基于MODBUS 協議和IEC 61850 協議的變電站通信電源監控研究

張 焱

（國網河北省電力有限公司超高壓分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

自從人類步入電氣時代以來，電力對人類社會產生了深遠的影響，極大地推動了社會的發展，但也給生態環境帶來了極大的負面影響。尤其是近年來全球變暖、臭氧層破壞問題日益嚴重，導致極端氣候和地質災害頻發。提高電能的利用效率，不僅能保護自然資源，還能減少溫室氣體的排放[1-2]。變電站作為電力系統的重要組成部分，起著電量調控、電能分配和電壓轉換的作用，實現變電站智能化管理能有效減少能源的消耗和浪費，降低變電站內部電磁輻射等污染的影響。由于變電站電源系統設備之間相對獨立、分散，難以實現自動化和網絡化的電源監控，且監控信息難以共享，給變電站的智能化發展帶來了阻礙。此外，傳統電源監控系統的通信協議難以滿足當前的智能化需求[3]。為實現變電站通信電源的實時監控，研究提出基于MODBUS 協議和IEC 61850 協議的實時監控系統。該系統利用IEC 61850 協議標準化電源系統的數據，實現信息共享。同時，將MODBUS協議和控制器局域網總線（Controller Area Network，CAN）協議轉換為IEC 61850 協議，以擴展電源監控系統的適用范圍，實現對不同種類電源的監控。

1 基于MODBUS 協議和IEC 61850 協議的變電站通信電源監控

1.1 變電站通信電源監控數據標準化方法

通常變電站電源設備之間缺乏統一的通信協議，而IEC 61850 協議作為電力系統自動化領域的通用標準，能夠實現智能變電站的工程運作標準化，實現數據信息共享，從而使智能變電站的工程實施變得規范、統一和透明。

在建設IEC 61850 信息模型的過程中，需要根據需求設置智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED），并將某一功能設為主IED。同時，需要分解IED 功能，并確定其對應的邏輯節點和數據。在選取邏輯節點時，必須根據功能需求判斷節點是否適用。若節點符合需求，則直接選用；若不符合，則需要擴充數據。若擴充數據后的邏輯節點滿足要求，則選取標準中的節點，對數據進行判斷。如果數據滿足要求，則添加標準中的數據，否則添加新數據[4-5]。若節點本身不滿足要求，則需要定義新的邏輯節點，并按照先前的判斷標準判斷數據是否滿足要求。

由于變電站電源種類豐富，為提高電源監控的普適性，文章在監控方案中添加了逆變電源、蓄電池、交流電源、直流電源以及不間斷電源（Uninterruptable Power Supply，UPS）的監控需求。確定好監控需求后，對邏輯節點進行確認。考慮電源監控需求，邏輯節點分為邏輯節點0、物理邏輯節點、交/直流母線、逆變器、交/直流進線、充電模塊、單體電池以及蓄電池。同時，將相似的邏輯節點組合在一起，構成邏輯設備。為實現多種電源的在線監控，確保邏輯設備模型的清晰度，邏輯節點應涵蓋所有功能需求，且同一功能的參數應集中在一個邏輯節點[6-7]。變電站電源監控信息分為測量信息、狀態信息、定值信息以及控制信息4 種。以交流進線為例，邏輯節點測量信息、控制信息和狀態信息的設置如表1、表2 和表3 所示。

表1 交流進線邏輯節點測量信息

表2 交流進線邏輯節點控制信息

表3 交流進線邏輯節點狀態信息

由表1 ～表3 可知，交流進線的邏輯節點包含測量信息、狀態信息和控制信息3 種，所有信息均屬于可選信息。測量信息、狀態信息和控制信息分別使用模型-視圖（Model-View，MV）、結構化-實用化-情境化（Structured-Pragmatic-Situational，SPS）和算法-刺激-等級（Algorithm Stimulus Grade，ASG）類進行建模。組合相似的邏輯節點，即可得到邏輯設備。在研究提出的監控方法中，通信模式和信息模型的映射方法分別采用客戶端/服務器的模型和變電站配置描述語言（Substation Configuration description Language，SCL）文件，而服務映射則通過多媒體信息服務（Multimedia Message Service，MMS）服務器來實現。

1.2 變電站通信電源在線監控方案

在變電站電源監控中，電源子系統的通信協議類型各異，因此很難在短時間內將其轉換為支持IEC 61850 協議的設備。為實現變電站電源的普適性監控，研究提出利用PCIE 采集卡和T4240 處理器將數據協議轉換為IEC 61850 協議。變電站電源監控信息傳輸方案如圖1 所示。

圖1 變電站電源監控信息傳輸方案

由圖1 可知，整個電源信息傳輸系統由3 個快速外圍組件互連（Peripheral Component Interconnect Express，PCIE）采集卡，2 個RJ-45 以太網接口，1個顯示器、固態硬盤、T4240 處理器、鼠標、鍵盤以及固態硬盤組成。其中，固態硬盤為SATA 2.0。

在電源監控方案中，變電站信息系統通過以太網接口與處理器相連，PCIE 采集卡則與電源系統相連。采集卡采集電源系統中的不同協議數據后，通過Serdes Bus 將信息傳遞給處理器，轉化不同的協議信息，即將不同的協議轉化為IEC 61850 協議，以統一管理變電轉電源。研究采用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）EP2S60F484作為PCIE 采集卡的主控芯片。FPGA 的邏輯設計通過超高速集成電路硬件描述語言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL）完成，而芯片的模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）寄存配置和采樣時鐘則通過串行外圍設備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）串行通信實現[8-9]。電源監控系統的通信方案則借助MODBUS 協議完成。MODBUS 協議的數據表示有2 種形式，即Modbus RTU 和Modbus ASCII，文章采用的信息格式為Modbus RTU。第一，對串口進行定義和設計，并通過定時器更新信息。第二，上位設備發送讀寄存器數據指令，下位設備接收后響應并判斷信息是否正確[10-11]。如果信息正確，則進行幀解析，否則重新發送讀寄存器數據指令。解析完畢后，即可顯示數據。

此外，為描述IED 信息模型，變電站配置描述語言SCL 的文件配置以XML 為基礎。在電源監控系統啟動時，MMS 服務器會在對象初始化完成后，讀取.cfg 文件，判定其內容，尋找并解析IED 的訪問點。同時，服務器會為邏輯節點和邏輯設備創建相應的MMS 數據和數據域。鑒于變電站電源監控的特點，研究采用MYSQL Workbench 作為數據庫服務器。在設計數據庫時，建立了多個數據表，包含管理人員信息、電源信息、操作日志及事故日志等。此外，考慮到電源監控系統的通用性，研究還在系統中集成了CAN協議，實現儲能電池管理系統（Battery Management System，BMS）的通信功能。

2 變電站通信電源在線監控實驗結果及分析

變電站通信電源監控系統的開發語言為C++，開發環境為QT。為測試研究提出的變電站通信電源在線監控系統的性能，分別測試BMS 通信、逆變器通信和IEC 61850 通信，各通信的協議分別為CAN 協議、MODBUS 協議和IEC 61850 協議。實驗設備包含CAN 協議轉換器、MODBUS 分析儀、CAN 協議分析儀、15 V 電源、工控一體機以及通信接口。在BMS 通信測試中，實驗操作包含接觸器1 閉合充電和斷開，接觸器2 閉合預充和斷開。BMS 通信測試的報文結果如表4 所示。

表4 BMS 通信測試報文結果

由表4 可知數據部分表示接觸器狀態，以表中第一行數據為例。第一位數據表示接觸器1 的狀態，第二位數據表示接觸器2 的閉合狀態，00 和01 分別表斷開和閉合。第三位數據表示蓄電池的充放電狀態，01 表示電池處于充電狀態。在BMS 通信的報文信息中，能夠精準反映接觸器的實時狀態。可見，研究提出的變電站電源監控系統能實現對儲能BMS 的監控。逆變器通信測試及IEC 61850 通信測試結果分別如圖2、圖3 所示。

圖2 逆變器通信測試結果（返回遙測信息）

圖3 IEC 61850 通信測試結果

由圖2可知，逆變器通信通過MODBUS協議實現，報文最后兩位表示校驗碼。發送的指令中，實線框和虛線框中的數據分別表示電源處于恒壓充電狀態和首地址，虛線框內最后一位數據表示讀取數據的數量。返回遙調信息中的0A 和00 00 分別表示數據數量和首地址，00 00 后方信息則表示電源是否有功。根據報文信息內容可知，IEC 61850 通信無異常。

研究結果表明，文章提出的變電站電源監控系統不僅能實現IEC 61850 通信，還能實現逆變器通信和BMS 通信，有效提升通信電源監控系統的普適性。不同類型電源的監控準確率如圖4 所示。

圖4 不同類型電源的監控準確率

由圖4 可知，研究提出的變電站電源監控方法對通信電源的監控準確率最高，達到99.79%；其次是逆變電源，準確率為99.34%；準確率最低的是不間斷電源，僅為98.34%。就整體而言，研究提出的電源監控方法對各類電源的監控準確率均不低于98%，平均準確率為98.98%。由此可見，該變電站電源監控方法適用于不同類型的電源，具有較好的應用效果。

3 結 論

變電站作為實現電量調控和電能轉換的場所，在電力系統中占據重要位置。為提高環保效益，變電站智能化趨勢不可避免。文章提出一種基于MODBUS協議和IEC 61850 協議的變電站電源監控系統。該系統監控不同電源設備的狀態，并將不同設備的通信協議轉換為IEC 61850 協議，實現各設備之間的無障礙通信。同時，IE61850 協議能標準化處理電源的數據，實現信息共享。實驗結果顯示，研究提出的變電站電源監控系統能實現BMS 通信、逆變器通信和IEC 61850 通信，實時監控電源設備的狀態。該研究彌補了現有的變電站通信電源監控系統自動化程度低、在線監控完整度和普適性差的缺點，實現了變電站的智能通信。