IEC61850在公伯峽電廠勵磁系統中的應用

馬曉君，桑 路，王樹元，石曉丹，竇志奇，劉 哲

（青海黃河上游水電開發有限責任公司，青海 西寧 810008）

0 引言

伴隨著智能電網的深入建設，眾多新建電站、設備改造電站也在自動化和信息化時代的帶動下，向智能化方向邁進。IEC61850由于其眾多的優點，如通信的無縫連接、自動化性能自定義規范化等，已在智能化變電站中取得了巨大的成功，也驗證了將不同廠家生產的設備高效連接成為一個整體的方案是可行的，并且使得這些設備具備良好的互操作性，也因此使得IEC61850成為目前智能化水電廠建設中首選的通信協議。

1 IEC61850通信標準概述

IEC 61850系列標準的全稱是變電站通信網絡和系統(Communication Networks and Systems in Substations)，它規范了變電站內智能電子設備（IED）之間的通信行為和相關的系統要求[1]。

IEC61850 的目標是實現不同廠商產品之間能夠互操作；滿足變電站自動化系統（SAS）功能和性能的要求、靈活配置，將功能自由分配到裝置中。

為達到這些目的，IEC61850通信標準一方面采用面向對象建模的方式，使得電站自動化設備的模型中包含了大量自描述信息；另一方面，標準定義了完善的信息交換格式和信息交換行為，使得通信雙方可以以標準的方式相互獲得配置信息[2]。

2 EXC9200勵磁系統IEC61850通信介紹

EXC9200勵磁系統是廣州擎天實業有限公司研發的第六代勵磁系統。依托高性能、高可靠的嵌入式計算機和實時操作系統平臺，采用分布式控制架構，實現勵磁系統的操作、顯示、狀態和故障監測等智能一體化[3]。為了適應完整的智能化水電廠建設需求，在現有EXC9200勵磁系統的硬件平臺架構基礎上添加了 IEC61850軟件協議棧，以此實現勵磁系統以IEC61850為標準進行對外通信，響應請求時間間隔<100 ms。

EXC9200勵磁系統IEC61850通信可實現遙測(MV : measurable value)、遙 信(SPS : single point status)、遙控(SPC : controllable single point)、遙調(APC : controllable analog process value)4個部分。遙測信息包含機端電壓、勵磁電流等測量值；遙信信息包含勵磁系統通道運行、手自動方式等開關量；遙控包含勵磁系統開停機等控制信息；遙調則是包含無功調節、參數調節等設定值設定。遙測和遙信采用報告形式輸出，每條報告最多100個信號。

2.1 IEC61850通信建模

以IEC61850 Ed2.0版本為基礎，根據IEC 61850-7-500-2010、IEC 61850-7-501-2010 定 義的基本LN類和CDC類為基礎進行建模，即每個需要通信的最小功能按一個邏輯節點LN（logical node，LN）建模，再將這些邏輯節點分配給相應的邏輯設備LD（logical device，LD）。勵磁主要的LD包含公用LD，實例名為“LD0”、測量LD，實例名為“MEAS”、保護LD，實例名為“PORT”、控制LD，實例名為“CTRL”，各種不同的LD設備最終構成智能電子設備IED（Intelligent Electronic Device，IED）[4]，如圖1所示。最終生成實例配置文件server.cid。

圖1 IED模型

2.2 IEC61850通信實現的MMS服務器配置

MMS服務器配置由3部分組成:IED配置單元（IEC61850 Server Setting Unit）、通 信 配 置 單 元（Communication Setting Unit）、I/O映射（I/Omapping）[5]。

IED配置單元即IEC61850通信建模章節生成的配置文件server.cid。其完整結構如圖2所示。

圖2 ICD模型

通信配置是在hw.cfg文件（hardware configure）完成。在hw.cfg中可修改網口IP地址子網掩碼網關、以及使能NTP對時功能等相關信息。

motetsec0subnetmask0gateway0分別對應網口1的IP地址子網掩碼網關，同理，motetsec1subnetmask1gateway1對 應 網 口2，motetsec2subnetmask2gateway2對應網口3，ntpServer是ntp對時的時鐘源IP，ntpEnable = true,即代表投入ntp對時功能。

通過hw.cfg配置，實現了IEC61850客戶端與IED設備之間的數據連接。

hw.cfg部分代碼如下：

channel IIU

{

motetsec0 = "10.37.49.220"

motetsec1 = "10.1.5.2"

motetsec2 = "10.1.6.2"

ntpServer = "10.1.1.2"

mutilcast = "239.1.1.220"

subnetmask0 = "255.255.255.0"

subnetmask1 = "255.255.255.0"

subnetmask2 = "255.255.255.0"

gateway0 = "10.1.5.1"

gateway1 = "10.1.6.1"

routeip0 = "10.1.1.0"

routeip1 = "10.1.2.0"

mutilPort = 8898

mbtcpPort = 502

ntpEnable = true

mutiEnable = false

routeEable= true

debugNet = motetsec0

}

I/O映射即將HIIU寄存器中的數據映射到協議棧PIS-10，進行程序處理，進而完成網絡通信。如圖3所示。

圖3 I//O映射

最終勵磁系統將這些符合IEC61850定義的抽象的數據類型映射到MMS的通信報文中，通過TCP/IP協議來與上層的智能化設備通信，如圖4所示。

圖4 通信傳輸

3 IEC61850通信在公伯峽水電廠勵磁系統中的應用

3.1 IEC61850在水電站勵磁系統的實現方案

EXC9200勵磁系統IEC61850通信在公伯峽電站使用了遙測、遙信模型。

勵磁系統內部使用CAN通信方式實現調節器、功率柜、滅磁柜數據共享，并將可靠性、實時性要求低的模擬量、開關量通過485通信送到通信協議轉換板（HIIU），可靠性、實時性要求高的模擬量、開關量通過UDP通信送到通信協議轉換板（HIIU）。在確保勵磁系統內部工作穩定可靠的情況下，提高了數據傳輸的實時性和可靠性，并大量地減少了外部接線[6]，配置方案如圖5所示的。

圖5 IEC61850方案

3.2 基于IEC61850通信的網絡拓撲

該方案可采用雙網冗余的結構，雙網之間分別配置一個線路，兩線路處于不同的局域網中，以提高系統的可靠性。

也可以通過路由方式，將兩個線路處于一個局域網中，實現雙路冗余，公伯峽水電站采用的即是這種通信方案。網絡拓撲圖如圖6所示。

圖6 公伯峽水電站勵磁至監控的網絡拓撲圖

HIIU為勵磁系統協議轉換板，AB網實現對外通信，IP為10.*.5.210.*.6.2。

EX-SW1EX-SW2為勵磁側兩個交換機，IP為10.*.5.110.*.6.1。

LCU-SW1LCU-SW2為監控側兩個交換機，IP為10.*.1.110.*.2.1。

LCU-AK為監控服務器，C4PRE1C5PRE1的IP分別為10.*.1.210.*.2.2。

上述*代表機組號，子網掩碼為255.255.0.0。

從圖6可知，①~⑦任一線路發生中斷，都能保證有一線路是正常工作的，保證了網路冗余的可靠性。

4 通信對點方法

使用IEC61850通信協議，靈活的配置、面向對象的建模方式，極大方便了設備的數據交換，同時大量的數據也給信號對點帶來了新的挑戰，尤其是開關量存在著信號模擬繁瑣的問題，傳統的實況模擬效率極低，不易在現場進行操作。

我們利用EXC9200勵磁系統HIIU控制板對外同時支持標準的ModBusTCP通信協議，來對勵磁系統HIIU控制板寄存器進行數據讀寫，從而實現開關量模擬。

4.1 ModBusTCP通信協議寫寄存器示例報文[7]

表1為寫數據請求的代碼及對應的含義。

表1 寫數據請求

表2為寫數據響應的代碼及對應的含義。

表2 寫數據響應

4.2 對點步驟

4.2.1 對點前的準備

通過上位機調試軟件連接HIIU板件，HIIU板件第一個網口IP為10.37.49.220（地址可修改），設備選擇MMG#2。連接成功后執行Relay TestMode。，屏蔽正常工況下內部信號輸出，即將所有寄存器數據位置0。

4.2.2 對點

如圖7所示，通過TCP測試工具，選擇與被控制設備同一網段IP，點擊連接，如果正常連接，軟件右下方方框會顯示10.37.49.21：58948連接服務端成功，在數據發送窗口勾選十六進制，輸入15 01 00 0000 06 ff 06 00 a3 00 01，點擊發送，如果發送成功，會在數據接收窗口顯示15 01 00 00 00 06 FF 06 00 A3 00 01，表示已在地址為00 A3的寄存器寫入了數據00 01，即模擬了地址為00 A3的寄存器第一位信號點，依此類推，我們可以通過寫入15 01 00 00 00 06 FF 06 00 A3 00 08，模擬地址為00 A3的寄存器第4位信號點。更換寫入其他寄存器時，可以先對之前的寄存器置零，保證信號獨立驗證。

圖7 ModBusTCP對點

5 結論

IEC61850是構造智能化、數字化水電站的重要通信標準，也有越來越多的勵磁設備廠商在系統中增加了對IEC61850協議的支持，利用規約轉換的方式將IEC61850通信應用到勵磁系統會是一個過渡時期做法，相信在不久的將來內部通信也會基于IEC61850通信協議進行連接，屆時由于不同協議之間帶來的不可避免的數據延時問題也就迎刃而解。