基于IEC61850国际标准的配电自动化系统应用研究

顾建炜，张铁峰，韩书娟

(1.杭州市电力局，浙江 杭州 310009;2.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

随着国家电网公司建设统一坚强智能电网工作全面启动，浙江省电力公司智能配电网建设也进入研究试点阶段。在此背景下，研究基于IEC61850国际标准的配电自动化系统，对于指导杭州局的配电自动化系统建设，实现系统无缝集成和设备的互操作具有重要意义。

配电自动化功能通常可分为配电网运行自动化和配电网管理自动化两方面[1]。配电网运行自动化主要包括配电网实时监控、自动故障隔离及恢复供电、自动读表等功能;而配电网管理自动化则包括那些离线的或实时性不强的设备管理、停电管理、用电管理等功能。

相比输电网自动化，配电网自动化系统规模大得多，主要特点有:

(1)配电终端多。根据应用的对象及功能，配电终端可分为馈线终端 (Feeder Terminal Unit，FTU)、开闭所终端 (Distribution Terminal Unit，DTU)、配变终端 (Transformer Terminal Unit，TTU)和具备通信功能的故障指示器等。

(2)通信协议多。通信协议主要有不符合OSI模型的，如早期的部颁循环远动规约 CDT(Cycle Distance Transmission，CDT)、查询式远动规约SC1801等;不完全符合OSI模型的如TCP/IP协议，以及符合OSI模型的，如IEC60870-5系列、TASE2(Tele-control Application Service Element，TASE2)等协议。

(3)通信方式多。通信方式主要包括光纤专网、配电线载波、无线专网和无线公网等。其中，工业以太网和xPON技术都被认为是解决配电网自动化10 kV及以下至用户通信系统的光纤技术，主要用于骨干通信网和重要分支通信网。而其他通信方式如配电线载波通信技术等可作为光纤方式的良好补充，解决部分地区光缆敷设困难或无线网接入信号差的问题。

(4)信息量大，信息共享差。配电自动化系统的监控信息量一般来说要高出变电站自动化系统和调度自动化系统1～2个数量级。过去，由于通信技术和设施的限制，人们更多地关注数据如何在系统间传输的问题，通信规约也只解决数据传输问题，对于数据含义 (设备对象模型)问题，则没有标准化，需要通过交叉关系表映射实现对应。这样，终端装置不能即插即用，不同厂商的设备难以互插互联，安装调试、管理维护工作量大。

因终端产品生产厂家的多样性，各种通信介质和协议的差异导致不同厂商IED之间无法直接实现互操作，往往只有通过规约转换器或规约转换软件才能实现有限的信息交互，这在很大程度上削弱了集成应用的优点。国际电工委员会第57工作组制定了IEC61850通信体系[2]，为解决这一问题创造了条件，是变电所自动化系统通信协议的 发 展 方 向[3，4]。 与 以 往 的 通 信 标 准 不 同，IEC61850并没有停留在通信协议的层次上，而是对数据传输和数据交换作出了全面的规范，其技术上有如下突出特点[5]:

第一，按功能划分逻辑节点 (Logical Node，LN)，用逻辑设备抽象物理设备。传统的通信规约对于物理装置不做抽象处理，将数据、功能和其所处的硬件装置绑定在一起，无法屏蔽物理装置的千差万别。而逻辑节点的引入，使物理设备之间的通信变为逻辑节点之间的通信，避免依赖硬件造成复杂多样的通信系统。

第二，定义抽象通信服务接口，使功能独立于具体通信技术。IEC61850标准总结了变电站内信息传输必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口 (Abstract Communication Service Interface，ACSI)。客户通过ACSI，由特殊通信服务映射 (Specific Communication Service Map，SCSM)映射到所采用的具体协议栈，如制造报文规范 (Manufacturing Message Specification，MMS)。这样实现了应用和具体通信技术的分离，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要改变ACSI。

第三，利用变电站配置文件，实现设备自描述。与IEC60870-5系列标准采用面向点的数据描述方法不同，IEC61850标准对于信息均采用面向对象的自描述。面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接受方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。

配电自动化系统可以看作变电站自动化系统的扩展，因此IEC61850标准的思想同样也适用于配电自动化系统[6]。本文以杭州市电力局配电自动化系统为例，对IEC61850标准应用于配电自动化系统进行了研究，主要就基于IEC61850标准的配电自动化的通信网络与系统和配电自动化系统与相关信息系统的集成进行了探讨。

1 基于IEC61850标准的配电自动化的通信网络与系统

1.1 配电自动化通信架构

配电自动化系统遵循分层、分布式体系结构及集中控制的设计思想[6]，在系统层次上可分为主站层、终端设备层 (包括FTU、TTU、DTU等)两层结构;只在通信上设立配电子站层，作为数据集中器，起到数据集中转发的作用，如图1所示。

图1 配电自动化通信架构Fig.1 Distribution automatied communication architecture

杭州配电自动化终端/子站建设方案如图2。

杭州配电自动化系统由原来的主站、子站和配电终端三层结构逐步过渡为“主站+网络型配电终端”的两层结构，不但能加快信号的传输速度，还能减少调试工作量，节省投资。

经过规划，确定了通信网以太网无源光网络:EPON(Ethernet Passive Optical Network，EPON)为主，中压电力线载波为辅的技术方案。其中主干网络和分支网络采用EPON技术[7]可以在多叉树型拓扑结构下的纯光纤网络中实现高速的光纤通信，这种结构与配、用电网的拓扑结构十分吻合，在辐射型组网方式下的优势非常明显，具有较强的适应性和灵活性，其建网速度快、设备安全性高、光缆资源和机房投资节省、信道维护成本低。另外，采用无源光纤技术，可避免FTU电源失电影响同一链路上其他设备通信。

图2 杭州配电自动化终端/子站建设方案Fig.2 Construction scheme of Hangzhou distribution automation terminal and sub station

1.2 基于IP的数据网络

配电自动化系统中的通信主要包括:(1)配电自动化主站与配电子站、配电终端之间的通信。(2)配电终端与配电终端之间的通信。目前有如图3所示两种通信方案:串行通信解决方案和IP通信解决方案。

图3 配电自动化通信方案Fig.3 Distribution automatied communication scheme

其中，采用IP通信的解决方案支持实现点对点对等通信，支持终端到主站之间的无缝通信连接:采用交换机汇接终端数据，无须配电子站进行规约转换，支持相关节点实时数据交换，支持终端与终端间的对等通信，有利于实现分布式智能[5]如快速故障隔离 (线路上的负荷开关并不具有断开短路电流的能力，需用智能断路器代替，故实现分布式智能还与一次设备有关)。

在IEC61850配电网通信体系下，主站前置机实现与配电终端通信，对数据进行预处理，实现系统时钟同步、通道的监视与切换、向其他自动化系统转发数据等功能。可以作为IEC 61850客户端，通信规约可采用MMS、IEC60870-5-101/104，能够完成的通信功能包括配电终端的自动识别、配电终端的发现、配电终端SCADA数据的获取，命令下发、对指定配电终端的远程维护、参数配置。

主站与终端通信、终端与终端通信、主站经子站与终端通信如图4。

图4 IEC61850下通信方案Fig.4 IEC61850 communication scheme

1.3 配电自动化IED及建模

目前的IEC61850对变电站自动化设备的建模已经比较成熟，应用到配网自动化中，需要对相关的IED进行合理地建模，包括[8，9]:自动重合闸、并联电容器、分接头控制、柱上开关FTU模型、环网柜FTU模型、开闭所DTU模型、TTU模型和配电子站的建模。IEC61850-5中定义的逻辑节点覆盖了绝大部分应用，各逻辑节点尽可能利用IEC61850中定义的逻辑节点，这样可以保证模型的一致性。对于配网自动化中一些专用功能比如小电流接地保护等，需要结合配电网和配电线路的特点，进行信息建模，增加新的 LN(如PSPE，小电流接地保护)。由于环网柜FTU模型和开闭所DTU模型包含的设备较多，可通过设备复制的办法建模[7]。而配电子站则可以将其建模为代理/网关[9]，完成61850配电终端和常规配电终端的接入。按DL/T 860规定[2]:服务器网关必须按与DL/T 860兼容的任何智能电子设备一样建模。LPHD(Logical node Physical Device)逻辑节点中数据对象 (Data Object，DO)代理服务器允许规定一个驻留的逻辑设备是否是另一个智能电子设备的映像，或属于宿主智能电子设备。

1.4 信息交换方法

任何设备、控制器、甚至系统、维护系统或者工程系统都可以使用服务实现设备间的互操作。服务接口采用抽象建模技术，抽象意味着该定义着重描述所提供的服务，而与设备间交换的具体报文如何实现服务无关。“服务”接口有:发布/订阅，读写、控制、报告、记录等。

定义逻辑节点和数据、数据属性主要是规定完成应用所要求的信息，以及在IED之间的信息交换。用服务定义信息交换，定义服务提供什么。

核心服务采用Client/Server模式，支持Server，Association等模型，能够实现数据的获取和检索、设备控制、事项报告和日志、发布/订阅;设备的自描述等。核心服务是配网自动化通信的基础，用于主站与终端、终端与终端之间的通信都需要支持核心服务。

配电终端的信息交换包括主站与终端、终端与终端、终端与过程层设备电流互感器、电压互感器、开关等的信息交换。其中终端与主站的信息交换，主要包括保护信息和控制命令，实时性要求不是很高 (≤1 s)，采用客户/服务器模型就可以满足要求。终端与终端的信息交换，主要是通过配电终端间的信息交换，实现快速故障切除，自愈等分布式智能，按照快速报文的时间要求(≤20 ms)，可采用GOOSE模型。采用GOOSE模型时，尽量将GOOSE信息控制在终端与终端的子网内部，避免加重全网的网络负担。

另外，终端与过程层设备 (电压、电流互感器)的信息交换。可使用采样值传输模型和GOOSE模型。时间同步可直接采用IEC61850中的时间同步模型，保持所有终端的时间与主站一致。

1.5 特定通信映射

指“服务”怎样实现。按照IEC61850的标准，将配电终端用到的信息交换服务映射到具体的通信协议，如MMS，TCP/IP/以太网。定义特定的语法 (格式)特别是报文的编码，携带服务的服务参数，以及如何通过网络传输。ACSI的具体报文及编码需要通过特定通信服务映射 (Specific Communication Service Mapping，SCSM)映射到具体的实现方式上。对于核心服务的实现方式，目前比较可行的映射方式有映射到制造业报文规范 (Manufacturing Message Specification，MMS)和映射到IEC60870-5-101/104。

IEC61850-8-1中详细定义了映射到MMS实现方式。MMS编码格式采用抽象语法表示法ASN.1(abstract syntax notation.1)，底层采用TCP/IP。MMS+TCP/IP+以太网是一种比较可行的实现方式，已在变电站自动化领域得到了广泛应用。

将MMS映射扩展到配电自动化中，主要用于主站和配电终端的通信和信息交换。配电自动化对通信的时间性能要求比变电站要低，但设备比变电站自动化要多，采用MMS通信需要降低对单个设备的访问次数，以保证在规定的时间内完成对所有设备的轮询。

另外，IEC TC57制定了IEC61850与IEC60870-5-101/104之间信息交换的导则IEC61850-80-1。使用IEC61850-80-1可以完成数据模型的映射，用于变电站与控制中心的通信。终端与主站之间的通信也可以参照使用[10]。需要注意的是，按照IEC61850-80-1改造配电终端使之符合IEC61850标准，厂家需要对原IEC60870-5-101/104进行大量调整，代价相比采用MMS也并不低，而且对一些服务支持不够好。

1.6 配电IED配置

逻辑节点和数据、数据属性以及所采用的服务和由物理IED提供的通信方法均需进行配置。配置包含各种对象的形式描述以及这些对象和具体配电设备之间的关系，是实现1.3，1.4，1.5的配置信息文件。

互操作性是IEC61850系列标准的主要支持目标。在IEC61850标准中，互操作性是指来自于同一厂家或不同厂家的IED之间交互信息和正确使用信息协同操作的能力。IEC61850针对互操作性建立了完整的技术支持体系，其中包括面向对象的结构化信息模型以及一致的、确定的信息语义及语义的约定机制。IEC61850规定信息模型必须采用变电站描述语言 (Substation Configuration Language，SCL)进行描述和发布。SCL允许将IED(Intelligent Electronic Device)描述与配置信息传递给系统工程工具，也可以以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给IED的配置工具。其最终目的是为了在不同制造厂商的配置工具间交换系统的配置信息，实现互操作，即作为信息集成的描述工具和转换工具。

SCL文件不仅用以描述产品的信息模型、通信服务，也描述了变电站一次系统连接关系、产品之间逻辑通信连接关系、信息模型和现场数据的对应关系。对于SCL文件的解释和识别一方面需要由IED和监控后台完成，另一方面需要由专用的工具软件完成。

IEC61850制定的变电站配置描述语言 (SCL)为最终实现设备的即插即用提供了一个可行思路。即插即用是指当IED安装或升级后，控制中心能自动识别IED的功能、拓扑与通信连接等自描述信息，对控制中心的数据模型以及电网接线图等进行更新[10]。

当IED接入或更新时，由于IED包含完整的自描述信息，并且物理意义清楚，使得配置过程方便快捷、工作量小、不易出错，因此与传统的配置方式相比较，SCL配置方式具有明显的优越性，目前已经成为一个热点的研究问题，IED即插即用中的关键问题有:

(1)如何实现控制中心对IED的远程配置并兼容常规的非 IEC61850IED。目前一般利用IEC61850/MMS通用网关/代理，实现IEC60870-5-104、CDT 等与 IEC61850 之间的转换[9]。

(2)控制中心的数据模型以及电网接线图的更新。为了实现IED的即插即用，除了对IED进行配置以外，还必须能够对控制中心的数据模型以及电网接线图进行更新。

(3)自动识别。设备自动识别是指在配电终端设备安装后，终端和主站系统相互配合，使系统辨识出设备的种类、型号、安装位置等信息，并对系统端的IED数据库、数据管理数据库和系统接线图等与装置相关的内容进行更新。

(4)远程配置。和自动识别类似，对远程配置也采用文件传输的方式来实现。在站端自动化系统内形成并发送报告文件和解析远程配置文件是实现该功能的难点[11]。主要原因是已有的设备和系统大多数不具备解析SCL文档的功能。

(5)配置模型。在自动报告文件和远程配置文件中应部分或完全地包含如下信息:类型装置定位信息，包括“变电站”、“间隔”等确定设备安装位置的子元素; “装置类型”、 “装置型号”等对二次装置功能进行描述的信息拓扑连接元素和通信连接信息;保护装置二次连接信息，用来建立二次装置之间的关联关系;配置信息，在使用远程配置功能时，要传递配置信息。

综上所述，由于终端设备的复杂性，目前仅能实现人工有限参与的即插即用。即便如此，也要对终端设备和主站的软件系统进行改造，以解析SCL文档。

2 配电自动化及相关应用系统的集成

配电网自动化及管理系统是供电企业进行配电网监控、运行管理的综合平台，涉及配电网运行自动化和配电网管理自动化功能。目前与之相关的应用系统有许多，他们之间都有着密切的业务联系，存在大量的信息交换。换句话说，配电自动化及管理系统将集成调度自动化系统、生产管理信息系统 (Power production Management System，PMS)、地理信息系统 (Geographic Information System，GIS)、电力营销系统和计量自动化系统等综合信息。

配电自动化系统通过信息交互总线，与其他相关应用系统互连，实现更多应用功能。

杭州局配电自动化新主站系统的整体架构(如图5)采用国网电科院研发的Open3200产品，由运行监视及优化，调度运行管理两大功能领域构成。

图5 杭州局配电自动化新主站系统的整体架构Fig.5 Hangzhou new station for distribution automation system architecture

未来配电自动化主站系统将通过IEC61850 ACSI适配器将配电自动化数据转换为CIM格式数据，接入交互总线。此转换涉及IEC61850和CIM模型的融合问题，目前较为成熟的方案是使用ABB研究小组开发的一个用于在CIM和IEC61850之间双向翻译配置文件的工具[12]。但该方案需要用户干预，进行翻译。2006年美国电科院关于CIM和IEC61850之间的模型协调发表了一份技术报告，指出基于网络本体语言OWL(Web Ontology Language)的模型融合是未来的方向[13]。

信息交互基于消息传输机制，实现实时信息、准实时信息和非实时信息的交换，支持多系统间的业务流转和功能集成，完成配电自动化系统与其他相关应用系统之间的信息共享。信息交互宜遵循IEC 61968的标准构架和接口方式。

(1)在III/IV区建设资源中心，通过总线存储I/II区系统的数据，为III/IV区应用提供数据服务，减少信息交互次数，加快响应速度。

(2)采用南瑞IEB作为信息交换总线，符合IEC标准、支持语法语义校验，并能进行跨区全过程消息追踪。

(3)在安全I/II及III/IV区各部署一条总线，使用内部同步机制通过隔离装置，实现了安全的跨区信息交换。

3 结论

(1)对配电运行自动化，给出了基于IEC61850的配电自动化通信网络与系统，包括通信网络架构，终端信息建模，抽象通信服务，特定通信映射和IED配置等相关描述。作者认为当前应以利用设备自描述实现人工有限“即插即用”，减少维护工作量为首期目标，实现分布式智能则在下一步考虑，因其涉及一次设备的更换，适宜在新建配电系统中实施。

(2)对配电运行自动化及配电管理自动化及其他信息系统集成，本文给出了面向服务的集成总线体系结构，配电自动化系统通过IEC61850 ACSI适配器将配电自动化数据转换为CIM格式数据，接入交互总线。此转换涉及IEC61850和CIM模型的融合问题，目前较为成熟的技术是双向翻译，未来应基于网络本体语言OWL实现模型融合。

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