徐 迅，梅 軍，錢 超，鄭建勇，王 勇，稽文路，張 明

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南京供電公司，江蘇 南京 210019)

基于IEC 60870-5-104規(guī)約擴(kuò)展的配電終端自描述功能實(shí)現(xiàn)方法研究

徐 迅1，梅 軍1，錢 超1，鄭建勇1，王 勇2，稽文路2，張 明2

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南京供電公司，江蘇 南京 210019)

將IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用到配電終端的建模中，使原本缺乏描述的數(shù)據(jù)具備描述信息。為了解決IEC 60870-5-104協(xié)議不能傳輸終端描述信息的問題，分析了幾種模型文件映射方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了利用104擴(kuò)展協(xié)議傳輸描述信息的實(shí)現(xiàn)方法。參考IEC 60870-5-104規(guī)約的報文格式，設(shè)計用于傳輸裝置自描述信息的報文，實(shí)現(xiàn)配電終端的自描述功能，并提出基于擴(kuò)展104協(xié)議的終端描述信息更新機(jī)制。最終通過國電南瑞配電自動化系統(tǒng)試驗(yàn)論證了該方案的可行性。

IEC 61850；IEC 60870-5-104；配電終端；信息模型；協(xié)議擴(kuò)展；自描述

0 引言

隨著配網(wǎng)自動化程度不斷提高，配電終端與配電主站的信息交互變得越來越頻繁?，F(xiàn)有的通信方式中多采用IEC 60870-5-101/104協(xié)議，其中101規(guī)約采用串行通信方式，104規(guī)約采用以太網(wǎng)TCP/IP通信方式，這兩種協(xié)議主要針對已知設(shè)備進(jìn)行連接，并且只能發(fā)送狀態(tài)、采樣、控制等數(shù)據(jù)信息，對于信息的描述沒有涉及。

為了實(shí)現(xiàn)配電終端的自描述功能，文獻(xiàn)[1]提出通過發(fā)現(xiàn)/注冊機(jī)制完成配電主站與配電終端的配置。這種方法需要配電主站定時發(fā)送召喚信號。文獻(xiàn)[2]提出可以使用IEC 61850-7-2標(biāo)準(zhǔn)中的GetDirectory、GetDataDirectory等服務(wù)來獲得IED設(shè)備的自描述信息，這種配置方式通過IEC 61850的通信服務(wù)返回值獲得配置信息，獲取信息比較方便，但是文中并沒有給出相關(guān)服務(wù)的映射方法。文獻(xiàn)[3-4]提出配電終端SCL數(shù)據(jù)模型和配電主站CIM數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換方式，通過研究兩種模型之間的數(shù)據(jù)映射，將配電終端的模型信息轉(zhuǎn)入到中間模型中，再通過文檔傳送方式寫入配電主站數(shù)據(jù)庫中。這種方式需要配電主站側(cè)對文檔進(jìn)行解析，工作量比較大。

配電終端自描述功能主要包括終端模型的建立以及模型的傳輸這兩方面的內(nèi)容。本文提出一種新型配電終端自描述功能的實(shí)現(xiàn)方法。通過借鑒IEC 61850面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷胪瓿膳潆娊K端的建模，在模型中增加了遠(yuǎn)程維護(hù)和在線監(jiān)測這兩個邏輯設(shè)備。參考IEC 60870-5-104規(guī)約的報文格式，設(shè)計用于傳輸裝置描述信息的報文，這種基于104規(guī)約擴(kuò)展的方案解決了以往裝置描述信息無法傳輸?shù)膯栴}，從而實(shí)現(xiàn)配電終端的自描述功能。

1 配電終端的模型建立

1.1 配電終端的功能分析

配電終端是用于配電網(wǎng)的各種遠(yuǎn)方監(jiān)測、控制單元的總稱。目前，常見的配電終端大致分為三個類型：饋線終端(FTU)，配變終端(TTU)以及站所終端(DTU)。其中以饋線終端FTU最為常見[5-6]。下面以FTU為例介紹配電終端的功能。

如圖1所示，F(xiàn)TU是集測量、保護(hù)、監(jiān)控為一體的遠(yuǎn)程自動監(jiān)控裝置。FTU的基本功能包括遙測、遙信、遙控，故障檢測與處理，故障錄波，電能質(zhì)量檢測等。其中遙測、遙信、遙控即監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)功能。

圖1 FTU典型應(yīng)用場合Fig. 1 Typical applications of FTU

此外，配電終端還具備遠(yuǎn)程維護(hù)和實(shí)時監(jiān)測功能。配電終端的遠(yuǎn)程維護(hù)功能是在遠(yuǎn)方對配電終端運(yùn)行及控制參數(shù)進(jìn)行修改及調(diào)整，該功能主要實(shí)現(xiàn)對保護(hù)定值等與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的修改及裝置的相關(guān)維護(hù)工作，以便減輕運(yùn)行人員的設(shè)備維護(hù)工作量。配電終端的實(shí)時監(jiān)測功能主要是對配電終端主要功能模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，如配電終端采樣模塊、控制模塊及電源模塊等主要元部件的工作狀態(tài)，當(dāng)配電終端設(shè)備相關(guān)功能模塊運(yùn)行出現(xiàn)異常時，配電終端應(yīng)能夠?qū)ο嚓P(guān)異常進(jìn)行自檢并評估故障的嚴(yán)重程度，并及時將相關(guān)告警信號上送至主站，以便運(yùn)行維護(hù)人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并對故障進(jìn)行處理，從而保障系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1.2 配電終端的信息模型

針對國電南瑞的PDZ800配電自動化終端，借鑒IEC 61850的建模思想，建立了信息模型，如圖2所示。

圖2 FTU信息模型Fig. 2 Information model of FTU

根據(jù)對FTU功能的分類，將服務(wù)器(Server)劃分為4個邏輯設(shè)備，分別為LD1(SCADA)，LD2(保護(hù))，LD3(遠(yuǎn)程維護(hù))，LD4(實(shí)時監(jiān)測)。很多論文都研究過LD1(SCADA)和LD2(保護(hù))這兩個邏輯設(shè)備的建模，而對于LD3(遠(yuǎn)程維護(hù))和LD4(實(shí)時監(jiān)測)這兩個邏輯設(shè)備建模的研究比較少[7-8]。如圖2所示，LLN0和LPHD是每個邏輯設(shè)備不可缺少的兩個邏輯節(jié)點(diǎn)，其中LLN0包含邏輯設(shè)備里的公共信息，LPHD含有與物理裝置本身相關(guān)的信息。LD3中的PIOC、PTOC是為了實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)帶時限過流和反時限過流的定值下發(fā)。ZBAT是遠(yuǎn)方對配電終端的電池就地維護(hù)。LD4中的SIMG和SIML是絕緣介質(zhì)監(jiān)視，分別用來監(jiān)視氣體絕緣介質(zhì)和液體絕緣介質(zhì)。PTTR是過熱邏輯節(jié)點(diǎn)，此邏輯節(jié)點(diǎn)適用于所有的過熱功能。MSQI監(jiān)測不平衡電壓、電流，用來判斷PT、CT是否斷線。同時，新建終端狀態(tài)監(jiān)測通用邏輯節(jié)點(diǎn)GMIO，對無法對應(yīng)到IEC 61850-7-4中邏輯節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測量進(jìn)行統(tǒng)一建模。

2 通信協(xié)議的選擇

2.1 配電自動化系統(tǒng)常用的通信協(xié)議

由配電終端的工作方式可知，配電終端的信息交換主要分為以下三類：配電終端與電壓、電流互感器之間的通信；配電終端與配電終端之間的通信以及配電終端與配電主站之間的通信。IEC 61850對于前兩種信息交換方式給出了明確具體的規(guī)定，其中電壓、電流互感器與配電終端的通信采用采樣值傳輸服務(wù)，配電終端與配電終端之間采用GOOSE報文[9-10]。而對于第三類通信，即配電終端與配電主站之間的通信，目前尚未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的規(guī)定。為了實(shí)現(xiàn)配電終端的自描述功能，終端與主站的通信內(nèi)容不僅要包含實(shí)時數(shù)據(jù)，還應(yīng)該包括模型的描述信息。目前廣泛應(yīng)用的104規(guī)約僅能完成數(shù)據(jù)的傳輸，故模型描述信息的傳輸是實(shí)現(xiàn)配電終端自描述功能的關(guān)鍵。

圖3給出了5種配電主站與配電終端信息交換的方式。

圖3 主站與終端間的通信方式Fig. 3 Communications between the master station and the terminal

1) 傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，基于點(diǎn)表傳輸數(shù)據(jù)的IEC 60870-5-101/104協(xié)議是實(shí)現(xiàn)配電主站與配電終端通信的主要方式，如圖中FTU1 所示。這種方式只是完成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，在數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸?shù)倪^程中，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系容易丟失且在安裝調(diào)試配電自動化系統(tǒng)時，需要在主站和終端間以人工的方式核對點(diǎn)表，工作量巨大且易發(fā)生錯誤。

在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)引入配電自動化系統(tǒng)后，借鑒IEC 61850的建模思想對配電終端進(jìn)行功能建模成為一種趨勢，這使得原先缺乏關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)具有了自描述的功能。然而IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定具體的通信協(xié)議，選擇哪種通信協(xié)議以及如何將模型映射到通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)配電終端自描述功能的關(guān)鍵。圖中所示FTU3、FTU4和FTU5是將信息模型映射到三種不同的通信協(xié)議。

2) FTU2將信息模型映射到MMS協(xié)議。MMS協(xié)議具有完整的信息模型，可以通過將IEC 61850的信息模型映射到MMS的信息模型里面實(shí)現(xiàn)配電終端與配電主站的通信。但是由于MMS信息模型的層次與IEC 61850信息模型的層次有所不同，例如IEC 61850里的邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)、控制等都要映射到MMS里的有名變量。這會造成調(diào)用邏輯節(jié)點(diǎn)信息的服務(wù)響應(yīng)中包含大量冗余信息。又由于配電終端數(shù)量多，故這種方式不適用于配電系統(tǒng)。

3) FTU3將信息模型映射到IEC 60870-5-104協(xié)議，這種方式可以實(shí)現(xiàn)配電終端與配電主站實(shí)時信息的傳輸，但是還不能支持用于獲取終端信息模型的GetServerDirectory以及GetLogicalDirectory等服務(wù)。

4) FTU4將信息模型映射到Web services，Webservices技術(shù)是服務(wù)器程序通過Internet發(fā)布應(yīng)用服務(wù)并能夠被客戶端程序遠(yuǎn)程調(diào)用的一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。Web services不適合用于實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸[11-12]，配電自動化系統(tǒng)通常會使用IEC 60870-5-104+Web services的方法實(shí)現(xiàn)配電主站與配電終端的通訊。但是配電自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩匀找娉蔀殡娋W(wǎng)公司關(guān)注的焦點(diǎn)，因此，Web services作為公有協(xié)議并不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

5) 如圖中FTU5所示，借鑒IEC 60870-5-103協(xié)議中的類型標(biāo)識來擴(kuò)展IEC 60870-5-104協(xié)議，使之不僅能夠傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)，還能通過召喚終端描述、應(yīng)答等報文獲取配電終端的信息模型，從而實(shí)現(xiàn)配電終端的自描述功能[13-14]。

2.2 IEC 61850模型映射到IEC 60870-5-104

國際電工委員會制定了IEC 61850-80-1，規(guī)范了IEC 61850模型向IEC 60870-5-104映射的方法。主站通過配置實(shí)現(xiàn)與終端信息模型的數(shù)據(jù)交換，配置方式有多種，常用的是以變電站配置描述語言形成的SCL(Substation Configuration Language)文件。映射的框架圖如圖4所示。

圖4 映射框架圖Fig. 4 Frame diagram of the mapping

其中，邏輯設(shè)備序號映射到公共地址CASDU(Common Address of ASDU)。邏輯節(jié)點(diǎn)序號和數(shù)據(jù)屬性映射到信息對象地址IOA(Information Object Address)。

如表1所示，“有功值”的地址是1，“無功值”的地址是2，“A相電流幅值”是3，即相同類型的數(shù)據(jù)的地址是連續(xù)的。

由于傳送的數(shù)據(jù)有各種類型，IEC 60870-5-104定義了類型標(biāo)識(TI)對不同的數(shù)據(jù)類型加以區(qū)別。例如類型標(biāo)識30(帶CP56Time2a時標(biāo)的單點(diǎn)信息)用來表示電池數(shù)據(jù)，類型標(biāo)識31(帶CP56Time2a時標(biāo)的雙點(diǎn)信息)用來表示開關(guān)位置數(shù)據(jù)，類型標(biāo)識39(帶CP56Time2a時標(biāo)的繼電保護(hù)啟動事件)用來表示保護(hù)類數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)地址Table 1 Data address

2.3 IEC 60870-5-104的擴(kuò)展

目前，在工程實(shí)際中配電終端通常使用FTP上送模型文件，配電主站通過解析配電終端的SCL文件，將配電終端信息模型內(nèi)的數(shù)據(jù)映射到 IEC 60870-5-104中的地址信息中，完成配電主站與配電終端的配置工作。這種方式實(shí)施起來簡單方便，但是模型文件的傳輸可能引起網(wǎng)絡(luò)的延時，影響實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸。

另外一種配置方式是借鑒IEC 60870-5-103協(xié)議中的類型標(biāo)識，并參考104規(guī)約的報文格式，設(shè)計用于傳輸裝置描述信息的報文[15-17]。在104規(guī)約中擴(kuò)展一種應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)單元ASDU，采用八位位組串作為數(shù)據(jù)類型，傳送對應(yīng)信息體的描述。終端裝置在與主站連接后，將裝置的描述信息按照信息對象地址排列，等待主站召喚命令。

遵循104規(guī)約對報文格式的基本定義，擴(kuò)展兩種報文格式如表2和表3所示。

擴(kuò)展報文的類型標(biāo)識為A0H，其余的報文格式與104規(guī)約中要求相同。

擴(kuò)展報文的類型標(biāo)識為A0H，每個信息體的數(shù)據(jù)類型是八位位組串，由終端控制每幀報文上送的信息對象的個數(shù)。

主站獲取終端描述時使用的傳送原因?yàn)榭傉賳荆?dāng)主站系統(tǒng)重新啟時或者當(dāng)主站判斷出終端裝置為重新上電時，發(fā)送召喚終端描述的報文，終端裝置收到召喚報文后將按照信息對象地址排列好的裝置描述信息依次送至主站，完畢后發(fā)送響應(yīng)結(jié)束報文。

表2 主站召喚終端描述的報文格式Table 2 Message format for the master calling terminal description

表3 終端應(yīng)答的報文格式Table 3 Message format for terminal response

2.4 基于擴(kuò)展104協(xié)議的終端描述信息更新機(jī)制

新上電的配電終端向配電主站發(fā)送Register信息進(jìn)行注冊請求，此信息中包含配電終端的版本配置、名字、IP地址等信息。配電主站收到Register信息后發(fā)送一次Discover信息給相應(yīng)的終端來召喚終端的描述，此信息中包括配電主站的名稱、IP地址等信息。配電終端收到Discover信息后將描述上送主站，此后配電主站將新注冊的配電終端上傳的信息與主站已有的終端信息庫進(jìn)行比較。

處理結(jié)果分為三種情況，如圖5所示。

1) 配電主站的終端信息庫中沒有新注冊的配電終端，則配電主站要在終端信息庫中增加相應(yīng)的終端信息，通過擴(kuò)展104獲取終端的模型信息，并將全部信息按照信息對象地址錄入數(shù)據(jù)庫中，并將信息對象地址與系統(tǒng)監(jiān)視畫面關(guān)聯(lián)；

2) 配電主站的終端信息庫中有新注冊的配電終端，則依次比較每一個信息對象地址的描述是否一致，如果配置信息版本號等描述有所改變，則需要更新相應(yīng)信息對象地址下的描述信息，并且自動更新系統(tǒng)監(jiān)視畫面中該信息對象地址的描述；

3) 新注冊的配電終端的模型在配電主站中已經(jīng)存在，則配電主站可以直接獲取配電終端的實(shí)時信息。

圖5 終端描述信息更新機(jī)制Fig. 5 Terminal description information update mechanism

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 配電終端自描述功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)

為了使采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模的配電終端能夠自動快速接入配電系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)自描述功能，國電南瑞自主研發(fā)的配電自動化管理系統(tǒng)通過終端注冊、主站建模、模型映射、配置下發(fā)、終端接入等一系列步驟實(shí)現(xiàn)配電終端的即插即用。

1) 終端注冊：與通常采用的發(fā)現(xiàn)/注冊模型不同，在此系統(tǒng)中，當(dāng)沒有注冊的配電終端接入系統(tǒng)后會主動將配電版本號、IP地址發(fā)送給主站。主站識別到配電終端的地址后，通過召喚報文獲取終端的自描述信息。這樣減少了配電主站按時通過UDP發(fā)送“發(fā)現(xiàn)”命令的步驟。

2) 主站建模：配電主站獲取配電終端的整個信息模型后，解析出模型中的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)屬性。然后根據(jù)模型中邏輯設(shè)備的劃分，自動生成符合IEC 61850-80-1的信息點(diǎn)表，即各數(shù)據(jù)所對應(yīng)的信息對象地址。

3) 模型映射：根據(jù)IEC 61850-80-1的映射規(guī)則，主站側(cè)生成IEC 61850模型數(shù)據(jù)映射到IEC 60870-5-104地址信息中的映射文件。

4) 配置下發(fā)：映射文件生成之后，主站將映射文件下發(fā)給相應(yīng)的終端設(shè)備。這樣便完成了通信雙方的配置工作，配電終端從而接入配電系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，主站采用OPEN-3200，工作站為HP系列，采用Linux系統(tǒng)，編程軟件使用microsoft visual c++6.0。終端采用PDZ800，該配電自動化終端采用高配置的硬件平臺進(jìn)行開發(fā)。當(dāng)配電終端上電或主站系統(tǒng)重啟時，主站側(cè)的管理界面立即顯示主站發(fā)送的召喚報文，終端在1 s內(nèi)會發(fā)送應(yīng)答報文將自描述信息依次上發(fā)主站。經(jīng)過多次試驗(yàn)，從主站發(fā)送召喚報文到終端回復(fù)應(yīng)答報文之間的時間少于1 s，完全滿足配電自動化系統(tǒng)對時間的要求。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 6 Test system

4 結(jié)論

本文建立了基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的配電終端信息模型，并在模型里增加了遠(yuǎn)程維護(hù)和實(shí)時監(jiān)測功能的邏輯設(shè)備。在比較目前常用的通信協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出采用擴(kuò)展的IEC 60870-5-104協(xié)議實(shí)現(xiàn)配電主站與配電終端的信息傳遞。配電終端的實(shí)時數(shù)據(jù)通過映射到104中的信息對象地址實(shí)現(xiàn)傳輸，配電終端的描述信息通過主站召喚終端描述報文和終端應(yīng)答報文實(shí)現(xiàn)傳輸。其中，應(yīng)答報文采用八位位組串的數(shù)據(jù)類型傳輸裝置描述信息，裝置描述信息按照信息對象地址排列依次上傳至主站。最終通過試驗(yàn)證明了擴(kuò)展的IEC 60870-5-104協(xié)議在配電自動化系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。解決了常規(guī)IEC 60870-5-104協(xié)議不支持模型文件傳輸?shù)膯栴}。

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(編輯 魏小麗)

Research method for implementation of the self-describing function of distribution terminals based on the extended IEC 60870-5-104 protocol

XU Xun1, MEI Jun1, QIAN Chao1, ZHENG Jianyong1, WANG Yong2, JI Wenlu2, ZHANG Ming2
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China)

In order to make the data lacking in descriptions enjoy self-describing information, the IEC 61850 is applied to the modeling of distribution terminal. The protocol IEC 60870-5-104 don’t support the transmission of the self-describing information, the advantages and disadvantages of several model file mapping methods are analyzed and the extension to 104 protocol is put forward to solve the problem. The message used to transfer self-description information of devices is designed through referring to the message format of 104 protocol, which can realize the self-describing function of the distribution terminal. At the same time, a terminal description information update mechanism is proposed based on the extended 104 protocol. The feasibility of the scheme is confirmed by the test on the distribution automation system of NARI.

IEC 61850; IEC 60870-5-104; distribution terminal; information model; protocol extensions; self-description

10.7667/PSPC150910

2015-06-02；

2015-11-20

徐 迅(1991-), 男, 碩士, 研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)；E-mail: xuxun_seu@163.com

梅 軍(1971-), 男, 博士, 副教授, 碩士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)殡娏﹄娮? 智能電網(wǎng)等；

錢 超(1990-), 男, 碩士, 研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)。

國家電網(wǎng)2016年科技項(xiàng)目“具備配電線路自組網(wǎng)能力的智能配電監(jiān)控終端技術(shù)研究”