基于IEC61850的配电自动化系统信息交互技术

宣科， 栗大维， 王立靖(国网黑龙江省电力有限公司哈尔滨供电公司，黑龙江 哈尔滨　150000)

0　引　言

配电自动化基于一次网架和设备，围绕配电自动化系统，利用多种通信方式实现对配网的监控和管理，有效提高了供电可靠性[1-2]。随着“智能电网”概念的提出，配电自动化技术得到了进一步发展，而配网建设和运行过程中也出现了一定的问题。配网终端设备多种多样、通信规约间互操作性差，因此需要统一的通信标准来实现配电自动化系统的信息集成[3]。

IEC61850标准是国际电工委员会第57技术委员会发布的重要国际标准，为智能变电站乃至智能电网领域提供信息交互的规范[4]。IEC61850作为变电站内的通信标准，不包括站外通信、与控制中心的通信和变电站之间的通信。但是，IEC61850标准的某些特征也可以扩展到变电站外部的应用。吴在军提出，IEC61850标准面向对象模型的结构和开放性技术特点，可以为配电网自动化提供全面、准确的信息模型[5]。2013年6月，WG17工作组发布了IEC61850在配电自动化中应用的技术报告，进一步加快了IEC61850标准在配电网中应用。 Mohagheghi S在IEC61850标准下对配电网馈线自动化系统建模，讨论了包括柱上开关FTU、环网柜DTU及变压器TTU等智能终端的建模细节，提出了可用的信息交换模型[6]；韩国政在主站与配电终端之间的通信领域也有一定的探索，分析了该标准下几种主流服务映射的优缺点和适用性[7]。顾建炜、陈志伟等专家分析了IEC61850建模技术在配网自动化通信领域的最优服务映射，论述了IEC61850应用于配电自动化的前景[8-9]。章坚民提出了基于IEC61850标准的变电站子站系统信息建模与通信建模方案，对配电自动化系统运用IEC61850进行信息交互具有一定的参考价值[10]。

本文通过深入分析IEC61850标准，研究其在配电自动化系统信息交互领域的应用。首先，根据IEC61850标准的规定分析了信息交互模型架构及建模方法；而后，编写SCL配置文件建立不同功能模块的逻辑节点，建立具有三遥功能的配电终端模型；最后，编制基于IEC61850的配电自动化系统信息交互系统软件，并运用DK61开发套件对系统的三遥功能进行验证。

1　IEC61850标准信息交互模型

1.1　IEC61850分层信息模型架构

IEC61850标准采用分层分类的建模思想，对变电站智能电子设备IED中交互的数据进行信息建模。该信息模型包含4个主要层次：服务器(Sever)、逻辑设备(Logical Device)、逻辑节点(Logical Node)、及数据对象(Data Object)[11]。大多情况下，将一个物理装置建模为1个IED，每个IED包含众多服务器，每个服务器包含多个逻辑节点，而每个逻辑节点包含多个数据对象。

IED分层模型的每一层都只是抽象的类，要建立实际设备的具体模型，需要进一步实例化抽象类[12]。实际模型与抽象类之间是“类”和“对象”的关系，如图1所示。“MyServer”是服务器类的对象名称，“DK61”是Logical Device类的对象名称，“XCBR1”是兼容逻辑节点XCBR类的对象名称，“Pos”是数据类对象的名称。分层信息模型的每一层类都由若干属性和服务组成，属性描述该类所有实例的特征。同一类导出的所有实例拥有相同的属性类型，而具体的数值则根据实例变化。

图1　抽象类和实例模型的关系

1.2　IEC61850信息建模基本流程

建立符合IEC61850标准的IED数据模型是实际工程应用中的关键步骤。实际IED建模分为三个步骤。

(1)确立逻辑节点和数据

首先，需要明确IED所具备的功能，以及功能中涉及到网络信息数据交换的部分。根据IEC61850-7-4标准，将所有与数据通信相关的功能分解为若干逻辑节点[13]。在实际功能建模过程中，需要考察标准中是否已经存在可以满足该功能要求的逻辑节点，并且优先选取这些节点；若没有能完全满足功能的节点，则需要按照规定新建逻辑节点LN类，或者用通用LN类来代替，以保证各个厂商之间的互操作性。

(2)构建逻辑设备

确立了逻辑节点和数据，需要将建立好的逻辑节点划分到对应的逻辑设备中。划分逻辑设备仍然遵守以功能划分的原则，将具有公共特性的逻辑节点组合为一个LD。而逻辑节点LLN0则存放该逻辑设备的一些公用信息，如数据集、报告控制块、定值组控制块等，也可以包含多个数据对象的实例。

(3)构建服务器

将建好的逻辑设备整体建模到同一个服务器中的某个访问站点下。经过相关的通信配置，接入信息网络，参与数据的传输与交互。对于全数字化的IED，需要建模为3个服务器，分别放在MMS服务、GOOSE服务、采样值服务三个子网下[14]。各个服务器的建模方法基本相同，仅仅在通信模式上有细微差别。

2　配置文件设计与模型参数设置

2.1　装置ICD配置文件结构设计

建立拥有配电自动化遥信、遥测、遥控功能的信息模型，并实现该装置与PC客户端之间的信息交互，其ICD文件的结构设计如图2所示。SCL文件采用树形结构展开，符合面向对象的分层建模理念。按照功能以及数据传送的要求创建了4组逻辑节点及一个AccessPoint站点。

图2　配置文件结构图

2.2　通信部分参数设置

IED通信参数配置中设置了名为“SubNetwork”的MMS通信子网，另外考虑到部分信息对实时性的要求，对于过程层采用GOOSE通信的功能，还添加了GOOSE通信子网。

GOOSE报文发生变化后，采用快速重发机制来保证传输的可靠性。设置为2 ms，表示当发生变位之后，装置要在2 ms内补发第二帧报文；设置为5 000 ms，为报文的心跳时间，表示恢复正常之后GOOSE报文每5 000 ms发送一帧。这样可以给接收装置提供依据，判断是否有丢帧以及通信链路中断，从而提高数据传输的可靠性。

2.3　逻辑设备参数设置

SCL配置文件采用了树形结构，在结构上与分层信息模型相对应。本文建立的信息模型服务器Server中包含了逻辑设备“LDevice1”，逻辑设备中包含了逻辑节点LLN0和兼容逻辑节点DIPS_GGIO1、DIPS_GGIO2、LEDO_GGIO3及STMP1。逻辑节点中包含数据实例，如IND1-4、ALM5-8、SPCSO1-8等。除了逻辑设备以外，Server中也包含元素。此处属性设置为默认属性“NONE”，表示无须认证。

客户端模型共包含19个主要逻辑节点，其中状态量9个，控制量8个，测量值1个，整形输入量1个。为了保证信息交互的正确性，服务器信息模型与客户端模型基本一致。但是，由于服务器方定义了本地通信和非本地通信两种信息交互方式，分别适用于客户端和服务器应用相同或相异IP地址和物理地址的情况。因此，在LLN0逻辑节点中，需要另外添加节点存储通信模式指示信息，如表1所示。

表1　通信模式逻辑节点

2.4　逻辑节点参数设置

利用数据集对要传送的数据进行分组打包，可以大大减少数据传输的工作量。为了使得通信双方预先知晓数据集中的成员、排列顺序以及数据类型，需要将这些信息在逻辑节点中集中整合存储。逻辑节点LNN0中包含各种数据集对应的报告控制块。本文将所有需要被传送的数据分为4个数据集来传送，分别为表示1-4盏指示灯状态的指示数据集Indicate_DataSet、表示5-6盏报警灯状态的警报数据集Goose_Alarm_DataSet、存储温度报警信息的温度警报数据集DSTMPAlm以及存储温度报警上限值的数据集DSTMPVal。由于本文所建立的模型不涉及具体装置的定值，不含有dsParameter以及dsSetting数据集，因此无须设置定值组控制块SGCB。

3　配电自动化信息交互系统设计

3.1　客户端程序算法

客户端主要任务包括构建能实现三遥功能的人机界面，实时刷新指示灯、开关位置、服务器温度值，返回报警信息，输入指令开关指示灯和设置温度极限值。固有属性含客户端-服务器通信标识、读取信息函数、写入信息函数、实时更新数据函数以及终止函数。客户端的抽象数据结构参数初始化设置如表2所示。

表2　客户端基本参数配置表

本文通过共用一个数据协议栈实现客户端和服务器的通信。服务器将其采集到的值按照一定规律存储在PIS10堆栈中，客户端通过数据更新函数不断读取，实现实时信息交互。数据更新函数独立于主循环之外，满足相应的条件即可触发(数据变化、报告上送、强制指令等)，主要负责读取服务器的开关状态和当前温度，并且检测是否存在温度报警等情况。图3所示的系统逻辑反映了数据在系统中的流动、处理和储存。

主程序的算法流程如图4所示。通过指针定位函数合理划分，安排各个功能组的区域位置，完成人机界面的创建。用户在客户端按照一定格式输入指令，改变PIS10公用协议栈内的数值。在确认写入完成之后，根据栈内数据刷新界面。完成对远方信号灯的控制以及温度极值的设定。根据返回的错误代码序号，程序将可能的错误反应到主界面上，便于查找通信过程中的错误。

图3　数据更新函数算法流程图

图4　客户端主程序算法流程图

3.2　服务器程序算法

服务器端的主要功能包含采集数据、上传报告、警报监控以及按照指令控制指示灯。对基于PC上的虚拟服务器，还需增加可以手动输入实时信息的人机界面来模拟实际运行情况。固有属性含客户端-服务器通信标识、读取信息函数、写入信息函数、实时更新数据函数以及终止函数。与客户端程序相比，服务器除了构建信息显示界面外，还需要进行一些底层接口的设置来实现对实际装置的控制。主程序算法流程图如图5所示。

图5　服务器主程序算法流程图

3.3　系统验证

本文选择MMS的通信协议，以PC机作为客户端、DK61作为服务器，模拟实际配电自动化主站和终端之间的信息交互过程，进行系统三遥功能的验证。

(1)遥测功能

在客户端设定温度极值为27 ℃，温度超过极值会返回温度警报信号。当系统温度为26 ℃时，服务器检测实时温度反应良好，客户端与服务器保持了数据上的一致性，以及传输的快速性。当温度升到28 ℃超出温度极值后，客户端跳出了温度警报提示，如图6所示。

图6　系统遥测功能验证

(2)遥控功能

遥控模块根据客户端输入的指令，控制DK61上LED灯组的亮暗。例如，在客户端输入指令控制服务器点亮第1、2、7盏指示灯。服务器测试结果如图7所示。

图7　系统遥控功能验证

(3)遥信功能

遥信功能能够对服务器开关量进行采集和实时上送。手动调整DK61上的拨码开关状态为00100111。服务器采集到的开关状态为“OFF-OFF-ON-OFF-OFF-ON-ON-ON”，与DK61上的开关状态一致。其中，1-4 开关采用报告控制块的方式主动上送到客户端，5-8开关量作为报警按钮，采用GOOSE方式上送，以保证实时性的要求。

4　结束语

本文分析了IEC61850标准的信息交互模型架构及建模方法；应用IEC61850建模技术，根据IEC61850提供的数据模型和逻辑节点，对变电站智能电子设备进行了信息建模，并完成了相关逻辑节点参数设置及配置文件设计。最后，以PC机和DK61为原型，模拟了配电终端与主站、配电终端与终端之间的通信，将配电自动化基本“三遥”功能在实际装置中落实。

IEC61850节点覆盖大多数的配电自动化应用。本文设计的基于IEC61850的配网自动化信息交互系统对配电终端进行了统一建模，规范了设备接口，能够简化配电自动化系统终端设备之间的互联操作。同时，面向对象建模技术和MMS技术能够提高设备之间的互操作性，提高现有配网通信体系的性能。

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