PQDIF和IEC 61850標準在電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

王 巍，金耘嶺，李 忠

(南京燦能電氣自動化有限公司，江蘇南京211100)

目前國內(nèi)多個省市已經(jīng)陸續(xù)建立了省網(wǎng)或地市區(qū)域的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。一個典型的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由電能質(zhì)量監(jiān)測終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測中心系統(tǒng)組成。電能質(zhì)量監(jiān)測終端負責采集、計算和統(tǒng)計電網(wǎng)上的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)；通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心；監(jiān)測中心系統(tǒng)負責存儲、分析、展示電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。目前大部分電能質(zhì)量監(jiān)測終端能夠支持以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，因此終端和監(jiān)測中心系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用以太網(wǎng)。終端和監(jiān)測中心的之間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有私有協(xié)議、PQDIF、IEC 61850。私有協(xié)議不具有通用性和開放性，因此不對其進行討論。PQDIF為IEEE1159.3標準規(guī)定的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是目前主流的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。IEC 61850是智能變電站的整體標準，已經(jīng)有部分省級電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)采用IEC 61850作為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議。文中將通過分析現(xiàn)行的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對PQDIF、IEC 61850的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行詳細闡述和深入討論。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前全國大部分省均建立了省級的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，部分地市也建立了市級的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。在中國電力科學(xué)研究院的牽頭下，國家級電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)也在調(diào)研和籌備中。目前監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]主要有三層式網(wǎng)絡(luò)、二層式網(wǎng)絡(luò)和無線3G網(wǎng)絡(luò)3種模式。

1.1 三層式網(wǎng)絡(luò)

三層式網(wǎng)絡(luò)主要為終端、子站系統(tǒng)，監(jiān)測主站系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)分布，如圖1所示。終端采集數(shù)據(jù)后通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給子站系統(tǒng)；子站系統(tǒng)負責存儲數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給主站系統(tǒng)；主站系統(tǒng)存儲重點數(shù)據(jù)并完成高級分析功能。子站系統(tǒng)和主站系統(tǒng)均可發(fā)布數(shù)據(jù)，子站系統(tǒng)用戶只能訪問本系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)，主站系統(tǒng)用戶可以訪問所有下屬子站系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于已有監(jiān)測系統(tǒng)接入上級監(jiān)測系統(tǒng)，如市級監(jiān)測系統(tǒng)接入省級監(jiān)測系統(tǒng)；省級監(jiān)測系統(tǒng)接入國網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)；用戶監(jiān)測系統(tǒng)接入地市監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 二層式網(wǎng)絡(luò)

二層式網(wǎng)絡(luò)主要為終端、監(jiān)測主站系統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)分布，如圖2所示。終端采集數(shù)據(jù)后通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)存儲、顯示、發(fā)布、高級分析等功能。二層式網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)直接組網(wǎng)的方式。

1.3 無線3G網(wǎng)絡(luò)

無線3G網(wǎng)絡(luò)主要由終端、3G網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測主站系統(tǒng)組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與二層式網(wǎng)絡(luò)類似，如圖3所示。3G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用了3G、虛擬專用網(wǎng)（VPN）等先進技術(shù)，通過公用的Internet進行數(shù)據(jù)傳輸。終端采集數(shù)據(jù)后通過3G路由器，經(jīng)由VPN發(fā)送至主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)存儲、顯示、發(fā)布、高級分析等功能。

無線3G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于偏遠地區(qū)無法架設(shè)有線通訊網(wǎng)絡(luò)或架設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)成本較高，大量用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的組建。

2 PQDIF傳輸標準

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式PQDIF由IEEE標準委員會制定的1159.3標準定義。它完全獨立于監(jiān)測設(shè)備的軟、硬件，不僅可以較好解決多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的兼容問題，還可以實現(xiàn)電能質(zhì)量物理屬性的多角度觀察功能，滿足了電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展需要。從標準的定義來看，PQDIF標準以文件的形式存在比較多。目前多數(shù)的PQDIF標準應(yīng)用也是以文件作為應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.1 PQDIF文件的特點

2.1.1 通用性

IEEEStd.1159.3標準中為大部分的電能質(zhì)量所涉及的有關(guān)測量數(shù)據(jù)提供了通用的表達方式，因此無論是對于測量數(shù)據(jù)的保存和讀取均是在統(tǒng)一格式下進行的，用戶的保存讀取過程不用再進行煩瑣的格式轉(zhuǎn)換，減少了傳輸時間，提高了中間效率。

2.1.2 可擴展性

PQDIF支持通過定義新的標識（GUID－全球唯一標識）來擴展記錄，這樣對于一些特殊的信息也可通過此類方式來進行保存。

2.1.3 可壓縮性

PQDIF文件采用開放的ZLIB壓縮方法，使得文件更加緊湊易于保存。同時PQDIF文件定義了一些數(shù)據(jù)的簡寫規(guī)則，如時間序列共享、等差數(shù)列簡寫等，可以大大縮減文件大小。

2.2 PQDIF文件的結(jié)構(gòu)

PQDIF文件由物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)組成[2]。物理結(jié)構(gòu)用于描述PQDIF文件二進制流的存儲方式，該方式與存儲的內(nèi)容無關(guān)。邏輯結(jié)構(gòu)用于標定PQDIF文件中各標簽的層次關(guān)系，并根據(jù)該層次關(guān)系決定物理結(jié)構(gòu)的存儲順序。

2.2.1 物理結(jié)構(gòu)

PQDIF格式文件是由一系列記錄所組成的記錄集合（如圖4所示）。這些記錄按照鏈表的形式排列，每個記錄中都有記錄長度，以及下個記錄的位置。

PQDIF文件中每個記錄均具有相同的基本結(jié)構(gòu)，包含一個記錄頭和記錄體。記錄頭由記錄頭結(jié)構(gòu)組成。記錄體由一些列的集合、標量和向量數(shù)據(jù)組成。這些數(shù)據(jù)的邏輯歸屬關(guān)系由邏輯結(jié)構(gòu)決定。

2.2.2 邏輯結(jié)構(gòu)

PQDIF文件的邏輯結(jié)構(gòu)由很多個記錄的邏輯分層組成。即由一個簡單的容器記錄緊接著一個或多個數(shù)據(jù)源、監(jiān)控器設(shè)置、觀察數(shù)據(jù)組成。實際監(jiān)測中每一條線路或每一個設(shè)備（單元式設(shè)備）均可以定義為一個容器，設(shè)備的設(shè)置和采樣數(shù)據(jù)都是邏輯層的實例。此外，還可以通過定義新的標識來擴展記錄。

在每個記錄的頭部用絕對鏈接來定義記錄的次序，通過緊接著的記錄表，定義了一個線性的記錄表，該線性表具有一定的邏輯層次，如圖5所示。

PQDIF的邏輯結(jié)構(gòu)實際為樹形結(jié)構(gòu)，標準內(nèi)定義了各個標簽的父、葉節(jié)點之間的邏輯關(guān)系。PQDIF文件通過數(shù)據(jù)源記錄中的4種標簽（如表1所示）定義組合來確定每個邏輯通道對應(yīng)的電能質(zhì)量指標類型。

表1 標準中用于確定測量數(shù)據(jù)類型定義的4種標簽

如某通道定義的4種標簽值分別為：ID_QT_VALUELOG、ID_QM_VOLTAGE、ID_QC_RMS和ID_PHASE_AN，即可確定此通道首要序列定義表示的測量數(shù)據(jù)類型為穩(wěn)態(tài)A相電壓有效值。

2.3 PQDIF的應(yīng)用缺陷

在實際應(yīng)用中PQDIF文件暴露出部分應(yīng)用的缺陷。由于IEEE1159.3標準制定較早（2002年），因此缺少一些指標的定義，如諧波角度、諧波無功功率、諧波視在功率等。如要傳輸這部分的數(shù)據(jù)就要增加自定義的標簽，降低了文件的通用性。另一方面部分指標的標簽定義存在多種定義，如諧波可用ID_QC_SPECTRA（諧波頻譜）定義，也可用ID_QC_SPECTRA_HGROUP（諧波組）定義，同時還需要Observation內(nèi)采用tagChannelFrequency標簽或tagChannelGroupID標簽定義諧波次數(shù)，這無形中增加了解析的復(fù)雜度。由于PQDIF文件數(shù)據(jù)采用序列化結(jié)構(gòu)，因此在傳輸實時數(shù)據(jù)時文件過于臃腫，實時傳輸效率較低。

3 IEC 61850標準

IEC 61850標準[3-11]是國際電工委員會第57技術(shù)委員會（IEC TC57）制定的關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的國際標準。其最初目的是取消各種協(xié)議轉(zhuǎn)換，使變電站內(nèi)不同廠家的IED之間通過一種標準協(xié)議實現(xiàn)互操作和信息共享。隨著IEC 61850公用電力事業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（第二版）的陸續(xù)發(fā)布，已經(jīng)將其應(yīng)用領(lǐng)域擴展到變電站之外，成為電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的無縫通信國際標準。IEC 61850是一個龐大的變電站自動化標準，電能質(zhì)量僅僅是其中的一個組成部分。電能質(zhì)量相關(guān)的模型建立、通信協(xié)議、抽象通信接口完全依照IEC 61850相關(guān)章節(jié)的定義。

3.1 IEC 61850的特點

IEC 61850標準規(guī)劃了整個變電站內(nèi)的所有智能電子設(shè)備模型和通信網(wǎng)絡(luò)模型、通信協(xié)議。

3.1.1 良好的互操作性

IEC 61850標準通過規(guī)定一系列的抽象通信服務(wù)接口（ACSI）約定了數(shù)據(jù)傳輸映射。不同廠家的IED設(shè)備之間、IED和監(jiān)控系統(tǒng)之間可完全實現(xiàn)互操作。

3.1.2 良好的穩(wěn)定性

IEC 61850標準實際僅定義了智能變電站的規(guī)劃，通過采用現(xiàn)行成熟的各種標準對本標準進行定義和解釋。如采用UCA 2.0標準進行變電站內(nèi)各種數(shù)據(jù)對象和公用數(shù)據(jù)類的建模，采用工業(yè)制造報文規(guī)范（MMS）進行通信傳輸，采用可擴展標記語言（XML）進行模型描述等，因此其具有良好的穩(wěn)定性。

3.1.3 良好的擴展性

IEC 61850標準可以通過邏輯節(jié)點類，公共數(shù)據(jù)類的定義來適應(yīng)各行業(yè)的需求。如2011年發(fā)布的第二版擴展了電能質(zhì)量各指標的邏輯節(jié)點定義，使得電能質(zhì)量指標傳輸擺脫了最初采用完全可依照標準實現(xiàn)。后期如果出現(xiàn)新的電能質(zhì)量指標類型，完全可以通過標委會增加新的邏輯節(jié)點來實現(xiàn)。

3.1.4 功能自由分布

IEC 61850標準中對變電站內(nèi)各種功能模型均進行了定義，因此完全可以實現(xiàn)不同的IED設(shè)備完成不同的功能模型或一個IED設(shè)備完成整個變電站內(nèi)所有功能模型。在硬件足夠強大的未來完全可以實現(xiàn)一臺電能質(zhì)量監(jiān)測終端完成整個變電站的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

3.2 IEC 61850的模型描述

IEC 61850采用變電站配置語言（SCL）語言進行整個變電站模型的描述。SCL語言是基于XML技術(shù)的一種語言規(guī)范，通過SCL內(nèi)定義的各邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象等描述，可以完整解析出電能質(zhì)量終端能夠分析計算的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量終端所具有的各項功能。

3.3 IEC 61850的傳輸協(xié)議

IEC 61850協(xié)議采用MMS協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，MMS協(xié)議采用的是基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，因此其傳輸鏈路僅能采用以太網(wǎng)。

3.4 IEC 61850的應(yīng)用缺陷

IEC 61850標準為變電站標準，其應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模型為變電站內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)，對于實時性要求很高。在實際應(yīng)用中，電能質(zhì)量歸屬于各地計量或者生計部門，因此通信網(wǎng)絡(luò)一般采用四區(qū)網(wǎng)絡(luò)（MIS網(wǎng)絡(luò)），該網(wǎng)絡(luò)由于混雜了各種辦公、開票、自動化等信息，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不強，通信鏈接經(jīng)常會中斷。對實時數(shù)據(jù)的傳輸和操作造成很大的影響。

4 2種標準比較

4.1 數(shù)據(jù)定義

PQDIF文件采用數(shù)據(jù)源記錄的標簽定義組合來表明電能質(zhì)量指標定義。在觀測值記錄中僅能保存電能質(zhì)量指標的值。定義組合比較繁瑣，并且有些存在二義性。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單一，無法傳輸更多復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

IEC 61850采用面向?qū)ο蟮慕７椒▽﹄娔苜|(zhì)量指標進行建模，模型中包含電能質(zhì)量指標值、品質(zhì)、上下限值、值類型等信息。通過數(shù)據(jù)集的定義，可以自由裁剪傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。所有電能質(zhì)量指標的定義都由一個標準中明確規(guī)定的對象名稱來表示，簡潔明了。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸量

PQDIF文件采用壓縮和數(shù)據(jù)裁減的技術(shù)，其文件大小可以最小達到原始數(shù)據(jù)量的1/2，最大可以達到原始數(shù)據(jù)量的1/100，保證較少的鏈路數(shù)據(jù)傳輸量。

IEC 61850采用MMS協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，MMS協(xié)議在電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸時對原始數(shù)據(jù)又進行了一次ASN.1編碼，造成鏈路數(shù)據(jù)傳輸量的增加。

經(jīng)過實際測算，對于傳輸相同電能質(zhì)量指標一天的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，PQDIF文件的數(shù)據(jù)傳輸量為1.5 MB左右，IEC 61850標準的數(shù)據(jù)傳輸量為21 MB左右。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

PQDIF為文件協(xié)議，沒有規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。可以采用二進制流或者文件傳輸?shù)姆绞竭M行傳輸，如FTP，TCP/IP，MMS等，并且可以在各種傳輸介質(zhì)上傳輸，如以太網(wǎng)、GPRS、3G、串形總線等。傳輸方式靈活多變，適應(yīng)性強。IEC 61850采用MMS協(xié)議為基于TCP/IP的傳輸協(xié)議，僅能傳輸在以太網(wǎng)上。

4.4 實現(xiàn)的功能

PQDIF為文件協(xié)議，因此IEEE 1159.3標準中并無定值操作、限值設(shè)定、手動觸發(fā)等交互功能的定義，因此很難使用PQDIF文件對電能質(zhì)量終端進行操作。僅能使用其進行電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸。

IEC 61850標準是一整套變電站操作標準，對于變電站內(nèi)的所有功能均有定義，因此很容易實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與電能質(zhì)量終端之間的各種交互操作和數(shù)據(jù)傳輸。可以實現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測的功能。

4.5 開發(fā)難易度

PQDIF文件協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單易懂，整個文件結(jié)構(gòu)遵循編程結(jié)構(gòu)思想，監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)人員很容易就能掌握其文件結(jié)構(gòu)，進行解析編程。能夠減少監(jiān)測系統(tǒng)接入的開發(fā)周期。可使用C、VC++、C#、VB、JAVA等多種語言進行開發(fā)。IEC 61850協(xié)議比較龐大，監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)人員需要理解系統(tǒng)模型建立、MMS協(xié)議、ASN.1編碼、SCL語言、XML等相關(guān)知識才能進行開發(fā)，軟件開發(fā)周期長。目前較多采用C、VC++等語言進行開發(fā)。

5 結(jié)束語

目前電能質(zhì)量通用的幾種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在實際使用中可以采用多種網(wǎng)絡(luò)價格混合使用的方式來構(gòu)架通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同用戶或監(jiān)測目標的接入。在數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中，PQDIF文件標準和IEC 61850通信標準都是通用的標準，均可應(yīng)用于文中描述的各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。PQDIF更適用于數(shù)據(jù)傳輸量較少、實時性要求不高的通信網(wǎng)絡(luò)，如無線3G網(wǎng)絡(luò)。IEC 61850標準則可廣泛應(yīng)用于二層式、三層式、無線3G網(wǎng)絡(luò)等各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相對于PQDIF，IEC 61850在控制和實現(xiàn)的功能上更靈活更豐富，因此IEC 61850標準必將成為未來電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獋鬏敇藴省?/p>

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