支持IEC61850通信規(guī)約的水情自動測報系統(tǒng)

熊光亞 ， 安保慶 ， 陳向飛 ， 李秋水 ， 張忠旭

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京210003；2.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

隨著水電廠對生產(chǎn)運(yùn)行管理智能化、精細(xì)化要求的日益增加，原有的這些自動化系統(tǒng)的運(yùn)行模式已不能滿足需求，一些固有的缺陷導(dǎo)致自動化系統(tǒng)管理困難，效率低下，主要體現(xiàn)在：缺少統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，各自動化設(shè)備和系統(tǒng)間接口復(fù)雜，難以相互兼容與互操作，不同廠家設(shè)備間的互操作性更難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)管理維護(hù)困難[1]。

國際電工委員會第57技術(shù)委員會 （IECTC57）制定了有關(guān)自動化系統(tǒng)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850，并正式出版發(fā)行了水電廠監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-410。將IEC61850通訊規(guī)約應(yīng)用于水電廠自動化系統(tǒng)將使各種現(xiàn)地裝置之間以及系統(tǒng)和主站之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，便于水電廠自動化設(shè)備之間以及和主站系統(tǒng)之間的互操作。正是在這個基礎(chǔ)上，國內(nèi)的一些水電廠制訂了智能化改造方案并付諸實(shí)施，其主要目標(biāo)之一就是實(shí)現(xiàn)全廠各自動化系統(tǒng)以及主站系統(tǒng)在統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的互聯(lián)，以及實(shí)現(xiàn)各類自動化信息的共享與綜合應(yīng)用。

水電廠水情自動測報系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)自動采集水庫流域范圍內(nèi)代表性站點(diǎn)的雨量和水位信息，并將信息自動傳輸至中心站，由中心站軟件自動進(jìn)行處理、分析乃至決策。水情自動測報系統(tǒng)是水電廠和電網(wǎng)水庫調(diào)度自動化的基礎(chǔ)，是水電廠電力生產(chǎn)過程中的重要組成部分，為水電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全度汛發(fā)揮了重要作用[2]。

1 IE C61 850建模說明

IEC61850雖然是一套通訊規(guī)范，但其核心思想是將一個自動化裝置按照邏輯功能層次結(jié)構(gòu)建立設(shè)備模型，這個模型可以用標(biāo)準(zhǔn)的XML語言來描述。在IEC61850中，自動化裝置統(tǒng)稱為IED。即，智能電子設(shè)備[3]。對于IED建模，IEC61850在邏輯上主要定義了服務(wù)器 （Server）、 邏輯設(shè)備 （LD）、 邏輯節(jié)點(diǎn) （LN）、 數(shù)據(jù)對象 （Data）4個層次[4]。

例如，假設(shè)有一個用于輸電線路的自動電壓控制裝置，其包含了4路電壓測量、4路電流測量、4路電壓控制輸出。按照IEC61850建模的定義，首先將這個IED裝置定義為服務(wù)器，接下來定義邏輯設(shè)備，按照傳統(tǒng)思路對IED的設(shè)備功能進(jìn)行劃分，電壓測量、電流測量、電壓控制輸出功能可以分別定義為一個邏輯設(shè)備，即電壓測量設(shè)備、電流測量設(shè)備和電壓控制輸出設(shè)備；但是也可以換一種思路，電壓控制輸出功能是依賴于電壓和電流測量結(jié)果的，這三種功能也可以合成為一個功能，因此也可以把這3種功能組合成一個邏輯設(shè)備。由此可以看出，邏輯設(shè)備在IED中實(shí)際是一個虛擬的設(shè)備，它并不能獨(dú)立于IED存在，而是在IED中用來完成特定功能的單元。這個特定的功能可以是單獨(dú)的一種功能，也可以是多個相互依賴的功能的組合。邏輯節(jié)點(diǎn)就是為完成邏輯設(shè)備功能的一個最小單元，一個邏輯設(shè)備可以包含1個或多個邏輯節(jié)點(diǎn)。按照后一種建模思路，該IEC61850模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 IEC61850模型示例

在IEC61850-7-410中，定義了IEC61850用于水電廠自動化系統(tǒng)需要的附加公用數(shù)據(jù)種類、邏輯節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)對象，還定義了水文功能邏輯節(jié)點(diǎn)；但是這些已定義的水文邏輯節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)不能滿足水情自動測報系統(tǒng)的應(yīng)用需求，缺少如雨量、電池電壓、遙測站內(nèi)部溫度等關(guān)鍵信息，并且也沒有在符合水情自動測報系統(tǒng)裝置工作方式的前提下進(jìn)行建模。因此要對水電廠水情自動測報系統(tǒng)進(jìn)行IEC61850建模，僅利用IEC61850-7-410中的定義是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須根據(jù)實(shí)際需求重新設(shè)計模型。

2 水情自動測報系統(tǒng)的IE C61 850模型設(shè)計

2.1 建模難點(diǎn)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)通道問題

關(guān)于數(shù)據(jù)通信，IEC61850定義了MMS（制造報文規(guī)范）、GOOSE、SMV三種方式[5]，MMS一般用于IED與主站系統(tǒng)之間，而GOOSE、SMV一般用于IED設(shè)備之間。其中MMS通訊基于TCP/IP協(xié)議，要求IED和主站系統(tǒng)之間具備以太網(wǎng)通道。

水電廠中的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速勵磁系統(tǒng)、五防系統(tǒng)等現(xiàn)地自動化系統(tǒng)的裝置和數(shù)字化變電站中的自動化裝置在工作方式上類似，并且裝置都安裝在水電廠內(nèi)部，裝置與主站系統(tǒng)之間方便架設(shè)以太網(wǎng)，這些系統(tǒng)的裝置可以很方便地基于IEC61850建模，也很容易實(shí)現(xiàn)和主站通過MMS報文通訊。但對于水情自動測報系統(tǒng)這種非實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)測量雨水情的裝置安裝在野外，考慮到建設(shè)成本、設(shè)備功耗等因素，裝置和主站之間無法架設(shè)以太網(wǎng)，水情遙測站采集的數(shù)據(jù)一般通過超短波、短消息、衛(wèi)星等通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡荆瑹o法和主站系統(tǒng)直接采用IEC61850規(guī)約進(jìn)行交互。也就是說，在針對水情自動測報系統(tǒng)建模時，裝置不能作為IEC61850中的服務(wù)器。

2.1.2 裝置歷史數(shù)據(jù)的提取

IEC61850最初是為變電站自動化裝置互聯(lián)設(shè)計的。變電站的裝置都是高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，一般是不保存歷史測量數(shù)據(jù)的，只需要采集當(dāng)前數(shù)據(jù)，并傳送給主站系統(tǒng)即可。而水情自動測報系統(tǒng)和這些實(shí)時性要求較高的現(xiàn)地自動化系統(tǒng)的工作方式不同，平時大部分情況下裝置處于休眠裝置，到定時時間后，裝置從休眠中恢復(fù)并執(zhí)行采集和發(fā)信任務(wù)，執(zhí)行完畢后又重新恢復(fù)休眠。裝置每次測量的數(shù)據(jù)一般要求保存在本地，以便中心站隨時進(jìn)行提取。在IEC61850建模時，要實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的提取，不能僅僅定義需要提取歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)對象本身，還需要包括提取數(shù)據(jù)相關(guān)的時間信息。這在傳統(tǒng)的IEC61850模型中是沒有的。

2.2 模型設(shè)計方案

2.2.1 服務(wù)器

由于IEC61850的MMS報文通訊要求IED與主站系統(tǒng)之間必須具備以太網(wǎng)，而水情自動測報系統(tǒng)的裝置一般安裝在野外，不能直接和主站系統(tǒng)基于以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。因此考慮將原中心站的水情數(shù)據(jù)采集通信機(jī)作為系統(tǒng)的IED，即由這個IED作為61850模型中的服務(wù)器。這個IED既負(fù)責(zé)和水情測報系統(tǒng)的遙測站通過遠(yuǎn)程信道進(jìn)行通訊，收集遙測站自報的雨水情數(shù)據(jù)；又負(fù)責(zé)和主站系統(tǒng)通過IEC61850規(guī)約進(jìn)行通訊。這種架構(gòu)對于水電廠現(xiàn)有的水情自動測報系統(tǒng)的遙測站來說，無需作任何改變；而對于運(yùn)行在中心站的數(shù)據(jù)采集通信機(jī)來說，需要在軟件程序中增加支持61850的通訊功能，以便和主站系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

2.2.2 邏輯設(shè)備

按照前面關(guān)于邏輯設(shè)備的描述，邏輯設(shè)備是一種特定的功能或幾組功能的組合，如果按照IEC61850對于邏輯設(shè)備的普遍定義方法，水情自動測報系統(tǒng)中的邏輯設(shè)備可以按照測量對象的類型劃分。如，雨量測量歸為一種邏輯設(shè)備，水位測量歸為一種邏輯設(shè)備，電池電壓測量又歸為一種邏輯設(shè)備。但是，這種邏輯設(shè)備的劃分思路和目前水情自動測報系統(tǒng)的工作機(jī)制并不能配合得很好。現(xiàn)有水情數(shù)據(jù)采集程序和遙測站之間的通訊協(xié)議決定了二者進(jìn)行交互時，是按照單個遙測站進(jìn)行的，而不是某個邏輯設(shè)備。如果采用這種方法定義邏輯設(shè)備，中心站程序在通過遠(yuǎn)程信道和遙測站進(jìn)行交互時存在大量的點(diǎn)號轉(zhuǎn)換工作；并且當(dāng)系統(tǒng)中增加一個水情遙測站時，這個遙測站可能同時包含了雨量測量、水位測量、電壓測量等功能。這樣需要在現(xiàn)有的模型中增加多個不同類型的邏輯節(jié)點(diǎn)，對模型的變動較大。

因此，在對水電廠水情自動測報系統(tǒng)建模時，我們將某一類遙測站作為一種邏輯設(shè)備。例如，將所有雨量遙測站作為一種邏輯設(shè)備，而所有水位遙測站作為另外一種邏輯設(shè)備。按照這種設(shè)計思路，不同的邏輯設(shè)備可能在功能上有一定重復(fù)，例如雨量遙測站和水位遙測站都具備電壓測量功能；但另一方面，這種設(shè)計思路相對更直觀，和系統(tǒng)現(xiàn)有的按單站進(jìn)行交互的工作機(jī)制更吻合；并且當(dāng)系統(tǒng)中增加一個遙測站時，只需要在對應(yīng)的邏輯設(shè)備中增加一個邏輯節(jié)點(diǎn)即可。這樣對模型的變動相對前一種方法要小。這種設(shè)計思路可以理解成面向?qū)ο蠼νㄓ梅诸愋畔Ⅲw系的一種妥協(xié)。這也是傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)內(nèi)核未按照面向?qū)ο蠼Ｔ斐傻腎EC61850工程實(shí)施的難點(diǎn)[6]，在IEC61850推廣的初級階段，這種思路不失為新老產(chǎn)品平滑過渡的一種可行方案。

2.2.3 邏輯節(jié)點(diǎn)

在邏輯設(shè)備確定后，邏輯節(jié)點(diǎn)也就確定了。我們在水情自動測報系統(tǒng)建模時設(shè)計了雨量遙測站和水位遙測站兩種邏輯設(shè)備。雨量遙測站對應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)就是單個的雨量遙測站，而水位遙測站對應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)就是單個的水位遙測站。

2.2.4 數(shù)據(jù)對象

單個雨量遙測邏輯節(jié)點(diǎn)設(shè)計的數(shù)據(jù)對象包括：降雨量累計值；蓄電池電壓；機(jī)箱溫度；雨量測量間隔；數(shù)據(jù)自報間隔；雨量分辨率。單個水位遙測邏輯節(jié)點(diǎn)設(shè)計的數(shù)據(jù)對象：水位當(dāng)前值；蓄電池電壓；機(jī)箱溫度；水位測量間隔；數(shù)據(jù)自報間隔；水位基值；雨量分辨率；Ⅲ水位傳感器預(yù)熱時間。這兩種邏輯節(jié)點(diǎn)的前3個數(shù)據(jù)對象屬于自報數(shù)據(jù)，在實(shí)際運(yùn)行過程中是由遙測站主動上報到中心站的，而后面的數(shù)據(jù)對象都屬于遙測站的基本工作參數(shù)，一般可由中心站下發(fā)指令進(jìn)行遠(yuǎn)程修改，平時并不主動上報。

2.2.5 報告控制塊與數(shù)據(jù)集

在IEC61850模型中，設(shè)置報告控制塊與數(shù)據(jù)集的目的是只有當(dāng)服務(wù)端的數(shù)據(jù)對象屬性發(fā)生變化時，服務(wù)端程序才會將該測值傳送給客戶端程序。這對客戶端程序來說，無需不斷地對所有數(shù)據(jù)對象進(jìn)行掃描，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)通信開銷。

數(shù)據(jù)集在IEC61850模型中一般用來表示一個邏輯設(shè)備下的同一類數(shù)據(jù)對象。例如在水情自動測報系統(tǒng)中，雨量遙測邏輯設(shè)備下的所有降雨量累計值可以設(shè)置為一個數(shù)據(jù)集。所有的蓄電池電壓可以設(shè)置為另外一個數(shù)據(jù)集。針對每個數(shù)據(jù)集，還需要設(shè)置一個對應(yīng)的報告控制塊。當(dāng)報告控制塊所監(jiān)視數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)對象屬性發(fā)生變化時，就會觸發(fā)1個報告的產(chǎn)生[7]，客戶端程序通過查詢數(shù)據(jù)報告，可以判斷是否有新的數(shù)據(jù)達(dá)到。相對于查詢所有數(shù)據(jù)對象，只查詢數(shù)據(jù)報告網(wǎng)絡(luò)開銷要小得多。

2.2.6 數(shù)據(jù)對象歷史數(shù)據(jù)提取的實(shí)現(xiàn)

在水情自動測報系統(tǒng)中，針對某個傳感器 （如雨量或水位）有提取歷史數(shù)據(jù)的需求，而在IEC61850中，一般都只要求提取某個數(shù)據(jù)對象的當(dāng)前值。要基于IEC61850規(guī)約實(shí)現(xiàn)針對某個數(shù)據(jù)對象歷史數(shù)據(jù)的提取，需要對模型進(jìn)行特殊的設(shè)計。

對于某個數(shù)據(jù)對象歷史數(shù)據(jù)的提取，至少需要有3個元素：數(shù)據(jù)對象本身，歷史數(shù)據(jù)的開始時間，歷史數(shù)據(jù)的結(jié)束時間。在模型設(shè)計時，可以將這3個元素都作為邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對象，以一個雨量遙測邏輯節(jié)點(diǎn)為例，在邏輯節(jié)點(diǎn)下增加3個數(shù)據(jù)對象（見圖2）。

圖2 實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)提取功能的IEC61850模型數(shù)據(jù)對象設(shè)置

當(dāng)主站系統(tǒng)需要提取圖2中雨量歷史數(shù)據(jù)時，需置歷史數(shù)據(jù)開始時間和結(jié)束時間，同時將雨量歷史數(shù)據(jù)提取標(biāo)志置為有效，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器檢查到標(biāo)志有效后，從這兩個時間數(shù)據(jù)對象中提取相應(yīng)的時間信息，生成相應(yīng)的報文，向遙測站發(fā)出提取歷史數(shù)據(jù)的命令，并重新將該標(biāo)志置為無效。

3 服務(wù)端程序設(shè)計

3.1 程序架構(gòu)

服務(wù)端程序運(yùn)行在中心站的水情數(shù)據(jù)采集通信機(jī)中，為降低對原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞，同時也降低運(yùn)行管理人員對程序變化的不適應(yīng)，新程序保留了原有數(shù)據(jù)采集程序的遙測站遠(yuǎn)程通信功能以及用戶界面，只增加了用于實(shí)現(xiàn)IEC61850通訊功能的多個動態(tài)鏈接庫。程序的總體架構(gòu)見圖3，上半部用于實(shí)現(xiàn)和水情遙測站間的通信，而下半部61850驅(qū)動用于實(shí)現(xiàn)和主站系統(tǒng)間的通信，二者間的數(shù)據(jù)交互通過一個短地址-內(nèi)部傳輸點(diǎn)號映射表實(shí)現(xiàn)。

圖3 水情自動測報系統(tǒng)IEC61850服務(wù)端程序基本架構(gòu)

程序的基本工作流程如下：①程序接收到遙測站的自報數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解析后將某個數(shù)據(jù)對象轉(zhuǎn)換為映射表中的短地址發(fā)送給服務(wù)端驅(qū)動，由驅(qū)動轉(zhuǎn)換為一個內(nèi)部傳輸點(diǎn)號，并進(jìn)行MMS報文封裝，傳送給主站系統(tǒng)。②當(dāng)主站系統(tǒng)需要對遙測站進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或提取歷史數(shù)據(jù)時，主站系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的命令給服務(wù)器端程序，由服務(wù)端驅(qū)動對命令的MMS報文進(jìn)行解析；然后再將內(nèi)部傳輸點(diǎn)號轉(zhuǎn)換為實(shí)際的數(shù)據(jù)對象，交給數(shù)據(jù)采集部分處理，按照遠(yuǎn)程通信協(xié)議進(jìn)行報文封裝，并發(fā)送給遙測站。

3.2 XML模型文件的處理

服務(wù)端程序在運(yùn)行時需要加載模型文件，IEC61850建模時建議使用XML語言，如果最終生成的模型文件較小，在100 K字節(jié)以內(nèi)，可以由服務(wù)端程序直接加載。如果模型文件較大，應(yīng)該將XML文件轉(zhuǎn)換為易于快速處理的格式，以加快程序啟動后模型文件的加載速度。

對于一個包括100個遙測站的水情自動測報系統(tǒng)，如按照本文所述方法建模，用標(biāo)準(zhǔn)XML語言描述的水情自動測報系統(tǒng)模型文件大約為500 K字節(jié)左右，實(shí)測2.6 GHz主頻CPU的服務(wù)器對該文件進(jìn)行完全解析花費(fèi)時間約3 s左右。如果是更大規(guī)模的水情自動測報系統(tǒng)，XML解析的時間會更長。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，將XML模型文件轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€自定義的二進(jìn)制格式文件，將這個文件放置在服務(wù)端程序運(yùn)行目錄下；則程序啟動后無需對XML進(jìn)行解析，可大大加快程序加載速度。

4 結(jié) 語

本水情自動測報系統(tǒng)建模方法，解決了水情自動測報系統(tǒng)因通信條件在實(shí)現(xiàn)61850接口方面的難題。用該方法設(shè)計的水情自動測報系統(tǒng)61850模型以及基于此模型的服務(wù)端、客戶端程序已經(jīng)在松江河及白山水電廠智能化改造項目中成功應(yīng)用，在不改變原有水情自動測報系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)與硬軟件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)向61850架構(gòu)的平滑過渡。

［1］ 王德寬，張毅，劉曉波，何飛躍，余江城，段振國 智能水電廠自動化系統(tǒng)總體構(gòu)想初探［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34（6）:2.

［2］ 裴哲義.水電廠水情自動測報系統(tǒng)和電網(wǎng)水調(diào)自動化系統(tǒng)發(fā)展回顧與展望［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測， 2005， 29（3）:1.

［3］ DLT 860.7-1變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng).第7-1_部分：變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)_原理和模型：2［S］.

［4］ DLT 860.7-2變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng).第7-2_部分：變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)_抽象通信服務(wù)接口（ACSI）:4［S］.

［5］ 彭志強(qiáng)，朱辰，徐潔.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)探討智能水電廠建設(shè)［J］.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)， 2011， 23（9）:25-26.

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