基于IEC61850國際標準的配電自動化系統應用研究

顧建煒，張鐵峰，韓書娟

(1.杭州市電力局，浙江 杭州 310009;2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著國家電網公司建設統一堅強智能電網工作全面啟動，浙江省電力公司智能配電網建設也進入研究試點階段。在此背景下，研究基于IEC61850國際標準的配電自動化系統，對于指導杭州局的配電自動化系統建設，實現系統無縫集成和設備的互操作具有重要意義。

配電自動化功能通常可分為配電網運行自動化和配電網管理自動化兩方面[1]。配電網運行自動化主要包括配電網實時監控、自動故障隔離及恢復供電、自動讀表等功能;而配電網管理自動化則包括那些離線的或實時性不強的設備管理、停電管理、用電管理等功能。

相比輸電網自動化，配電網自動化系統規模大得多，主要特點有:

(1)配電終端多。根據應用的對象及功能，配電終端可分為饋線終端 (Feeder Terminal Unit，FTU)、開閉所終端 (Distribution Terminal Unit，DTU)、配變終端 (Transformer Terminal Unit，TTU)和具備通信功能的故障指示器等。

(2)通信協議多。通信協議主要有不符合OSI模型的，如早期的部頒循環遠動規約 CDT(Cycle Distance Transmission，CDT)、查詢式遠動規約SC1801等;不完全符合OSI模型的如TCP/IP協議，以及符合OSI模型的，如IEC60870-5系列、TASE2(Tele-control Application Service Element，TASE2)等協議。

(3)通信方式多。通信方式主要包括光纖專網、配電線載波、無線專網和無線公網等。其中，工業以太網和xPON技術都被認為是解決配電網自動化10 kV及以下至用戶通信系統的光纖技術，主要用于骨干通信網和重要分支通信網。而其他通信方式如配電線載波通信技術等可作為光纖方式的良好補充，解決部分地區光纜敷設困難或無線網接入信號差的問題。

(4)信息量大，信息共享差。配電自動化系統的監控信息量一般來說要高出變電站自動化系統和調度自動化系統1～2個數量級。過去，由于通信技術和設施的限制，人們更多地關注數據如何在系統間傳輸的問題，通信規約也只解決數據傳輸問題，對于數據含義 (設備對象模型)問題，則沒有標準化，需要通過交叉關系表映射實現對應。這樣，終端裝置不能即插即用，不同廠商的設備難以互插互聯，安裝調試、管理維護工作量大。

因終端產品生產廠家的多樣性，各種通信介質和協議的差異導致不同廠商IED之間無法直接實現互操作，往往只有通過規約轉換器或規約轉換軟件才能實現有限的信息交互，這在很大程度上削弱了集成應用的優點。國際電工委員會第57工作組制定了IEC61850通信體系[2]，為解決這一問題創造了條件，是變電所自動化系統通信協議的 發 展 方 向[3，4]。 與 以 往 的 通 信 標 準 不 同，IEC61850并沒有停留在通信協議的層次上，而是對數據傳輸和數據交換作出了全面的規范，其技術上有如下突出特點[5]:

第一，按功能劃分邏輯節點 (Logical Node，LN)，用邏輯設備抽象物理設備。傳統的通信規約對于物理裝置不做抽象處理，將數據、功能和其所處的硬件裝置綁定在一起，無法屏蔽物理裝置的千差萬別。而邏輯節點的引入，使物理設備之間的通信變為邏輯節點之間的通信，避免依賴硬件造成復雜多樣的通信系統。

第二，定義抽象通信服務接口，使功能獨立于具體通信技術。IEC61850標準總結了變電站內信息傳輸必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協議的抽象通信服務接口 (Abstract Communication Service Interface，ACSI)。客戶通過ACSI，由特殊通信服務映射 (Specific Communication Service Map，SCSM)映射到所采用的具體協議棧，如制造報文規范 (Manufacturing Message Specification，MMS)。這樣實現了應用和具體通信技術的分離，解決了標準的穩定性與未來網絡技術發展之間的矛盾，即當網絡技術發展時只要改動SCSM，而不需要改變ACSI。

第三，利用變電站配置文件，實現設備自描述。與IEC60870-5系列標準采用面向點的數據描述方法不同，IEC61850標準對于信息均采用面向對象的自描述。面向對象的數據自描述在數據源就對數據本身進行自我描述，傳輸到接受方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數據的管理和維護工作。

配電自動化系統可以看作變電站自動化系統的擴展，因此IEC61850標準的思想同樣也適用于配電自動化系統[6]。本文以杭州市電力局配電自動化系統為例，對IEC61850標準應用于配電自動化系統進行了研究，主要就基于IEC61850標準的配電自動化的通信網絡與系統和配電自動化系統與相關信息系統的集成進行了探討。

1 基于IEC61850標準的配電自動化的通信網絡與系統

1.1 配電自動化通信架構

配電自動化系統遵循分層、分布式體系結構及集中控制的設計思想[6]，在系統層次上可分為主站層、終端設備層 (包括FTU、TTU、DTU等)兩層結構;只在通信上設立配電子站層，作為數據集中器，起到數據集中轉發的作用，如圖1所示。

圖1 配電自動化通信架構Fig.1 Distribution automatied communication architecture

杭州配電自動化終端/子站建設方案如圖2。

杭州配電自動化系統由原來的主站、子站和配電終端三層結構逐步過渡為“主站+網絡型配電終端”的兩層結構，不但能加快信號的傳輸速度，還能減少調試工作量，節省投資。

經過規劃，確定了通信網以太網無源光網絡:EPON(Ethernet Passive Optical Network，EPON)為主，中壓電力線載波為輔的技術方案。其中主干網絡和分支網絡采用EPON技術[7]可以在多叉樹型拓撲結構下的純光纖網絡中實現高速的光纖通信，這種結構與配、用電網的拓撲結構十分吻合，在輻射型組網方式下的優勢非常明顯，具有較強的適應性和靈活性，其建網速度快、設備安全性高、光纜資源和機房投資節省、信道維護成本低。另外，采用無源光纖技術，可避免FTU電源失電影響同一鏈路上其他設備通信。

圖2 杭州配電自動化終端/子站建設方案Fig.2 Construction scheme of Hangzhou distribution automation terminal and sub station

1.2 基于IP的數據網絡

配電自動化系統中的通信主要包括:(1)配電自動化主站與配電子站、配電終端之間的通信。(2)配電終端與配電終端之間的通信。目前有如圖3所示兩種通信方案:串行通信解決方案和IP通信解決方案。

圖3 配電自動化通信方案Fig.3 Distribution automatied communication scheme

其中，采用IP通信的解決方案支持實現點對點對等通信，支持終端到主站之間的無縫通信連接:采用交換機匯接終端數據，無須配電子站進行規約轉換，支持相關節點實時數據交換，支持終端與終端間的對等通信，有利于實現分布式智能[5]如快速故障隔離 (線路上的負荷開關并不具有斷開短路電流的能力，需用智能斷路器代替，故實現分布式智能還與一次設備有關)。

在IEC61850配電網通信體系下，主站前置機實現與配電終端通信，對數據進行預處理，實現系統時鐘同步、通道的監視與切換、向其他自動化系統轉發數據等功能。可以作為IEC 61850客戶端，通信規約可采用MMS、IEC60870-5-101/104，能夠完成的通信功能包括配電終端的自動識別、配電終端的發現、配電終端SCADA數據的獲取，命令下發、對指定配電終端的遠程維護、參數配置。

主站與終端通信、終端與終端通信、主站經子站與終端通信如圖4。

圖4 IEC61850下通信方案Fig.4 IEC61850 communication scheme

1.3 配電自動化IED及建模

目前的IEC61850對變電站自動化設備的建模已經比較成熟，應用到配網自動化中，需要對相關的IED進行合理地建模，包括[8，9]:自動重合閘、并聯電容器、分接頭控制、柱上開關FTU模型、環網柜FTU模型、開閉所DTU模型、TTU模型和配電子站的建模。IEC61850-5中定義的邏輯節點覆蓋了絕大部分應用，各邏輯節點盡可能利用IEC61850中定義的邏輯節點，這樣可以保證模型的一致性。對于配網自動化中一些專用功能比如小電流接地保護等，需要結合配電網和配電線路的特點，進行信息建模，增加新的 LN(如PSPE，小電流接地保護)。由于環網柜FTU模型和開閉所DTU模型包含的設備較多，可通過設備復制的辦法建模[7]。而配電子站則可以將其建模為代理/網關[9]，完成61850配電終端和常規配電終端的接入。按DL/T 860規定[2]:服務器網關必須按與DL/T 860兼容的任何智能電子設備一樣建模。LPHD(Logical node Physical Device)邏輯節點中數據對象 (Data Object，DO)代理服務器允許規定一個駐留的邏輯設備是否是另一個智能電子設備的映像，或屬于宿主智能電子設備。

1.4 信息交換方法

任何設備、控制器、甚至系統、維護系統或者工程系統都可以使用服務實現設備間的互操作。服務接口采用抽象建模技術，抽象意味著該定義著重描述所提供的服務，而與設備間交換的具體報文如何實現服務無關。“服務”接口有:發布/訂閱，讀寫、控制、報告、記錄等。

定義邏輯節點和數據、數據屬性主要是規定完成應用所要求的信息，以及在IED之間的信息交換。用服務定義信息交換，定義服務提供什么。

核心服務采用Client/Server模式，支持Server，Association等模型，能夠實現數據的獲取和檢索、設備控制、事項報告和日志、發布/訂閱;設備的自描述等。核心服務是配網自動化通信的基礎，用于主站與終端、終端與終端之間的通信都需要支持核心服務。

配電終端的信息交換包括主站與終端、終端與終端、終端與過程層設備電流互感器、電壓互感器、開關等的信息交換。其中終端與主站的信息交換，主要包括保護信息和控制命令，實時性要求不是很高 (≤1 s)，采用客戶/服務器模型就可以滿足要求。終端與終端的信息交換，主要是通過配電終端間的信息交換，實現快速故障切除，自愈等分布式智能，按照快速報文的時間要求(≤20 ms)，可采用GOOSE模型。采用GOOSE模型時，盡量將GOOSE信息控制在終端與終端的子網內部，避免加重全網的網絡負擔。

另外，終端與過程層設備 (電壓、電流互感器)的信息交換。可使用采樣值傳輸模型和GOOSE模型。時間同步可直接采用IEC61850中的時間同步模型，保持所有終端的時間與主站一致。

1.5 特定通信映射

指“服務”怎樣實現。按照IEC61850的標準，將配電終端用到的信息交換服務映射到具體的通信協議，如MMS，TCP/IP/以太網。定義特定的語法 (格式)特別是報文的編碼，攜帶服務的服務參數，以及如何通過網絡傳輸。ACSI的具體報文及編碼需要通過特定通信服務映射 (Specific Communication Service Mapping，SCSM)映射到具體的實現方式上。對于核心服務的實現方式，目前比較可行的映射方式有映射到制造業報文規范 (Manufacturing Message Specification，MMS)和映射到IEC60870-5-101/104。

IEC61850-8-1中詳細定義了映射到MMS實現方式。MMS編碼格式采用抽象語法表示法ASN.1(abstract syntax notation.1)，底層采用TCP/IP。MMS+TCP/IP+以太網是一種比較可行的實現方式，已在變電站自動化領域得到了廣泛應用。

將MMS映射擴展到配電自動化中，主要用于主站和配電終端的通信和信息交換。配電自動化對通信的時間性能要求比變電站要低，但設備比變電站自動化要多，采用MMS通信需要降低對單個設備的訪問次數，以保證在規定的時間內完成對所有設備的輪詢。

另外，IEC TC57制定了IEC61850與IEC60870-5-101/104之間信息交換的導則IEC61850-80-1。使用IEC61850-80-1可以完成數據模型的映射，用于變電站與控制中心的通信。終端與主站之間的通信也可以參照使用[10]。需要注意的是，按照IEC61850-80-1改造配電終端使之符合IEC61850標準，廠家需要對原IEC60870-5-101/104進行大量調整，代價相比采用MMS也并不低，而且對一些服務支持不夠好。

1.6 配電IED配置

邏輯節點和數據、數據屬性以及所采用的服務和由物理IED提供的通信方法均需進行配置。配置包含各種對象的形式描述以及這些對象和具體配電設備之間的關系，是實現1.3，1.4，1.5的配置信息文件。

互操作性是IEC61850系列標準的主要支持目標。在IEC61850標準中，互操作性是指來自于同一廠家或不同廠家的IED之間交互信息和正確使用信息協同操作的能力。IEC61850針對互操作性建立了完整的技術支持體系，其中包括面向對象的結構化信息模型以及一致的、確定的信息語義及語義的約定機制。IEC61850規定信息模型必須采用變電站描述語言 (Substation Configuration Language，SCL)進行描述和發布。SCL允許將IED(Intelligent Electronic Device)描述與配置信息傳遞給系統工程工具，也可以以某種兼容的方式將整個系統的配置描述傳遞給IED的配置工具。其最終目的是為了在不同制造廠商的配置工具間交換系統的配置信息，實現互操作，即作為信息集成的描述工具和轉換工具。

SCL文件不僅用以描述產品的信息模型、通信服務，也描述了變電站一次系統連接關系、產品之間邏輯通信連接關系、信息模型和現場數據的對應關系。對于SCL文件的解釋和識別一方面需要由IED和監控后臺完成，另一方面需要由專用的工具軟件完成。

IEC61850制定的變電站配置描述語言 (SCL)為最終實現設備的即插即用提供了一個可行思路。即插即用是指當IED安裝或升級后，控制中心能自動識別IED的功能、拓撲與通信連接等自描述信息，對控制中心的數據模型以及電網接線圖等進行更新[10]。

當IED接入或更新時，由于IED包含完整的自描述信息，并且物理意義清楚，使得配置過程方便快捷、工作量小、不易出錯，因此與傳統的配置方式相比較，SCL配置方式具有明顯的優越性，目前已經成為一個熱點的研究問題，IED即插即用中的關鍵問題有:

(1)如何實現控制中心對IED的遠程配置并兼容常規的非 IEC61850IED。目前一般利用IEC61850/MMS通用網關/代理，實現IEC60870-5-104、CDT 等與 IEC61850 之間的轉換[9]。

(2)控制中心的數據模型以及電網接線圖的更新。為了實現IED的即插即用，除了對IED進行配置以外，還必須能夠對控制中心的數據模型以及電網接線圖進行更新。

(3)自動識別。設備自動識別是指在配電終端設備安裝后，終端和主站系統相互配合，使系統辨識出設備的種類、型號、安裝位置等信息，并對系統端的IED數據庫、數據管理數據庫和系統接線圖等與裝置相關的內容進行更新。

(4)遠程配置。和自動識別類似，對遠程配置也采用文件傳輸的方式來實現。在站端自動化系統內形成并發送報告文件和解析遠程配置文件是實現該功能的難點[11]。主要原因是已有的設備和系統大多數不具備解析SCL文檔的功能。

(5)配置模型。在自動報告文件和遠程配置文件中應部分或完全地包含如下信息:類型裝置定位信息，包括“變電站”、“間隔”等確定設備安裝位置的子元素; “裝置類型”、 “裝置型號”等對二次裝置功能進行描述的信息拓撲連接元素和通信連接信息;保護裝置二次連接信息，用來建立二次裝置之間的關聯關系;配置信息，在使用遠程配置功能時，要傳遞配置信息。

綜上所述，由于終端設備的復雜性，目前僅能實現人工有限參與的即插即用。即便如此，也要對終端設備和主站的軟件系統進行改造，以解析SCL文檔。

2 配電自動化及相關應用系統的集成

配電網自動化及管理系統是供電企業進行配電網監控、運行管理的綜合平臺，涉及配電網運行自動化和配電網管理自動化功能。目前與之相關的應用系統有許多，他們之間都有著密切的業務聯系，存在大量的信息交換。換句話說，配電自動化及管理系統將集成調度自動化系統、生產管理信息系統 (Power production Management System，PMS)、地理信息系統 (Geographic Information System，GIS)、電力營銷系統和計量自動化系統等綜合信息。

配電自動化系統通過信息交互總線，與其他相關應用系統互連，實現更多應用功能。

杭州局配電自動化新主站系統的整體架構(如圖5)采用國網電科院研發的Open3200產品，由運行監視及優化，調度運行管理兩大功能領域構成。

圖5 杭州局配電自動化新主站系統的整體架構Fig.5 Hangzhou new station for distribution automation system architecture

未來配電自動化主站系統將通過IEC61850 ACSI適配器將配電自動化數據轉換為CIM格式數據，接入交互總線。此轉換涉及IEC61850和CIM模型的融合問題，目前較為成熟的方案是使用ABB研究小組開發的一個用于在CIM和IEC61850之間雙向翻譯配置文件的工具[12]。但該方案需要用戶干預，進行翻譯。2006年美國電科院關于CIM和IEC61850之間的模型協調發表了一份技術報告，指出基于網絡本體語言OWL(Web Ontology Language)的模型融合是未來的方向[13]。

信息交互基于消息傳輸機制，實現實時信息、準實時信息和非實時信息的交換，支持多系統間的業務流轉和功能集成，完成配電自動化系統與其他相關應用系統之間的信息共享。信息交互宜遵循IEC 61968的標準構架和接口方式。

(1)在III/IV區建設資源中心，通過總線存儲I/II區系統的數據，為III/IV區應用提供數據服務，減少信息交互次數，加快響應速度。

(2)采用南瑞IEB作為信息交換總線，符合IEC標準、支持語法語義校驗，并能進行跨區全過程消息追蹤。

(3)在安全I/II及III/IV區各部署一條總線，使用內部同步機制通過隔離裝置，實現了安全的跨區信息交換。

3 結論

(1)對配電運行自動化，給出了基于IEC61850的配電自動化通信網絡與系統，包括通信網絡架構，終端信息建模，抽象通信服務，特定通信映射和IED配置等相關描述。作者認為當前應以利用設備自描述實現人工有限“即插即用”，減少維護工作量為首期目標，實現分布式智能則在下一步考慮，因其涉及一次設備的更換，適宜在新建配電系統中實施。

(2)對配電運行自動化及配電管理自動化及其他信息系統集成，本文給出了面向服務的集成總線體系結構，配電自動化系統通過IEC61850 ACSI適配器將配電自動化數據轉換為CIM格式數據，接入交互總線。此轉換涉及IEC61850和CIM模型的融合問題，目前較為成熟的技術是雙向翻譯，未來應基于網絡本體語言OWL實現模型融合。

[1]國家電網公司.配電自動化技術導則[R].北京:中國電力出版社，2009.

[2]DL/T 860《變電站通信網絡與系統》系列標準[S].2005.

[3]高翔.數字化變電站應用技術[M].北京:中國電力出版社，2008.

[4]朱越歡.數字化變電站建設的技術方案及實施[J].電力科學與工程，2009，25(9):64-66.Zhu Yuehuan.Technical scheme and feasible analysis on building of digital transformer substation[J].Electric Power Science and Engineering，2009，25(9):64-66.

[5]劉東，張沛超，李曉露.面向對象的電力系統自動化[M].北京:中國電力出版社，2009.

[6]秦立軍，劉麒，石峻峰，等.IEC61850體系下的配電網自動化系統[J].電力設備，2007，8(12):13-15.Qin lijun，Liu Qi，Shi Junfeng，et al.Distribution automation system under IEC61850 system[J].Electrical Equipment，2007，8(12):13-15.

[7]徐藝，李武杭，侯雅林.無源光網絡技術在配網自動化中的應用[J].電網技術，2008，32(8):95-96.

[8]韓國政，徐丙垠.基于IEC61850標準的智能配電終端建模[J].電力自動化設備，2011，31(2):104-107.Han Guozheng，Xu Bingyin.Modeling of intelligent distribution terminal according to IEC61850[J].Electric Power Automation Equipment， 2011， 31(2):104-107.

[9]MohagheghiSalman， MousaviMirrasoulJ， Stoupis James，et al.Modeling distribution automation system components using IEC 61850[C].2009 IEEE Power and Energy Society General Meeting，PES'09，July 26，2009-July 30，2009，Calgary，AB，Canada，2009.

[10]王德文.基于IEC 61850和MMS的網絡化電力遠動通信的研究[D].保定:華北電力大學，2009.

[11]卞鵬，潘貞存，高湛軍，等.使用XML實現變電站中IED的自動識別和遠程配置[J].電力系統自動化，2004，28(10):69-72.Bian Peng，Pan Zhencun，Gao Zhanjun，et al.Implementation of automaitc recognition and remote configuration of IEDS in substations with XML[J].Automation of Electric Power Systems，2004，28(10):69-72.

[12]C Frei，O Preiss，T Kostic.Method and system for bidirectional data conversion between IEC 61850 and IEC61970[P].International Patent Application PCT/CH2004/000510，2006.

[13]Santodomingo R，Rodríguez-Mondéjar J A，Sanz-Bobi M A.Ontology matching approach to the harmonization of CIM and IEC 61850 standards[C].Gaithersburg，United States:2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications，2010.