姚 曄，許曉峰，張武洋

基于IEC61850的遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信方法的研究

姚 曄1，許曉峰1，張武洋2

（1.沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

在綜合分析傳統(tǒng)遠動通信系統(tǒng)存在問題的基礎(chǔ)上，提出了基于IEC61850的遠動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對其技術(shù)優(yōu)點進行了總結(jié)。同時針對遠動網(wǎng)關(guān)機的特點，提出了基于IEC61850的遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信的3種技術(shù)方法，分別是數(shù)據(jù)透轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)映射和模型映射，并分析得出一種最值得廣泛應(yīng)用的技術(shù)方法。

IEC61850；遠動網(wǎng)關(guān)機；遠動通信

電力系統(tǒng)遠動指的是為電力系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)的遠距離監(jiān)測控制技術(shù)。由于電能生產(chǎn)的特點，電力系統(tǒng)分布在很廣的區(qū)域，負荷中心和能源中心一般距離很遠，其中發(fā)電廠、變電站、電力調(diào)度中心和用戶之間的距離可達到幾十公里、幾百公里甚至數(shù)千公里。因此，面對要管理和監(jiān)控分布廣泛的眾多廠站、設(shè)備包括元器件的運行工況，通常的電聯(lián)系或機械聯(lián)系已經(jīng)不能滿足有效傳遞控制信息或反饋數(shù)據(jù)的要求，必須采取另一種技術(shù)手段，這就是遠動技術(shù)。目前，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展進步，對信息共享和應(yīng)用集成在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的需求越來越迫切，傳統(tǒng)的遠動技術(shù)也已經(jīng)不能滿足高可靠性、高實時性和大數(shù)據(jù)容量信息傳輸?shù)囊螅?］。

目前變電站內(nèi)、變電站與調(diào)度中心之間，以及調(diào)度中心各應(yīng)用之間存在協(xié)議無法完全兼容的問題，為了克服必須經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換才能互相連接起來的弊病，可以采用統(tǒng)一的通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)，制定統(tǒng)一的傳輸通信協(xié)議，使得從變電站的過程層至調(diào)度中心之間不同層次、不同類型的應(yīng)用。其中，變電站內(nèi)、變電站與調(diào)度中心之間采用的是lEC61850系列標準［2］。

本文在分析和總結(jié)傳統(tǒng)遠動通信系統(tǒng)和基于IEC61850標準的遠動通信系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，重點介紹了基于IEC61850的遠動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，開展了基于IEC61850標準的遠動通信網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站的通信技術(shù)研究，列舉了基于IEC61850標準的遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信的3種可行性方案，通過對3種不同方案的性能、指標和可行性對比，得出一種適用于智能電網(wǎng)遠動通信的最佳方案，從而實現(xiàn)智能電網(wǎng)調(diào)度端掌握的設(shè)備運行信息全面化，事故異常處理命令下達更快捷。

1 遠動通信網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 遠動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及存在問題

實現(xiàn)遠動信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)年P(guān)鍵是支持網(wǎng)絡(luò)的電力遠動通信協(xié)議。隨著電力工業(yè)信息化進程的推進，原來的微波、載波線路和電力遠動通信信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸必然會被以國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)SPD Net為代表的ATM、SDH電力數(shù)據(jù)通信專網(wǎng)逐步取代。網(wǎng)絡(luò)化的遠動信息傳輸必將極大地提高數(shù)據(jù)傳輸效率，達到遠動信息的實時性和可靠性的要求［3］。

通過調(diào)研及對相關(guān)文獻的研究分析，可以發(fā)現(xiàn)目前變電站自動化系統(tǒng)遠動通信普遍存在以下的問題。

a.國內(nèi)很多系統(tǒng)使用的CDT規(guī)約是適用于采用點對點的遠動通道結(jié)構(gòu)、以循環(huán)字節(jié)同步方式傳送的遠動設(shè)備與系統(tǒng)。隨著變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆N類、數(shù)量和傳輸目的不斷增長，CDT傳輸規(guī)約已無法滿足無人值守變電站大信息量傳輸?shù)男枰?，特別是在事故狀態(tài)下大量報文的上傳還會產(chǎn)生擁堵的現(xiàn)象。

b.POLLING是一種主從遠動規(guī)約，采用異步通信方式，是傳統(tǒng)的串行工作方式，由調(diào)度端不斷地發(fā)出召喚代碼發(fā)動通信，變電站只有在響應(yīng)后才上送本站信息，這種采用點到點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐方粨Q方式，無法實現(xiàn)遠動信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

c.IEC103是一個相當成熟、實用性強的規(guī)約，但目前在實現(xiàn)無人值班遠方集控時存在一些變電站自動化系統(tǒng)采用的是CDT規(guī)約，與按IEC103規(guī)約傳輸?shù)谋Ｗo信息不相互兼容，導(dǎo)致調(diào)度中心信息量遠遠超出了規(guī)約定義的范圍，只能壓縮傳輸信息量，致使遠方調(diào)度中心接收到的信息不全面，更導(dǎo)致定值調(diào)取、故障錄波和修改等功能得不到開發(fā)。

因此，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)建設(shè)的步伐，急需一種高可靠性、高帶寬、標準統(tǒng)一的新的通信協(xié)議來滿足智能電網(wǎng)遠動通信的需求。IEC61850標準具備了智能電網(wǎng)遠動通信的所有要求，可以實現(xiàn)對象建模的標準化、數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一化，將站內(nèi)、站外用IEC61850標準無縫連接，進一步提升智能電網(wǎng)設(shè)備間的互操作性。

1.2 基于IEC61850的遠動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于IEC61850標準的變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層，依次為過程層、間隔層和變電站層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議（TCP／IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的IED均采用統(tǒng)一的IEC61850協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。

遠動網(wǎng)關(guān)機按照功能位于變電站層。遠動網(wǎng)關(guān)機既要通過變電站層網(wǎng)絡(luò)，采集各種遙測、遙信、SOE等數(shù)據(jù)，負責與間隔層的各個IED通信，也要通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，負責與調(diào)度主站通信，向主站上送遠動數(shù)據(jù)。遠動網(wǎng)關(guān)機和調(diào)度主站之間網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850標準通信可實現(xiàn)無縫集成，并將抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范（MMS）?；贗EC61850電力遠動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。遠動網(wǎng)關(guān)機在遠動通信體系中起到數(shù)據(jù)通信承下啟上的關(guān)鍵作用。遠動網(wǎng)關(guān)機是變電站內(nèi)IED裝置的通信代理，避免了IED裝置直接接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，同時也避免了調(diào)度主站直接與每個IED裝置通信，提高了系統(tǒng)安全性。變電站內(nèi)部以及變電站與調(diào)度主站之間都采用IEC61850作為唯一的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，省去了變電站到調(diào)度主站之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了變電站到調(diào)度主站的無縫集成［4］。

圖1 基于IEC61850的遠動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信的方法

2.1 遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信技術(shù)概述

IEC61850通信網(wǎng)關(guān)機既是IEC61850的客戶端，與變電站的各個IED通信，又是IEC61850的服務(wù)端，與調(diào)度主站通信，同時IEC61850比傳統(tǒng)遠動協(xié)議通信數(shù)據(jù)流量大，這就要求IEC61850網(wǎng)關(guān)機具有較快的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力。而目前電力遠動系統(tǒng)涉及的功能，除了保護動作信息，還包括測量、遙信、遙控等其他信息，其傳輸是在變電站與控制中心之間，與變電站內(nèi)的系統(tǒng)有很大差異［5］。因此，必須結(jié)合電力遠動系統(tǒng)的功能與需要，研究基于IEC61850的電力遠動系統(tǒng)通信方法?，F(xiàn)有的研究還很少。本文針對基于IEC61850電力遠動通信的需要，提出了遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站的3種通信方法來解決傳統(tǒng)遠動通信方法所存在的問題。

2.2 數(shù)據(jù)透轉(zhuǎn)

數(shù)據(jù)透轉(zhuǎn)就是利用遠動IED作為網(wǎng)關(guān)，起代理作用與主站進行通信，從功能實現(xiàn)角度，所有信息透明傳輸，主站可以通過遠動模塊訪問所有IED數(shù)據(jù)。如圖2所示，即主站通過遠動模塊透明訪問到站內(nèi)所有IEC61850裝置，從而獲取所有IED數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)透轉(zhuǎn)示意圖

這種方法的優(yōu)點：①標準且穩(wěn)定，與其他通信方法相比沒有干擾數(shù)據(jù)、準確度高、穩(wěn)定性強。②成本低便于管理。③易于推廣。對于變電站信息采集要求的資源不是太多。缺點是處理器的異步數(shù)據(jù)接口波特率需要預(yù)先設(shè)定，不能實現(xiàn)自適應(yīng)。

2.3 數(shù)據(jù)映射

數(shù)據(jù)映射是給定2個數(shù)據(jù)模型，在模型之間建立起數(shù)據(jù)元素對應(yīng)關(guān)系的過程。如圖3所示，遠動IED作為網(wǎng)關(guān)，起代理作用與主站進行通信，從功能實現(xiàn)角度，所有信息透明傳輸，主站可以通過遠動模塊訪問所有IED數(shù)據(jù)。遠動作為站內(nèi)客戶端、主站服務(wù)端采用相同SCD文件，服務(wù)端通過客戶端數(shù)據(jù)的映射來獲取全站所有IED數(shù)據(jù)。即遠動將所有61850裝置的數(shù)據(jù)獲取，主站通過訪問遠動模塊獲取所有IED數(shù)據(jù)。

2.3.1 建模原則

圖3 數(shù)據(jù)映射示意圖

a.物理建模原則：對外為多個個物理設(shè)備（物理設(shè)備個數(shù)＝站內(nèi)裝置個數(shù)＋1），應(yīng)建立1個遠動網(wǎng)關(guān)機自檢信息IED。該對象是1個容器，包含服務(wù)器對象，服務(wù)器對象中至少包含1個LD對象，每個LD對象中至少包含3個LN對象：LLNO、LPHD、其他邏輯節(jié)點。

b.服務(wù)器（Server）建模原則：服務(wù)器描述了1個設(shè)備外部可見（可訪問）的行為，本模式下，每個IED對外只建立1個服務(wù)器。服務(wù)器只包含1個訪問點。支持遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站的通信。

c.邏輯設(shè)備（LD）建模原則：遠動網(wǎng)關(guān)機自檢信息單獨建立1個邏輯設(shè)備，其邏輯設(shè)備命名為SUBPUB。

站內(nèi)裝置邏輯設(shè)備建模原則：宜與站內(nèi)裝置ICD文件LD模型保持一致，不需要更改邏輯設(shè)備模型。

d.邏輯節(jié)點（LN）建模原則：需要通信的每個最小功能單元建模為1個LN對象，屬于同一功能對象的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性應(yīng)放在同1個LN對象中。LN類的數(shù)據(jù)對象擴充應(yīng)遵循DL／T860系列標準工程技術(shù)實施規(guī)范。遠動網(wǎng)關(guān)機自檢信息應(yīng)建立至少2個邏輯節(jié)點對象，分別用于建立遠動網(wǎng)關(guān)機自身的遙信信息及遠動網(wǎng)關(guān)機自身的遙測信息模型。自檢信息模型應(yīng)選用通用LN模型（GGIO），或遵循DL／T860系列標準工程技術(shù)實施規(guī)范的原則進行擴充。

e.站內(nèi)裝置的模型實施原則：宜采用站內(nèi)邏輯設(shè)備直接映射原則，不改變其邏輯設(shè)備以下的模型，以確保模型的一致性，以及模型的自動映射。2.3.2 實現(xiàn)過程

a.系統(tǒng)配置工具導(dǎo)入站內(nèi)裝置的ICD文件，配置裝置通信地址等相關(guān)參數(shù)，從而生成全站共用的作為數(shù)據(jù)源的SCD文件。

b.系統(tǒng)配置工具導(dǎo)出每個裝置用到的CID文件，并通過FTP或其他相關(guān)傳輸方式下裝到裝置中。

c.交互流程：調(diào)度主站下發(fā)指令給代理模塊，網(wǎng)關(guān)模塊根據(jù)reference名稱下發(fā)給相應(yīng)的站內(nèi)設(shè)備。站內(nèi)設(shè)備發(fā)出的報告、返回報文，代理模塊根據(jù)reference轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度主站。這種方法有利于開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)追蹤審查。

2.4 模型映射

模型映射就是將原有SCD模型中的各個IED映射到代理模型上變成1個統(tǒng)一的代理IED，而原有IED內(nèi)部的LD全部映射到代理IED內(nèi)部的特殊LD，這些LD通過特殊的LN來表示其原有IED歸屬，而LD0則是包含了與代理IED相關(guān)的一些信息，為代理IED特有的LD信息。由于客戶端和服務(wù)端采用SCD模型不同，所以要通過模型映射實現(xiàn)全站數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 模型映射示意圖

2.4.1 建模原則

a.物理建模原則：對外為1個物理設(shè)備，應(yīng)只建立1個IED對象。該對象是一個容器，包含server對象，server對象中至少包含1個LD對象，每個LD對象中至少包含3個LN對象：LLNO、LPHD、其他邏輯節(jié)點。

b.服務(wù)器建模原則：服務(wù)器描述了1個設(shè)備外部可見（可訪問）的行為，本模式下，對外只建立1個服務(wù)器。服務(wù)器只包含1個訪問點，支持遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站的通信。

c.邏輯設(shè)備建模原則：遠動網(wǎng)關(guān)機自檢信息單獨建立1個邏輯設(shè)備，其邏輯設(shè)備命名為SUB?PUB。站內(nèi)裝置邏輯設(shè)備建模原則：去掉IED層次，將該IED下所有LD提取，直接映射到代理IED下，其邏輯設(shè)備名稱映射規(guī)則：邏輯設(shè)備名稱＝IED名稱＋LD名稱。

d.邏輯節(jié)點建模原則：需要通信的每個最小功能單元建模為1個LN對象，屬于同一功能對象的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性應(yīng)放在同1個LN對象中。LN類的數(shù)據(jù)對象擴充應(yīng)遵循DL／T860系列標準工程技術(shù)實施規(guī)范。遠動網(wǎng)關(guān)機自檢信息應(yīng)建立至少2個邏輯節(jié)點對象，1個用于建立遠動網(wǎng)關(guān)機自身的遙信信息，另1個用于建立遠動網(wǎng)關(guān)機自身的遙測信息模型。遠動網(wǎng)關(guān)機自檢信息模型應(yīng)選用通用LN模型（GGIO），或遵循DL／T860系列標準工程技術(shù)實施規(guī)范的原則進行擴充。

e.站內(nèi)裝置的模型實施原則：宜采用站內(nèi)邏輯設(shè)備直接映射原則，不改變其邏輯設(shè)備以下的模型，以確保模型的一致性，以及模型的自動映射。

2.4.2 實現(xiàn)過程

a.系統(tǒng)配置工具導(dǎo)入站內(nèi)裝置的ICD文件，配置裝置通信地址等相關(guān)參數(shù)，從而生成全站共用的作為數(shù)據(jù)源的SCD文件。

b.系統(tǒng)配置工具導(dǎo)出每個裝置用到的CID文件，并通過FTP或其他相關(guān)傳輸方式下裝到裝置中。

c.交互流程：調(diào)度主站下發(fā)指令給代理模塊，代理模塊根據(jù)邏輯設(shè)備中IED的名稱，更改reference名稱后下發(fā)給相應(yīng)的站內(nèi)設(shè)備。站內(nèi)設(shè)備發(fā)出的報告、返回報文，代理模塊根據(jù)IED、LD名稱，更改reference后轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度主站。

2.5 方法比較

IEC61850標準總結(jié)了智能變電站內(nèi)信息傳輸所必需的通信服務(wù)，設(shè)計了獨立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口。在IEC61850中，建立了標準兼容服務(wù)器所必須提供的通信服務(wù)的模型，包括服務(wù)器模型、邏輯節(jié)點模型、邏輯設(shè)備模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型?？蛻敉ㄟ^服務(wù)接口，由特定通信服務(wù)映射，映射到所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范等。上述提出的前兩種方法都是起代理的作用與主站進行通信，第三種方法可從源模型到目標模型之間可通過一對一、一對多、多對一、多對多等多種不同映射類型來訪問所有IED數(shù)據(jù)且還原數(shù)據(jù)實現(xiàn)全站數(shù)據(jù)傳輸。鑒于調(diào)度中心與變電站的數(shù)據(jù)模型存在較大差異，在互通上需要進行轉(zhuǎn)換，模型映射是可以解決實際應(yīng)用問題的通信。

3 結(jié)束語

隨著IEC61850標準的應(yīng)用逐漸成熟，變電站內(nèi)部已經(jīng)具備了完整的數(shù)據(jù)模型，信息的傳輸能力也有了很大的提高，本文將IEC61850標準引入到遠動通信系統(tǒng)中，提出了3種遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信的方法，通過比較發(fā)現(xiàn)，模型映射的方法解決了調(diào)度中心與變電站之間數(shù)據(jù)貫通進行實時數(shù)據(jù)傳輸這一基礎(chǔ)性問題，所以模型映射將成為遠動網(wǎng)關(guān)機與調(diào)度主站通信的主要方式，對促進電網(wǎng)自動化的發(fā)展、保證電網(wǎng)安全運行具有重要意義。但是這一方法還沒有實際操作運用，因此仍然存在很多問題需要進一步發(fā)現(xiàn)和研究。

［1］ 竇仁暉.IEC61850與IEC61970無縫通信技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.南京：東南大學(xué)，2012.

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Research on Communication Method of Remote Control Gateway and Control Center Based on IEC61850

YAO Ye1，XU Xiao?feng1，ZHANGWu?yang2
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper proposes the structure of remote communication system with IEC61850 based on the problemswhich exist in tra?ditional remote communication system，its technological advantages are summarized.According to the characteristics of remote control gateway，the three communicationmethods of remote control gateway and control center are proposed.The threemethods are data trans?fer，datamapping andmodelmapping，respectively.This paper concludes that it's advisable to apply this threemethods through analy?zing research ata.

IEC61850；Remote control gateway；Remote communication

TM764.2

A

1004-7913（2015）07-0024-05

姚 曄（1990—）女，碩士，主要從事智能電網(wǎng)等方面的研究。

2015-04-05）