IEC61850標準在變電站低壓電源設備的應用

呂杰輝 夏社幸 張穎基

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

隨著配電網(wǎng)建設事業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷擴大，實時信息傳遞量持續(xù)增加，相關領域對自動化信息管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的要求顯著提高。在該背景下，IEC61850標準能夠實現(xiàn)不同廠家電子設備間的交互操作和信息共享，還具有自由配置性、長期應用性等特點，有助于為搭建數(shù)字化變電站信息管理平臺提供支持，滿足變電站各基礎設備的數(shù)據(jù)通信需求，并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。綜上所述，圍繞IEC61850標準在變電站低壓電源設備中的應用進行分析，其目的是為開發(fā)基于IEC61850的產(chǎn)品提供幫助，從而推動變電站建設的創(chuàng)新與發(fā)展。

1 IEC61850標準的提出背景

在以往變電站自動化系統(tǒng)中，通常使用1997年頒布的繼電保護信息接口配套標準規(guī)約，但隨著智能數(shù)字化設備的快速發(fā)展，該標準的缺點越來越明顯。一方面，該標準未定義以太網(wǎng)的通信規(guī)范且缺乏針對系統(tǒng)功能的標準要求，該標準并不適用于當前的以太網(wǎng)建設環(huán)境；另一方面，該標準缺乏權威的一致性測試且不支持元數(shù)據(jù)傳輸，進而限制自動化系統(tǒng)的功能。此外，對傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)來說，不同國家、不同廠商所遵循的通信協(xié)議往往存在較大差異，導致自動化集成度不足，容易影響系統(tǒng)的自動化性能。在該背景下，IEC61850標準可以解決通信標準統(tǒng)一問題，其基于現(xiàn)有的IEC/IEEE/ISO/OSI標準進行整合，采用開放且支持設備自我描述的協(xié)議，能夠提升自動化系統(tǒng)的兼容性和擴展性，滿足用戶的個性化功能需求；同時，IEC61850標準能夠規(guī)范設備邏輯模型和設備通信接口，可以對變電站層次結構進行優(yōu)化。IEC61850標準不僅作用于變電站數(shù)據(jù)通信，而且還能夠為變電站和控制中心通信提供支持。

2 IEC61850標準及關鍵技術2.1 IEC61850標準的主要內(nèi)容

IEC61850標準包括面向對象的標準、通信網(wǎng)絡性能要求、接口與映射、系統(tǒng)與項目管理以及一致性測試等內(nèi)容，其約束文本共有10個部分。

此外，從概念上來說，IEC61850標準主要圍繞以下4個方面展開：1） 功能建模。建立IEC61850標準的目的就是根據(jù)變電站自動化通信的基本需求進行相關的底層設計，建立變電站自動化系統(tǒng)功能模型，能夠解決以往通信協(xié)議存在模型概念缺失的問題，提高變電站自動化通信系統(tǒng)的通用性和自定義性。2） 數(shù)據(jù)建模。IEC61850標準最開始是直接面向對象編程，使用人員可以直觀、明了地看懂數(shù)據(jù)模型并對其進行修改，能夠滿足用戶的基礎功能需求，其具備建模質(zhì)量高、能夠在大部分的環(huán)境中使用、滿足行業(yè)的標準和能夠提供改進意見等優(yōu)點。同時，借助IEC61850標準可以保證自動化系統(tǒng)的質(zhì)量且能夠對系統(tǒng)參數(shù)進行控制，有助于提升自動化系統(tǒng)及相關設備的運行穩(wěn)定性。3） 通信協(xié)議。IEC61850標準定義數(shù)據(jù)訪問機制和向通信協(xié)議棧的映射，在間隔層和過程層之間形成串行單向多點或點對點傳輸網(wǎng)絡，能夠提升自動化系統(tǒng)的兼容性和擴展性，從而更好地為用戶提供數(shù)據(jù)支持。4） 一致性測試。IEC61850標準的定義是基于XML的結構化語言（可擴展標記語言），能夠清楚地描述變電站和自動化系統(tǒng)的拓撲關系，從而為系統(tǒng)測試提供測試條件和測試準則。

2.2 IEC61850標準下變電站設備的通信系統(tǒng)結構

根據(jù)IEC61850標準可知，變電站自動化系統(tǒng)包括控制、監(jiān)視以及保護等功能，能夠實現(xiàn)對變電站基礎設備進行管理、控制和維護的功能。在IEC61850標準的支撐下，變電站設備的通信系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 IEC61850標準下變電站設備的通信系統(tǒng)結構

在IEC61850標準的支撐下，以以太網(wǎng)作為變電站設備通信的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。隨著網(wǎng)絡帶寬的不斷提升，數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)不再是一個難題，隨之而來的是實際的物理設備帶寬的限制，其不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全速上傳和下載，通過增設傳輸線路的簡單方法就能夠解決數(shù)據(jù)傳輸延遲過大的問題。同時，監(jiān)控主機作為物理層的重要結構，它可以有效地監(jiān)控IEC61850標準下變電站設備的通信系統(tǒng)內(nèi)、外部運行環(huán)境，以保證通信系統(tǒng)可以正常運行。如果發(fā)現(xiàn)通信系統(tǒng)運行異常，監(jiān)控主機就能及時報警并將異常數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，為系統(tǒng)維護工作提供良好的反饋。

選擇TCP/IP協(xié)議作為站內(nèi)IED的高層接口，能夠實現(xiàn)IED的網(wǎng)絡化，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)以TCP/IP的方式運行。網(wǎng)絡層主要負責通過合適的傳輸方式將這些經(jīng)過處理的信息傳輸?shù)綉脤印＞W(wǎng)絡層主要依托無線傳感技術完成數(shù)據(jù)傳輸工作，隨著科技的進步，智能配電系統(tǒng)已經(jīng)可以利用多種高速、低時延的通信技術進行網(wǎng)絡層建設，使其具有信號覆蓋面廣、傳輸速率快等特點。

在物理層和網(wǎng)絡層的基礎上，IEC61850標準下變電站設備的通信系統(tǒng)要加強對應用層的建設，完善的應用層結構可以在通信系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)終端之間建立高效的信息共享通道，還可以幫助技術人員開發(fā)相關軟件，以便更好地建設智能通信系統(tǒng)。將微軟媒體服務器協(xié)議作為應用層顯示協(xié)議，將數(shù)據(jù)顯示在顯示設備上，與觀測人員進行簡單的人機交互。其中，所有IED中基于IEC61850建立的對象和服務模型均映射成MMS中的通用對象和服務，這使數(shù)據(jù)自我描述成為可能，轉變了以往面向點的數(shù)據(jù)描述方法，不僅提高了數(shù)據(jù)管理和維護的效率，而且也使變電站自動化系統(tǒng)成為開放系統(tǒng)，具有較強的兼容性和擴展性。

2.3 MMS技術的應用

MMS技術（微軟媒體服務器協(xié)議）是由國際標準化組織ISO工業(yè)自動化技術委員會TC184制定的一套用于開發(fā)和維護自動化系統(tǒng)的獨立標準報文規(guī)范，其通過設備及功能建模方法能夠實現(xiàn)在網(wǎng)絡環(huán)境下計算機應用程序或智能電子設備間的數(shù)據(jù)交互和信息交換，MMS技術應用如圖2所示。通過應用MMS技術能夠規(guī)范智能傳感器、智能電子設備IED以及智能控制設備的通信活動，從而使設備之間具有互操作性，進而提升系統(tǒng)管理的便捷性。同樣，對變電站低壓電源設備來說，MMS技術顯著地提高了低壓電源設備的自動化水平，不僅更加方便管理人員對低壓電源設備進行控制，而且還可以形成集信號上送、測量上送、定值、控制以及故障報告為一體的設備管理模式，有助于確保低壓電源設備穩(wěn)定、安全地運行。

圖2 MMS技術應用系統(tǒng)

2.4 抽象語法符號

實現(xiàn)IEC61850標準的關鍵在于ACSI（抽象通信服務接口）到MMS的映射，而MMS協(xié)議規(guī)范使用的表示層標準為ISO8824，因此，ACSI到MMS映射的關鍵在于ASN.1編碼。其中，ASN.1是一套靈活的記號，它允許定義多種數(shù)據(jù)類型，既包括integer、bit string等簡單的數(shù)據(jù)，也包括set、sequence等復雜的數(shù)據(jù)。

2.5 GOOSE服務

GOOSE服務（面向通用對象的變電站事件）同樣是實現(xiàn)IEC61850標準服務的重要組成部分，該功能可以解決數(shù)據(jù)信息到顯示設備之間需要通過數(shù)據(jù)線進行連接的問題，去除數(shù)據(jù)線直接通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)網(wǎng)中任意一臺具有顯示功能的智能設備上，具有相關權限的設備能夠修改其中的數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)了無線化和智能化的目標，其主要的通信數(shù)據(jù)包括跳閘、斷路器位置以及連鎖設備信息等對實時要求高的數(shù)據(jù)。

3 IEC61850標準的實現(xiàn)過程

3.1 功能建模

從邏輯角度來看，變電站設備自動化管理由多個功能模塊構成，不同的子功能模塊又稱為系統(tǒng)的邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點之間通過邏輯代碼相互連接，使用IEC61850標準能夠定義上百個邏輯節(jié)點并控制邏輯連接過程，使針對邏輯對象的保護、控制和測量呈現(xiàn)系統(tǒng)化和精確化的特性。同時，系統(tǒng)節(jié)點具有很高的擴展性，可以通過簡單的邏輯代碼與下方的其他節(jié)點或者新加的節(jié)點進行拓展。在該基礎上，建模使用的基礎數(shù)據(jù)包括設備的名牌信息、設備的狀態(tài)信息、設備故障情況、設備故障次數(shù)、設備熱啟動次數(shù)和系統(tǒng)自檢數(shù)據(jù)等。因此，采用邏輯節(jié)點和物理設備信息邏輯節(jié)點相結合的方式進行功能建模，前者對設備銘牌、運行時間以及自我診斷結果進行控制，后者對設備狀態(tài)、故障情況、熱啟動次數(shù)以及上電檢測情況進行控制。此外，當邏輯節(jié)點內(nèi)的數(shù)據(jù)丟失時，邏輯節(jié)點往往無法正常讀取數(shù)據(jù)，只能跳出邏輯循環(huán)節(jié)點進入下一個節(jié)點進行判斷；因此，需要為經(jīng)過降級處理和正常處理的節(jié)點添加相關標識，便于用戶完成相關的識別工作和相應的操作處理工作。

3.2 數(shù)據(jù)建模

邏輯節(jié)點只能處理簡單的ASCI碼轉換工作，有很多固定代碼段是被限制處理的，而在IEC61850標準的要求下，超過30種數(shù)據(jù)對象名已經(jīng)得到定義。其中，根據(jù)數(shù)據(jù)對象的多態(tài)性，不同數(shù)據(jù)對象的屬性存在較大差異。例如數(shù)據(jù)對象Beh和Health均產(chǎn)生于公共數(shù)據(jù)類的“整型狀態(tài)信息類ISI”，但二者的定義卻存在較大的差異。因此，在圍繞變電站低壓電源設備進行數(shù)據(jù)建模時，應根據(jù)IEC61850標準對已經(jīng)定義好的通信需求進行拆解，從而利用相關的數(shù)據(jù)并通過代碼段解釋、翻譯成基于面向對象的顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括設備實施狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)、可動變量、可變模量以及模擬數(shù)據(jù)修改量等，但是操作數(shù)據(jù)時需要注重相關的邏輯，修改新的數(shù)據(jù)就相當于生成新的邏輯節(jié)點，而相關的邏輯節(jié)點又繼承了原有的初始數(shù)據(jù)，最終給設備自動化系統(tǒng)賦予特定功能且能夠幫助用戶描述不同結構及型號設備所具有的公共信息，從而進一步提升設備通信系統(tǒng)的擴展性和兼容性。

3.3 通信服務映射

在變電站實現(xiàn)自動化運行的過程中，通常采用將數(shù)據(jù)上傳至服務器的方式，用戶根據(jù)自身需求調(diào)用服務器數(shù)據(jù)，對其進行修改后上傳至服務器，最后服務器通過判斷機制判斷修改是否合理并完成相關的記錄工作，再將其下傳給機器，從而實現(xiàn)相關的變更，進而實現(xiàn)通信服務映射，即由低壓電源等設備承擔服務器角色，根據(jù)端口102響應用戶要求，對設備進行精確化控制。與常規(guī)CDT和Polling模式不同，客戶/服務器模式以事件驅動方式為支撐，能夠在系統(tǒng)所定義事件（例如數(shù)據(jù)值改變、數(shù)據(jù)質(zhì)量變化等）發(fā)生后經(jīng)接口向主站報告數(shù)據(jù)集并寫入事件日志，以方便用戶隨時進行查看。同時，在一般情況下，IED設備可包括多個服務器對象，而每個服務對象均由多個邏輯設備組成，用戶通過ACSI服務便能夠對設備進行訪問。此外，除客戶/服務器模式外，組播/單播模式也可作為通信服務模式，其同樣采用與網(wǎng)絡獨立的抽象通信服務接口，能夠支持GOOSE服務和GSSE服務，在周期采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)幕A上提供數(shù)據(jù)服務功能。

3.4 一致性測試

一致性測試的目的在于檢驗IED通信接口與標準要求的一致性，涉及訪問組織、幀格式、位順序、時間同步、定時、信號形式以及電平等因素。其中，在提交測試設備測試時，應就提交協(xié)議實現(xiàn)符合性陳述（PICS）、用于測試的協(xié)議實現(xiàn)額外信息（PIXIT）、模型實現(xiàn)符合性陳述（MICS）等信息，分別為被測設備能力的總結、被測系統(tǒng)的容量以及設備支持的標準數(shù)據(jù)對象模型元素。同時，還應對設備安裝及操作指令指南進行檢測，從而確保設備通信的科學性。此外，在測試過程中，一般包括動態(tài)一致性測試和靜態(tài)一致性測試，而在通常情況下，使用網(wǎng)絡分析儀監(jiān)控測試過程中的錯誤，采集以太網(wǎng)絡上IEC61850的信息流量，從而對網(wǎng)絡事件、網(wǎng)絡安全和系統(tǒng)配置進行記錄，在幫助用戶剔除設備通信錯誤的同時確保設備通信系統(tǒng)穩(wěn)定、有效地運行。

4 結語

綜上所述，在IEC61850標準要求下的變電站設備通信系統(tǒng)具有互操作性、自由配置性和長期應用性等特點，不僅能夠為不同設備提供信息交換渠道，同時也能根據(jù)用戶的個性化數(shù)據(jù)管理需求對通信數(shù)據(jù)進行集中化或分散化處理，有助于提升設備通信的穩(wěn)定性和可靠性。在該基礎上，對變電站低壓電源設備來說，它是變電站自動化系統(tǒng)的主要組成部分，因此該文重點圍繞IEC61850標準下設備的建模方法和通信方法并對其進行分析且指出了一致性測試的技術要點，從而為IEC61850標準在變電站自動化系統(tǒng)建設中的應用提供參考。