IEC61850變電站與IEC61970主站無縫連接的研究與實現

張麗勝 陳世杰

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

1 引言

隨著計算機技術、通信技術和電力電子技術的不斷進步，電力系統對信息共享和應用集成的需求越發迫切。為此，國際電工技術委員會（IEC）的第 57技術委員會（IEC TC57）制定了一系列標準，包括用于調度中心EMS（Energy Management System）的IEC 61970標準和用于變電站 SAS （Substation Automation System）的IEC 61850標準。通過建立標準的、開放的電力系統信息模型，促進各應用間的互操作，降低生產和維護成本，提高系統可靠性。

目前，IEC 61850標準只應用于變電站內的智能電子設備，變電站與調度中心之間的通訊仍然采用傳統的IEC60870-5-101或IEC60870-5-104規約，這就需要遠動工作站進行協議轉換。并且由于傳統規約不支持面向對象的建模方法，必須將IEC 61850的對象轉換為若干個信息點，導致需要極其復雜的轉發信息配置工作，極大的增加了組態和調試的工作量，而且容易出錯。此外，對于無法轉換的信息，只能簡單丟棄。

本文介紹了如何解決IEC 61850與IEC 61970信息交互所要涉及到的通信、模型以及圖形問題。調度系統采用基于 IEC 61850的擴展通信協議與變電站進行通信，這樣就不需要經過協議轉換，而且互操作性更好，可以減少調試、維護的工作。另外，調度系統可以直接訪問 IEC 61850對象模型，轉換為 IEC 61970模型，并自動導入生成數據庫表，減少向EMS中新增廠站所需要的時間和工作。變電站與調度系統之間采用SVG格式來交換單線圖文件，在變電站端完成調試繪圖工作后，可方便地用于調度系統。

2 擴展的IEC 61850通信協議

IEC 61850采用面向對象方法和統一建模語言，通過所定義的邏輯設備、邏輯節點、數據對象、數據屬性與公共數據類等來描述變電站及設備的信息，并為其建立基于對象的數據模型，同時借助于基于可擴展標記語言XML的變電站配置描述語言（Substation Configuration Description Language，SCL）使模型的自描述成為了可能。另外使用特殊通信服務映射（specific communication service mapping，SCSM）與抽象通信服務接口（abstract communication service interface，ACSI）可以方便地適應底層通信技術的發展。

以上所有的這些特性都是傳統遠動規約所不具備的。因此IEC 61850不應僅僅局限于變電站內部，還應向遠動系統擴展，以實現整個系統的無縫連接。最終過程層到間隔層、間隔層到站控層采用標準的IEC 61850通信協議，從變電站到調度中心采用基于IEC 61850標準的擴展IEC 61850通信協議，變電站與調度中心之間經由通信網關進行通信，只需增加少量服務即可，從而可省去變電站與調度中心之間數據交換所需的規約轉換。鑒于以上考慮，本研究提出了如圖1所示的基于IEC 61850的遠動系統網絡結構。

圖1 系統的網絡結構

從系統網絡和控制中心的角度來看，擴展的IEC 61850協議應增加調度中心這個層次。

從ASCI抽象通信服務接口考慮，協議需要增加一個Substation（變電站）類模型，該類具有如下結構：

表1 SUBSTATION（變電站）類定義

屬性Server標識在整個變電站中由通信網關所代理的全部IED裝置。屬性File標識通信網關包含的文件，屬性TPAppAssociation 標識客戶，它和通信網關維持雙邊應用關聯。

客戶使用GetSubstationDirectory服務檢索通信網關所代理的全部IED名或FILE名。為了支持全站的自我描述，整個擴展標準規定了GetXXDirectory和GetXXDefinition服務如圖2所示。

圖2 目錄和屬性定義服務概述

客戶使用這些服務檢索變電站中全部類的全部實例和整個分層的定義。

相應的，其他的ACSI抽象服務接口需要在請求以及響應結果的ObjectReference（對象引用）中增加所屬IED這一層次，例如在DATA類中DataRef （數據ObjectReference）以前是LDName/LNName.DataName[.DataName[. ...]]，現在擴展為IEDName∶ LDName/LNName.DataName[.DataName[. ...]]。

擴展的IEC 61850標準在在線讀取變電站信息時是必須實現的，在離線通過變電站SCD配置文件獲取變電站信息的情況下，考慮到目前的ObjectReference（對象引用）中LDName中已經包含IEDName和LDinst名，根據LDName即可區分出所屬IED裝置，即現有的IEC61850標準無須改動就可使用，只需要在網關機和前置機中通過程序處理即可。

3 IEC61850模型轉換為IEC61970模型

本文主要研究了IEC 61850 SCL模型轉換到IEC 61970 CIM模型的方法。主要涉及到一次設備的轉換、設備連接模型的轉換、量測模型轉換以及保護相關模型的轉換。生成的CIM模型再由EMS系統工具導入參數庫表中。

對于變電站提供的SCD文件，在一次設備及保護裝置的命名上應該采用與主站系統一致的URI（統一資源標識）命名規則。

3.1 一次設備及連接模型的轉換

對于Substation、 VoltageLevel、 Bay、PowerTransformer、TransformerWinding的描述兩個標準是一致的，SCL模型中的ConductingEquipment需要根據其設備類型轉換為CIM模型中導電設備Conducting-Equipment的子類Breaker、Disconnector、Compensator、EnergyComsumer、SynchronusMachine等。

對于IEC 61850中CON、FAN、PSH、BAT、BSH、RRC、TCR等SCL中的類型，沒有合適的CIM類與之對應。可以直接轉換成ConductingEquipment對象，同時在關聯的PSRType對象中標識出該對象的類型。

在IEC 61850中母線沒有單獨建模，是一種特殊的間隔，可稱為母線間隔，在此間隔中沒有導電設備，只有連接點的定義，可以從這種特殊的母線間隔來生成母線的CIM模型。

IEC 61850 SCL模型中給出的設備容器(變電站、電壓等級區、間隔)及設備類型可以構成比較完備的變電站內對象層級關系，結合通過連接點（ConnectivityNode）和導電設備端點可生成IEC 61970的全站拓撲連接模型。

3.2 量測模型的轉換

這里用到IEC 61850的數據集模型，以DATASET中的FCDA來映射到CIM模型中的Measurement類。首先規定了SCD文件中上送數據集的命名規則，例如遙測數據集以DsAin開頭，遙信以DsDin開頭，保護量測以DsRelayAin開頭等，這樣做的好處是可以方便地找到需要轉換的量測，象過程層與間隔層之間通信的數據集就可以直接忽略掉。根據FCDA中的DoName確定量測類型，量測描述在LN結構中查找，根據IED所處間隔與主設備來確定量測所關聯的設備端子。

3.3 保護相關模型的轉換

IEC 61850 中保護模型分解轉換為CIM模型的保護裝置模型、保護量測模型、保護定值模型。

需要IED廠家預先提供本裝置型號表示的保護類型。保護類型大致分下面幾類：

①母差保護；②變壓器保護；③線路保護；④發變組保護；⑤斷路器保護；⑥電抗器保護；⑦電容器保護；⑧故障錄波器；⑨母聯保護；⑩低頻解列裝置。

這些保護類型在CIM模型通過擴展一個自定義的＜cimEx∶ProtectionType＞類預先定義,通過分析SCD文件中IED所處間隔和信息，可得到IED裝置型號、描述、生產廠家、間隔、所保護一次設備，生成經過擴展的CIM模型中ProtectionEquipment類。

各廠家的保護裝置定值出廠缺省值需要與保護裝置信息一起提供，因為目前IEC 61850標準中在建模時還沒有標準方法存放缺省的預置定值，這個一般是各個廠家內部實現。通過擴展CIM模型的Measurement類來對應SCL中的定值模型。

保護量測的處理類似普通量測，只是不再關聯到設備端子，直接關聯到所屬保護裝置。

4 SVG圖形格式規范

在電力系統中要涉及大量的接線圖、潮流圖等，往往在廠站端完成后，主站端又需要重復一遍。因此需要一種圖形標準來避免重復的勞動和不同廠商圖形格式之間的不兼容，可伸縮矢量圖形（SVG，Scalable Vector Graphics）正好可以彌補這個不足。

變電站的SVG圖形可以來自IEC 61850配置工具，也可由專用工具從私有圖形轉換導出。變電站的SVG圖形文件需要提供給調度中心使用，所以需要有一定規則確保與主站轉換得到CIM模型相一致。

SVG圖形與CIM關聯一般采用以下方式中的一種：

（1）Id關聯。即通過SVG對象的Id屬性與CIM對象關聯來實現。這種方式因為變電站與主站同一電力設備的Id并不一定相同而無法采用。

（2）Metadata元數據關聯。Metadata是一種描述數據的數據，主要用于描述數據資料的一些屬性，用來標明數據資料的存儲位置、查詢方式等信息。本規范采用提供＜metadata＞元數據來與CIM模型相關聯。如下例所示一個接線圖上的量測圖元：

其他SVG圖形對象均類似處理，ObjectID采用“電壓等級間隔對象名”或“IED裝置引用名”表示層級關系。由于＜metadata＞元素支持任何XML兼容的Metadata語法，可以通過指定命名空間，采用需要的格式對SVG圖形對象進行描述，比僅用圖形對象Id關聯的方法更為靈活。

5 結論

IEC61850/61970系列標準為企業信息一體化提供了強大的技術基礎，也必將對今后電力系統信息技術的發展產生深遠的影響。采用本文描述的擴展IEC 61850通信協議、SCL與CIM模型轉換方法以及SVG交換圖形文件規范，研發了IEC 61970 EMS與IEC 61850變電站信息交互系統，該系統在紹興電力局調度中心備用EMS與110KV大侶變之間實現了實時數據、模型轉換以及圖形文件的交換。驗證了IEC 61850數字化變電站無縫接入IEC 61970主站的可行性，對今后的系統設計有較大的參考價值。

[1]胡靚, 王倩. 基于IEC 61850與IEC 61970的無縫通信體系的研究. 電力系統通信, 2007,28(12)∶15-19.

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[3]浙江省電力公司, Q/ZDJ 48-2006, 基于 SVG的公共圖形交互規則.2006.