基于IEC61850的通訊管理機與遠動工作站一體化的設計與實現

哈爾濱電氣集團阿城繼電器有限責任公司 張 卓 張大明

1.引言

作為全球統一的變電站網絡與通信協議IEC 61850，其主要目標是實現“一個世界、一種技術、一種標準”，實現設備之間的互操作，實現變電站自動化系統無縫集成。以往，幾乎所有的設備生產商都具有一套自己的通信規約，通常一個傳統變電站可能有多個廠商的協議同時在使用，一個變電站需要使用不同廠家的產品，整個電網里運行的規約多達上百種，因此在變電站智能化改造過程中，必須進行規約轉換，ARF850通信管理裝置既能以客戶端模式與數字化保護裝置通訊，作為遠動系統、站級監控系統等，也能以服務器模式與不提供以太網通訊的間隔裝置（如保護裝置、電度表、直流屏、調度中心等）直接通訊，起到規約轉換器的作用。

2.IEC 61850標準介紹

IEC61850標準是基于通用網路通信平臺的變電站自動化系統性的標準。該標準主要特點有以下幾個方面：

（1）信息分層。變電站通信網絡和系統協議IEC 61850標準草案提出了變電站內信息分層的概念，無論從邏輯概念上還是從物理概念上，都將變電站的通信體系分為3個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口。

（2）面向對象的數據對象統一建模。IEC61850標準采用面向對象的建模技術，定義了基于客戶/服務器結構數據模型。每個IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶都可利用抽象通信服務接口（ACSI）通過服務器訪問數據對象。

（3）數據自描述。與IEC 60870-5系列標準采用面向點的數據描述方法不同，IEC 61850標準對于信息均采用面向對象的自描述。該自描述在數據源就對數據本身進行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數據的管理和維護工作。

（4）抽象通信服務接口（ACSI）。IEC 61850標準總結了變電站內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協議的抽象通信服務接口。

3.遠動通信管理裝置ARF850智能化裝置的研發

3.1 基本配置

ARF850通信管理裝置采用Embedded Intel?Celeron?CPU，支持Socket 479，內存為1GB DDR SO-DIMM，6個10M/100M自適應網口，配置串口轉換插件，由于串口的類型采用模塊化的方式，所以，您可以根據實際需求選擇每個口的輸出方式，所有串口均帶光電隔離和TVS防雷保護，電源為220V交直流兩用或110V直流。

3.2 通訊管理機及遠動工作站一體化功能

ARF850智能化裝置軟件系統采用Vxworks嵌入式實時多任務操作系統，根據規約組態文件的配置，動態裝載第三方規約任務，各種組態文件和配置文件可在線讀取。內置眾多已經聯調通過的通訊規約，如：DL451-91、擴展DL451-91、IEC870-5-101、擴展IEC870-5-101、IEC870-5-104、擴展IEC870-5-104 等規約。

3.2.1 遠動工作站功能

遠動工作站功能的實現是通過在IEC61850通訊平臺 庫(v2.00版)COSMOS基礎上實現客戶端的程序設計，同時通過SISCO公司的MMS通訊協議的封裝軟件包MMS-LITE，實現IEC61850對象服務，通過啟動IEC61850Client任務來啟用IEC61850客戶端的通訊功能。

IEC61850Clientren任務的程序設計流程分為六部分：

①初始化程序環境

程序環境初始化包括多線程環境的初始化、時鐘初始化，全局變量初始化、內存管理初始化、調試log初始化以及網絡初始化等。

②設置用戶回調函數指針

用戶回調函數是用戶編寫的用戶處理函數，要想使用戶處理函數在平臺庫里得到調用，就必須設置用戶回調函數指針。

③初始化站點管理

站點管理初始化步驟很簡單就是調用站點管理初始化接口函數就可以完成對站點管理的初始化步驟.

圖1 智能牽引變電所網絡結構圖

④設置服務器連接標志

在初始化完成后，需要調用設置服務器連接標志接口設置連接標志，以使客戶端和服務器進行連接。

⑤啟動網絡事件處理線程

啟動單獨的線程對客戶端狀態進行處理以及對網絡數據接收處理。

⑥用戶處理程序

使用平臺庫中的所有服務，以達到接收及發送數據的目的。

3.2.2 通訊管理機功能

通訊管理機功能的實現是通過SISCO公司的MMS通訊協議的封裝軟件包MMSLITE，實現IEC61850對象服務，通過啟動IEC61850Server任務來啟用IEC61850服務器端的通訊功能。

IEC61850Server任務的程序設計流程分為六部分：

①裝置初始化：進行硬件通道個數、類型參數、信號量、消息、計時器的初始化。

②啟動主程序任務：啟動開入開出信息的采集、處理、存儲以及與液晶的通訊程序。

③圖形化編程初始化：根據保護圖形化編程組態配置文件進行邏輯組態初始化。

④啟動服務器通訊任務：建立IEC61850系統對象空間，解析配置文件，獲取參數信息，調用應答處理函數，從對象空間中獲取值。

⑤通訊數據處理程序：負責數據格式的轉換，將接收到的符合IEC61850要求的數據轉換為符合遠動工作站要求的數據。

⑥啟動記錄讀寫管理任務：負責記錄的非易失寫入和上電記錄管理。

4.應用實例

ARF-850系列通信管理裝置(以下簡稱裝置)主要用于各電壓等級變電站和電氣化鐵路牽引變電所、開閉所、分區所等，和當地計算機、保護測控裝置一起構成變電站自動化系統，是變電站綜合自動化系統的重要組成部分。ARF850遠動通信管理裝置在智能化牽引變電所中的應用實例如圖1，遠動通信管理裝置實現變電站與各級調度系統之間的通信功能，使調度端實現對變電站實現遠方的監視和控制。遠動通信管理裝置采用直采直送模式工作，運行獨立于監控后臺系統，互不影響。遠動動通信管理裝置既能以IEC61850客戶端功能與智能化保護裝置通訊，同時又能以IEC61850服務器端功能與監控后臺系統通訊，對間隔層使用IEC61850進行接入，對調度系統使用規約進行接入（可配置可選擇）。

5.結論

IEC61850協議體系標準實現是未來數字化電力自動化系統的發展方向，是數字化變電站系統實現的基礎。隨著IEC61850在數字化變電站的實施與推廣，通信管理裝置ARF-850產品必將在由傳統自動化系統向數字化系統轉化方面發揮巨大作用，同時適用于傳統自動化系統改造項目，為未來全面實現數字化變電站系統奠定技術基礎，發展前景十分廣闊。

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