基于IEC61850與IEC61970的智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)研制與應(yīng)用

鄭晉崗

(中山電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 中山 528403)

摘要：主要介紹了智能變電站和遠(yuǎn)方調(diào)控中心之間的智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的研制與應(yīng)用，通過智能變電站全景數(shù)據(jù)、IEC61850和IEC61970模型無縫轉(zhuǎn)換以及可視化的遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)自動建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能變電站與調(diào)控中心之間的無縫通信。

關(guān)鍵詞：智能變電站；IEC61850；IEC61970；無縫通信；自動建模；全景數(shù)據(jù)；智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)

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(hù)及自動遠(yuǎn)動技術(shù)。

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電力自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)對信息共享和應(yīng)用集成的需求越發(fā)迫切。為此，國際電工技術(shù)委員會(IEC)的第57技術(shù)委員會(IEC TC 57)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括用于調(diào)度控制中心的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)和用于變電站的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)(應(yīng)用范圍在更新擴(kuò)充中)，通過建立標(biāo)準(zhǔn)的、開放的電力系統(tǒng)信息模型，促進(jìn)各應(yīng)用間的互操作，降低生產(chǎn)和維護(hù)成本，提高系統(tǒng)可靠性。

目前智能變電站建設(shè)采用的是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，智能電網(wǎng)調(diào)度控制中心建設(shè)采用的是IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，變電站與調(diào)度控制中心之間的通信通常仍然采用傳統(tǒng)的IEC60870-5-101或IEC60870-5-104規(guī)約，這就需要遠(yuǎn)動工作站進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。更重要的是，由于傳統(tǒng)規(guī)約不支持面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ仨殞EC61850的對象轉(zhuǎn)換為若干個信息點(diǎn)，導(dǎo)致需要進(jìn)行極其復(fù)雜的轉(zhuǎn)發(fā)信息配置工作，極大地增加了組態(tài)和調(diào)試的工作量，而且容易出錯。此外，對于未經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換的信息，無法有效利用。

本文從智能調(diào)控中心對變電站的功能需求出發(fā)，立足于兩側(cè)已有的基礎(chǔ)，并充分考慮未來的發(fā)展方向，分析智能變電站與調(diào)控中心通信應(yīng)采用的模式和技術(shù)，給出統(tǒng)一建模、配置和交換信息的具體的實(shí)施方法，并介紹基于IEC61850的通信機(jī)制、智能變電站全景數(shù)據(jù)可視化自動建模等功能的智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的研制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息模型的源端維護(hù)、全網(wǎng)共享提供切實(shí)可行的解決方案。

1智能變電站與調(diào)控中心的總體架構(gòu)

1.1硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為主站和分站兩部分，如圖1所示。

圖1　智能變電站與調(diào)控中心通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)按需要將相關(guān)實(shí)時或非實(shí)時數(shù)據(jù)信息送往各級調(diào)度和控制中心，同時可接收電網(wǎng)調(diào)度或控制中心的控制調(diào)節(jié)命令并下發(fā)至間隔層、過程層執(zhí)行，具體功能如下：(1) 實(shí)現(xiàn)廠站端統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集功能，綜合采集廠站內(nèi)的測控、保護(hù)、故障錄波等IED數(shù)據(jù)。(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(wǎng)關(guān)機(jī)可與監(jiān)控后臺、一體化平臺之間進(jìn)行通信，接收監(jiān)控后臺、一體化平臺中高級功能處理結(jié)果數(shù)據(jù)，并上送調(diào)度端主站。(3) 智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)和廠站端監(jiān)控后臺、一體化平臺之間相互獨(dú)立，確保任一站內(nèi)平臺的故障不影響智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)運(yùn)行。(4) 支持廠站端統(tǒng)一的數(shù)據(jù)出口功能，實(shí)現(xiàn)廠站與主站間的數(shù)據(jù)和模型通信，可根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)的重要性和實(shí)時性要求，實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)的優(yōu)先級控制輸出。

1.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)同樣分為調(diào)度端主站和廠站端兩部分，如圖2所示。

其中，廠站端和調(diào)度端有3種數(shù)據(jù)接口：(1) 基于全景數(shù)據(jù)，分別調(diào)用RTDB(實(shí)時數(shù)據(jù)庫)提供的接口，實(shí)現(xiàn)通信(實(shí)時)數(shù)據(jù)交換。(2) 傳遞CIM/E變電站模型文件給模型合并及導(dǎo)入文件服務(wù)，該服務(wù)實(shí)現(xiàn)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(diào)度端主站實(shí)現(xiàn)CIM/G文件的導(dǎo)入。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1智能變電站站控層的全景數(shù)據(jù)建模

基于智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)集成的可視化工具進(jìn)行全景數(shù)據(jù)建模，利用一體化信息平臺實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)各系統(tǒng)的融合。

圖2　智能變電站與調(diào)度端主站通信建模軟件結(jié)構(gòu)

(1) 在變電站建立統(tǒng)一的站控層網(wǎng)絡(luò)，將間隔層的所有裝置信息統(tǒng)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(nèi)保護(hù)設(shè)備和故障錄波設(shè)備上送的保護(hù)事件、錄波等故障數(shù)據(jù)信息等。(2) 建立全景數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)各個領(lǐng)域不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整融合，以各專業(yè)應(yīng)用模型為擴(kuò)展的統(tǒng)一模型。(3) 電網(wǎng)全景信息是變電站自動化系統(tǒng)相關(guān)的所有信息，包括歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、電力設(shè)備一次模型、電力二次模型、一/二次設(shè)備模型的關(guān)聯(lián)等。數(shù)據(jù)聯(lián)合方式就是采用電網(wǎng)全景模型虛擬統(tǒng)一建模技術(shù)，將分散在各個子系統(tǒng)的信息有效組織起來，為變電站自動化系統(tǒng)運(yùn)行提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型服務(wù)。(4) 全景數(shù)據(jù)模型為不同應(yīng)用提供統(tǒng)一訪問接口，方便不同業(yè)務(wù)對不同數(shù)據(jù)的需求及再加工。

2.2IEC61850與IEC61970無縫通信

2.2.1　數(shù)據(jù)通信

在變電站內(nèi)，站控層采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)接入間隔層設(shè)備，變電站智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)與調(diào)控主站系統(tǒng)同樣采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

2.2.2　數(shù)據(jù)模型

變電站內(nèi)的模型采用IEC61850進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，調(diào)度端主站系統(tǒng)采用的是IEC61970建模規(guī)范，因此需要在變電站端實(shí)現(xiàn)IEC61850到IEC61970的模型轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以變電站為源的源端維護(hù)功能。

針對SAS的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和EMS的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)，雖然主要是面向各自系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)模型和接口標(biāo)準(zhǔn)，但二者還是有許多共同之處，例如它們都采用面向?qū)ο蟮姆椒ńy(tǒng)一建模，數(shù)據(jù)對象都是自我描述的，使用通用配置工具對數(shù)據(jù)對象在信息源處定義，采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換接口，這為IEC61970與IEC61850的無縫通信提供了良好的基礎(chǔ)。

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(cè)子系統(tǒng)和主站系統(tǒng)兩個部分。其中，變電站側(cè)子系統(tǒng)主要完成兩部分功能：(1) 變電站內(nèi)模型的建立：SCD文件的生成、SCD模型的導(dǎo)入、變電站內(nèi)CIM模型的生成、變電站內(nèi)SCD模型與CIM模型的關(guān)聯(lián)(變電站圖形的繪制)。(2) 變電站與調(diào)控主站系統(tǒng)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(diào)度端主站通信用的CID模型文件。在變電站端模型轉(zhuǎn)換是自動完成的，根據(jù)變電站內(nèi)已建立的模型，自動生成調(diào)控主站系統(tǒng)需要的交互模型，由主站根據(jù)模型進(jìn)行下一步工作。

調(diào)控主站系統(tǒng)根據(jù)變電站端提供的模型文件，實(shí)現(xiàn)圖庫的導(dǎo)入及通信模型的重載，便可實(shí)現(xiàn)與變電站端遠(yuǎn)動系統(tǒng)的通信及數(shù)據(jù)的入庫。包括可視化SCD完整模型配置(包含一次設(shè)備拓?fù)溥B接關(guān)系以及一次設(shè)備與二次設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系)和CIM模型轉(zhuǎn)換工具，這些都是國內(nèi)目前首次采用的技術(shù)。模型轉(zhuǎn)換起源是變電站完整配置的SCD模型文件，轉(zhuǎn)換生成的CIM是無縫連接的基礎(chǔ)，通信連接是實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋ＷC。

2.3變電站監(jiān)控、遠(yuǎn)動與故障信息子站一體化

基于變電站的全景建模，在統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)監(jiān)控、遠(yuǎn)動及故障信息子站的數(shù)據(jù)采集，對外融合兩大業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)變電站遠(yuǎn)動與故障信息子站的統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口，可通過61850、104、103等規(guī)約通信方式進(jìn)行出站通信，實(shí)現(xiàn)智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的功能集成，提高可靠性，簡化配置，取消保護(hù)專用網(wǎng)路，簡化設(shè)計(jì)，減少維護(hù)和降低成本。

圖3　變電站與調(diào)度控制中心通過網(wǎng)關(guān)通信示意圖

2.4源端維護(hù)

源端維護(hù)將簡化主站建模、繪圖，減少主站系統(tǒng)的建模時間，降低主站—廠站之間系統(tǒng)的維護(hù)難度，提高系統(tǒng)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(jìn)行站端圖形的實(shí)際繪制，通過源端維護(hù)工具為各類主站生成相應(yīng)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(shí)現(xiàn)了IEC61850模型到IEC61970模型的轉(zhuǎn)換。同時，廠站端的源端維護(hù)工具導(dǎo)出主子站通信使用的ICD模型文件，供智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)使用。

2.4.2　調(diào)度端

調(diào)度端主站通過文件服務(wù)獲取站端源端維護(hù)文件，主站系統(tǒng)不再進(jìn)行重復(fù)的繪圖、建模、建庫、對點(diǎn)工作，直接使用站端生成的相應(yīng)圖形及模型文件，通過調(diào)度端主站工具導(dǎo)入主站系統(tǒng)，可節(jié)省相關(guān)系統(tǒng)建模、作圖、對點(diǎn)工作量。

3智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1總體建模原則

(1) 廠站端按照DL/T860標(biāo)準(zhǔn)模型生成全站統(tǒng)一模型文件，包括站內(nèi)所有IED模型。(2) 智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)以網(wǎng)關(guān)模式與主站進(jìn)行通信。(3) 智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)作為一個單獨(dú)的IED，包含本物理設(shè)備所有信息的邏輯節(jié)點(diǎn)。

3.2服務(wù)實(shí)現(xiàn)

客戶端僅與站內(nèi)智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)建立通信連接，對站內(nèi)所有IED的通信服務(wù)均通過智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)。所涉及通信服務(wù)與DL/T860標(biāo)準(zhǔn)保持一致，具體需實(shí)現(xiàn)的服務(wù)有：關(guān)聯(lián)、目錄、數(shù)據(jù)讀取、報(bào)告、數(shù)據(jù)集、控制、定值、文件、日志、訂閱發(fā)布等。

3.3標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)第一版主要定義了變電站內(nèi)基于IEC61850的通信規(guī)范，而對于變電站與站外其他系統(tǒng)如調(diào)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(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式。代理/網(wǎng)關(guān)與站內(nèi)設(shè)備通信獲取IEC61850信息，并按照多種方式組織最后提供給調(diào)度控制中心。代理/網(wǎng)關(guān)既是客戶端(相對于站內(nèi)設(shè)備)，也是服務(wù)器端(相對于調(diào)度控制中心)。

已經(jīng)發(fā)布的IEC61850-80-1定義了基于IEC61850通信的變電站與調(diào)度控制中心之間通過IEC60870-5-101/104進(jìn)行信息交換的規(guī)范，其中也提到了以代理的方式與變電站外系統(tǒng)基于IEC61850通信。變電站與站外系統(tǒng)之間有多種通信方式，如101/104規(guī)約方式、WebServices及IEC61850客戶/服務(wù)器方式，后兩種通過IEC61850代理實(shí)現(xiàn)。

IEC61850-90-2主要定義變電站與調(diào)度控制中心之間基于IEC61850的通信規(guī)范，目前還在起草階段。現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)變電站與調(diào)度控制中心之間基于IEC61850通信，應(yīng)盡量與現(xiàn)有通信模式接近，避免對現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的較大改動，或與后續(xù)發(fā)布的IEC61850-90-2相差太大。因此，變電站端宜采用IEC61850網(wǎng)關(guān)模式，作為變電站與調(diào)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(nèi)及變電站與遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心之間采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信，變電站內(nèi)依據(jù)IEC61850建模，變電站與調(diào)度控制中心的模型交換采用IEC61970建模規(guī)范，IEC61970模型由站內(nèi)直接生成并傳給調(diào)度使用。因此，在變電站內(nèi)進(jìn)行IEC61850與IEC61970的無縫建模，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)源與變電站模型統(tǒng)一。

IEC61850與IEC61970無縫通信，開發(fā)可視化SCD完整模型配置(包含一次設(shè)備拓?fù)溥B接關(guān)系和一、二次設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系)和CIM模型轉(zhuǎn)換工具，均屬國內(nèi)首次采用的技術(shù)。模型轉(zhuǎn)換起源是變電站完整配置的SCD模型，轉(zhuǎn)換生成的CIM是模型無縫連接的基礎(chǔ)。

3.5變電站與遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心的自動優(yōu)化建模

變電站與遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心的模型轉(zhuǎn)換包括變電站電網(wǎng)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(diào)度控制中心命名標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，按照《變電站調(diào)控?cái)?shù)據(jù)交互規(guī)范(試行)》開發(fā)可視化配置工具，進(jìn)行可視化建模、圖形繪制和數(shù)據(jù)優(yōu)化整合，并將整合后的數(shù)據(jù)點(diǎn)加到CIM/E模型中，同時將變電站站控系統(tǒng)的圖形文件轉(zhuǎn)化為主站可識別的CIM/G文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動關(guān)聯(lián)建模，高效完成以變電站為基礎(chǔ)的源端維護(hù)。

3.6智能變電站與調(diào)度控制中心的統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口

智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)采用嵌入式技術(shù)，基于全景數(shù)據(jù)處理平臺，將站內(nèi)監(jiān)控全景數(shù)據(jù)建模并接入，對外融合遠(yuǎn)動和故障信息系統(tǒng)兩大業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)變電站遠(yuǎn)動與保護(hù)等類信息的全景數(shù)據(jù)管理，同時通過規(guī)約或服務(wù)接口形式與遠(yuǎn)方調(diào)控中心進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)廠站端通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的各業(yè)務(wù)功能集成和出口。

3.7以IEC61850網(wǎng)關(guān)模式實(shí)現(xiàn)智能變電站與調(diào)度控制中心間通信

將站內(nèi)全景數(shù)據(jù)以IEC61850網(wǎng)關(guān)模式(單IED多LD)建模并上送(網(wǎng)關(guān)機(jī)可同時兼容多IED的代理模式)，主站使能相關(guān)報(bào)告服務(wù)即可獲得所需數(shù)據(jù)信息。

4結(jié)語

在智能變電站與省級智能電網(wǎng)調(diào)度控制中心之間實(shí)現(xiàn)了基于IEC61850/MMS協(xié)議的遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)通信；并采用全景數(shù)據(jù)可視化建模及圖形繪制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主子站通信所需全景CID模型的自動建模；同時采用基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的SCD到CIM/E的映射技術(shù)、模型邊界自動辨識技術(shù)和圖形關(guān)鍵信息自轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能變電站與調(diào)度控制中心模型、圖形的一體化建模和信息共享，為調(diào)度端主站和廠站端調(diào)控一體化信息源端維護(hù)提供了參考思路。同時，隨著IEC61970標(biāo)準(zhǔn)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)服務(wù)總線技術(shù)的逐步完善，該研究成果可廣泛推廣至各級調(diào)度控制中心及智能化變電站，具有良好的應(yīng)用前景。

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