基于IEC 61850的臺區設備即插即用實現方法

吳海，滕賢亮，周成，胡國，周華良，何昭輝，潘志成

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院)，南京211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京211106)

0 引言

近年來，隨著南方電網對配電網發展越來越重視，逐年加大對配電網的改造投入，配電臺區作為電力供應的“最后一公里”直接關系到用戶的用電體驗[1 - 4]。低壓配電臺區已然成為配電自動化系統的應用中心，然而，配電臺區電多面廣，臺區建設過程中需大量的運維人員進行現場通信調試(配置通信點表、人工對點等)，而且采用這種方式不僅效率較低且容易出錯，因此如何實現海量臺區的可視化、高效接入與即插即用成為了當前亟待解決的問題[5 - 7]。

很多專家學者對配電自動化終端的即插即用進行了研究，文獻[8]提出了端設備自適應接入的方法，文獻[9 - 10]提出了配變終端邊緣節點、容器化、軟件定義終端的概念，文獻[11]提出了IEC 61850模型映射到通信規約的實現方法，文獻[12]提出了基于IEC 61850模型的自動化通信技術。以上研究主要集中在信息模型的建立和應用上，不適應邊緣計算和軟件APP化的場景，要基于新協議，未考慮如何兼容存量設備。

臺區智能配變終端作為數據匯聚和邊緣計算中心，可通過互聯、互通、互操作實現配電網的全面感知、數據融合和智能應用。本文結合現有低壓配電網數據交互的特點提升互操作性和一致性，提出基于IEC 61850標準APP加載、卸載、多實例動態追蹤的軟件層面的即插即用控制方法，支持不同應用場景的按需定義，綜合考慮存量設備和新增設備的兼容性問題，最后通過工程應用的建設效果，論證文中所述終端功能和方案的可行性。

1 總體思路

1.1 系統架構

如圖1所示，配電自動化可包括云、邊、端3個層面，其中“云”指的是云主站，主要用于實現臺區的信息監測與資產管理；“邊”為配變終端 (TTU)，主要用于臺區設備監測與控制；“端”設備主要指末端漏保開關、傳感器等。

圖1 即插即用構架Fig.1 Framework of plug and play

1.2 總體方法

配變終端即插即用是以設備模型標準化為基礎，采用軟件定義終端的理念[13]，實現臺區邊、端設備即插即用，最終實現臺區可視化?？傮w方法如下。

1)設備注冊

設備初次上電，配變終端主動上送注冊信息，如該設備在云主站未注冊，則視為新增設備，將設備的自描述模型上送至云主站進行注冊。

2)設備點表配置

云主站收到設備的自描述模型后，進行解析并選擇需要配變終端測點，并對上送數據進行篩選，下達至配變終端。

3)通信實現

配變終端收到云主站下達的模型后進行解析，按照主站要求上送的測點進行信息上送，實現即插即用。

2 設備建模

2.1 建模方法

為了實現端設備標準化接入與通信點表配置，本文采用的建模方法基于IEC 61850標準[14 - 16]。

1)配變終端本體模型

配變終端本體模型文件統一命名“device.icd”,根據配變終端功能需要，模型包含5類邏輯設備，如表1所示。

表1 邏輯設備Tab.1 Logical device

邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據實例。由于臺區配變終端一般采用輕量型硬件平臺，性能受限于CPU能力、電池容量等因素影響，因此若全部采用IEC 61850方式進行建模，將導致模型文本信息冗余，引起設備解析模型工作量增大，影響設備性能，所以邏輯節點下不采用多級數據實例(DOI)已減輕配變終端的運算壓力。

2)APP模型與多實例

為了適應配變終端功能APP化，與端設備、高級應用與對應的APP模型相互對應，APP模型文件與APP名相互對應，命名為“AppName.icd”。同樣地，根據APP的功能，其邏輯設備同樣包括表1中列出的邏輯設備，并在邏輯設備前增加AppName前綴。

2.2 模型實例化

由于配變終端對下接入的端設備類型、數量是不確定的，且端設備增加、刪除、在線、離線等狀態變更情況復雜，需要模型動態體現其狀態[17 - 20]。以漏電保護開關(RCD)APP為例，當某臺區接入多個漏電保護開關時，需對RCD APP對應的模型進行實例化，并合并至配變終端模型中。其操作包含模型的合并、刪除和修改。該工作由配變終端在運行過程中實現。當端設備與配變終端為半雙工方式通信時，配變終端通過輪詢方式識別對下接入的設備種類和數量，根據接入數量對該設備對應的模型的邏輯設備進行實例化并增加前綴，如實例化N個，則APP實例化后的模型應為“APP Name01_LD Name*, APPName02_LDName*, …，APPNameN_LDName*”。同樣地，當接入的設備減少，則需要對該APP對應的模型實例刪除至對應的個數。

2.3 通信配置

當前南方電網配電自動主站一般采用IEC101、IEC 104通信規約，早期的IEC 61850模型規范未考慮到這種通信規約，直至IEC 61850- 80-1規范的發布，介紹模型到IEC 101、IEC 104的映射，該規范將模型中的每個數據引入了私有信息的概念[21]。本文在此基礎上，根據市場調研數據采集量建模，匹配IEC 61850模型所需數據量，結合臺區的應用需求，對私有信息進行了擴展如表2所示，私有域屬性為業務進行設計，根據關鍵字進行識別?？筛鶕枨筮M行擴展，涵蓋了配、用電領域業務應用范疇。

表2 DA私有屬性Tab.2 DA private property

2.4 資產管理

為了實現臺區的可視化，需要收集各個臺區的測點信息，而測點信息需要一次設備進行關聯，方可對數據進行實際意義的表達。因此需對臺區的設備進行功能位置定位，設備功能位置由云主站的PMS2.0系統進行管理，其中每個設備功能位置均有自己獨一無二的PMSID，APP模型中每個邏輯設備中均包含LLN0.NamPlt.vendor，將物理設備的PMSID錄入模型中邏輯設備LLN0.NamPlt.vendor，實現物理設備與邏輯設備的關聯與對應，進而實現臺區設備功能位置編碼的管理。工程實踐中，運維人員通過手持掃碼器讀取末端設備的PMSID，再將末端設備的PMSID導入配變終端中，由相應APP實現二次設備邏輯節點與一次設備關聯。

3 即插即用技術

配變終端即插即用是以設備模型標準化為基礎，分為云-邊的即插即用、邊-端的即插即用。

3.1 云與邊即插即用流程

新增配變終端時，配變終端上送注冊報文進行注冊，并向配電主站上送ICD文件。配電主站自動解析該ICD文件，自動完成遙信、遙測和遙控信息點號與PMSID的設置并下達CID 模型，同時檢測低壓設備即插即用過程中是否出現一二次設備映射錯誤的情況，如有則通過四區應用推送給現場安裝人員進一步分析排查，直至所有的錯誤消除完畢，從而實現數據接入流程的閉環。該過程全自動實現，無需人工干預。云與邊的即插即用流程如圖2所示，其具體步驟如下。

步驟1：配變終端向配電主站上送本體注冊信息；

步驟2：配電主站下發臺區下一次設備描述文件給配變終端，一次設備描述文件中含有該臺區一次設備的PMS ID及設備類型；

步驟3：配變終端內的通信服務APP完成一次設備描述文件解析，并將PMS ID分發至相應APP進行匹配；

步驟4：配變終端完成所接入二次設備的注冊發現和一二次設備映射；

步驟5：采集APP對二次設備進行一二次設備映射，若某二次設備的一次PMS ID信息能在一次設備PMS ID清單中找到，則一二次設備映射成功，否則一二次設備映射失敗。最終配變終端形成映射成功的二次設備清單和映射失敗的二次設備清單，并根據映射結果生成ICD文件，同時對ICD文件進行實例化；

步驟6：APP與二次設備正常通信，并將該APP生成的此類型設備的ICD文件傳輸給通信服務APP。通信服務APP合成臺區總ICD文件并上送配電主站，該文件包含了臺區內所有的數據點和默認上送主站的數據點；

步驟7：配電主站接收配變終端上送的ICD文件，解析該文件從而完成主站側通信模型的建立，并自動完成對數據集的訂閱，生成CID文件；

步驟8：配電主站將設置好數據集的CID文件下發配變終端。配變終端通信服務APP解析主站下發的CID文件，生成配變終端與主站信息交互的通信模型并通過標準規約與主站進行正常信息交互。

圖2 云與邊的即插即用Fig.2 Plug and play of cloud and edge

3.2 邊與端即插即用流程

配變終端和低壓端設備之間的即插即用，可以分為低壓設備主動注冊和配變終端定時輪詢兩種方案。主動注冊方案適用于IP化設備或經過IP化改造的設備，適用于新增設備；而為了實現存量設備的即插即用，本文提出了定時輪詢即插即用方案，即采用RS485等半雙工通信方式的端設備，不需進行改造。

3.2.1 主動注冊

主動注冊由低壓設備主動向配變終端發送注冊請求。低壓設備在現場安裝接線完成后，現場人員在二次設備中錄入一次設備PMSID信息，然后低壓設備主動向配變終端發送注冊請求進行自動注冊；對于IP化設備，配變終端作為服務器端，低壓設備作為客戶端主動發起連接，對于少量通過RS485等非IP化的通信接口需要通過接口轉換器接入，流程如圖3所示。

圖3 主動注冊流程Fig.3 Active registration process

3.2.2 定時輪詢

低壓設備在現場安裝接線完成后，現場人員在二次設備錄入一次設備PMSID信息及設備地址，然后等待配變終端發起設備掃描。配變終端需要預設各種類型低壓設備最大數量，然后發送包含設備類型和設備地址的掃描信息，低壓設備匹配配變終端掃描信息，匹配成功則向配變終端回復掃描確認命令，匹配失敗則不響應，流程如圖4所示。

圖4 輪詢流程Fig.4 Polling process

3.3 模型變更流程

設備退役或設備更換由PMS系統設備資產信息變更觸發，當PMS系統維護設備退役或者設備更換時發起設備退役流程，由PMS系統向配電主站發起模型變更通知，配電主站接收到模型變更通知后將最新一次設備描述文件下發配變終端。配變終端將主站下發一次設備描述文件與原有一次設備描述文件進行對比，如發現變更則通知相應APP重新進行模型實例化，流程如圖5所示。

圖5 設備模型變更流程Fig.5 Equipment model change process

PMS系統設備資產信息變更后，將變更后的一次設備描述信息通知配電主站，配電主站將變更后的一次設備描述信息下發配變終端，配變終端按照新的一次設備描述信息進行本地模型實例化；當有新增設備或者設備替換時，現場設備更換/安裝完成后，在二次設備錄入一次設備PMS ID信息，低壓設備按照即插即用流程主動注冊或者等待配變終端輪詢掃描完成設備注冊及接入，配變終端將ICD文件上送配電主站，配電主站檢查配變終端服務信息模型并對服務進行訂閱，生成CID文件，配電主站將訂閱結果(CID文件)下發配變終端，模型變更完成。

4 工程試點

為驗證本文所設計方案的可行性，在蘇州、云浮和東莞等地進行了試點應用。以云浮低壓可視化項目的一個臺區為例，現場部署采用容器技術設計的配變終端1臺，溫濕度傳感器3臺，低壓故障指示器72套，剩余電流保護器4臺，其中溫濕度傳感器采用MODBUS規約，低壓故障指示器和剩余電流保護器采用DLT 645規約與配變終端進行通信。由于對低壓故障指示器進行了設備改造，使其支持全雙工方式，因此低壓故障指示器采用主動注冊方式，配變終端對溫濕度傳感器和剩余電流保護器采用輪詢方式進行設備的發現。施工人員首先完成設備接線，其次通過手持設備對端設備與其對應的一次設備進行映射，將PMSID信息發送至配變終端。至此，配置工作完成。與原有施工方法相比，施工時間由50 min降低為10 min，施工效率提高80%。，配置時間由原先30 min降低為5 min，配置效率提高83.3%。

施工完畢后，終端按照云、邊即插即用流程，配電自動化主站下發低壓故障指示器、溫濕度傳感器和剩余電流保護器模型。終端按照邊、端即插即用流程通過輪詢和自發現方式發現末端設備，并生成所屬臺區的總模型文件，模型中自動生成點表，上送主站。主站通過模型中對應的點表關系，自動入調度數據庫。其效率與傳統方法相比，將終端的接入時間由原先1 h縮短至15 min，接入效率提高75%。

采用本項目提出的基于IEC 61850標準APP加載、卸載、多實例動態追蹤的即插即用控制方法，不再需要工程人員進行現場通信對點及主站配置庫時間，解決了實際工程中對點問題，運維調試困難問題。

5 結語

本文提出了基于IEC 61850的臺區設備即插即用技術與實現方法，實現設備通信標準化、一致化，綜合考慮南方電網現有新增設備和庫存設備的實際情況。其中包括基于IEC 61850標準的模型設計方法，設計了APP加載、卸載、多實例動態追蹤的即插即用體系和控制方法。解決了配電臺區點多面廣，臺區建設過程中運維苦、難且易出錯的問題。該方法通過工程實際應用進行了驗證，實現海量低壓臺區的可視化、高效接入與即插即用，大幅提升配電物聯網運維效率。

未來面向配電網大規模推廣建設過程中仍需繼續完善模型，本模型也適用于配電物聯網場景下與IOT平臺的數據交互，但在數據表達的可視性上仍不夠直觀。因此計劃按照統一數據字典方法，將各類數據信息進行明確表達，使得數據內容保持統一。同時提出并發布相關標準規范，以提高標準化程度，并完善覆蓋各種類型的低壓設備，實現不同類型設備、不同廠家設備的互操作，設計統一規范低壓設備規約，減少即插即用數據采集APP的種類。本文的研究工作對解決現場運維等現實問題有積極的指導意義和參考價值。