基于IEC 61850的台区设备即插即用实现方法

吴海，滕贤亮，周成，胡国，周华良，何昭辉，潘志成

(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)，南京211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京211106)

0 引言

近年来，随着南方电网对配电网发展越来越重视，逐年加大对配电网的改造投入，配电台区作为电力供应的“最后一公里”直接关系到用户的用电体验[1 - 4]。低压配电台区已然成为配电自动化系统的应用中心，然而，配电台区电多面广，台区建设过程中需大量的运维人员进行现场通信调试(配置通信点表、人工对点等)，而且采用这种方式不仅效率较低且容易出错，因此如何实现海量台区的可视化、高效接入与即插即用成为了当前亟待解决的问题[5 - 7]。

很多专家学者对配电自动化终端的即插即用进行了研究，文献[8]提出了端设备自适应接入的方法，文献[9 - 10]提出了配变终端边缘节点、容器化、软件定义终端的概念，文献[11]提出了IEC 61850模型映射到通信规约的实现方法，文献[12]提出了基于IEC 61850模型的自动化通信技术。以上研究主要集中在信息模型的建立和应用上，不适应边缘计算和软件APP化的场景，要基于新协议，未考虑如何兼容存量设备。

台区智能配变终端作为数据汇聚和边缘计算中心，可通过互联、互通、互操作实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用。本文结合现有低压配电网数据交互的特点提升互操作性和一致性，提出基于IEC 61850标准APP加载、卸载、多实例动态追踪的软件层面的即插即用控制方法，支持不同应用场景的按需定义，综合考虑存量设备和新增设备的兼容性问题，最后通过工程应用的建设效果，论证文中所述终端功能和方案的可行性。

1 总体思路

1.1 系统架构

如图1所示，配电自动化可包括云、边、端3个层面，其中“云”指的是云主站，主要用于实现台区的信息监测与资产管理；“边”为配变终端 (TTU)，主要用于台区设备监测与控制；“端”设备主要指末端漏保开关、传感器等。

图1 即插即用构架Fig.1 Framework of plug and play

1.2 总体方法

配变终端即插即用是以设备模型标准化为基础，采用软件定义终端的理念[13]，实现台区边、端设备即插即用，最终实现台区可视化。总体方法如下。

1)设备注册

设备初次上电，配变终端主动上送注册信息，如该设备在云主站未注册，则视为新增设备，将设备的自描述模型上送至云主站进行注册。

2)设备点表配置

云主站收到设备的自描述模型后，进行解析并选择需要配变终端测点，并对上送数据进行筛选，下达至配变终端。

3)通信实现

配变终端收到云主站下达的模型后进行解析，按照主站要求上送的测点进行信息上送，实现即插即用。

2 设备建模

2.1 建模方法

为了实现端设备标准化接入与通信点表配置，本文采用的建模方法基于IEC 61850标准[14 - 16]。

1)配变终端本体模型

配变终端本体模型文件统一命名“device.icd”,根据配变终端功能需要，模型包含5类逻辑设备，如表1所示。

表1 逻辑设备Tab.1 Logical device

逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据实例。由于台区配变终端一般采用轻量型硬件平台，性能受限于CPU能力、电池容量等因素影响，因此若全部采用IEC 61850方式进行建模，将导致模型文本信息冗余，引起设备解析模型工作量增大，影响设备性能，所以逻辑节点下不采用多级数据实例(DOI)已减轻配变终端的运算压力。

2)APP模型与多实例

为了适应配变终端功能APP化，与端设备、高级应用与对应的APP模型相互对应，APP模型文件与APP名相互对应，命名为“AppName.icd”。同样地，根据APP的功能，其逻辑设备同样包括表1中列出的逻辑设备，并在逻辑设备前增加AppName前缀。

2.2 模型实例化

由于配变终端对下接入的端设备类型、数量是不确定的，且端设备增加、删除、在线、离线等状态变更情况复杂，需要模型动态体现其状态[17 - 20]。以漏电保护开关(RCD)APP为例，当某台区接入多个漏电保护开关时，需对RCD APP对应的模型进行实例化，并合并至配变终端模型中。其操作包含模型的合并、删除和修改。该工作由配变终端在运行过程中实现。当端设备与配变终端为半双工方式通信时，配变终端通过轮询方式识别对下接入的设备种类和数量，根据接入数量对该设备对应的模型的逻辑设备进行实例化并增加前缀，如实例化N个，则APP实例化后的模型应为“APP Name01_LD Name*, APPName02_LDName*, …，APPNameN_LDName*”。同样地，当接入的设备减少，则需要对该APP对应的模型实例删除至对应的个数。

2.3 通信配置

当前南方电网配电自动主站一般采用IEC101、IEC 104通信规约，早期的IEC 61850模型规范未考虑到这种通信规约，直至IEC 61850- 80-1规范的发布，介绍模型到IEC 101、IEC 104的映射，该规范将模型中的每个数据引入了私有信息的概念[21]。本文在此基础上，根据市场调研数据采集量建模，匹配IEC 61850模型所需数据量，结合台区的应用需求，对私有信息进行了扩展如表2所示，私有域属性为业务进行设计，根据关键字进行识别。可根据需求进行扩展，涵盖了配、用电领域业务应用范畴。

表2 DA私有属性Tab.2 DA private property

2.4 资产管理

为了实现台区的可视化，需要收集各个台区的测点信息，而测点信息需要一次设备进行关联，方可对数据进行实际意义的表达。因此需对台区的设备进行功能位置定位，设备功能位置由云主站的PMS2.0系统进行管理，其中每个设备功能位置均有自己独一无二的PMSID，APP模型中每个逻辑设备中均包含LLN0.NamPlt.vendor，将物理设备的PMSID录入模型中逻辑设备LLN0.NamPlt.vendor，实现物理设备与逻辑设备的关联与对应，进而实现台区设备功能位置编码的管理。工程实践中，运维人员通过手持扫码器读取末端设备的PMSID，再将末端设备的PMSID导入配变终端中，由相应APP实现二次设备逻辑节点与一次设备关联。

3 即插即用技术

配变终端即插即用是以设备模型标准化为基础，分为云-边的即插即用、边-端的即插即用。

3.1 云与边即插即用流程

新增配变终端时，配变终端上送注册报文进行注册，并向配电主站上送ICD文件。配电主站自动解析该ICD文件，自动完成遥信、遥测和遥控信息点号与PMSID的设置并下达CID 模型，同时检测低压设备即插即用过程中是否出现一二次设备映射错误的情况，如有则通过四区应用推送给现场安装人员进一步分析排查，直至所有的错误消除完毕，从而实现数据接入流程的闭环。该过程全自动实现，无需人工干预。云与边的即插即用流程如图2所示，其具体步骤如下。

步骤1：配变终端向配电主站上送本体注册信息；

步骤2：配电主站下发台区下一次设备描述文件给配变终端，一次设备描述文件中含有该台区一次设备的PMS ID及设备类型；

步骤3：配变终端内的通信服务APP完成一次设备描述文件解析，并将PMS ID分发至相应APP进行匹配；

步骤4：配变终端完成所接入二次设备的注册发现和一二次设备映射；

步骤5：采集APP对二次设备进行一二次设备映射，若某二次设备的一次PMS ID信息能在一次设备PMS ID清单中找到，则一二次设备映射成功，否则一二次设备映射失败。最终配变终端形成映射成功的二次设备清单和映射失败的二次设备清单，并根据映射结果生成ICD文件，同时对ICD文件进行实例化；

步骤6：APP与二次设备正常通信，并将该APP生成的此类型设备的ICD文件传输给通信服务APP。通信服务APP合成台区总ICD文件并上送配电主站，该文件包含了台区内所有的数据点和默认上送主站的数据点；

步骤7：配电主站接收配变终端上送的ICD文件，解析该文件从而完成主站侧通信模型的建立，并自动完成对数据集的订阅，生成CID文件；

步骤8：配电主站将设置好数据集的CID文件下发配变终端。配变终端通信服务APP解析主站下发的CID文件，生成配变终端与主站信息交互的通信模型并通过标准规约与主站进行正常信息交互。

图2 云与边的即插即用Fig.2 Plug and play of cloud and edge

3.2 边与端即插即用流程

配变终端和低压端设备之间的即插即用，可以分为低压设备主动注册和配变终端定时轮询两种方案。主动注册方案适用于IP化设备或经过IP化改造的设备，适用于新增设备；而为了实现存量设备的即插即用，本文提出了定时轮询即插即用方案，即采用RS485等半双工通信方式的端设备，不需进行改造。

3.2.1 主动注册

主动注册由低压设备主动向配变终端发送注册请求。低压设备在现场安装接线完成后，现场人员在二次设备中录入一次设备PMSID信息，然后低压设备主动向配变终端发送注册请求进行自动注册；对于IP化设备，配变终端作为服务器端，低压设备作为客户端主动发起连接，对于少量通过RS485等非IP化的通信接口需要通过接口转换器接入，流程如图3所示。

图3 主动注册流程Fig.3 Active registration process

3.2.2 定时轮询

低压设备在现场安装接线完成后，现场人员在二次设备录入一次设备PMSID信息及设备地址，然后等待配变终端发起设备扫描。配变终端需要预设各种类型低压设备最大数量，然后发送包含设备类型和设备地址的扫描信息，低压设备匹配配变终端扫描信息，匹配成功则向配变终端回复扫描确认命令，匹配失败则不响应，流程如图4所示。

图4 轮询流程Fig.4 Polling process

3.3 模型变更流程

设备退役或设备更换由PMS系统设备资产信息变更触发，当PMS系统维护设备退役或者设备更换时发起设备退役流程，由PMS系统向配电主站发起模型变更通知，配电主站接收到模型变更通知后将最新一次设备描述文件下发配变终端。配变终端将主站下发一次设备描述文件与原有一次设备描述文件进行对比，如发现变更则通知相应APP重新进行模型实例化，流程如图5所示。

图5 设备模型变更流程Fig.5 Equipment model change process

PMS系统设备资产信息变更后，将变更后的一次设备描述信息通知配电主站，配电主站将变更后的一次设备描述信息下发配变终端，配变终端按照新的一次设备描述信息进行本地模型实例化；当有新增设备或者设备替换时，现场设备更换/安装完成后，在二次设备录入一次设备PMS ID信息，低压设备按照即插即用流程主动注册或者等待配变终端轮询扫描完成设备注册及接入，配变终端将ICD文件上送配电主站，配电主站检查配变终端服务信息模型并对服务进行订阅，生成CID文件，配电主站将订阅结果(CID文件)下发配变终端，模型变更完成。

4 工程试点

为验证本文所设计方案的可行性，在苏州、云浮和东莞等地进行了试点应用。以云浮低压可视化项目的一个台区为例，现场部署采用容器技术设计的配变终端1台，温湿度传感器3台，低压故障指示器72套，剩余电流保护器4台，其中温湿度传感器采用MODBUS规约，低压故障指示器和剩余电流保护器采用DLT 645规约与配变终端进行通信。由于对低压故障指示器进行了设备改造，使其支持全双工方式，因此低压故障指示器采用主动注册方式，配变终端对温湿度传感器和剩余电流保护器采用轮询方式进行设备的发现。施工人员首先完成设备接线，其次通过手持设备对端设备与其对应的一次设备进行映射，将PMSID信息发送至配变终端。至此，配置工作完成。与原有施工方法相比，施工时间由50 min降低为10 min，施工效率提高80%。，配置时间由原先30 min降低为5 min，配置效率提高83.3%。

施工完毕后，终端按照云、边即插即用流程，配电自动化主站下发低压故障指示器、温湿度传感器和剩余电流保护器模型。终端按照边、端即插即用流程通过轮询和自发现方式发现末端设备，并生成所属台区的总模型文件，模型中自动生成点表，上送主站。主站通过模型中对应的点表关系，自动入调度数据库。其效率与传统方法相比，将终端的接入时间由原先1 h缩短至15 min，接入效率提高75%。

采用本项目提出的基于IEC 61850标准APP加载、卸载、多实例动态追踪的即插即用控制方法，不再需要工程人员进行现场通信对点及主站配置库时间，解决了实际工程中对点问题，运维调试困难问题。

5 结语

本文提出了基于IEC 61850的台区设备即插即用技术与实现方法，实现设备通信标准化、一致化，综合考虑南方电网现有新增设备和库存设备的实际情况。其中包括基于IEC 61850标准的模型设计方法，设计了APP加载、卸载、多实例动态追踪的即插即用体系和控制方法。解决了配电台区点多面广，台区建设过程中运维苦、难且易出错的问题。该方法通过工程实际应用进行了验证，实现海量低压台区的可视化、高效接入与即插即用，大幅提升配电物联网运维效率。

未来面向配电网大规模推广建设过程中仍需继续完善模型，本模型也适用于配电物联网场景下与IOT平台的数据交互，但在数据表达的可视性上仍不够直观。因此计划按照统一数据字典方法，将各类数据信息进行明确表达，使得数据内容保持统一。同时提出并发布相关标准规范，以提高标准化程度，并完善覆盖各种类型的低压设备，实现不同类型设备、不同厂家设备的互操作，设计统一规范低压设备规约，减少即插即用数据采集APP的种类。本文的研究工作对解决现场运维等现实问题有积极的指导意义和参考价值。