支持IEC61850通信規約的水情自動測報系統

熊光亞 ， 安保慶 ， 陳向飛 ， 李秋水 ， 張忠旭

（1.國網電力科學研究院，江蘇 南京210003；2.南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

隨著水電廠對生產運行管理智能化、精細化要求的日益增加，原有的這些自動化系統的運行模式已不能滿足需求，一些固有的缺陷導致自動化系統管理困難，效率低下，主要體現在：缺少統一的接口標準和數據結構模型，各自動化設備和系統間接口復雜，難以相互兼容與互操作，不同廠家設備間的互操作性更難以實現，導致系統管理維護困難[1]。

國際電工委員會第57技術委員會 （IECTC57）制定了有關自動化系統通信的國際標準IEC61850，并正式出版發行了水電廠監控通信標準IEC61850-7-410。將IEC61850通訊規約應用于水電廠自動化系統將使各種現地裝置之間以及系統和主站之間的接口標準化，便于水電廠自動化設備之間以及和主站系統之間的互操作。正是在這個基礎上，國內的一些水電廠制訂了智能化改造方案并付諸實施，其主要目標之一就是實現全廠各自動化系統以及主站系統在統一的接口標準基礎上的互聯，以及實現各類自動化信息的共享與綜合應用。

水電廠水情自動測報系統主要實現自動采集水庫流域范圍內代表性站點的雨量和水位信息，并將信息自動傳輸至中心站，由中心站軟件自動進行處理、分析乃至決策。水情自動測報系統是水電廠和電網水庫調度自動化的基礎，是水電廠電力生產過程中的重要組成部分，為水電廠的經濟運行和安全度汛發揮了重要作用[2]。

1 IE C61 850建模說明

IEC61850雖然是一套通訊規范，但其核心思想是將一個自動化裝置按照邏輯功能層次結構建立設備模型，這個模型可以用標準的XML語言來描述。在IEC61850中，自動化裝置統稱為IED。即，智能電子設備[3]。對于IED建模，IEC61850在邏輯上主要定義了服務器 （Server）、 邏輯設備 （LD）、 邏輯節點 （LN）、 數據對象 （Data）4個層次[4]。

例如，假設有一個用于輸電線路的自動電壓控制裝置，其包含了4路電壓測量、4路電流測量、4路電壓控制輸出。按照IEC61850建模的定義，首先將這個IED裝置定義為服務器，接下來定義邏輯設備，按照傳統思路對IED的設備功能進行劃分，電壓測量、電流測量、電壓控制輸出功能可以分別定義為一個邏輯設備，即電壓測量設備、電流測量設備和電壓控制輸出設備；但是也可以換一種思路，電壓控制輸出功能是依賴于電壓和電流測量結果的，這三種功能也可以合成為一個功能，因此也可以把這3種功能組合成一個邏輯設備。由此可以看出，邏輯設備在IED中實際是一個虛擬的設備，它并不能獨立于IED存在，而是在IED中用來完成特定功能的單元。這個特定的功能可以是單獨的一種功能，也可以是多個相互依賴的功能的組合。邏輯節點就是為完成邏輯設備功能的一個最小單元，一個邏輯設備可以包含1個或多個邏輯節點。按照后一種建模思路，該IEC61850模型架構如圖1所示。

圖1 IEC61850模型示例

在IEC61850-7-410中，定義了IEC61850用于水電廠自動化系統需要的附加公用數據種類、邏輯節點以及數據對象，還定義了水文功能邏輯節點；但是這些已定義的水文邏輯節點遠不能滿足水情自動測報系統的應用需求，缺少如雨量、電池電壓、遙測站內部溫度等關鍵信息，并且也沒有在符合水情自動測報系統裝置工作方式的前提下進行建模。因此要對水電廠水情自動測報系統進行IEC61850建模，僅利用IEC61850-7-410中的定義是遠遠不夠的，必須根據實際需求重新設計模型。

2 水情自動測報系統的IE C61 850模型設計

2.1 建模難點

2.1.1 網絡通道問題

關于數據通信，IEC61850定義了MMS（制造報文規范）、GOOSE、SMV三種方式[5]，MMS一般用于IED與主站系統之間，而GOOSE、SMV一般用于IED設備之間。其中MMS通訊基于TCP/IP協議，要求IED和主站系統之間具備以太網通道。

水電廠中的計算機監控系統、調速勵磁系統、五防系統等現地自動化系統的裝置和數字化變電站中的自動化裝置在工作方式上類似，并且裝置都安裝在水電廠內部，裝置與主站系統之間方便架設以太網，這些系統的裝置可以很方便地基于IEC61850建模，也很容易實現和主站通過MMS報文通訊。但對于水情自動測報系統這種非實時數據采集系統來說，由于系統測量雨水情的裝置安裝在野外，考慮到建設成本、設備功耗等因素，裝置和主站之間無法架設以太網，水情遙測站采集的數據一般通過超短波、短消息、衛星等通信方式將數據傳輸到主站，無法和主站系統直接采用IEC61850規約進行交互。也就是說，在針對水情自動測報系統建模時，裝置不能作為IEC61850中的服務器。

2.1.2 裝置歷史數據的提取

IEC61850最初是為變電站自動化裝置互聯設計的。變電站的裝置都是高速數據采集設備，一般是不保存歷史測量數據的，只需要采集當前數據，并傳送給主站系統即可。而水情自動測報系統和這些實時性要求較高的現地自動化系統的工作方式不同，平時大部分情況下裝置處于休眠裝置，到定時時間后，裝置從休眠中恢復并執行采集和發信任務，執行完畢后又重新恢復休眠。裝置每次測量的數據一般要求保存在本地，以便中心站隨時進行提取。在IEC61850建模時，要實現歷史數據的提取，不能僅僅定義需要提取歷史數據的數據對象本身，還需要包括提取數據相關的時間信息。這在傳統的IEC61850模型中是沒有的。

2.2 模型設計方案

2.2.1 服務器

由于IEC61850的MMS報文通訊要求IED與主站系統之間必須具備以太網，而水情自動測報系統的裝置一般安裝在野外，不能直接和主站系統基于以太網進行通訊。因此考慮將原中心站的水情數據采集通信機作為系統的IED，即由這個IED作為61850模型中的服務器。這個IED既負責和水情測報系統的遙測站通過遠程信道進行通訊，收集遙測站自報的雨水情數據；又負責和主站系統通過IEC61850規約進行通訊。這種架構對于水電廠現有的水情自動測報系統的遙測站來說，無需作任何改變；而對于運行在中心站的數據采集通信機來說，需要在軟件程序中增加支持61850的通訊功能，以便和主站系統進行通訊。

2.2.2 邏輯設備

按照前面關于邏輯設備的描述，邏輯設備是一種特定的功能或幾組功能的組合，如果按照IEC61850對于邏輯設備的普遍定義方法，水情自動測報系統中的邏輯設備可以按照測量對象的類型劃分。如，雨量測量歸為一種邏輯設備，水位測量歸為一種邏輯設備，電池電壓測量又歸為一種邏輯設備。但是，這種邏輯設備的劃分思路和目前水情自動測報系統的工作機制并不能配合得很好。現有水情數據采集程序和遙測站之間的通訊協議決定了二者進行交互時，是按照單個遙測站進行的，而不是某個邏輯設備。如果采用這種方法定義邏輯設備，中心站程序在通過遠程信道和遙測站進行交互時存在大量的點號轉換工作；并且當系統中增加一個水情遙測站時，這個遙測站可能同時包含了雨量測量、水位測量、電壓測量等功能。這樣需要在現有的模型中增加多個不同類型的邏輯節點，對模型的變動較大。

因此，在對水電廠水情自動測報系統建模時，我們將某一類遙測站作為一種邏輯設備。例如，將所有雨量遙測站作為一種邏輯設備，而所有水位遙測站作為另外一種邏輯設備。按照這種設計思路，不同的邏輯設備可能在功能上有一定重復，例如雨量遙測站和水位遙測站都具備電壓測量功能；但另一方面，這種設計思路相對更直觀，和系統現有的按單站進行交互的工作機制更吻合；并且當系統中增加一個遙測站時，只需要在對應的邏輯設備中增加一個邏輯節點即可。這樣對模型的變動相對前一種方法要小。這種設計思路可以理解成面向對象建模對通用分類信息體系的一種妥協。這也是傳統自動化系統內核未按照面向對象建模造成的IEC61850工程實施的難點[6]，在IEC61850推廣的初級階段，這種思路不失為新老產品平滑過渡的一種可行方案。

2.2.3 邏輯節點

在邏輯設備確定后，邏輯節點也就確定了。我們在水情自動測報系統建模時設計了雨量遙測站和水位遙測站兩種邏輯設備。雨量遙測站對應的邏輯節點就是單個的雨量遙測站，而水位遙測站對應的邏輯節點就是單個的水位遙測站。

2.2.4 數據對象

單個雨量遙測邏輯節點設計的數據對象包括：降雨量累計值；蓄電池電壓；機箱溫度；雨量測量間隔；數據自報間隔；雨量分辨率。單個水位遙測邏輯節點設計的數據對象：水位當前值；蓄電池電壓；機箱溫度；水位測量間隔；數據自報間隔；水位基值；雨量分辨率；Ⅲ水位傳感器預熱時間。這兩種邏輯節點的前3個數據對象屬于自報數據，在實際運行過程中是由遙測站主動上報到中心站的，而后面的數據對象都屬于遙測站的基本工作參數，一般可由中心站下發指令進行遠程修改，平時并不主動上報。

2.2.5 報告控制塊與數據集

在IEC61850模型中，設置報告控制塊與數據集的目的是只有當服務端的數據對象屬性發生變化時，服務端程序才會將該測值傳送給客戶端程序。這對客戶端程序來說，無需不斷地對所有數據對象進行掃描，可以大大節省網絡通信開銷。

數據集在IEC61850模型中一般用來表示一個邏輯設備下的同一類數據對象。例如在水情自動測報系統中，雨量遙測邏輯設備下的所有降雨量累計值可以設置為一個數據集。所有的蓄電池電壓可以設置為另外一個數據集。針對每個數據集，還需要設置一個對應的報告控制塊。當報告控制塊所監視數據集中的數據對象屬性發生變化時，就會觸發1個報告的產生[7]，客戶端程序通過查詢數據報告，可以判斷是否有新的數據達到。相對于查詢所有數據對象，只查詢數據報告網絡開銷要小得多。

2.2.6 數據對象歷史數據提取的實現

在水情自動測報系統中，針對某個傳感器 （如雨量或水位）有提取歷史數據的需求，而在IEC61850中，一般都只要求提取某個數據對象的當前值。要基于IEC61850規約實現針對某個數據對象歷史數據的提取，需要對模型進行特殊的設計。

對于某個數據對象歷史數據的提取，至少需要有3個元素：數據對象本身，歷史數據的開始時間，歷史數據的結束時間。在模型設計時，可以將這3個元素都作為邏輯節點的數據對象，以一個雨量遙測邏輯節點為例，在邏輯節點下增加3個數據對象（見圖2）。

圖2 實現歷史數據提取功能的IEC61850模型數據對象設置

當主站系統需要提取圖2中雨量歷史數據時，需置歷史數據開始時間和結束時間，同時將雨量歷史數據提取標志置為有效，數據采集服務器檢查到標志有效后，從這兩個時間數據對象中提取相應的時間信息，生成相應的報文，向遙測站發出提取歷史數據的命令，并重新將該標志置為無效。

3 服務端程序設計

3.1 程序架構

服務端程序運行在中心站的水情數據采集通信機中，為降低對原有系統結構的破壞，同時也降低運行管理人員對程序變化的不適應，新程序保留了原有數據采集程序的遙測站遠程通信功能以及用戶界面，只增加了用于實現IEC61850通訊功能的多個動態鏈接庫。程序的總體架構見圖3，上半部用于實現和水情遙測站間的通信，而下半部61850驅動用于實現和主站系統間的通信，二者間的數據交互通過一個短地址-內部傳輸點號映射表實現。

圖3 水情自動測報系統IEC61850服務端程序基本架構

程序的基本工作流程如下：①程序接收到遙測站的自報數據，對數據解析后將某個數據對象轉換為映射表中的短地址發送給服務端驅動，由驅動轉換為一個內部傳輸點號，并進行MMS報文封裝，傳送給主站系統。②當主站系統需要對遙測站進行參數設置或提取歷史數據時，主站系統發送相應的命令給服務器端程序，由服務端驅動對命令的MMS報文進行解析；然后再將內部傳輸點號轉換為實際的數據對象，交給數據采集部分處理，按照遠程通信協議進行報文封裝，并發送給遙測站。

3.2 XML模型文件的處理

服務端程序在運行時需要加載模型文件，IEC61850建模時建議使用XML語言，如果最終生成的模型文件較小，在100 K字節以內，可以由服務端程序直接加載。如果模型文件較大，應該將XML文件轉換為易于快速處理的格式，以加快程序啟動后模型文件的加載速度。

對于一個包括100個遙測站的水情自動測報系統，如按照本文所述方法建模，用標準XML語言描述的水情自動測報系統模型文件大約為500 K字節左右，實測2.6 GHz主頻CPU的服務器對該文件進行完全解析花費時間約3 s左右。如果是更大規模的水情自動測報系統，XML解析的時間會更長。因此，在實際應用中，將XML模型文件轉變為一個自定義的二進制格式文件，將這個文件放置在服務端程序運行目錄下；則程序啟動后無需對XML進行解析，可大大加快程序加載速度。

4 結 語

本水情自動測報系統建模方法，解決了水情自動測報系統因通信條件在實現61850接口方面的難題。用該方法設計的水情自動測報系統61850模型以及基于此模型的服務端、客戶端程序已經在松江河及白山水電廠智能化改造項目中成功應用，在不改變原有水情自動測報系統基礎架構與硬軟件的基礎上實現了系統向61850架構的平滑過渡。

［1］ 王德寬，張毅，劉曉波，何飛躍，余江城，段振國 智能水電廠自動化系統總體構想初探［J］.水電站機電技術，2011，34（6）:2.

［2］ 裴哲義.水電廠水情自動測報系統和電網水調自動化系統發展回顧與展望［J］.水電自動化與大壩監測， 2005， 29（3）:1.

［3］ DLT 860.7-1變電站通信網絡和系統.第7-1_部分：變電站和饋線設備的基本通信結構_原理和模型：2［S］.

［4］ DLT 860.7-2變電站通信網絡和系統.第7-2_部分：變電站和饋線設備的基本通信結構_抽象通信服務接口（ACSI）:4［S］.

［5］ 彭志強，朱辰，徐潔.基于IEC 61850標準探討智能水電廠建設［J］.能源技術經濟， 2011， 23（9）:25-26.

［6］ 陸巖，胡道徐，馬文龍.IEC 61850信息建模的反思與變通［J］.電力自動化設備， 2008， 28（10）:2.

［7］ 王聰，張毅，文正國.基于IEC 61850標準的水電廠監控系統信息建模［J］.水電自動化與大壩監測， 2012， 36（6）:3-4.