IEC61850標準在變電站低壓電源設備的應用

呂杰輝 夏社幸 張穎基

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

隨著配電網建設事業的快速發展，電網容量不斷擴大，實時信息傳遞量持續增加，相關領域對自動化信息管理系統和通信系統的要求顯著提高。在該背景下，IEC61850標準能夠實現不同廠家電子設備間的交互操作和信息共享，還具有自由配置性、長期應用性等特點，有助于為搭建數字化變電站信息管理平臺提供支持，滿足變電站各基礎設備的數據通信需求，并提高數據傳輸的效率和質量。綜上所述，圍繞IEC61850標準在變電站低壓電源設備中的應用進行分析，其目的是為開發基于IEC61850的產品提供幫助，從而推動變電站建設的創新與發展。

1 IEC61850標準的提出背景

在以往變電站自動化系統中，通常使用1997年頒布的繼電保護信息接口配套標準規約，但隨著智能數字化設備的快速發展，該標準的缺點越來越明顯。一方面，該標準未定義以太網的通信規范且缺乏針對系統功能的標準要求，該標準并不適用于當前的以太網建設環境；另一方面，該標準缺乏權威的一致性測試且不支持元數據傳輸，進而限制自動化系統的功能。此外，對傳統的自動化系統來說，不同國家、不同廠商所遵循的通信協議往往存在較大差異，導致自動化集成度不足，容易影響系統的自動化性能。在該背景下，IEC61850標準可以解決通信標準統一問題，其基于現有的IEC/IEEE/ISO/OSI標準進行整合，采用開放且支持設備自我描述的協議，能夠提升自動化系統的兼容性和擴展性，滿足用戶的個性化功能需求；同時，IEC61850標準能夠規范設備邏輯模型和設備通信接口，可以對變電站層次結構進行優化。IEC61850標準不僅作用于變電站數據通信，而且還能夠為變電站和控制中心通信提供支持。

2 IEC61850標準及關鍵技術2.1 IEC61850標準的主要內容

IEC61850標準包括面向對象的標準、通信網絡性能要求、接口與映射、系統與項目管理以及一致性測試等內容，其約束文本共有10個部分。

此外，從概念上來說，IEC61850標準主要圍繞以下4個方面展開：1） 功能建模。建立IEC61850標準的目的就是根據變電站自動化通信的基本需求進行相關的底層設計，建立變電站自動化系統功能模型，能夠解決以往通信協議存在模型概念缺失的問題，提高變電站自動化通信系統的通用性和自定義性。2） 數據建模。IEC61850標準最開始是直接面向對象編程，使用人員可以直觀、明了地看懂數據模型并對其進行修改，能夠滿足用戶的基礎功能需求，其具備建模質量高、能夠在大部分的環境中使用、滿足行業的標準和能夠提供改進意見等優點。同時，借助IEC61850標準可以保證自動化系統的質量且能夠對系統參數進行控制，有助于提升自動化系統及相關設備的運行穩定性。3） 通信協議。IEC61850標準定義數據訪問機制和向通信協議棧的映射，在間隔層和過程層之間形成串行單向多點或點對點傳輸網絡，能夠提升自動化系統的兼容性和擴展性，從而更好地為用戶提供數據支持。4） 一致性測試。IEC61850標準的定義是基于XML的結構化語言（可擴展標記語言），能夠清楚地描述變電站和自動化系統的拓撲關系，從而為系統測試提供測試條件和測試準則。

2.2 IEC61850標準下變電站設備的通信系統結構

根據IEC61850標準可知，變電站自動化系統包括控制、監視以及保護等功能，能夠實現對變電站基礎設備進行管理、控制和維護的功能。在IEC61850標準的支撐下，變電站設備的通信系統結構如圖1所示。

圖1 IEC61850標準下變電站設備的通信系統結構

在IEC61850標準的支撐下，以以太網作為變電站設備通信的物理層和數據鏈路層。隨著網絡帶寬的不斷提升，數據傳輸速度已經不再是一個難題，隨之而來的是實際的物理設備帶寬的限制，其不能實現數據的全速上傳和下載，通過增設傳輸線路的簡單方法就能夠解決數據傳輸延遲過大的問題。同時，監控主機作為物理層的重要結構，它可以有效地監控IEC61850標準下變電站設備的通信系統內、外部運行環境，以保證通信系統可以正常運行。如果發現通信系統運行異常，監控主機就能及時報警并將異常數據傳輸到監控終端，為系統維護工作提供良好的反饋。

選擇TCP/IP協議作為站內IED的高層接口，能夠實現IED的網絡化，確保系統數據以TCP/IP的方式運行。網絡層主要負責通過合適的傳輸方式將這些經過處理的信息傳輸到應用層。網絡層主要依托無線傳感技術完成數據傳輸工作，隨著科技的進步，智能配電系統已經可以利用多種高速、低時延的通信技術進行網絡層建設，使其具有信號覆蓋面廣、傳輸速率快等特點。

在物理層和網絡層的基礎上，IEC61850標準下變電站設備的通信系統要加強對應用層的建設，完善的應用層結構可以在通信系統和聯網終端之間建立高效的信息共享通道，還可以幫助技術人員開發相關軟件，以便更好地建設智能通信系統。將微軟媒體服務器協議作為應用層顯示協議，將數據顯示在顯示設備上，與觀測人員進行簡單的人機交互。其中，所有IED中基于IEC61850建立的對象和服務模型均映射成MMS中的通用對象和服務，這使數據自我描述成為可能，轉變了以往面向點的數據描述方法，不僅提高了數據管理和維護的效率，而且也使變電站自動化系統成為開放系統，具有較強的兼容性和擴展性。

2.3 MMS技術的應用

MMS技術（微軟媒體服務器協議）是由國際標準化組織ISO工業自動化技術委員會TC184制定的一套用于開發和維護自動化系統的獨立標準報文規范，其通過設備及功能建模方法能夠實現在網絡環境下計算機應用程序或智能電子設備間的數據交互和信息交換，MMS技術應用如圖2所示。通過應用MMS技術能夠規范智能傳感器、智能電子設備IED以及智能控制設備的通信活動，從而使設備之間具有互操作性，進而提升系統管理的便捷性。同樣，對變電站低壓電源設備來說，MMS技術顯著地提高了低壓電源設備的自動化水平，不僅更加方便管理人員對低壓電源設備進行控制，而且還可以形成集信號上送、測量上送、定值、控制以及故障報告為一體的設備管理模式，有助于確保低壓電源設備穩定、安全地運行。

圖2 MMS技術應用系統

2.4 抽象語法符號

實現IEC61850標準的關鍵在于ACSI（抽象通信服務接口）到MMS的映射，而MMS協議規范使用的表示層標準為ISO8824，因此，ACSI到MMS映射的關鍵在于ASN.1編碼。其中，ASN.1是一套靈活的記號，它允許定義多種數據類型，既包括integer、bit string等簡單的數據，也包括set、sequence等復雜的數據。

2.5 GOOSE服務

GOOSE服務（面向通用對象的變電站事件）同樣是實現IEC61850標準服務的重要組成部分，該功能可以解決數據信息到顯示設備之間需要通過數據線進行連接的問題，去除數據線直接通過以太網將數據發送到內網中任意一臺具有顯示功能的智能設備上，具有相關權限的設備能夠修改其中的數據，真正實現了無線化和智能化的目標，其主要的通信數據包括跳閘、斷路器位置以及連鎖設備信息等對實時要求高的數據。

3 IEC61850標準的實現過程

3.1 功能建模

從邏輯角度來看，變電站設備自動化管理由多個功能模塊構成，不同的子功能模塊又稱為系統的邏輯節點，邏輯節點之間通過邏輯代碼相互連接，使用IEC61850標準能夠定義上百個邏輯節點并控制邏輯連接過程，使針對邏輯對象的保護、控制和測量呈現系統化和精確化的特性。同時，系統節點具有很高的擴展性，可以通過簡單的邏輯代碼與下方的其他節點或者新加的節點進行拓展。在該基礎上，建模使用的基礎數據包括設備的名牌信息、設備的狀態信息、設備故障情況、設備故障次數、設備熱啟動次數和系統自檢數據等。因此，采用邏輯節點和物理設備信息邏輯節點相結合的方式進行功能建模，前者對設備銘牌、運行時間以及自我診斷結果進行控制，后者對設備狀態、故障情況、熱啟動次數以及上電檢測情況進行控制。此外，當邏輯節點內的數據丟失時，邏輯節點往往無法正常讀取數據，只能跳出邏輯循環節點進入下一個節點進行判斷；因此，需要為經過降級處理和正常處理的節點添加相關標識，便于用戶完成相關的識別工作和相應的操作處理工作。

3.2 數據建模

邏輯節點只能處理簡單的ASCI碼轉換工作，有很多固定代碼段是被限制處理的，而在IEC61850標準的要求下，超過30種數據對象名已經得到定義。其中，根據數據對象的多態性，不同數據對象的屬性存在較大差異。例如數據對象Beh和Health均產生于公共數據類的“整型狀態信息類ISI”，但二者的定義卻存在較大的差異。因此，在圍繞變電站低壓電源設備進行數據建模時，應根據IEC61850標準對已經定義好的通信需求進行拆解，從而利用相關的數據并通過代碼段解釋、翻譯成基于面向對象的顯示數據，數據類型包括設備實施狀態、測量數據、可動變量、可變模量以及模擬數據修改量等，但是操作數據時需要注重相關的邏輯，修改新的數據就相當于生成新的邏輯節點，而相關的邏輯節點又繼承了原有的初始數據，最終給設備自動化系統賦予特定功能且能夠幫助用戶描述不同結構及型號設備所具有的公共信息，從而進一步提升設備通信系統的擴展性和兼容性。

3.3 通信服務映射

在變電站實現自動化運行的過程中，通常采用將數據上傳至服務器的方式，用戶根據自身需求調用服務器數據，對其進行修改后上傳至服務器，最后服務器通過判斷機制判斷修改是否合理并完成相關的記錄工作，再將其下傳給機器，從而實現相關的變更，進而實現通信服務映射，即由低壓電源等設備承擔服務器角色，根據端口102響應用戶要求，對設備進行精確化控制。與常規CDT和Polling模式不同，客戶/服務器模式以事件驅動方式為支撐，能夠在系統所定義事件（例如數據值改變、數據質量變化等）發生后經接口向主站報告數據集并寫入事件日志，以方便用戶隨時進行查看。同時，在一般情況下，IED設備可包括多個服務器對象，而每個服務對象均由多個邏輯設備組成，用戶通過ACSI服務便能夠對設備進行訪問。此外，除客戶/服務器模式外，組播/單播模式也可作為通信服務模式，其同樣采用與網絡獨立的抽象通信服務接口，能夠支持GOOSE服務和GSSE服務，在周期采集數據并傳輸的基礎上提供數據服務功能。

3.4 一致性測試

一致性測試的目的在于檢驗IED通信接口與標準要求的一致性，涉及訪問組織、幀格式、位順序、時間同步、定時、信號形式以及電平等因素。其中，在提交測試設備測試時，應就提交協議實現符合性陳述（PICS）、用于測試的協議實現額外信息（PIXIT）、模型實現符合性陳述（MICS）等信息，分別為被測設備能力的總結、被測系統的容量以及設備支持的標準數據對象模型元素。同時，還應對設備安裝及操作指令指南進行檢測，從而確保設備通信的科學性。此外，在測試過程中，一般包括動態一致性測試和靜態一致性測試，而在通常情況下，使用網絡分析儀監控測試過程中的錯誤，采集以太網絡上IEC61850的信息流量，從而對網絡事件、網絡安全和系統配置進行記錄，在幫助用戶剔除設備通信錯誤的同時確保設備通信系統穩定、有效地運行。

4 結語

綜上所述，在IEC61850標準要求下的變電站設備通信系統具有互操作性、自由配置性和長期應用性等特點，不僅能夠為不同設備提供信息交換渠道，同時也能根據用戶的個性化數據管理需求對通信數據進行集中化或分散化處理，有助于提升設備通信的穩定性和可靠性。在該基礎上，對變電站低壓電源設備來說，它是變電站自動化系統的主要組成部分，因此該文重點圍繞IEC61850標準下設備的建模方法和通信方法并對其進行分析且指出了一致性測試的技術要點，從而為IEC61850標準在變電站自動化系統建設中的應用提供參考。