基于IEC 61850的同步相量数据传输方法研究

张晓悦，冯善强

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

基于IEC 61850的同步相量数据传输方法研究

张晓悦，冯善强

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

目前，智能变电站同步相量测量系统仍然采用IEEE 1344规约并使用专用通道与主站进行通信，而未采用在智能变电站中普遍采用的IEC 61850标准通信，这既增加了电网建设投资，也给系统运维带来不便。针对上述问题，本文提出基于IEC 61850的同步相量数据传输方法，即将同步相量测量系统的传输方法映射到IEC 61850标准体系，并将现有的通讯服务所包含的功能在IEC 61850标准体系下找到实现的手段。首先针对高速的数据传输和快速控制提出实现方法，然后对IEC 61850服务不能完全实现的功能服务以规定的方式对功能做扩展填补缺陷。最后从统一变电站信息平台的角度，对本方案的前景进行了分析。结果表明同步相量测量系统转换到IEC 61850体系是可行的，并将为信息的联合分析提供了基础。

电力系统及其自动化；IEC 61850；同步相量；信息平台一体化；相量数据传输

0 引言

智能变电站是基于数字化变电站的更先进的一种应用[1]。为了实现智能变电站更加突出“智能”的特点，变电站内多种表现出“信息孤岛[2]”特征的信息系统需要进行整合，将站内所有信息统一在一个平台[3]，避免信息数据的重复造成资源的浪费，并且可以使不同的信息系统间完成信息的交互形成大数据，从而实现更“智能”的高级应用[4]。

随着电力系统的建设，部分重要输电断面经常满负荷运行，跨区域功率交换日趋频繁，交直流相互影响日益加深，系统的安全稳定问题日渐突出，系统失稳的风险不断加大，建立一套良好的区域同步相量测量系统对监控电网实时运行状态、为电网调度决策提供数据支撑、防范系统失稳具有重要的意义[5-7]。目前，智能变电站中不同功能的设备和系统已经逐步完成了资源的整合和信息的统一。站内多种信息系统如实时监控系统、保护信息子站、故障录播系统、一次设备在线监测系统、电能量采集系统等都已经实现了基于IEC 61850的信息通讯，所以基于同步相量测量系统的广域测量系统完成向IEC 61850信息通讯体系的转化势在必行。

虽然国内现在对同步相量数据的61850建模已经有《QGDW 1844-2012智能变电站的同步相量测量装置技术规范》[8]进行描述，但是该描述仅包含了建模的轮廓，未对信息服务做出明确的定义，所以实际应用中仍然只使用传统的传输规约，导致同步相量测量系统仍然孤立于其他信息系统。为实现基于IEC 61850的信息体系，本文提供了一种同步相量数据传输方法。该方法将实现基于 IEC 61850通信规约完成同步相量动态数据传输、在线管理、离线数据查询的功能，用以将同步相量测量系统的信息以标准的交互方式统一到智能变电站信息系统中。

1 现有同步相量传输方法

当前同步相量装置与 WAMS主站的传输使用的是 IEEE 1344规约，该规约常用版本有两个《Q-GDW 131-2006电力系统实时动态监测系统技术规范》[9]和《GB/T 26865电力系统实时动态监测系统》[10]。两个版本最主要的区别在于对数据通道中服务端与客户端的定义不同，前者定义主站为服务端、后者定义子站为服务端。功能服务方面完全一致，报文生成字段略有不同，从功能方面比较两个版本没有区别。

1.1 现有传输方法概述

同步相量数据一般先由各个采集单元进行采集计算，生成相量数据的同时形成一个采集单元的自描述文件CFG1描述自身功能配置等，之后由数据集中器将各个采集单元的自描述文件整合，形成一个完整的站内全信息自描述文件 CFG1，并汇总所有采集单元的同步相量测量数据，最终以完整的自描述信息和完整的数据与主站进行数据交互，如图1所示。

图1 目前变电站同步相量测量系统通信结构图Fig.1 The currentcommunication structure of synchronized phasor measurement system in substation

1.2 改变现有传输方式的意义

由于同步相量测量系统目前使用专属规约，且对数据传输的实时性较高，导致在智能变电站的建设中，站内需要建设单独的采集通道直接上送至相量采集装置，出站则需要在物理上单独组建传输网络与主站进行通信，如图2所示。

图2 目前智能变电站网络结构图Fig.2 The currentcommunication structure in smart substation

智能变电站中采样数据统一由相同的过程层设备完成，以此为基础，同步相量的测量、实时量值的测量、电能量的测量都已经实现在同一装置内完成。虽然过程层数据网络已经实现统一，但是由于同步相量数据对上的传输仍未统一到IEC 61850标准体系中，数据集中器（phasor data concentrator，PDC）必须提供单独的物理网卡对上组成独立的网络，使得同步相量测量系统实质上仍然独立于其他的信息系统。

基于过程层、间隔层都已经实现统一的条件，同步相量数据对主站传输的方式统一到 IEC 61850标准体系对于信息系统的集成便具有重大意义。一旦同步相量数据传输转换为IEC 61850体系，将直接从物理上减少一个信息系统的网络结构，并且同步相量数据不再是孤立数据，它将与站内其他信息统一到站控层网络，使得同步相量数据与其他数据信息联合使用分析问题成为可能。

2 基于IEC 61850的同步相量数据传输方法概述

同步相量测量系统使用IEC 61850体系后，同步相量数据将对站控层形成标准统一的数据服务接口，任何级别、功能的主站只需接入站控层网络即可使用标准统一的接入方法同时接入同步相量数据服务和其他信息系统的服务，如图3所示。

图3 统一通讯体系后网络结构图Fig.3 Network structure after unified communication system

由上图可知，如果同步相量测量系统完成 IEC 61850的体系转换，各种间隔层装置的数据将被统一集中在站控层网络上，系统网络将会被清晰的分为两层，如果其他信息系统需要获取同步相量数据进行高级应用，可立即从站控层获取相量数据。另一方面，WAMS主站如果需要同步相量以外的信息，如各类事故信号、装置告警等，也可以直接经由站控层网络从其他信息系统获得。

3 基于IEC 61850的同步相量数据传输方法研究

同步相量测量系统主要功能有：动态数据传输功能、离线数据查询功能、管理功能。现将在 IEC 61850体系中如何实现这些功能进行研究。

3.1 动态数据的传输

动态数据传输包括相量、模拟量的传输和状态量的传输。相量、模拟量的应用需要高密度的数据形成时间断面，所以需要非常高的传输速率，使用低速的 MMS报文进行传输是不可行的，需要在站控层使用SV报文进行传输。IEC 61850-90-5部分定义了 R-MSVCB数据控制块[11]用于在站控层传输SV报文。

为实现由主站发起的快速控制，以及接收到状态信号触发的快速控制，需要提供一种传输速度高、响应速度快的状态量传输服务，站控层低速 MMS是无法满足这种应用的。于是IEC 61850-90-5部分定义了R-GOCB数据控制块用于在站控层向主站传输 GOOSE报文，用以实现状态量的高速传输和主站快速控制的应用需求。动态数据的交互流程如图4所示。

图4 动态数据传输流程Fig.4 Dynamic data transfer process

3.2 离线数据的查询

由于同步相量的数据量大，本地测量装置需要将所有动态数据进行储存形成动态数据文件，同时在系统发生扰动时同步相量测量装置会产生录波文件储存于本地，主站需要对扰动进行分析时需要查询储存于本地的动态数据文件和录波文件，查询流程如图5所示。

图5 离线文件查询流程Fig.5 Offline file query flow

3.3 数据管理功能

3.3.1 打开关闭动态数据

IEEE 1344规约中的打开或关闭动态数据被映射为IEC 61850标准中的使能和停止R-MSVCB控制块的动作，具体是通过对布尔类型的SvEna属性写入相应的值实现，当该属性写入True时，即打开动态数据传输，写入False时为关闭动态数据传输。为了有效控制网络上的数据流量，缺省状态为关闭动态数据传输。

3.3.2 更改动态数据传输速率

由于动态数据类似过程层采样值数据，为高密度等时间间隔的测量值，所以此处可将动态数据看做采样值数据，传输速率即为采样率。这样即可借用R-MSVCB控制块的特征值SmpRate进行传输速率的设置。

3.3.3 上传自描述文件CFG1

在IEC 61850体系中自描述文件即ICD文件，主站获得子站的ICD文件可以有两种方式：第一种为离线模式，即离线制作包含子站ICD的SCD文件，主站通过读取SCD文件即可获得子站的ICD；第二种模式为在线模式，即通过目录服务在线直接读取子站ICD信息，此种方式适合包含信息较少的子站，若子站ICD包含信息较多时，此方式会非常耗时。

3.3.4 下传CFG2文件

由于站内动态数据涵盖全站采集到的所有数据，主站平时需要实时传输的只是其中一部分，需要提供主站在全站数据中选定数据进行传输的功能。

这里可以通过IEC 61850的自定义数据集实现。由于自定义数据集掉电会丢失，所以这里规定一种交互流程，以保证相量传输的正确性，其流程如图6所示。

图6 上电使能数据传输流程Fig.6 Power-up enabled data transfer process

3.3.5 离线文件的查询和上传

由于历史动态数据文件按照每分钟一个进行储存，且保存于站内设备的大容量储存器中，在分析故障时，需要调用故障时间前后的历史动态数据或者录波文件。

这里需要使用IEC 61850的文件服务，然而该服务存在不能按时间段查询的缺陷，其只能调全部文件名列表，然后按文件名传输。而每一分钟就会生成一个历史动态数据文件，文件数量庞大，查找到需要的文件进行上传十分困难。所以对此服务功能扩展规定如下：

按时间段召唤录波文件列表时，主站向子站发送请求的服务参数中，将路径参数做如下扩展：路径名中包含装置IED名称，在路径名前增加“开始时间”、“截止时间”以及标识符“#*#”，“开始时间”与“截止时间”之间采用“^”符号连接，即“开始时间^结束时间#*#/COMTRADE（DYN）/IEDNAME/”，子站应支持上述格式的时间段请求。从装置召唤文件，路径名前增加标识符“#*#”。举例如下：

（1）召唤列表时的路径参数：“11445540898^ 12233330890#*#/COMTRADE/IEDNAME/”；

（2）召唤文件时的路径参数：“#*#/COMTRADE/IEDNAME/FILENAME”；

以上提到的时间值均采用从 1970年 1月 1日00:00:00开始的秒数来表示。

3.3.6 历史事件标识的传输

同步相量采集装置可以反映系统低频振荡时的状态，而此时保护装置并不会动作，所以在其他的信息系统中不会产生相应的告警事件。所以在分析故障时需要从同步相量测量系统中获得相应的告警事件，故需要提供可查询历史告警事件的功能。

由于将通讯统一到IEC 61850体系，所以只需要相量采集装置将系统振荡作为告警事件加入日志服务即可，当主站需要知道历史告警发生的时间时只需要发起日志服务进行查询即可获得响应的信息。

4 结论

将同步相量测量系统转换到IEC 61850体系是可行的，并且具有重大的意义。因为该方法将同步相量测量系统与变电站其他信息系统全部统一到了相同的信息平台上，使得其原本孤立的信息可以与其他信息系统的信息紧密联系在一起，为信息的联合分析提供了基础。将来对于多种信息系统的整合，数据重复采集的简化，数据重复传输的统一，不同系统数据的综合应用，联合分析的手段将会越来越趋于成熟，使得区域内多变电站的信息统一分析处理，完成宏观的整体控制成为可能。

参考文献

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[9]国家电力调度通信中心.Q/GDW 131-2006电力系统实时动态监测系统技术规范[S].2006.

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[11]PD IEC/TR 61850-90-5: 2012.Use of iIEC 61850 to transmit synchrophasor information according to IEEE C37.118[S].Geneva: IEC, 2012.

Research of a Method For Synchronized Phasor Data Transmission Based on IEC61850

ZHANG Xiao-yue, FENG Shan-qiang
(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

At present, IEEE 1344 protocol is still used in smart substation between the synchronous phasor measurement system and the main station with a dedicated channel, rather than IEC 61850 protocol which is widely used in smart substation.This both increases power grid construction investment and system maintance workload.In response to these issues, a transfer method based on IEC 61850 is proposed, which maps the tranditional method to IEC 61850 protcol, and make all existing communications services avaliable.First, a method of high-speed data transfer and fast control is proposed.Then, some provisions are clear to compensate the deffects where the functions cannot be fully implement by IEC 61850 protocol.Finally, the prospects of programme is analysed from the perspective of unified information platform of substation.Results show that it is feasible to realize the functions of sychorphasor measurement with IEC 61850, and will provide the basis for joint information analysis.

Electric power system and automation; IEC 61850; Synchronized Phasor; Integration information platform; Transfer of Synchronized Phasor Data

U223

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.021

张晓悦(1986-)，女，工程师，主要从事变电站自动化研究与测试工作。

本文著录格式：张晓悦，冯善强.基于IEC 61850的同步相量数据传输方法研究[J].软件，2017，38（3）：104-108