宣科， 栗大維， 王立靖(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱　150000)

0　引　言

配電自動化基于一次網(wǎng)架和設(shè)備，圍繞配電自動化系統(tǒng)，利用多種通信方式實現(xiàn)對配網(wǎng)的監(jiān)控和管理，有效提高了供電可靠性[1-2]。隨著“智能電網(wǎng)”概念的提出，配電自動化技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，而配網(wǎng)建設(shè)和運行過程中也出現(xiàn)了一定的問題。配網(wǎng)終端設(shè)備多種多樣、通信規(guī)約間互操作性差，因此需要統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)配電自動化系統(tǒng)的信息集成[3]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會第57技術(shù)委員會發(fā)布的重要國際標(biāo)準(zhǔn)，為智能變電站乃至智能電網(wǎng)領(lǐng)域提供信息交互的規(guī)范[4]。IEC61850作為變電站內(nèi)的通信標(biāo)準(zhǔn)，不包括站外通信、與控制中心的通信和變電站之間的通信。但是，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的某些特征也可以擴(kuò)展到變電站外部的應(yīng)用。吳在軍提出，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο竽Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和開放性技術(shù)特點，可以為配電網(wǎng)自動化提供全面、準(zhǔn)確的信息模型[5]。2013年6月，WG17工作組發(fā)布了IEC61850在配電自動化中應(yīng)用的技術(shù)報告，進(jìn)一步加快了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電網(wǎng)中應(yīng)用。 Mohagheghi S在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下對配電網(wǎng)饋線自動化系統(tǒng)建模，討論了包括柱上開關(guān)FTU、環(huán)網(wǎng)柜DTU及變壓器TTU等智能終端的建模細(xì)節(jié)，提出了可用的信息交換模型[6]；韓國政在主站與配電終端之間的通信領(lǐng)域也有一定的探索，分析了該標(biāo)準(zhǔn)下幾種主流服務(wù)映射的優(yōu)缺點和適用性[7]。顧建煒、陳志偉等專家分析了IEC61850建模技術(shù)在配網(wǎng)自動化通信領(lǐng)域的最優(yōu)服務(wù)映射，論述了IEC61850應(yīng)用于配電自動化的前景[8-9]。章堅民提出了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站子站系統(tǒng)信息建模與通信建模方案，對配電自動化系統(tǒng)運用IEC61850進(jìn)行信息交互具有一定的參考價值[10]。

本文通過深入分析IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，研究其在配電自動化系統(tǒng)信息交互領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定分析了信息交互模型架構(gòu)及建模方法；而后，編寫SCL配置文件建立不同功能模塊的邏輯節(jié)點，建立具有三遙功能的配電終端模型；最后，編制基于IEC61850的配電自動化系統(tǒng)信息交互系統(tǒng)軟件，并運用DK61開發(fā)套件對系統(tǒng)的三遙功能進(jìn)行驗證。

1　IEC61850標(biāo)準(zhǔn)信息交互模型

1.1　IEC61850分層信息模型架構(gòu)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用分層分類的建模思想，對變電站智能電子設(shè)備IED中交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息建模。該信息模型包含4個主要層次：服務(wù)器(Sever)、邏輯設(shè)備(Logical Device)、邏輯節(jié)點(Logical Node)、及數(shù)據(jù)對象(Data Object)[11]。大多情況下，將一個物理裝置建模為1個IED，每個IED包含眾多服務(wù)器，每個服務(wù)器包含多個邏輯節(jié)點，而每個邏輯節(jié)點包含多個數(shù)據(jù)對象。

IED分層模型的每一層都只是抽象的類，要建立實際設(shè)備的具體模型，需要進(jìn)一步實例化抽象類[12]。實際模型與抽象類之間是“類”和“對象”的關(guān)系，如圖1所示?！癕yServer”是服務(wù)器類的對象名稱，“DK61”是Logical Device類的對象名稱，“XCBR1”是兼容邏輯節(jié)點XCBR類的對象名稱，“Pos”是數(shù)據(jù)類對象的名稱。分層信息模型的每一層類都由若干屬性和服務(wù)組成，屬性描述該類所有實例的特征。同一類導(dǎo)出的所有實例擁有相同的屬性類型，而具體的數(shù)值則根據(jù)實例變化。

圖1　抽象類和實例模型的關(guān)系

1.2　IEC61850信息建?；玖鞒?/h3>

建立符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IED數(shù)據(jù)模型是實際工程應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟。實際IED建模分為三個步驟。

(1)確立邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)

首先，需要明確IED所具備的功能，以及功能中涉及到網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)交換的部分。根據(jù)IEC61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)，將所有與數(shù)據(jù)通信相關(guān)的功能分解為若干邏輯節(jié)點[13]。在實際功能建模過程中，需要考察標(biāo)準(zhǔn)中是否已經(jīng)存在可以滿足該功能要求的邏輯節(jié)點，并且優(yōu)先選取這些節(jié)點；若沒有能完全滿足功能的節(jié)點，則需要按照規(guī)定新建邏輯節(jié)點LN類，或者用通用LN類來代替，以保證各個廠商之間的互操作性。

(2)構(gòu)建邏輯設(shè)備

確立了邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)，需要將建立好的邏輯節(jié)點劃分到對應(yīng)的邏輯設(shè)備中。劃分邏輯設(shè)備仍然遵守以功能劃分的原則，將具有公共特性的邏輯節(jié)點組合為一個LD。而邏輯節(jié)點LLN0則存放該邏輯設(shè)備的一些公用信息，如數(shù)據(jù)集、報告控制塊、定值組控制塊等，也可以包含多個數(shù)據(jù)對象的實例。

(3)構(gòu)建服務(wù)器

將建好的邏輯設(shè)備整體建模到同一個服務(wù)器中的某個訪問站點下。經(jīng)過相關(guān)的通信配置，接入信息網(wǎng)絡(luò)，參與數(shù)據(jù)的傳輸與交互。對于全數(shù)字化的IED，需要建模為3個服務(wù)器，分別放在MMS服務(wù)、GOOSE服務(wù)、采樣值服務(wù)三個子網(wǎng)下[14]。各個服務(wù)器的建模方法基本相同，僅僅在通信模式上有細(xì)微差別。

2　配置文件設(shè)計與模型參數(shù)設(shè)置

2.1　裝置ICD配置文件結(jié)構(gòu)設(shè)計

建立擁有配電自動化遙信、遙測、遙控功能的信息模型，并實現(xiàn)該裝置與PC客戶端之間的信息交互，其ICD文件的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。SCL文件采用樹形結(jié)構(gòu)展開，符合面向?qū)ο蟮姆謱咏＠砟?。按照功能以及?shù)據(jù)傳送的要求創(chuàng)建了4組邏輯節(jié)點及一個AccessPoint站點。

圖2　配置文件結(jié)構(gòu)圖

2.2　通信部分參數(shù)設(shè)置

IED通信參數(shù)配置中設(shè)置了名為“SubNetwork”的MMS通信子網(wǎng)，另外考慮到部分信息對實時性的要求，對于過程層采用GOOSE通信的功能，還添加了GOOSE通信子網(wǎng)。

GOOSE報文發(fā)生變化后，采用快速重發(fā)機(jī)制來保證傳輸?shù)目煽啃浴?MinTime>設(shè)置為2 ms，表示當(dāng)發(fā)生變位之后，裝置要在2 ms內(nèi)補(bǔ)發(fā)第二幀報文；設(shè)置為5 000 ms，為報文的心跳時間，表示恢復(fù)正常之后GOOSE報文每5 000 ms發(fā)送一幀。這樣可以給接收裝置提供依據(jù)，判斷是否有丟幀以及通信鏈路中斷，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3　邏輯設(shè)備參數(shù)設(shè)置

SCL配置文件采用了樹形結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上與分層信息模型相對應(yīng)。本文建立的信息模型服務(wù)器Server中包含了邏輯設(shè)備“LDevice1”，邏輯設(shè)備中包含了邏輯節(jié)點LLN0和兼容邏輯節(jié)點DIPS_GGIO1、DIPS_GGIO2、LEDO_GGIO3及STMP1。邏輯節(jié)點中包含數(shù)據(jù)實例，如IND1-4、ALM5-8、SPCSO1-8等。除了邏輯設(shè)備以外，Server中也包含元素。此處屬性設(shè)置為默認(rèn)屬性“NONE”，表示無須認(rèn)證。

客戶端模型共包含19個主要邏輯節(jié)點，其中狀態(tài)量9個，控制量8個，測量值1個，整形輸入量1個。為了保證信息交互的正確性，服務(wù)器信息模型與客戶端模型基本一致。但是，由于服務(wù)器方定義了本地通信和非本地通信兩種信息交互方式，分別適用于客戶端和服務(wù)器應(yīng)用相同或相異IP地址和物理地址的情況。因此，在LLN0邏輯節(jié)點中，需要另外添加節(jié)點存儲通信模式指示信息，如表1所示。

表1　通信模式邏輯節(jié)點

2.4　邏輯節(jié)點參數(shù)設(shè)置

利用數(shù)據(jù)集對要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組打包，可以大大減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁俊榱耸沟猛ㄐ烹p方預(yù)先知曉數(shù)據(jù)集中的成員、排列順序以及數(shù)據(jù)類型，需要將這些信息在邏輯節(jié)點中集中整合存儲。邏輯節(jié)點LNN0中包含各種數(shù)據(jù)集對應(yīng)的報告控制塊。本文將所有需要被傳送的數(shù)據(jù)分為4個數(shù)據(jù)集來傳送，分別為表示1-4盞指示燈狀態(tài)的指示數(shù)據(jù)集Indicate_DataSet、表示5-6盞報警燈狀態(tài)的警報數(shù)據(jù)集Goose_Alarm_DataSet、存儲溫度報警信息的溫度警報數(shù)據(jù)集DSTMPAlm以及存儲溫度報警上限值的數(shù)據(jù)集DSTMPVal。由于本文所建立的模型不涉及具體裝置的定值，不含有dsParameter以及dsSetting數(shù)據(jù)集，因此無須設(shè)置定值組控制塊SGCB。

3　配電自動化信息交互系統(tǒng)設(shè)計

3.1　客戶端程序算法

客戶端主要任務(wù)包括構(gòu)建能實現(xiàn)三遙功能的人機(jī)界面，實時刷新指示燈、開關(guān)位置、服務(wù)器溫度值，返回報警信息，輸入指令開關(guān)指示燈和設(shè)置溫度極限值。固有屬性含客戶端-服務(wù)器通信標(biāo)識、讀取信息函數(shù)、寫入信息函數(shù)、實時更新數(shù)據(jù)函數(shù)以及終止函數(shù)?？蛻舳说某橄髷?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)初始化設(shè)置如表2所示。

表2　客戶端基本參數(shù)配置表

本文通過共用一個數(shù)據(jù)協(xié)議棧實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器的通信。服務(wù)器將其采集到的值按照一定規(guī)律存儲在PIS10堆棧中，客戶端通過數(shù)據(jù)更新函數(shù)不斷讀取，實現(xiàn)實時信息交互。數(shù)據(jù)更新函數(shù)獨立于主循環(huán)之外，滿足相應(yīng)的條件即可觸發(fā)(數(shù)據(jù)變化、報告上送、強(qiáng)制指令等)，主要負(fù)責(zé)讀取服務(wù)器的開關(guān)狀態(tài)和當(dāng)前溫度，并且檢測是否存在溫度報警等情況。圖3所示的系統(tǒng)邏輯反映了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動、處理和儲存。

主程序的算法流程如圖4所示。通過指針定位函數(shù)合理劃分，安排各個功能組的區(qū)域位置，完成人機(jī)界面的創(chuàng)建。用戶在客戶端按照一定格式輸入指令，改變PIS10公用協(xié)議棧內(nèi)的數(shù)值。在確認(rèn)寫入完成之后，根據(jù)棧內(nèi)數(shù)據(jù)刷新界面。完成對遠(yuǎn)方信號燈的控制以及溫度極值的設(shè)定。根據(jù)返回的錯誤代碼序號，程序?qū)⒖赡艿腻e誤反應(yīng)到主界面上，便于查找通信過程中的錯誤。

圖3　數(shù)據(jù)更新函數(shù)算法流程圖

圖4　客戶端主程序算法流程圖

3.2　服務(wù)器程序算法

服務(wù)器端的主要功能包含采集數(shù)據(jù)、上傳報告、警報監(jiān)控以及按照指令控制指示燈。對基于PC上的虛擬服務(wù)器，還需增加可以手動輸入實時信息的人機(jī)界面來模擬實際運行情況。固有屬性含客戶端-服務(wù)器通信標(biāo)識、讀取信息函數(shù)、寫入信息函數(shù)、實時更新數(shù)據(jù)函數(shù)以及終止函數(shù)。與客戶端程序相比，服務(wù)器除了構(gòu)建信息顯示界面外，還需要進(jìn)行一些底層接口的設(shè)置來實現(xiàn)對實際裝置的控制。主程序算法流程圖如圖5所示。

圖5　服務(wù)器主程序算法流程圖

3.3　系統(tǒng)驗證

本文選擇MMS的通信協(xié)議，以PC機(jī)作為客戶端、DK61作為服務(wù)器，模擬實際配電自動化主站和終端之間的信息交互過程，進(jìn)行系統(tǒng)三遙功能的驗證。

(1)遙測功能

在客戶端設(shè)定溫度極值為27 ℃，溫度超過極值會返回溫度警報信號。當(dāng)系統(tǒng)溫度為26 ℃時，服務(wù)器檢測實時溫度反應(yīng)良好，客戶端與服務(wù)器保持了數(shù)據(jù)上的一致性，以及傳輸?shù)目焖傩浴．?dāng)溫度升到28 ℃超出溫度極值后，客戶端跳出了溫度警報提示，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)遙測功能驗證

(2)遙控功能

遙控模塊根據(jù)客戶端輸入的指令，控制DK61上LED燈組的亮暗。例如，在客戶端輸入指令控制服務(wù)器點亮第1、2、7盞指示燈。服務(wù)器測試結(jié)果如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)遙控功能驗證

(3)遙信功能

遙信功能能夠?qū)Ψ?wù)器開關(guān)量進(jìn)行采集和實時上送。手動調(diào)整DK61上的撥碼開關(guān)狀態(tài)為00100111。服務(wù)器采集到的開關(guān)狀態(tài)為“OFF-OFF-ON-OFF-OFF-ON-ON-ON”，與DK61上的開關(guān)狀態(tài)一致。其中，1-4 開關(guān)采用報告控制塊的方式主動上送到客戶端，5-8開關(guān)量作為報警按鈕，采用GOOSE方式上送，以保證實時性的要求。

4　結(jié)束語

本文分析了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息交互模型架構(gòu)及建模方法；應(yīng)用IEC61850建模技術(shù)，根據(jù)IEC61850提供的數(shù)據(jù)模型和邏輯節(jié)點，對變電站智能電子設(shè)備進(jìn)行了信息建模，并完成了相關(guān)邏輯節(jié)點參數(shù)設(shè)置及配置文件設(shè)計。最后，以PC機(jī)和DK61為原型，模擬了配電終端與主站、配電終端與終端之間的通信，將配電自動化基本“三遙”功能在實際裝置中落實。

IEC61850節(jié)點覆蓋大多數(shù)的配電自動化應(yīng)用。本文設(shè)計的基于IEC61850的配網(wǎng)自動化信息交互系統(tǒng)對配電終端進(jìn)行了統(tǒng)一建模，規(guī)范了設(shè)備接口，能夠簡化配電自動化系統(tǒng)終端設(shè)備之間的互聯(lián)操作。同時，面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)和MMS技術(shù)能夠提高設(shè)備之間的互操作性，提高現(xiàn)有配網(wǎng)通信體系的性能。

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