電能量管理系統(tǒng)通信思考范文

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【摘要】

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是未來數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ秃徒７椒ㄊ荌EC61850標(biāo)準(zhǔn)的核心，本文先總體闡述了IEC61850的建模過程，進(jìn)而結(jié)合電能量管理終端的應(yīng)用進(jìn)行電能量管理終端的建模介紹。

【關(guān)鍵詞】

數(shù)字化變電站；IEC61850；智能電子設(shè)備；面向?qū)ο螅恍畔⒛Ｐ?/p>

在智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)中，需要接入大量的來自不同生產(chǎn)廠家的監(jiān)控設(shè)備。采用傳統(tǒng)的通信規(guī)約如IEC60870-5-102，Q/GDW376.1-2009，DNP3.0等，難以做到互聯(lián)互通、即插即用，接入和維護(hù)的工作量都十分大。圖1是智能變電站一體化監(jiān)控系模型。IEC61850為變電站自動化提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了不同智能設(shè)備之間的無縫接入。隨著IEC61850的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，其技術(shù)和方法逐漸推廣至變電站自動化以外的其它應(yīng)用領(lǐng)域，包括變電站與EMS主站之間的通信、水力發(fā)電（IEC61850-7-410）、分布式電源（IEC61850-7-420）、風(fēng)力發(fā)電（IEC61400-25）等等。引入IEC61850采用統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)主站與DRTU以及不同DRTU之間的互操作，從而解決大量DRTU的有效接入問題，減少維護(hù)工作量，是智能變電站通信的發(fā)展方向[1]。

1IEC61850簡介

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是IEC、IEEE與美國電科院（EPRI）合作的結(jié)果，其目的是建立一個真正的全球性標(biāo)準(zhǔn)，解決變電站自動化系統(tǒng)的互通互聯(lián)問題。下面介紹IEC61850的采用的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型常規(guī)的通信協(xié)議（如IEC60870-5系列、SC1801、ModBus等）從各種自動裝置接收數(shù)據(jù)需要三個處理過程。首先，裝置把實際數(shù)據(jù)映射成適當(dāng)?shù)膮f(xié)議消息；將數(shù)據(jù)傳遞到請求者那里，并寫入數(shù)據(jù)庫中；最后，將數(shù)據(jù)以圖形符號的方式顯示給用戶。存在的問題是，在協(xié)議消息傳輸過程中，其中一個數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的關(guān)系丟失了，因此，必須映射協(xié)議消息與其他數(shù)據(jù)的關(guān)系（一般叫作交叉關(guān)系表映射）。在安裝調(diào)試變電站自動化系統(tǒng)，處理所有的數(shù)據(jù)點時，（映射）配置工作非常耗費時間并且容易發(fā)生錯誤。IEC61850采用面向?qū)ο蟮男路椒ǎ瑔我坏臄?shù)據(jù)是沒有意義的，IEC61850將信息分為可以訪問的邏輯信息組，例如保護(hù)信息、開關(guān)設(shè)備信息、測量信息組等。邏輯信息組被進(jìn)一步劃分為不同的邏輯節(jié)點。邏輯節(jié)點是組成變電站自動化應(yīng)用功能，能夠互相交換信息的最小實體，是變電站最基本的虛擬表示單元。每一個邏輯節(jié)點由代表一些特定應(yīng)用功能的數(shù)據(jù)組成。按照定義好的通信方法與服務(wù)，包含在邏輯節(jié)點中的信息能夠同其他邏輯節(jié)點交換。用戶可以比較容易地研究和瀏覽這些邏輯節(jié)點，提取出所需要的信息。圖2給出了一個叫XCBR的邏輯節(jié)點的例子。這個邏輯節(jié)點代表一個IED模型中的斷路器對象。XCBR包含一個數(shù)據(jù)類Pos，表示斷路器的位置。這個數(shù)據(jù)類被賦予不同的屬性。例如，狀態(tài)值stVal表示斷路器的分合位置。這樣，斷路器的信息可以通過訪問具體的邏輯節(jié)點XCBR獲得。假設(shè)已知一個包含斷路器的IED模型，數(shù)據(jù)類XCBR的實例叫做XCBR1，則訪問XCBR1.Pos即可獲得斷路器所有的位置屬性信息，而訪問XCBR1.Pos.stVal就可以獲得斷路器的分合位置信息。一組邏輯節(jié)點組合在一起，完成一個具體的應(yīng)用功能，它們可能分布在變電站內(nèi)若干個實際物理設(shè)備中。圖2所示的保護(hù)功能為例，它包含三個邏輯節(jié)點（HMI：人機界面、P：保護(hù)、XCBR：斷路器）和一個獨立的邏輯節(jié)點（TCTR：電流傳感器），它們分布在斷路器、電流互感器、保護(hù)裝置三個具體的物理設(shè)備中。需要指出，在其他一些應(yīng)用場合，這些邏輯節(jié)點有可能都集中在一個物理設(shè)備中。一個物理設(shè)備可能包含多個邏輯節(jié)點。使用邏輯節(jié)點可以為一個具體的IED（例如單元層保護(hù)裝置）建模，這些IED與變電站內(nèi)的其他物理設(shè)備相互作用，完成具體的功能。一些邏輯節(jié)點可以認(rèn)為是代表變電站內(nèi)物理設(shè)備（例如斷路器或電流互感器）的邏輯對象。其他一些邏輯節(jié)點只完成一部分功能。以開關(guān)或斷路器控制為例，控制邏輯節(jié)點和斷路器邏輯節(jié)點相互作用完成斷路器的操作。如此，一組邏輯節(jié)點可逐步地建立起描述單元層裝置控制行為的模塊。

1．2抽象通信服務(wù)接口IEC61850總結(jié)了電力生產(chǎn)過程的特點和要求，歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)，設(shè)計出抽象通信服務(wù)接口（AbstractCommunicationServiceInterface：ACSI），其應(yīng)用功能、對象、服務(wù)與具體的技術(shù)及實現(xiàn)方法（通信協(xié)議）無關(guān)。ACSI提供6種服務(wù)模型：連接服務(wù)模型、變量訪問服務(wù)模型、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)模型、設(shè)備控制服務(wù)模型、文件傳輸服務(wù)模型、時鐘同步服務(wù)模型。它所定義的服務(wù)、對象、參數(shù)通過特殊通信服務(wù)映射（SpecificCommunicationServiceMapping：SCSM）綁定到底層的應(yīng)用程序（協(xié)議）中，例如綁定到MMS或IEC60870-5等應(yīng)用層協(xié)議上。這使得IEC61850的應(yīng)用可以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)。在底層網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化的情況下，只需要改變相應(yīng)的特殊通信服務(wù)映射即可。

1．3面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型面向設(shè)備的自描述IEC61850提供的模型覆蓋了變電站自動化領(lǐng)域幾乎所有功能和數(shù)據(jù)對象，并提供了擴展機制。因而在傳輸數(shù)據(jù)時，通過附帶數(shù)據(jù)自我描述信息的方法，實現(xiàn)信息的自描述，數(shù)據(jù)在傳到調(diào)度系統(tǒng)后，可以直接通過軟件解析，簡化現(xiàn)場驗收工作，數(shù)據(jù)庫維護(hù)工作量大為減少。

1．4系統(tǒng)配置因為IEC61850建立了統(tǒng)一的模型體系和統(tǒng)一的ACSI接口，并且支持現(xiàn)場設(shè)備的直接訪問，因而在設(shè)備配置發(fā)生變化的情況下，調(diào)度系統(tǒng)可以很方便地得知配置改變情況，并據(jù)此進(jìn)行更改。IEC61850包含了十個部分的內(nèi)容。電力系統(tǒng)工程師和用戶可能需要一些時間認(rèn)識了解它。然而，隨著對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求越來越多，信息新技術(shù)的不斷應(yīng)用，IEC61850最終會成為處理變電站配置、模型和通信的主要標(biāo)準(zhǔn)。

2IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用

由圖3可知，一區(qū)和二區(qū)之間的防火墻開放相應(yīng)的路由，使計量采集終端可以訪問。常規(guī)普通電表通過RS485接入常規(guī)終端，多合一裝置由于掛在Ⅰ區(qū)，需要通過防火墻開發(fā)路由接口，終端通過以太網(wǎng)接口的IEC61850-8-1訪問多合一裝置中的電量信息。

2.1電能量管理終端設(shè)備模型圖4定義的模型中基本上都是采用了IEC61850-8-1中定義的LN，本文采用的是xml語言進(jìn)行描述的。

2．2信息交換模型IEC61850-7-2定義了比較完備的抽象服務(wù)接口（AbstractCommunicationServiceInterface，ASCI），包括基本模型規(guī)范和信息交換服務(wù)模型，信息交換服務(wù)模型包括核心服務(wù)、通用變電站事件（GenericSubstationEvent，GSE）模型、采樣值（SampleValue，SV）傳輸模型、時間同步等。1.核心服務(wù)。核心服務(wù)采用Client/Server模式，支持Server、Association等模型，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和檢索；設(shè)備控制；事項報告和日志；/訂閱；設(shè)備的自描述等。核心服務(wù)是配網(wǎng)自動化通信的基礎(chǔ)，主站與終端、終端與終端之間的通信都需要支持核心服務(wù)。2.GSE模型。通用變電站事件GSE包括面向通用對象的變電站事件（GenericObjectOrientedSubstationEvents，GOOSE）和通用變電站狀態(tài)事件（GenericSubstationStatusEvent，GSSE）。GSE采用廣播方式，對傳輸?shù)难訒r有嚴(yán)格的限制。GOOSE是IEC61850定義的一種通信機制，用于快速傳輸變電站事件（如命令、告警等）。GOOSE利用了VLAN和優(yōu)先等級等以太網(wǎng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸時間＜4ms。配網(wǎng)自動化對于通信的實時性要求相對較低，并且終端設(shè)備的數(shù)量比較大，為避免出現(xiàn)大量的廣播信息造成網(wǎng)絡(luò)的堵塞，建議不采用GOOSE模型。

2．3通信服務(wù)映射ACSI的具體報文及編碼需要通過特定通信服務(wù)映射（SpecificCommunicationServiceMapping，SCSM）映射到具體的實現(xiàn)方式上。對于核心服務(wù)的實現(xiàn)方式，目前比較可行的映射方式有映射到制造業(yè)報文規(guī)范（ManufacturingMessageSpecification，MMS）和映射到IEC60870-5-101/104。1.映射到MMS：IEC61850-8-1中詳細(xì)定義了用戶/服務(wù)器模型映射到MMS的實現(xiàn)方式。MMS底層采用TCP/IP，編碼格式采用ASN.1。在配網(wǎng)自動化中采用以太網(wǎng)，以MMS+TCP/IP來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信是一種比較可行的實現(xiàn)方式。2.映射到IEC60870-5-101/104：IECTC57制訂了IEC61850與IEC60870-5-101/104之間信息交換的導(dǎo)則IEC61850-80-1。通過IEC61850-80-1可以完成IEC61850向IEC60870-5-101/104的數(shù)據(jù)模型的映射，用于變電站與控制中心的通信。

IEC61850-80-1對于信息模型能夠很好的進(jìn)行映射，但對服務(wù)模型支持的不夠好，比如Server的GetServerDirectory、LogicalDevice的GetLogical-DeviceDirectory等偏重于信息模型自描述的部分在IEC60870-5-101/104中沒有相應(yīng)的實現(xiàn)。這主要由于兩種標(biāo)準(zhǔn)所采用模型不一致造成的，對于這些不能映射的部分可以采用WebService、文件傳輸，或者對IEC60870進(jìn)行擴展，添加相關(guān)的應(yīng)用來實現(xiàn)。

3結(jié)語

本文對IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用背景進(jìn)行描述，介紹了IEC61850面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型、抽象通信服務(wù)接口及系統(tǒng)配置及面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型面向設(shè)備的自描述，舉例說明了IEC61850在電能量管理系統(tǒng)通信中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了電能量管理終端設(shè)備模型、信息交換模型及通信服務(wù)映射。

【參考文獻(xiàn)】

［1］國家電網(wǎng)公司.Q/GDW383-2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[M].中國水利水電出版社,2009,12.

［2］羅四倍,等.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο笏枷氲腎ED建模[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,17:88-91.

作者：龐宇峰 單位：安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 淮北煤電技師學(xué)院 安徽理工大學(xué)