基于IEC 61850的數字化變電站可視聯動系統

晉偉平 白 彪 程 穎 吳 軍

(云南電網公司普洱供電局，云南 普洱 665000)

1 前言

變電站視頻監控遙視系統［1］有效地解決了變電站的遠程監控和現場操作可視化問題，提高了變電站的自動化水平，在變電站建設與運營維護中得到了廣泛應用。然而，當前國內所使用的遙視系統還存在如下不足:

1)功能相對單一，僅實現了變電站視頻圖像瀏覽、云臺控制和基本的報警功能聯動，沒有實現變電站內多設備、多系統間的聯動。

2)應用范圍基本停留在對變電站環境和設備整體外觀的觀測層面，無法全面取代人員巡視而實現無人值守目標。

3)當前的遙視系統與變電站自動化系統獨立運行于兩個互相隔離的網絡中，難以及時了解變電站設備運行的變化情況。

變電站通信網絡與系統標準(IEC 61850)［2］由于具有面向對象、良好的互操作性和開放性等特點，是實現變電站自動化系統無縫通信的重要依據。該標準定義了各種數據模型和抽象通信服務接口，其中就包括面向通用對象的變電站事件模型(GOOSE)、采樣值傳輸模型(SV)等。變電站自動化系統中過程層的信息交換主要就是以GOOSE及SV報文的方式實現。

如果遙視系統能從上述報文中獲取變電站自動化系統的遙控操作、開關狀態變化和量測值等信息，并智能地調整相關攝像機進行多角度的視頻監控，即可實現對設備遙控操作、事故跳閘和量測值越限等事件的可視聯動，為達到無人值守數字化變電站這一目標提供有力保障。如何合理地從這些報文中提取并解析可視聯動所需要的信息，是實現變電站可視聯動的重要內容之一。本文采用了模塊化、組件化軟件以及實時內存等技術，開發了IEC 61850的規約轉換器，設計并實現了基于該轉換器的數字化變電站可視聯動系統。

2 變電站遙視系統

2.1 變電站遙視系統結構

變電站遙視系統是一個涵蓋了工業控制、多媒體技術、計算機網絡與通信技術的綜合系統［3］，一般由監控中心和變電站前端兩部分組成。其中，變電站前端包括各類傳感器、攝像機、報警控制器、視頻處理服務器和本地監視器等見圖1。

2.2 變電站遙視系統功能

除常見的系統管理功能(如權限管理，數據記錄、備份與恢復，網絡安全等)外，變電站遙視系統主要有運行監視和安全防范兩大類功能［2］。

1)運行監視功能用于保障變電站設備的正常運行。

圖1 變電站遙視系統結構

2)安全防范功能用于保障變電站空間范圍內的建筑和設備安全，及時發現火警、盜警，啟動報警裝置并且可進行視頻聯動監控。

3 變電站可視聯動系統

3.1 基本原理

在變電站內部，遙視系統通過一定的技術獲取并解析變電站自動化系統內所傳送的斷路器分合閘、刀閘變位、事故報警、遙控、遙測等IEC 61850報文。根據解析所獲得的報文內容，遙視系統自動打開現場照明設備(夜間)，并自動控制攝像機云臺動作、調整攝像機焦距和光圈，對相關設備進行視頻監控并自動錄像，從而實現了遙視系統與變電站自動化系統的可視聯動二者之間的關系見圖2。

由于遙視系統與自動化系統處于不同的安全區［4］，遙視系統在獲取自動化系統的報文時，必須保證單向傳輸并進行安全隔離。在具體應用中，可以通過網閘來實現這種安全的物理隔離。

3.2 IEC 61850規約轉換器

IEC 61850規約轉換器是可視聯動系統中的關鍵設備，具體功能是:獲取并解析變電站自動化系統的IEC 61850報文，將解析所得的相關信息轉換成遙視系統所用的規約形式，并傳送給遙視系統以控制攝像機調整，最終實現可視聯動。其中，變電站自動化系統與遙視系統之間需要進行聯動的報文可分為如下三類。

圖2 變電站遙視系統與變電站自動化系統之間的關系

1)遙控報文。包括遙控選擇、遙控執行報文等，這些均屬于GOOSE類型。

2)遙信報文。包括開關位置、保護信號、預告信號等報警報文，這些亦是GOOSE類型。

3)遙測信息報文。主要包括傳送現場采集的電流、電壓等數據，它們屬于SV類型。

為實現上述功能，IEC 61850規約轉換器采用組件化、模塊化的軟件開發技術，基于嵌入式Linux［5］進行開發。使用 PCAP 技術［6］獲取完整的報文，支持MAC地址協議包過濾，減少系統流量，并使用雙以太網物理接口進行數據獨立接收，保證數據接收的可靠性。具體包括如下模塊見圖3:

a.配置模塊:提供軟件運行過程中所需要的相關配置信息，以及所支持轉換的規約配置信息。

b.日志模塊:生成軟件運行日志，為今后軟件維護提供可靠、有效的日志服務。

c.內存模塊:是整個軟件的內存管理單元，采用內存池技術，軟件中所有用到的內存均從內存模塊中獲取，且由此模塊統一釋放。

d.通信模塊:該模塊擁有兩個以太網接口eth0和eth1，支持物理端口的動態配置，可以將eth0用于與遙視系統進行網絡通信并接收報文;也可以將eth0與遙視系統進行網絡通信，而將eth1用于報文的接收，從硬件接口上將協議進行分離，提高數據的處理能力及可靠性。

接收接口在收到來自變電站自動化系統的相關報文后，將這些報文調入內存模塊中，由規約解析模塊進行解析。發送接口通過某種通信方式(如RS－485總線)和遙視系統相連，并向遙視系統發送已轉化成相應規約形式的信息。

e.規約解析模塊:實現從IEC 61850協議到遙視系統規約的轉換，轉換后的信息將發送給變電站遙視系統，作為燈光及攝像機聯動的控制命令。

圖3 IEC61850規約轉換器模塊組成

3.3 可視聯動功能

變電站可視聯動過程包含建立預置點映射關系、報文抓取與解析、查找攝像機預置點、控制攝像機運動并錄像等四個步驟［7］(見圖4)。

圖4 基于IEC 61850規約轉換器的變電站可視聯動

3.3.1 建立預置點映射關系

預置點是指預先設定的攝像機監控點，包括視角、焦距等內容，可幫助攝像機迅速對準相應的設備。預先建立變電站設備與攝像機編號、攝像機預置點的映射關系表。在軟件啟動時，創建所需要的內存塊，并從物理磁盤或者數據庫讀取這些映射關系信息，建立內存關系表，以提高預置點映射關系的查詢效率及可視聯動效率。

3.3.2 報文抓取與解析

通過IEC 61850規約轉換器，接收并解析變電站自動化系統發出的報文，識別出其中的遙控預置命令、遙信變位和遙測越限等信息，作為可視聯動和預置點控制的重要依據。

3.3.3 查找對應的攝像機預置點

規約轉換器通過解析報文，判斷是否有相應的一次設備動作或其它異常情況。對于GOOSE報文，需判斷是否存在一次設備動作或保護信號等;對于SV報文，需判斷量測值是否越限發生報警情況。如果有動作產生或者出現報警，則通過查找預置點關系映射表，得出相應的攝像機編號及預置點，并發送給攝像機控制模塊。啟動攝像機時GOOSE報文中一次設備動作的情況優先級最高;當GOOSE報文和SV報文的判斷條件同時滿足時，則優先按照GOOSE報文的方式處理。

3.3.4 控制攝像機運動并錄像

遙視系統得到控制參數后，控制相關的攝像機迅速定位到預定的監控點位上，同時可啟動錄像。

3.4 可視聯動的執行流程

對于需要進行可視聯動的三種報文類型，其可視聯動流程大同小異，差別主要在報文內容和聯動設備上，具體流程分別如下。

3.4.1 遙控視頻聯動流程

遙控視頻的聯動流程如圖5所示。遙控流程包括“遙控選擇－遙控執行－遙控返回”三個步驟。首先判斷抓取的是否GOOSE報文，如果是再進行下一步解析。當抓取到遙控選擇報文時，根據解析內容查找對應的攝像機及其預置點，然后控制攝像機指向預置點并開始錄像。當抓取并解析“遙控返回”報文時，查找對應的攝像機，持續一段時間后停止其錄像。

圖5 遙控斷電視頻聯動流程

3.4.2 遙信告警聯動流程

異常報警主要包括一次設備的異常報警、環境量的異常等，處理流程與上述遙控聯動流程基本相同。

3.4.3 遙測聯動流程

遙測的內容主要包括現場電力運行量測值(電流，電壓、功率等)的傳送。遙視系統能夠獲取SV報文類型的遙測數據，并能夠設置相應的策略，例如能根據由變電站自動化設備廠商提供的公式來轉換遙測數據，設置報警閥值。當發生報警情況時，啟動相應的聯動機制，自動切換視頻至報警點，并進行錄像。

4 關鍵技術

4.1 預置點映射關系表的形成機制

變電站內每個間隔(以唯一的 Appid來標識)包含著若干刀閘和斷路器等設備，每個設備是間隔的一個點位。

由于規約轉換器與遙視系統之間的通信采用特定的規約，因此在建立預置點映射關系表之前，需要將GOOSE報文中的有關數據集映射到新規約的遙信點位(0～511)上。其映射關系的配置文件格式如下:

其中，每個字段間以 “:”隔開，“appid”表示間隔的標識號，“numdatset”表示包含的數據集個數，“alldata”表示數據集中每個數據單元對應的新規約遙信點位，其中“－1”表示不用解析。

根據上述約定，就可以建立遙信點位與攝像機預置點之間的映射關系。每個球機最多可設置128個預置點，每個預置點可以映射一個或多個遙信點位。所有的映射關系在視頻監控客戶端進行配置。

4.2 IEC 61850報文的解析方法

重點以GOOSE報文為例來具體說明IEC 61850協議解析的方法與步驟。SV報文解析方法類似。

變電站自動化系統將一次設備中的斷路器遙信、刀閘遙控變位等信息以GOOSE報文格式［8］通過以太網進行發送。一次設備可以分布在不同的間隔中，每個間隔組成一個應用協議數據單元APDU，以不同的應用標識頭appID進行標識;每個一次設備狀態包含在PDU的allData數據集中，PDU 基于 ANS.1［9］/BER［10］編碼進行序列化。

對應地，GOOSE報文解析由應用標識頭分析、ASN.1/BER 解碼、GOOSE事件分析、GOOSE語義分析等幾部分組成。對于語法錯誤的GOOSE報文，給予丟棄處理，并給出報警信息。

1)應用標識頭分析:提取GOOSE報文的AppId字段，查找配置哈希表。如果不存在對應的appID，協議處理結束;如果存在對應的AppId，則返回對應的配置結構，采用上下車方式向下游傳遞;

2)ASN.1/BER解碼:解析GOOSE報文的PDU層，根據BER的T－L－V嵌套結構類型(見圖6)層層解析。在解析的過程中，需要為每個T－L－V創建解析對象，采用內存池技術進行內存的動態申請和釋放;

圖6 ASN.1編碼規則T－L－V結構

3)GOOSE事件分析:GOOSE報文的PDU中包含控制信息和數據集信息兩大組成部分，均可按BER結構類型SEQUENCE進行解析。其中數據集信息包含事件的狀態信息，含多級BER結構類型，需要采用遞歸的方式進行解析，并將獲取到的狀態信息進行標識;

4)GOOSE語義分析:分析內存中經過解析的PDU信息，獲取相關一次設備的狀態;

4.3 模塊化、組件化的軟件開發技術

采用組件化、模塊化體系架構［11］，實現存取控制、目錄管理、任務管理、規格管理、檢索服務、消息傳遞、數據庫接口、通信安全等基礎網絡管理功能，提高系統的穩定性、可移植性和伸縮性。COM是一套可以動態執行的對象，是一種可以提供應用程序、操作系統、以及其它組件服務的二進制可執行程序，但是COM只能運行在windows操作系統中［12］。采用類似于COM的管理機制和實現機制，定義了系統標準接口API，開發了IEC 61850數據解析模塊，將協議解析部分定制成一個可以任意替換的lib或者so庫文件，附加在系統平臺上運行。今后需要加入另外的規約解析時，只需要根據標準的接口API，就可以實現規約協議解析的模塊化、組件化處理。在應用程序執行時可隨意添加或移除所需的組件。

基于“系統框架+模塊化”組建，支持容器技術，使核心程序輕量化，所有功能模塊采用插件方式，由容器將插件和核心程序自動重組成完整應用程序，軟件架構更加開放靈活。更換修改任何功能插件不會影響已經穩定運行的核心程序和功能插件，解決軟件定制開發和升級擴展的核心技術，可以實現火災報警系統、電子巡檢系統等第三方系統的無縫集成，以及對現場溫度、濕度、風速等環境數據及現場煙霧、水浸等報警信息的數據采集和管理控制。

4.4 提高視頻聯動效率的實時內存技術

在軟件啟動時，創建一定量的內存塊，存儲從物理磁盤或者數據庫讀取的預置點映射關系表。當數據解析模塊將IEC 61850報文解析并識別出預置命令和遙信變化后，即可將對應的攝像機ID等信息存入到內存關系表中。如此避免了當接收到IEC 61850報文后再從數據庫或者其他介質中查詢對應關系效率較低的問題，提高了視頻聯動的效率。同時，建立內存映射關系表到物理磁盤或者數據庫的固化處理，可以保證任何時候都不會丟失變電站設備、攝像機編號、預置點等相關信息。這些信息在軟件啟動時會被聯動服務器讀取到內存中，建立相應的內存映射關系表。

5 結束語

以上介紹了組件化的IEC 61850規約轉換器，設計并實現了數字化變電站的可視聯動系統。該可視聯動系統已經得到了實施應用，驗證了系統的有效性和穩定性。從功能特點上，解決了傳統變電站遙視系統監控范圍寬泛、監視角度固定、監控功能單一、無法配合自動化系統狀態來監視設備運行等幾方面的不足，為數字化變電站實現無人值守提供了技術支持。

［1］涂光瑜，羅毅.電力遙視系統原理與應用［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［2］IEC 61850［S］.Communication networks and systems in substations，2004.

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