基于IEC61850的遠動網關機與調度主站通信方法的研究

姚 曄，許曉峰，張武洋

基于IEC61850的遠動網關機與調度主站通信方法的研究

姚 曄1，許曉峰1，張武洋2

（1.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

在綜合分析傳統遠動通信系統存在問題的基礎上，提出了基于IEC61850的遠動通信系統結構，并對其技術優點進行了總結。同時針對遠動網關機的特點，提出了基于IEC61850的遠動網關機與調度主站通信的3種技術方法，分別是數據透轉、數據映射和模型映射，并分析得出一種最值得廣泛應用的技術方法。

IEC61850；遠動網關機；遠動通信

電力系統遠動指的是為電力系統調度服務的遠距離監測控制技術。由于電能生產的特點，電力系統分布在很廣的區域，負荷中心和能源中心一般距離很遠，其中發電廠、變電站、電力調度中心和用戶之間的距離可達到幾十公里、幾百公里甚至數千公里。因此，面對要管理和監控分布廣泛的眾多廠站、設備包括元器件的運行工況，通常的電聯系或機械聯系已經不能滿足有效傳遞控制信息或反饋數據的要求，必須采取另一種技術手段，這就是遠動技術。目前，隨著計算機技術、電力電子技術和通信技術的不斷發展進步，對信息共享和應用集成在電力系統中應用的需求越來越迫切，傳統的遠動技術也已經不能滿足高可靠性、高實時性和大數據容量信息傳輸的要求［1］。

目前變電站內、變電站與調度中心之間，以及調度中心各應用之間存在協議無法完全兼容的問題，為了克服必須經過協議轉換才能互相連接起來的弊病，可以采用統一的通信協議交換數據，制定統一的傳輸通信協議，使得從變電站的過程層至調度中心之間不同層次、不同類型的應用。其中，變電站內、變電站與調度中心之間采用的是lEC61850系列標準［2］。

本文在分析和總結傳統遠動通信系統和基于IEC61850標準的遠動通信系統優缺點的基礎上，重點介紹了基于IEC61850的遠動通信網絡結構，開展了基于IEC61850標準的遠動通信網關機與調度主站的通信技術研究，列舉了基于IEC61850標準的遠動網關機與調度主站通信的3種可行性方案，通過對3種不同方案的性能、指標和可行性對比，得出一種適用于智能電網遠動通信的最佳方案，從而實現智能電網調度端掌握的設備運行信息全面化，事故異常處理命令下達更快捷。

1 遠動通信網絡概述

1.1 遠動通信網絡發展及存在問題

實現遠動信息網絡化傳輸的關鍵是支持網絡的電力遠動通信協議。隨著電力工業信息化進程的推進，原來的微波、載波線路和電力遠動通信信息的網絡化傳輸必然會被以國家電力數據網SPD Net為代表的ATM、SDH電力數據通信專網逐步取代。網絡化的遠動信息傳輸必將極大地提高數據傳輸效率，達到遠動信息的實時性和可靠性的要求［3］。

通過調研及對相關文獻的研究分析，可以發現目前變電站自動化系統遠動通信普遍存在以下的問題。

a.國內很多系統使用的CDT規約是適用于采用點對點的遠動通道結構、以循環字節同步方式傳送的遠動設備與系統。隨著變電站數據傳輸的種類、數量和傳輸目的不斷增長，CDT傳輸規約已無法滿足無人值守變電站大信息量傳輸的需要，特別是在事故狀態下大量報文的上傳還會產生擁堵的現象。

b.POLLING是一種主從遠動規約，采用異步通信方式，是傳統的串行工作方式，由調度端不斷地發出召喚代碼發動通信，變電站只有在響應后才上送本站信息，這種采用點到點進行數據傳輸的電路交換方式，無法實現遠動信息的網絡化傳輸。

c.IEC103是一個相當成熟、實用性強的規約，但目前在實現無人值班遠方集控時存在一些變電站自動化系統采用的是CDT規約，與按IEC103規約傳輸的保護信息不相互兼容，導致調度中心信息量遠遠超出了規約定義的范圍，只能壓縮傳輸信息量，致使遠方調度中心接收到的信息不全面，更導致定值調取、故障錄波和修改等功能得不到開發。

因此，為了適應智能電網建設的步伐，急需一種高可靠性、高帶寬、標準統一的新的通信協議來滿足智能電網遠動通信的需求。IEC61850標準具備了智能電網遠動通信的所有要求，可以實現對象建模的標準化、數據格式的統一化，將站內、站外用IEC61850標準無縫連接，進一步提升智能電網設備間的互操作性。

1.2 基于IEC61850的遠動通信網絡結構

基于IEC61850標準的變電站通信網絡結構分為3層，依次為過程層、間隔層和變電站層。在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范（MMS）、傳輸控制協議（TCP／IP）以太網或光纖網。在間隔層和過程層采用單點向多點的單向傳輸以太網。變電站內的IED均采用統一的IEC61850協議通過網絡進行數據交換。

遠動網關機按照功能位于變電站層。遠動網關機既要通過變電站層網絡，采集各種遙測、遙信、SOE等數據，負責與間隔層的各個IED通信，也要通過電力調度數據網，負責與調度主站通信，向主站上送遠動數據。遠動網關機和調度主站之間網絡采用IEC61850標準通信可實現無縫集成，并將抽象通信服務接口映射到制造報文規范（MMS）?；贗EC61850電力遠動通信網絡結構如圖1所示。遠動網關機在遠動通信體系中起到數據通信承下啟上的關鍵作用。遠動網關機是變電站內IED裝置的通信代理，避免了IED裝置直接接入調度數據網，同時也避免了調度主站直接與每個IED裝置通信，提高了系統安全性。變電站內部以及變電站與調度主站之間都采用IEC61850作為唯一的網絡通信協議，省去了變電站到調度主站之間的協議轉換，實現了變電站到調度主站的無縫集成［4］。

圖1 基于IEC61850的遠動通信網絡結構

2 遠動網關機與調度主站通信的方法

2.1 遠動網關機與調度主站通信技術概述

IEC61850通信網關機既是IEC61850的客戶端，與變電站的各個IED通信，又是IEC61850的服務端，與調度主站通信，同時IEC61850比傳統遠動協議通信數據流量大，這就要求IEC61850網關機具有較快的數據處理能力和通信能力。而目前電力遠動系統涉及的功能，除了保護動作信息，還包括測量、遙信、遙控等其他信息，其傳輸是在變電站與控制中心之間，與變電站內的系統有很大差異［5］。因此，必須結合電力遠動系統的功能與需要，研究基于IEC61850的電力遠動系統通信方法?，F有的研究還很少。本文針對基于IEC61850電力遠動通信的需要，提出了遠動網關機與調度主站的3種通信方法來解決傳統遠動通信方法所存在的問題。

2.2 數據透轉

數據透轉就是利用遠動IED作為網關，起代理作用與主站進行通信，從功能實現角度，所有信息透明傳輸，主站可以通過遠動模塊訪問所有IED數據。如圖2所示，即主站通過遠動模塊透明訪問到站內所有IEC61850裝置，從而獲取所有IED數據。

圖2 數據透轉示意圖

這種方法的優點：①標準且穩定，與其他通信方法相比沒有干擾數據、準確度高、穩定性強。②成本低便于管理。③易于推廣。對于變電站信息采集要求的資源不是太多。缺點是處理器的異步數據接口波特率需要預先設定，不能實現自適應。

2.3 數據映射

數據映射是給定2個數據模型，在模型之間建立起數據元素對應關系的過程。如圖3所示，遠動IED作為網關，起代理作用與主站進行通信，從功能實現角度，所有信息透明傳輸，主站可以通過遠動模塊訪問所有IED數據。遠動作為站內客戶端、主站服務端采用相同SCD文件，服務端通過客戶端數據的映射來獲取全站所有IED數據。即遠動將所有61850裝置的數據獲取，主站通過訪問遠動模塊獲取所有IED數據。

2.3.1 建模原則

圖3 數據映射示意圖

a.物理建模原則：對外為多個個物理設備（物理設備個數＝站內裝置個數＋1），應建立1個遠動網關機自檢信息IED。該對象是1個容器，包含服務器對象，服務器對象中至少包含1個LD對象，每個LD對象中至少包含3個LN對象：LLNO、LPHD、其他邏輯節點。

b.服務器（Server）建模原則：服務器描述了1個設備外部可見（可訪問）的行為，本模式下，每個IED對外只建立1個服務器。服務器只包含1個訪問點。支持遠動網關機與調度主站的通信。

c.邏輯設備（LD）建模原則：遠動網關機自檢信息單獨建立1個邏輯設備，其邏輯設備命名為SUBPUB。

站內裝置邏輯設備建模原則：宜與站內裝置ICD文件LD模型保持一致，不需要更改邏輯設備模型。

d.邏輯節點（LN）建模原則：需要通信的每個最小功能單元建模為1個LN對象，屬于同一功能對象的數據和數據屬性應放在同1個LN對象中。LN類的數據對象擴充應遵循DL／T860系列標準工程技術實施規范。遠動網關機自檢信息應建立至少2個邏輯節點對象，分別用于建立遠動網關機自身的遙信信息及遠動網關機自身的遙測信息模型。自檢信息模型應選用通用LN模型（GGIO），或遵循DL／T860系列標準工程技術實施規范的原則進行擴充。

e.站內裝置的模型實施原則：宜采用站內邏輯設備直接映射原則，不改變其邏輯設備以下的模型，以確保模型的一致性，以及模型的自動映射。2.3.2 實現過程

a.系統配置工具導入站內裝置的ICD文件，配置裝置通信地址等相關參數，從而生成全站共用的作為數據源的SCD文件。

b.系統配置工具導出每個裝置用到的CID文件，并通過FTP或其他相關傳輸方式下裝到裝置中。

c.交互流程：調度主站下發指令給代理模塊，網關模塊根據reference名稱下發給相應的站內設備。站內設備發出的報告、返回報文，代理模塊根據reference轉發給調度主站。這種方法有利于開發過程中的數據追蹤審查。

2.4 模型映射

模型映射就是將原有SCD模型中的各個IED映射到代理模型上變成1個統一的代理IED，而原有IED內部的LD全部映射到代理IED內部的特殊LD，這些LD通過特殊的LN來表示其原有IED歸屬，而LD0則是包含了與代理IED相關的一些信息，為代理IED特有的LD信息。由于客戶端和服務端采用SCD模型不同，所以要通過模型映射實現全站數據，如圖4所示。

圖4 模型映射示意圖

2.4.1 建模原則

a.物理建模原則：對外為1個物理設備，應只建立1個IED對象。該對象是一個容器，包含server對象，server對象中至少包含1個LD對象，每個LD對象中至少包含3個LN對象：LLNO、LPHD、其他邏輯節點。

b.服務器建模原則：服務器描述了1個設備外部可見（可訪問）的行為，本模式下，對外只建立1個服務器。服務器只包含1個訪問點，支持遠動網關機與調度主站的通信。

c.邏輯設備建模原則：遠動網關機自檢信息單獨建立1個邏輯設備，其邏輯設備命名為SUB?PUB。站內裝置邏輯設備建模原則：去掉IED層次，將該IED下所有LD提取，直接映射到代理IED下，其邏輯設備名稱映射規則：邏輯設備名稱＝IED名稱＋LD名稱。

d.邏輯節點建模原則：需要通信的每個最小功能單元建模為1個LN對象，屬于同一功能對象的數據和數據屬性應放在同1個LN對象中。LN類的數據對象擴充應遵循DL／T860系列標準工程技術實施規范。遠動網關機自檢信息應建立至少2個邏輯節點對象，1個用于建立遠動網關機自身的遙信信息，另1個用于建立遠動網關機自身的遙測信息模型。遠動網關機自檢信息模型應選用通用LN模型（GGIO），或遵循DL／T860系列標準工程技術實施規范的原則進行擴充。

e.站內裝置的模型實施原則：宜采用站內邏輯設備直接映射原則，不改變其邏輯設備以下的模型，以確保模型的一致性，以及模型的自動映射。

2.4.2 實現過程

a.系統配置工具導入站內裝置的ICD文件，配置裝置通信地址等相關參數，從而生成全站共用的作為數據源的SCD文件。

b.系統配置工具導出每個裝置用到的CID文件，并通過FTP或其他相關傳輸方式下裝到裝置中。

c.交互流程：調度主站下發指令給代理模塊，代理模塊根據邏輯設備中IED的名稱，更改reference名稱后下發給相應的站內設備。站內設備發出的報告、返回報文，代理模塊根據IED、LD名稱，更改reference后轉發給調度主站。

2.5 方法比較

IEC61850標準總結了智能變電站內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用協議的抽象通信服務接口。在IEC61850中，建立了標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型，包括服務器模型、邏輯節點模型、邏輯設備模型、數據模型和數據集模型。客戶通過服務接口，由特定通信服務映射，映射到所采用的具體協議棧，例如制造報文規范等。上述提出的前兩種方法都是起代理的作用與主站進行通信，第三種方法可從源模型到目標模型之間可通過一對一、一對多、多對一、多對多等多種不同映射類型來訪問所有IED數據且還原數據實現全站數據傳輸。鑒于調度中心與變電站的數據模型存在較大差異，在互通上需要進行轉換，模型映射是可以解決實際應用問題的通信。

3 結束語

隨著IEC61850標準的應用逐漸成熟，變電站內部已經具備了完整的數據模型，信息的傳輸能力也有了很大的提高，本文將IEC61850標準引入到遠動通信系統中，提出了3種遠動網關機與調度主站通信的方法，通過比較發現，模型映射的方法解決了調度中心與變電站之間數據貫通進行實時數據傳輸這一基礎性問題，所以模型映射將成為遠動網關機與調度主站通信的主要方式，對促進電網自動化的發展、保證電網安全運行具有重要意義。但是這一方法還沒有實際操作運用，因此仍然存在很多問題需要進一步發現和研究。

［1］ 竇仁暉.IEC61850與IEC61970無縫通信技術研究與實現［D］.南京：東南大學，2012.

［2］ 黃少雄，黃太貴，程 栩.智能變電站信息一體化平臺建設方案研究［J］.東北電力技術，2012，33（2）：21-24.

［3］ 于海洋，王英明，張武洋，等.基于多元數據的智能變電站高級應用探討［J］.東北電力技術，2014，35（6）：38 -40.

［4］ 篤 竣，祁 忠.基于IEC61850的變電站新型遠動網關機［J］.電力自動化設備，2011，31（2）：112-115.

［5］ 曹晏寧.調度自動化實時系統與數字化變電站接入研究［J］.城市建設理論研究，2012（13）：1-7.

Research on Communication Method of Remote Control Gateway and Control Center Based on IEC61850

YAO Ye1，XU Xiao?feng1，ZHANGWu?yang2
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper proposes the structure of remote communication system with IEC61850 based on the problemswhich exist in tra?ditional remote communication system，its technological advantages are summarized.According to the characteristics of remote control gateway，the three communicationmethods of remote control gateway and control center are proposed.The threemethods are data trans?fer，datamapping andmodelmapping，respectively.This paper concludes that it's advisable to apply this threemethods through analy?zing research ata.

IEC61850；Remote control gateway；Remote communication

TM764.2

A

1004-7913（2015）07-0024-05

姚 曄（1990—）女，碩士，主要從事智能電網等方面的研究。

2015-04-05）