 男, 博士, 副教授, 硕士生导师, 研究方向为电力电子, 智能电网等；

钱 超(1990-), 男, 硕士, 研究方向为智能电网。

国家电网2016年科技项目“具备配电线路自组网能力的智能配电监控终端技术研究”