基于IEC61850與IEC61970的智能通信網關機研制與應用

基于IEC61850與IEC61970的智能通信網關機研制與應用

鄭晉崗

(中山電力設計院有限公司，廣東 中山 528403)

摘要：主要介紹了智能變電站和遠方調控中心之間的智能通信網關機的研制與應用，通過智能變電站全景數據、IEC61850和IEC61970模型無縫轉換以及可視化的遠方數據自動建模技術，實現智能變電站與調控中心之間的無縫通信。

關鍵詞：智能變電站；IEC61850；IEC61970；無縫通信；自動建模；全景數據；智能通信網關機

收稿日期:2015-05-27

作者簡介：鄭晉崗(1980—)，男，山西人，工程師，研究方向：輸變電自動化、繼電保護及自動遠動技術。

0引言

隨著計算機技術、通信技術和電力自動化技術的不斷進步，電力系統對信息共享和應用集成的需求越發迫切。為此，國際電工技術委員會(IEC)的第57技術委員會(IEC TC 57)制定了一系列標準，包括用于調度控制中心的IEC61970標準和用于變電站的IEC61850標準(應用范圍在更新擴充中)，通過建立標準的、開放的電力系統信息模型，促進各應用間的互操作，降低生產和維護成本，提高系統可靠性。

目前智能變電站建設采用的是IEC61850標準，智能電網調度控制中心建設采用的是IEC61970標準，變電站與調度控制中心之間的通信通常仍然采用傳統的IEC60870-5-101或IEC60870-5-104規約，這就需要遠動工作站進行協議轉換。更重要的是，由于傳統規約不支持面向對象的建模方法，必須將IEC61850的對象轉換為若干個信息點，導致需要進行極其復雜的轉發信息配置工作，極大地增加了組態和調試的工作量，而且容易出錯。此外，對于未經協議轉換的信息，無法有效利用。

本文從智能調控中心對變電站的功能需求出發，立足于兩側已有的基礎，并充分考慮未來的發展方向，分析智能變電站與調控中心通信應采用的模式和技術，給出統一建模、配置和交換信息的具體的實施方法，并介紹基于IEC61850的通信機制、智能變電站全景數據可視化自動建模等功能的智能通信網關機的研制技術，為實現相關信息模型的源端維護、全網共享提供切實可行的解決方案。

1智能變電站與調控中心的總體架構

1.1硬件結構

系統硬件結構分為主站和分站兩部分，如圖1所示。

圖1　智能變電站與調控中心通信系統結構

智能通信網關機按需要將相關實時或非實時數據信息送往各級調度和控制中心，同時可接收電網調度或控制中心的控制調節命令并下發至間隔層、過程層執行，具體功能如下：(1) 實現廠站端統一的數據采集功能，綜合采集廠站內的測控、保護、故障錄波等IED數據。(2) 支持直采直送原則，直接從間隔層裝置采集信息，同時智能通信網關機可與監控后臺、一體化平臺之間進行通信，接收監控后臺、一體化平臺中高級功能處理結果數據，并上送調度端主站。(3) 智能通信網關機和廠站端監控后臺、一體化平臺之間相互獨立，確保任一站內平臺的故障不影響智能通信網關機運行。(4) 支持廠站端統一的數據出口功能，實現廠站與主站間的數據和模型通信，可根據不同類型數據的重要性和實時性要求，實現變電站數據的優先級控制輸出。

1.2系統軟件結構

系統軟件結構同樣分為調度端主站和廠站端兩部分，如圖2所示。

其中，廠站端和調度端有3種數據接口：(1) 基于全景數據，分別調用RTDB(實時數據庫)提供的接口，實現通信(實時)數據交換。(2) 傳遞CIM/E變電站模型文件給模型合并及導入文件服務，該服務實現變電站模型的合并及入庫。(3) 傳遞變電站CIM/G圖形文件給調度端主站實現CIM/G文件的導入。

2關鍵技術研究

2.1智能變電站站控層的全景數據建模

基于智能通信網關機集成的可視化工具進行全景數據建模，利用一體化信息平臺實現變電站內各系統的融合。

圖2　智能變電站與調度端主站通信建模軟件結構

(1) 在變電站建立統一的站控層網絡，將間隔層的所有裝置信息統一上送到站控層；所述裝置信息包括電壓、電流、斷路器位置、站內保護設備和故障錄波設備上送的保護事件、錄波等故障數據信息等。(2) 建立全景數據模型，實現各個領域不同系統數據的完整融合，以各專業應用模型為擴展的統一模型。(3) 電網全景信息是變電站自動化系統相關的所有信息，包括歷史數據、實時數據、電力設備一次模型、電力二次模型、一/二次設備模型的關聯等。數據聯合方式就是采用電網全景模型虛擬統一建模技術，將分散在各個子系統的信息有效組織起來，為變電站自動化系統運行提供統一數據模型服務。(4) 全景數據模型為不同應用提供統一訪問接口，方便不同業務對不同數據的需求及再加工。

2.2IEC61850與IEC61970無縫通信

2.2.1　數據通信

在變電站內，站控層采用IEC61850標準接入間隔層設備，變電站智能通信網關機與調控主站系統同樣采用IEC61850標準進行通信。

2.2.2　數據模型

變電站內的模型采用IEC61850進行數據建模，調度端主站系統采用的是IEC61970建模規范，因此需要在變電站端實現IEC61850到IEC61970的模型轉換，實現以變電站為源的源端維護功能。

針對SAS的IEC61850標準和EMS的IEC61970標準，雖然主要是面向各自系統的通信數據模型和接口標準，但二者還是有許多共同之處，例如它們都采用面向對象的方法統一建模，數據對象都是自我描述的，使用通用配置工具對數據對象在信息源處定義，采用標準化的數據交換接口，這為IEC61970與IEC61850的無縫通信提供了良好的基礎。

IEC61970與IEC61850的無縫通信總體框架如圖3所示，主要包括變電站側子系統和主站系統兩個部分。其中，變電站側子系統主要完成兩部分功能：(1) 變電站內模型的建立：SCD文件的生成、SCD模型的導入、變電站內CIM模型的生成、變電站內SCD模型與CIM模型的關聯(變電站圖形的繪制)。(2) 變電站與調控主站系統的模型交互：模型交互文件包括CIM/E與CIM/G，同時包括變電站與調度端主站通信用的CID模型文件。在變電站端模型轉換是自動完成的，根據變電站內已建立的模型，自動生成調控主站系統需要的交互模型，由主站根據模型進行下一步工作。

調控主站系統根據變電站端提供的模型文件，實現圖庫的導入及通信模型的重載，便可實現與變電站端遠動系統的通信及數據的入庫。包括可視化SCD完整模型配置(包含一次設備拓撲連接關系以及一次設備與二次設備的關聯關系)和CIM模型轉換工具，這些都是國內目前首次采用的技術。模型轉換起源是變電站完整配置的SCD模型文件，轉換生成的CIM是無縫連接的基礎，通信連接是實時數據傳輸的保證。

2.3變電站監控、遠動與故障信息子站一體化

基于變電站的全景建模，在統一的系統平臺、統一的網絡下實現變電站內監控、遠動及故障信息子站的數據采集，對外融合兩大業務功能，實現變電站遠動與故障信息子站的統一數據出口，可通過61850、104、103等規約通信方式進行出站通信，實現智能通信網關機的功能集成，提高可靠性，簡化配置，取消保護專用網路，簡化設計，減少維護和降低成本。

圖3　變電站與調度控制中心通過網關通信示意圖

2.4源端維護

源端維護將簡化主站建模、繪圖，減少主站系統的建模時間，降低主站—廠站之間系統的維護難度，提高系統圖形、模型的一致性。

2.4.1　廠站端

使用廠站端的圖模一體化工具進行站端圖形的實際繪制，通過源端維護工具為各類主站生成相應的圖形文件、模型文件。圖形文件采用CIM/G格式，模型文件為CIM/E格式，在站端實現了IEC61850模型到IEC61970模型的轉換。同時，廠站端的源端維護工具導出主子站通信使用的ICD模型文件，供智能通信網關機使用。

2.4.2　調度端

調度端主站通過文件服務獲取站端源端維護文件，主站系統不再進行重復的繪圖、建模、建庫、對點工作，直接使用站端生成的相應圖形及模型文件，通過調度端主站工具導入主站系統，可節省相關系統建模、作圖、對點工作量。

3智能通信網關機的技術實現

3.1總體建模原則

(1) 廠站端按照DL/T860標準模型生成全站統一模型文件，包括站內所有IED模型。(2) 智能通信網關機以網關模式與主站進行通信。(3) 智能通信網關機作為一個單獨的IED，包含本物理設備所有信息的邏輯節點。

3.2服務實現

客戶端僅與站內智能通信網關機建立通信連接，對站內所有IED的通信服務均通過智能通信網關機實現。所涉及通信服務與DL/T860標準保持一致，具體需實現的服務有：關聯、目錄、數據讀取、報告、數據集、控制、定值、文件、日志、訂閱發布等。

3.3標準現狀

IEC61850標準第一版主要定義了變電站內基于IEC61850的通信規范，而對于變電站與站外其他系統如調度控制中心的通信沒有具體定義，僅在IEC61850-7-1中簡單描述了通過代理/網關的實現方式。代理/網關與站內設備通信獲取IEC61850信息，并按照多種方式組織最后提供給調度控制中心。代理/網關既是客戶端(相對于站內設備)，也是服務器端(相對于調度控制中心)。

已經發布的IEC61850-80-1定義了基于IEC61850通信的變電站與調度控制中心之間通過IEC60870-5-101/104進行信息交換的規范，其中也提到了以代理的方式與變電站外系統基于IEC61850通信。變電站與站外系統之間有多種通信方式，如101/104規約方式、WebServices及IEC61850客戶/服務器方式，后兩種通過IEC61850代理實現。

IEC61850-90-2主要定義變電站與調度控制中心之間基于IEC61850的通信規范，目前還在起草階段。現階段實現變電站與調度控制中心之間基于IEC61850通信，應盡量與現有通信模式接近，避免對現有相關標準的較大改動，或與后續發布的IEC61850-90-2相差太大。因此，變電站端宜采用IEC61850網關模式，作為變電站與調度控制中心之間的通信模式。

3.4遵循IEC61850與IEC61970的無縫建模

變電站內及變電站與遠方調度控制中心之間采用IEC61850標準通信，變電站內依據IEC61850建模，變電站與調度控制中心的模型交換采用IEC61970建模規范，IEC61970模型由站內直接生成并傳給調度使用。因此，在變電站內進行IEC61850與IEC61970的無縫建模，實現了數據源與變電站模型統一。

IEC61850與IEC61970無縫通信，開發可視化SCD完整模型配置(包含一次設備拓撲連接關系和一、二次設備的關聯關系)和CIM模型轉換工具，均屬國內首次采用的技術。模型轉換起源是變電站完整配置的SCD模型，轉換生成的CIM是模型無縫連接的基礎。

3.5變電站與遠方調度控制中心的自動優化建模

變電站與遠方調度控制中心的模型轉換包括變電站電網通用模型(CIM/E)與變電站圖形文件(CIM/G)兩部分。智能變電站基于調度控制中心命名標準統一數據模型，按照《變電站調控數據交互規范(試行)》開發可視化配置工具，進行可視化建模、圖形繪制和數據優化整合，并將整合后的數據點加到CIM/E模型中，同時將變電站站控系統的圖形文件轉化為主站可識別的CIM/G文件，實現數據自動關聯建模，高效完成以變電站為基礎的源端維護。

3.6智能變電站與調度控制中心的統一數據出口

智能通信網關機采用嵌入式技術，基于全景數據處理平臺，將站內監控全景數據建模并接入，對外融合遠動和故障信息系統兩大業務功能，實現變電站遠動與保護等類信息的全景數據管理，同時通過規約或服務接口形式與遠方調控中心進行通信，實現廠站端通信網關機的各業務功能集成和出口。

3.7以IEC61850網關模式實現智能變電站與調度控制中心間通信

將站內全景數據以IEC61850網關模式(單IED多LD)建模并上送(網關機可同時兼容多IED的代理模式)，主站使能相關報告服務即可獲得所需數據信息。

4結語

在智能變電站與省級智能電網調度控制中心之間實現了基于IEC61850/MMS協議的遠動數據通信；并采用全景數據可視化建模及圖形繪制技術，實現主子站通信所需全景CID模型的自動建模；同時采用基于統一數據模型的SCD到CIM/E的映射技術、模型邊界自動辨識技術和圖形關鍵信息自轉換技術，實現了智能變電站與調度控制中心模型、圖形的一體化建模和信息共享，為調度端主站和廠站端調控一體化信息源端維護提供了參考思路。同時，隨著IEC61970標準和IEC61850標準以及相關服務總線技術的逐步完善，該研究成果可廣泛推廣至各級調度控制中心及智能化變電站，具有良好的應用前景。

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