基于 IEC 61850 的輸電線路設備建模和通信協議研究

方 炯， 楊先進， 李穎浩， 付俊強

（1.杭州市電力局，杭州 310009； 2.浙江大學電氣工程學院， 杭州 310027）

電力信息

基于 IEC 61850 的輸電線路設備建模和通信協議研究

方 炯1， 楊先進1， 李穎浩2， 付俊強2

（1.杭州市電力局，杭州 310009； 2.浙江大學電氣工程學院， 杭州 310027）

IEC 61850 標準規定了變電站信息建模及其方法，該標準的核心內容是面向對象的信息模型和建模方法。 基于 IEC 61850 模型提出并拓展了輸電線路狀態檢測設備的對象模型， 并將之轉換為IEC 60870-104 與主站進行通信， 使設備的建模與通信能夠符合國際標準。

智能電網； IEC 61850；IEC 60870-5-104；面向對象； 信息建模

0 引言

輸電線路監測的對象是各類輸電設備與運行環境，監測功能的實現離不開相關的采集與通信裝置，到目前為止，輸電線路監測各組成部分（如采集裝置、 通信裝置、 子站與主站）相互之間耦合度仍然很高，但不同廠商的監測裝置、通信裝置、主站之間很難共享與通用，裝置之間互操作性與互換性差，降低了用戶選擇系統解決方案的靈活性，不利于系統升級或擴展。

IEC 61850 是迄今為止最為完善的變電站自動化通信標準[1]， 以實現互操作性為首要目標， 為現場設備的配置與互操作提供一套完整的模型體系與標準化建模方法，使各個制造廠的設備可用同一種方式進行管理，這種面向設備的方式解決了由于不同制造廠商采用私有規約所造成的一系列問題。

由于輸電線路狀態監測與變電站自動化在模型設計、通信結構、主站等方面具有很多類似之處， 把 IEC 61850 從變電站自動化領域延伸到輸電領域并不存在著技術障礙； 并且隨著 IEC 61850逐步推進到輕量級的通信環境中， 應用 IEC 61850國際標準對輸電線路設備進行建模，對于保障輸變電統一模型具有一定的工程意義。

在此基于 IEC 61850 國際標準， 結合輸電線路設備監測的實際，提出并拓展了輸電線路狀態監測設備的對象模型， 并將之轉換為 IEC 60870-104 與主站進行通信， 使設備的建模與通信能夠符合國際標準。

1 輸電領域應用 IEC61850 分析

IEC 61850 不僅包括變電站自動化系統中數據對象的模型，而且包括變電站自動化通信系統的模型，這些模型與面向對象的抽象通信服務接口結合起來， 形成帶自描述信息的通信平臺[2]。

對 智 能 電 子 設 備 （IED ） 分 層 次 建 模 是 IEC 61850 標準應用的關鍵， 通常 1 個 IED 建模為 1個 SERVER 類的實例。 1 個服務器至少包含 1 個邏輯設備，此外，還包括由通信系統提供的其他一些公共基本組成部件。

邏輯節點是功能的基本單位，數據建模方法的核心是對邏輯節點的設計，對服務器、邏輯設備的設計只是使得模型變得更清晰與規范化[3]， 因此，對邏輯節點的設計非常重要。

IEC6 1850 的自描述方式與建模方法完全適用于輸電線路監測領域，與變電站自動化系統比較起來， 在輸電領域應用 IEC 61850 時應注意以下差異：

（1）實現目標不同。 IEC 61850 應用在變電領域主要為了實現 IED 間的互操作性， 而輸電領域應用 IEC 61850 主要為了實現 IED 設備的互換性與遠程配置的標準化。

（2）功能分配層級不同。IEC 61850 在變電領域功能分為變電站層、間隔層、過程層；而在輸電領域由于沒有 IED 間的通信， 只有過程層與站級層。

2 輸電線路設備檢測功能分析

由于輸電線路狀態監測只是一個采集系統，沒有 IED 間的通信問題， 因此只建 IEC 61850 的兩層， 即過程層和站級層。 過程層 IED 的建立不需要考慮相互間的配合，原則上一類設備的1種監測建 立 1 個 IED， 如 導線 的 溫 度 為 1 個 IED，也可以同樣的采集量使用同一個 IED， 如導線的溫度和金具的溫度由同一個設備采集，則使用同一個 IED 來進行建模。 站級層 IED 的建立主要是收集過程層 IED 的信息， 并作為網關機將信息轉發給主站。

對過程層的 IED 進行分析， 從整體上把輸電線路的監測功能抽象為以下幾類：

（1）電氣類。 監測與線路電氣有關的數據，如電壓、電流、放電、電氣距離、雷電等數據采集單元。

（2）機械類。 監測與線路機械力學有關的數據，如導線溫度、微風振動、舞動、次檔距振蕩、覆冰、弧垂、張力、桿塔傾斜、絕緣子串風偏和偏斜、桿塔振動、桿件應力分布、基礎滑移、不均勻沉降等數據采集單元。

（3）運行環境類。 監測與運行環境有關的數據，如氣象、污穢、大氣質量、通道環境、圖像/視頻等數據采集單元。

為了能夠更清晰地理解功能，也可以按輸電線路結構進行分類檢測：

（1）導線類。 包括導線弧垂、 導線溫度、 導線微風振動、相間風偏、覆冰狀況、導線舞動等。

（2）地線類。 包括微風振動、 舞動、 覆冰、 張力等。

（3）金具類。包括金具溫度、微風振動類。

（4）絕緣子類。 包括絕緣子污穢度、 絕緣子串風偏等。

（5）桿塔類。包括桿塔傾斜、 桿塔振動、桿件應力分布等。

（6）桿塔基礎類。 包括基礎滑移、不均勻沉降等。

（7）通道類。包括氣象條件、 大氣環境、外力破壞、 通道狀況、 圖像/視頻、 雷電等。

3 輸電線路設備監測信息建模

3.1 邏輯節點建模

對輸電線路狀態監測邏輯節點的設計需要充分考慮輸電線路狀態監測實際系統結構（見圖1）。典型的系統由傳感器、 代理裝置（CMA）、 主站幾部分構成。其中，安全通信組件統一負責傳感器與 CMA 之間的喚醒、認證、數據通信和信息安全任務，可與傳感器捆綁組成各類監測裝置，CMA 則完成數據的加工和主站側集中通信。

輸電線路邏輯節點分為站級層與過程層2級，站級層的邏輯節點主要使用遠方監測接口（IMTI）來建模， 考慮到對通道的監測實際， 在站級層還增加了遠程控制接口（ITCI）、 通用自動過程控制（GAPC）， 共同表達了 CMA 的邏輯功能（如圖2所示）。 過程層的各類傳感器所具有的邏輯

功能，主要由不同的應用邏輯節點來建模。

圖1 輸電線路狀態監測系統結構

圖2 輸電線路狀態監測邏輯節點結構

根據 IED 的分層信息模型可知， 一旦確定了某個應用邏輯節點，即得到了 IEC 61850-7-4 中某個兼容邏輯節點類的實例，該邏輯節點就自然擁有了邏輯節點類中所有的兼容數據，如果兼容數據無法滿足，就需要創建新的數據。因此，輸電線路狀態監測邏輯節點建模，需要進一步對數據、數據屬性和服務進行設計。

3.2 邏輯設備建模

邏輯設備至少要包含 3個邏輯節點對象：1個物理裝置邏輯節點（LPHD）； 1 個邏輯節點零（LLN0）； 1 個或多個特定應用邏輯節點。 其中LLN0 包含物理裝置中 IED 相關數據。 LPHD 表述其所在的物理設備的公共信息，如銘牌信息、設備健康狀態等； LLN0 代表邏輯設備的公共數據，包括邏輯設備的運行模式、行為和此邏輯設備的數據集內容。

以桿塔功能監測為例，包含2種典型采集裝置， 分別對應桿塔振動（STGP）、 桿塔傾斜（STLF）2個邏輯節點，如圖3所示。

桿塔所對應的邏輯節點模型包含 LPHD 屬性集、LLN0 屬性集、 STGP 屬性集及 STLF 屬性集，詳細內容見表1—4。

圖3 桿塔監測功能涉及的邏輯節點

表1 LPHD 類

表2 LLN0類

表3 STGP 類

4 多種通信方式比較

4.1 通信協議

IEC 61850 將功能與具體的通信技術和通信協議分離，通過將功能分解為標準化的模塊，來規范信息的語義。 IEC 61850 并不對具體的通信技術和采用的通信協議做出限定，只要滿足技術需要并能傳輸標準的信息模型，就可以使用該通信技術和協議，唯一需要做的工作是解釋該通信技術和協議如何承載標準的信息模型，即映射問題。由于信息模型的功能服務獨立于具體網絡，功能的具體實現依賴于特定通信服務映射。所以可以采用3種方式實現：

表4 STLF 類

（1）根據信息模型中功能服務的特點， 在子站采集器管理機上向 IEC 60870-101 或 IEC 60870 -104 進行映射，實現通信映射，并通過變電站配置語言配置擴展來實現與主站的無縫連接。

（2）在子站采集器管理機上將IED 內容直接使用 61850 的 Web Service 方式發送給主站， 主站直接解釋 61850 的 ACSI命令。

（3）在子站采集器管理機上將 IED 內容直接轉換為 61970/61968 的信息格式， 以 Web Service方式來進行消息傳遞， 采用 61968 所定義的消息格式。

4.2 映射為 101 或 104

IEC 60870 標準的體系并不是分層的， 它是一種平面化的通信標準，這種標準將傳輸信息的語義和通信規則緊密的耦合在一起，它不能離開通信規則獨立存在。 因此和 IEC 61850 與制造報文規范的映射不同， 由于 IEC 61850 與 IEC 60870在體系上的巨大差異，這種映射是兩種不同體系之間的映射。 IEC 60870 主要用于過程層的實時信息交換， 并不能支持 IEC 61850 的所有功能。

映射到 IEC 60870-5-104 主要是為了實時交換過程信息，并提供文件傳輸和日志服務。這些實時信息可以映射為一部分 IE6 1850 通用數據類的數據屬性， 在過程層將 ACSI中提供的過程層服務映射為 IEC 60870-5-104 的應用服務數據單元（ASDU）來交換信息。 因此必須提供信息模型的對象引用到公共 ASDU 地址和信息體地址（IOA）的映射來支持過程層的信息交換， 在過程層的服務中，監視方向上使用最多的就是讀數據抽象服務請求 Get Data Values， 其可以映射為 ASDU<102>的讀服務請求， 根據請求的信號類型的不同采用不同類型的 ASDU。數據集則映射為描述一組信號的子容器， 這組信號也通過 IOA 引用，類似于邏輯公共 ASDU 地址和 IOA 應能直接從IED 中檢索。

4.3 W eb Service 上送

按照 IEC 61850 定義的服務器、 邏輯設備、邏輯節點和數據及數據集及所有服務，生成以XML 描述的 Web Service 的數據結構、 函數、 參數和返回值以及服務接口。在 Web Service 中，采用用戶名和密碼登陸的方式，每個設備均分配單獨的統一資源標識來區分。

因 Web Service 的數據交換由客戶端發起，故報告的實時上送是 Web Service 作為 IEC 61850通信接口的關鍵。因此在智能裝置中，除了具有服務器端的功能外還必須具有客戶端的功能，在其有突發數據時，可以將數據直接發給服務器，在監控后臺中，除用于請求數據的客戶端外，還必須具有接收報告的服務器端，以實時接收智能裝置的報告信息。

61968 的消息交互主要用于系統和系統間的信息交互， 因此在 IED 中如果要實現 61968 的消息交互， 則需在 IED 中進行 SCL 映射， 將 IED 的61850 模型映射成 61968 模型， 并使用 61968 的消息動詞來進行與主站的通信。3種通信方式的比較見表5。

4.4 使用 SCL 進行 IEC 60870-5-101 通信參數設置

SCL 文件是 1 個可配置文件， 能夠被客戶端和服務器共享。 它是 1 份配置表， 說明了 IEC 60870-5-101 或 IEC 60870-5-104 地址信息到基于 LN和 CDC 的信息模型之間的對應關系。 SCL 文件存儲在服務端，客戶端可以讀取，內容將反映最后的配置信息，表6定義了能被使用的參數名。

表5 多種通信方式比較

表6 定義的參數

在輸電線路設備監測領域使用的 SCL 文件可描述如下：

5 結語

對輸電線路與變電站自動化兩個領域應用IEC 61850 進行差異性分析， 對輸電線路設備監測功能進行分解，提出并擴展了輸電線路對象模型，并以桿塔功能為例，對邏輯設備進行建模。在對多種通信方式比較的基礎上， 提出了把 IEC 61850 轉換為 IEC 60870-104 的通信方式， 使設備的建模與通信能夠符合國際標準，為輸電線路狀態監測自動化設備使用 IEC 61850 國際標準提供了借鑒。

[1]韓 法 玲 ，黃 潤 長.基 于 IEC 61850 標 準 的 IED 建 模 分 析[J].電力系統保護與控制，2010，19（8）∶62-64.

[2]王 照 ， 任 雁 銘.IEC 61850 數 據 集 模 型 的 應 用 [J].電 力系統自動化，2005，29（2）∶61-63.

[3]張 杰 ， 候 思 祖 ， 陳 小 倩 ， 等.基 于 IEC 61850 信 息 建 模 方法的應用研究[J].電力系統通信，2011，32（229）∶31-34.

[4]IEC 61850 communication networks and systems in substations[S]．2004．

[5]全 國 電 力 系 統 控 制 及 其 通 訊 標 準 化 技 術 委 員 會.IEC 61850 變電站通訊網絡和系統系列標準[S].北京：中國電力出版社，2002，

（本文編輯：楊 勇）

Research on M odeling and Communication Protocol for Transm ission Line Equipment Based on IEC 61850

FANG Jong1， YANG Xian-jin1， LIYing-hao2， FU Jun-qiang2
（1.Hangzhou Electric Power Bureau， Hangzhou 310009， China；2.College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Information modeling and themethod in substations are specified in IEC 61850， the core content of which are object-oriented information model and the modeling method.The paper proposes and extends objectmodel of detection facilities for transmission line status and changes it into the communication between IEC 60870-104 and the master station so that the modeling and communication of the equipment can meet the international standards.

smartgrid； IEC 61850； IEC 60870-5-104；object-orientation；informationmodeling

TM726.1∶TP319

： B

： 1007-1881（2012）11-0077-05

2012-03-23

方 炯（1973-）， 男， 杭州人， 工程師， 從事輸電線路專業技術管理工作。