IEC61850在電能量管理系統通信中的應用

龐宇峰

【摘 要】IEC61850標準是未來數字化變電站通信網絡與系統的唯一國際標準，面向對象的信息模型和建模方法是IEC61850標準的核心，本文先總體闡述了IEC61850的建模過程，進而結合電能量管理終端的應用進行電能量管理終端的建模介紹。

【關鍵詞】數字化變電站；IEC61850；智能電子設備；面向對象；信息模型

【Abstract】IEC61850 standard is the digital substation communication network and system of the international standard. Object-oriented information model and modeling method is the core of IEC61850 standard. This article overall expounds the modeling process of IEC61850 first， and then combined with the application of electric energy management terminal of electric energy management terminal modeling is introduced.

【Key words】Digital substation； IEC61850； Intelligent electronic equipment； Object oriented； The information model

0 引言

在智能變電站一體化監控系統中，需要接入大量的來自不同生產廠家的監控設備。采用傳統的通信規約如IEC60870-5-102，Q/GDW376.1-2009，DNP3.0等，難以做到互聯互通、即插即用，接入和維護的工作量都十分大。圖1是智能變電站一體化監控系模型。

IEC61850為變電站自動化提供了統一的標準，實現了不同智能設備之間的無縫接入。隨著IEC61850的逐漸成熟和廣泛應用，其技術和方法逐漸推廣至變電站自動化以外的其它應用領域，包括變電站與EMS主站之間的通信、水力發電（IEC61850-7-410）、分布式電源（IEC61850-7-420）、風力發電（IEC61400-25）等等。引入IEC61850采用統一的模型、統一的接口，實現主站與DRTU以及不同DRTU之間的互操作，從而解決大量DRTU的有效接入問題，減少維護工作量，是智能變電站通信的發展方向[1]。

1 IEC61850簡介

IEC61850標準是IEC、IEEE與美國電科院（EPRI）合作的結果，其目的是建立一個真正的全球性標準，解決變電站自動化系統的互通互聯問題。下面介紹IEC61850的采用的關鍵技術。

1.1 面向對象的數據模型

常規的通信協議（如IEC60870-5系列、SC1801、ModBus等）從各種自動裝置接收數據需要三個處理過程。首先，裝置把實際數據映射成適當的協議消息；將數據傳遞到請求者那里，并寫入數據庫中；最后，將數據以圖形符號的方式顯示給用戶。存在的問題是，在協議消息傳輸過程中，其中一個數據與其他數據的關系丟失了，因此，必須映射協議消息與其他數據的關系（一般叫作交叉關系表映射）。在安裝調試變電站自動化系統，處理所有的數據點時，（映射）配置工作非常耗費時間并且容易發生錯誤。

IEC61850采用面向對象的新方法，單一的數據是沒有意義的，IEC61850將信息分為可以訪問的邏輯信息組，例如保護信息、開關設備信息、測量信息組等。邏輯信息組被進一步劃分為不同的邏輯節點。邏輯節點是組成變電站自動化應用功能，能夠互相交換信息的最小實體，是變電站最基本的虛擬表示單元。每一個邏輯節點由代表一些特定應用功能的數據組成。按照定義好的通信方法與服務，包含在邏輯節點中的信息能夠同其他邏輯節點交換。用戶可以比較容易地研究和瀏覽這些邏輯節點，提取出所需要的信息。

圖2給出了一個叫XCBR的邏輯節點的例子。這個邏輯節點代表一個IED模型中的斷路器對象。XCBR包含一個數據類Pos，表示斷路器的位置。這個數據類被賦予不同的屬性。例如，狀態值stVal表示斷路器的分合位置。這樣，斷路器的信息可以通過訪問具體的邏輯節點XCBR獲得。假設已知一個包含斷路器的IED模型，數據類XCBR的實例叫做XCBR1，則訪問XCBR1.Pos即可獲得斷路器所有的位置屬性信息，而訪問XCBR1.Pos.stVal就可以獲得斷路器的分合位置信息。

一組邏輯節點組合在一起，完成一個具體的應用功能，它們可能分布在變電站內若干個實際物理設備中。圖2所示的保護功能為例，它包含三個邏輯節點（HMI：人機界面、P：保護、XCBR：斷路器）和一個獨立的邏輯節點（TCTR：電流傳感器），它們分布在斷路器、電流互感器、保護裝置三個具體的物理設備中。需要指出，在其他一些應用場合，這些邏輯節點有可能都集中在一個物理設備中。

一個物理設備可能包含多個邏輯節點。使用邏輯節點可以為一個具體的IED（例如單元層保護裝置）建模，這些IED與變電站內的其他物理設備相互作用，完成具體的功能。一些邏輯節點可以認為是代表變電站內物理設備（例如斷路器或電流互感器）的邏輯對象。其他一些邏輯節點只完成一部分功能。以開關或斷路器控制為例，控制邏輯節點和斷路器邏輯節點相互作用完成斷路器的操作。如此，一組邏輯節點可逐步地建立起描述單元層裝置控制行為的模塊。

1.2 抽象通信服務接口

IEC61850總結了電力生產過程的特點和要求，歸納出電力系統所必需的信息傳輸的網絡服務，設計出抽象通信服務接口（Abstract Communication Service Interface：ACSI），其應用功能、對象、服務與具體的技術及實現方法（通信協議）無關。ACSI提供6種服務模型：連接服務模型、變量訪問服務模型、數據傳輸服務模型、設備控制服務模型、文件傳輸服務模型、時鐘同步服務模型。它所定義的服務、對象、參數通過特殊通信服務映射（Specific Communication Service Mapping：SCSM）綁定到底層的應用程序（協議）中，例如綁定到MMS或IEC60870-5等應用層協議上。這使得IEC61850的應用可以適應各種網絡。在底層網絡發生變化的情況下，只需要改變相應的特殊通信服務映射即可。

1.3 面向對象的數據模型面向設備的自描述

IEC61850提供的模型覆蓋了變電站自動化領域幾乎所有功能和數據對象，并提供了擴展機制。因而在傳輸數據時，通過附帶數據自我描述信息的方法，實現信息的自描述，數據在傳到調度系統后，可以直接通過軟件解析，簡化現場驗收工作，數據庫維護工作量大為減少。

1.4 系統配置

因為IEC61850建立了統一的模型體系和統一的ACSI接口，并且支持現場設備的直接訪問，因而在設備配置發生變化的情況下，調度系統可以很方便地得知配置改變情況，并據此進行更改。IEC61850包含了十個部分的內容。電力系統工程師和用戶可能需要一些時間認識了解它。然而，隨著對電力系統數據的需求越來越多，信息新技術的不斷應用，IEC61850最終會成為處理變電站配置、模型和通信的主要標準。

2 IEC61850在電能量管理系統通信中的應用

由圖3可知，一區和二區之間的防火墻開放相應的路由，使計量采集終端可以訪問。常規普通電表通過RS485接入常規終端，多合一裝置由于掛在Ⅰ區，需要通過防火墻開發路由接口，終端通過以太網接口的IEC61850-8-1訪問多合一裝置中的電量信息。

2.1 電能量管理終端設備模型

圖4定義的模型中基本上都是采用了IEC61850-8-1中定義的LN，本文采用的是xml語言進行描述的。

2.2 信息交換模型

IEC61850-7-2定義了比較完備的抽象服務接口（Abstract Communication Service Interface，ASCI），包括基本模型規范和信息交換服務模型，信息交換服務模型包括核心服務、通用變電站事件（Generic Substation Event，GSE）模型、采樣值（Sample Value，SV）傳輸模型、時間同步等。1.核心服務。核心服務采用Client/Server模式，支持Server、Association等模型，能夠實現數據的獲取和檢索；設備控制；事項報告和日志；發布/訂閱；設備的自描述等。核心服務是配網自動化通信的基礎，主站與終端、終端與終端之間的通信都需要支持核心服務。2.GSE模型。通用變電站事件GSE包括面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Events，GOOSE）和通用變電站狀態事件（Generic Substation Status Event，GSSE）。GSE采用廣播方式，對傳輸的延時有嚴格的限制。

GOOSE是IEC61850定義的一種通信機制，用于快速傳輸變電站事件（如命令、告警等）。GOOSE利用了VLAN和優先等級等以太網特性，能夠實現傳輸時間<4ms。配網自動化對于通信的實時性要求相對較低，并且終端設備的數量比較大，為避免出現大量的廣播信息造成網絡的堵塞，建議不采用GOOSE模型。

2.3 通信服務映射

ACSI的具體報文及編碼需要通過特定通信服務映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）映射到具體的實現方式上。對于核心服務的實現方式，目前比較可行的映射方式有映射到制造業報文規范（Manufacturing Message Specification， MMS）和映射到IEC 60870-5-101/104。1.映射到MMS：IEC61850-8-1中詳細定義了用戶/服務器模型映射到MMS的實現方式。MMS底層采用TCP/IP，編碼格式采用ASN.1。在配網自動化中采用以太網，以MMS+TCP/IP來實現網絡通信是一種比較可行的實現方式。2.映射到IEC60870-5-101/104：IECTC57制訂了IEC61850與IEC60870-5-101/104之間信息交換的導則IEC61850-80-1。通過IEC61850-80-1可以完成IEC61850向IEC60870-5-101/104的數據模型的映射，用于變電站與控制中心的通信。

IEC61850-80-1對于信息模型能夠很好的進行映射，但對服務模型支持的不夠好，比如Server的Get Server Directory、Logical Device的Get Logical-Device Directory等偏重于信息模型自描述的部分在IEC60870-5-101/104中沒有相應的實現。這主要由于兩種標準所采用模型不一致造成的，對于這些不能映射的部分可以采用Web Service、文件傳輸，或者對IEC60870進行擴展，添加相關的應用來實現。

3 結語

本文對IEC61850在電能量管理系統通信中的應用背景進行描述，介紹了IEC61850面向對象的數據模型、抽象通信服務接口及系統配置及面向對象的數據模型面向設備的自描述，舉例說明了IEC61850在電能量管理系統通信中的應用，詳細闡述了電能量管理終端設備模型、信息交換模型及通信服務映射。

【參考文獻】

[1]國家電網公司.Q/GDW 383-2009智能變電站技術導則[M].中國水利水電出版社，2009，12.

[2]羅四倍，等.基于IEC61850標準面向對象思想的IED建模[J].電力系統保護與控制，2009，17：88-91.

[責任編輯：楊玉潔]