基于IEC 61850的多视窗主站源端维护方法

张晓悦，陈哲，袁方方，王广民，李永照，张思远

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 许继集团有限公司，河南 许昌 461000)



基于IEC 61850的多视窗主站源端维护方法

张晓悦1，陈哲2，袁方方2，王广民2，李永照2，张思远2

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

当前多视窗主站源端维护普遍采用IEC 61970标准进行建模和IEC 60870-5-104扩展规约进行传输，针对这种实现方式在建模和传输过程中存在的问题，提出基于IEC 61850的多视窗主站源端维护方法。该方法基于IEC 61850建立主子站模型，取消中间文件，使主子站模型文件保持一致；通过部署动态数据集，实现主站形成转发表后直接向子站下发；提出基于消息总线的传输模式，实现源端维护的功能。最后，提出基于IEC 61850的多视窗主站源端维护方法的实施方案，该方案能够解决目前工程实施中存在的文件交互过多以及主子站模型转换繁琐的不足，提升主子站交互的效率和可靠性。

IEC 61850；IEC 61970；源端维护；公共信息模型；动态数据集

近年来，自动化技术、通信技术在电网生产运行中广泛应用，变电站智能化程度越来越高，变电站自动化系统的高级应用也向着更加便捷和高效的方向发展。为了顺应技术发展趋势，引领技术发展方向，中国南方电网有限责任公司提出了标准化、规范化建设一体化电网运行智能系统的目标，制定了南方电网一体化电网运行智能系统技术规范。规范中提出了源端维护技术，要求在变电站端维护模型、数据等信息，并实现全网共享[1-2]。国内主流支持源端维护技术的设备厂商均采用IEC 61970标准来实现变电站与主站系统图模交互。

智能变电站广泛采用的IEC 61850 标准为全站数据提供了完整的建模规范，统一定义和描述了数据的命名、属性及行为，实现了全站数据的统一建模，使得数据源端维护的实现成为可能[3]。本文基于IEC 61850和多视窗源端维护的理念，提出一种新的源端维护实现方案，并对相关建模及传输方案进行探讨。

1　基于IEC 61970的源端维护多视窗主站实现方法

目前，源端维护通过厂站端采用IEC 61850进行全站数据建模，生成变电站配置描述(substation configuration description，SCD)文件，依据IEC 61970生成公共信息模型(common information model，CIM)和矢量图形(scalable vector graphics，SVG)文件，为主站提供所需的电网数据模型[4]。多视窗主站是主子站传输装置与多级主站互联的一种应用方式，传输采用独立通道，通过IEC 60870-5-104协议或者文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)方式将CIM文件和SVG文件上传。主站端将接收到的CIM文件和SVG文件导入本地数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统中，生成子站图形和模型，实现主站的源端维护[5]。

1.1IEC 61970源端维护建模方法

子站端基本都已采用IEC 61850进行全站数据建模，使用具有变电站配置语言(substation configuration language，SCL)格式的SCD文件来建立全站统一数据模型，模型中包含全站所有智能电子设备(intelligent electronic device，IED)信息。子站监控系统通过一体化配置工具将SCD文件中IED信息和变电站的一次设备、二次设备信息导入到本地数据库中形成子站监控数据库[6-7]，并根据主接线图生成子站的图形。

图形和全站模型制作完成后，一体化配置工具将子站端的SCD模型文件、数据库数据以及私有图形文件，按照IEC 61970的要求生成调度主站能够解析的CIM文件和SVG文件，完成建模过程[8]。

张晓悦，等：基于IEC61850的多视窗主站源端维护方法下面是110 kV许继变电站(以下简称“许继变”)的SCD文件中SCL模型片段：

type="FCK-851B">

SCD文件通过层级嵌套关系清晰描述了110 kV许继变中的设备挂接关系。在110 kV电压等级部分110 kV线路1间隔的110 kV线路1测控装置CL1101中含有1101断路器信息。

一体化配置工具将SCD文件和数据库信息整合成CIM文件，1101断路器信息如下述程序片段所示。

设备定义：

1101断路器

设备信息：

1101断路器

经过一体化配置工具导出的CIM已经包含了整个变电站的设备信息，在量测模型(cim:Measurement)部分中rdf：ID表述了110 kV许继变110 kV线路间隔的1101断路器的标识识别号(identification，ID)为10000B130000030EAF03BA C015A0081002。此标识ID具有唯一性。

而在主子站传输装置中，110 kV许继变110 kV线路间隔的1101断路器在数据库中的索引名称是CL1101CTRL/CBSynCSWI1$ST$Pos，这就需要一个中间文件gid_ref.xml来描述数据库与量测模型ID的关联关系，文件片段如下：

< LDEVICE name=" CL1101" iedid="15">

通过LDEVICE name和iedid来确定数据库中所属装置的索引号，id和ref用来存储数据库和模型ID的对应关系，建立子站端的SCD文件和CIM文件的整个映射关系。

SVG文件中关于1101断路器设备模型的描述如下：

ObjectID的信息对应CIM设备定义中的断路器rdf:ID，再经过设备模型的索引，最终与主子站传输装置实时库中该设备的参引形成映射关系，完成整个图形文件的建模过程。

1.2IEC 61970源端维护多视窗主站的实现

多视窗主站对建模的准确性、高效性和易维护性要求比较高。主站接收到子站的CIM文件后，进行转发表数据的挑选，生成MAP映射文件，文件包含IEC 60870-5-104中所必须的信息点号以及CIM文件中的设备ID，使信息点号和设备ID产生关联。变电站端的主子站传输装置接收MAP文件后，将MAP文件载入，通过映射关系重新生成子站转发模型，装置再将子站模型文件中的数据转发给各级调度主站。MAP文件片段如下：

其中，URI是设备ID，no是IEC 60870-5-104信息点。

对于多视窗主站，主子站传输装置对于每一路通道都要进行CIM文件、SVG文件的上传和下载MAP文件，通过映射关系形成子站转发模型的流程。可以看出此方案存在文件交互过多以及主子站模型转换繁琐的不足，如果主子站模型一致，采用以下方法将大大简化交互流程，操作更为便捷。

2　基于IEC 61850源端维护的建模方法

2.1IEC 61850源端维护站内建模方法

基于IEC 61850源端维护的子站模型如图1所示。子站采用IEC 61850统一建模，无需进行模型文件的映射。站内IED装置的逻辑设备(logical device，LD)信息将完整映射到主子站传输装置中，其逻辑节点的数据、结构和数据集的功能控制块没有改变，并把全站的数据共享给主站的多种应用，添加站级IED后可作为子站模型上传给主站。远动机的IED能够继承IED1和IED2中的所有LD设备的全部信息，如图1中的3个箭头所示。同时为了能够对远动机自身进行规范性描述，需要新增一个逻辑设备LD0，如图1中远动机IED中的虚线框所示，该逻辑设备包含LPHD、LLN0和LN逻辑节点，LPHD是对远动机物理设备信息的描述，包括设备铭牌信息、数据空间等；LLN0则包含逻辑设备的各种数据集和各种关联服务的控制块等；LN为站级逻辑节点模型[9]。

图1　基于IEC 61850源端维护的子站模型

子站模型中添加子站IED模型，一是将主站传输装置的软硬件信息构建入子站IED模型中，二是子站IED模型中包含全站IED的通信状态，通过创建LN为lnClass="GGIO"，DOI的name定义为每个IED的iedname来完成每个装置的通信状态，因此可定义片段如下：

inst="1" lnClass="GGIO" lnType="GGIO2_02">

三是可以将主站的动态数据集放到此IED模型中，动态数据集中的信息为子站上送主站的信息，就如同之前的转发表或IEC 61970建模中的MAP文件。关于动态数据集的实现方法在第3节中进行深入探讨。

2.2IEC 61850源端维护图形建模方法

采用IEC 61850统一建模后，无需使用CIM文件和gid_ref.xml作为过渡文件。站内模型SCD文件和图形制作完成，可在图形文件中直接找到全站设备的参引信息(参引信息与SCD模型文件中一致)，并把参引信息直接存到SVG文件中，形成SCD模型文件和SVG文件的映射，SVG文件其他关于图元的静态信息不变，程序片段如下：

transform="scale(1,1)" width="10" x="916"

xlink:href="#Breaker:断路器0108-5@0" y="266" />

ObjectName="1101" />

图2　　　　IEC 61850与IEC 61970　　　的图形映射

图2是IEC 61850建模方式与IEC 61970建模方式的图形文件映射过程比较。采用IEC 61850统一建模，使得图形文件建模方法也趋于简单，取消了中间文件的转换映射，减少映射次数，降低出错率，提升了效率。

3　基于IEC 61850动态数据集实现源端维护的多视窗主站传输方法

第1、2节分别探讨了基于IEC 61970和基于IEC 61850的源端维护子站的图模建模方法，通过比较可知，两者的区别在于使用IEC 61850传输可省去模型文件转换以及文件交互的步骤，模型则是子站的SCD文件添加站级IED。基于IEC 61970的源端维护多视窗主站的实现采用IEC 60870-5-104规约进行主子站间的信息传输，需要子站接收主站的MAP文件，重新生成子站传输模型，而IEC 61850标准可通过在线修改数据集的方式在主站形成转发表，无需重新生成新的子站传输模型文件，保证了子站传输模型的稳定性，减少了出错概率，同时也保证了子站模型与站内装置模型的一致性。

图3　　　　IEC 61850源端维护动态　　　数据集交互流程

动态数据集交互流程中，在每次建立连接后，使能报告控制块前，要完成动态数据集(Dynamic DATA SET)的创建，连接建立后由主站下发创建新的数据集。此数据集中的数据为主站挑选过的需要子站上送主站的数据，类比于IEC 61970源端维护多视窗主站中的转发表，子站根据主站下发的数据集创建新的数据集，完成后回复创建新数据集成功。由于IEC 61850中不存在创建报告控制块的服务，需要在完成创建数据集后，使能报告控制块前，将该报告控制块关联的数据集更新成新创建的数据集，接着主站下发使能命令，从而完成对新数据集的使能。交互流程如图3所示。

这个数据集可以动态在线创建和修改，所以称之为动态数据集。随着动态数据集的部署方式不同，存在几种不同的传输方案。

3.1多动态数据集方案

多动态数据集是指每个IED设备下面均配置一个动态数据集。在创建动态数据集的时候，需要将信息进行分类，根据信息类型归属到单个IED，并在每个IED中添加动态数据集，数据集模型如图4所示。多动态数据方案的优点是信息归类较为清晰，缺点是存在动态数据集个数较多的问题。

图4　多动态数据集模型

3.2单动态数据集方案

与多动态数据集不同，单动态数据集中子站与主站交互模型中只创建一个动态数据集，将动态数据集放到站级IED内。站内其他IED模型不变，使得主子站内模型保持一致性，且步骤简单，模型结构清晰。从运维角度来看，主站检查信息是否正确，只需查看站级IED中的这个动态数据集信息即可。数据集模型如图5所示。

图5　单动态数据集模型

3.3远传信息总线模式方案

图6　　　　主子站信息交互　　　数据流(主站部分)

多视窗主站采用多网络协议(Internet Protocol，IP)连接子站的单个IP，源端维护业务与此类似，即通过多个端口连接子站的单个端口，因此需要解决多套转发数据统一IP和端口出站的问题。解决此问题最好的方法是采用信息总线模式，多主站分别将命令下发到信息总线上，由消息总线模块统一进行分类和信息交互，根据IP标识来确定对应的通道，并将消息下发到对应的通道模块中，信息交互数据流如图6所示，其中M表示主站，CH表示通道。信息上传过程由单个通道模块上送到消息总线模块，消息总线对信息进行处理，统一软硬件出站。各通道动态数据集的数据可以不一样，各路主站IP不同，实现了信息的中转出站功能。这个方案的好处是，多视窗主站都各自与子站模型保持了一致性，并且各级主站只接收各自所需数据。

4　项目实施方案

2015年，笔者进行了制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)主子站数据统一传输装置的研发与应用，提出了基于IEC 61850动态数据集实现源端维护的多视窗主站传输方法的工程实施方案。

4.1站内建模

厂站端采用IEC 61850体系标准进行全站建模，对变电站的电网结构、一次设备、二次设备及一二次设备关联关系进行建模，生成SCD模型文件，使用IEC 61850对于变电站数据模型进行全面描述。并针对各级主站采用预留报告控制块的方式，来标示不同主站的动态数据集报告控制块。

4.2系统方案

针对多视窗主站源端维护，本项目采用多动态数据集和消息总线结合的方式。

4.2.1多主站与MMS主子站传输装置数据交互纵向数据流

主站发送至子站的数据首先通过消息总线统一接收和分发，消息总线获取到主站的IP信息，结合子站通道配置文件中主站IP与通道的关联信息，将数据分发到对应的通道模块中，子站通道配置文件如图7所示。通道模块再将数据传送到业务处理单元。子站发往主站的数据首先发送到消息总线，消息总线根据配置文件再将数据转发到相应主站。

图7　子站通道配置文件

4.2.2主子站报告控制块的建立

主站与MMS主子站传输装置建立连接后，主站下发召唤SCD文件命令，主站接收到子站上送的SCD文件后，进行信息点的挑选。挑选完成后下发到子站对应的通道模块。

子站通道模块接收到相应主站下发的转发表数据后，形成各自的动态数据集。由于IEC 61850中规定报告控制块不能动态创建，所以在子站发送给主站的SCD中需要预留一些报告控制块，与主站约定预留报告控制块命名规则，每个主站根据命名规则来选择自己的预留报告控制块。主站将预留的报告控制块与子站新建的动态数据集进行关联服务。消息总线接收到主站下发的关联命令后，根据预留报告控制块的规则，将信息转发到相应的通道模块。最后由通道模块和MMS主子站传输装置的IEC 61850业务模块，实现数据的处理、存储和转发功能，处理流程如图8所示。

图8　多视窗主站源端维护实现流程

5　结论

本文对基于IEC 61970和基于IEC 61850的源端维护多视窗主站实现方法进行了详细的讨论分析。通过比较两种方法以及项目应用得出结论：主子站统一IEC 61850建模，并且采用多动态数据集和消息总线相结合的方式，实现多视窗主站的源端维护是可行的。但IEC 61850在通信上对带宽的要求比较高，主站个数越多占用网络资源就会越多。随着网络通信技术的发展和通信设备的升级，该研究成果将会有更好的应用前景。

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(编辑彭艳)

Maintenance Method for Source End of Multi-windows Master Station Based on IEC 61850

ZHANG Xiaoyue1, CHEN Zhe2, YUAN Fangfang2,WANG Guangmin2, LI Yongzhao2, ZHANG Siyuan2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. Xuji Group Corporation, Xuchang, Hunan 461000, China)

In maintenance for source end of present multi-windows master station, IEC 61970 standard is widely used for modeling and IEC 60870-5-104 expansion protocol is used for transmission. In allusion to problems in modeling and transmission, this paper presents a method for maintenance on source end of multi-windows master station based on IEC 61850. This method establishes master station and substation models based on IEC 61850 and cancels intermediate files so as to keep files of station models consistent. By deploying dynamic data set, the master station can issue a turn table to the substation directly. It also proposes transmission mode based on message bus which can realize source end maintenance. Finally, it presents an implementation scheme for this method which can solve problems of excessive file interaction and tedious model conversion in present engineering implementation and improve efficiency and reliability of master station and substation interaction.

IEC 61850; IEC 61970; source end maintenance; common information model (CIM); dynamic data set

2016-03-30

2016-06-06

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.014

TM734

A

1007-290X(2016)09-0067-06

张晓悦(1986)，女，福建龙岩人。工程师，工学硕士，从事变电站自动化研究与测试工作。

陈哲(1984)，男，河南许昌人。工程师，工学学士，从事电力系统自动化产品研发工作。

袁方方(1984)，男，河南许昌人。工程师，工学硕士，从事电力系统自动化产品研发工作。