基于IEC 61850的数字化变电站可视联动系统

晋伟平 白 彪 程 颖 吴 军

(云南电网公司普洱供电局，云南 普洱 665000)

1 前言

变电站视频监控遥视系统［1］有效地解决了变电站的远程监控和现场操作可视化问题，提高了变电站的自动化水平，在变电站建设与运营维护中得到了广泛应用。然而，当前国内所使用的遥视系统还存在如下不足:

1)功能相对单一，仅实现了变电站视频图像浏览、云台控制和基本的报警功能联动，没有实现变电站内多设备、多系统间的联动。

2)应用范围基本停留在对变电站环境和设备整体外观的观测层面，无法全面取代人员巡视而实现无人值守目标。

3)当前的遥视系统与变电站自动化系统独立运行于两个互相隔离的网络中，难以及时了解变电站设备运行的变化情况。

变电站通信网络与系统标准(IEC 61850)［2］由于具有面向对象、良好的互操作性和开放性等特点，是实现变电站自动化系统无缝通信的重要依据。该标准定义了各种数据模型和抽象通信服务接口，其中就包括面向通用对象的变电站事件模型(GOOSE)、采样值传输模型(SV)等。变电站自动化系统中过程层的信息交换主要就是以GOOSE及SV报文的方式实现。

如果遥视系统能从上述报文中获取变电站自动化系统的遥控操作、开关状态变化和量测值等信息，并智能地调整相关摄像机进行多角度的视频监控，即可实现对设备遥控操作、事故跳闸和量测值越限等事件的可视联动，为达到无人值守数字化变电站这一目标提供有力保障。如何合理地从这些报文中提取并解析可视联动所需要的信息，是实现变电站可视联动的重要内容之一。本文采用了模块化、组件化软件以及实时内存等技术，开发了IEC 61850的规约转换器，设计并实现了基于该转换器的数字化变电站可视联动系统。

2 变电站遥视系统

2.1 变电站遥视系统结构

变电站遥视系统是一个涵盖了工业控制、多媒体技术、计算机网络与通信技术的综合系统［3］，一般由监控中心和变电站前端两部分组成。其中，变电站前端包括各类传感器、摄像机、报警控制器、视频处理服务器和本地监视器等见图1。

2.2 变电站遥视系统功能

除常见的系统管理功能(如权限管理，数据记录、备份与恢复，网络安全等)外，变电站遥视系统主要有运行监视和安全防范两大类功能［2］。

1)运行监视功能用于保障变电站设备的正常运行。

图1 变电站遥视系统结构

2)安全防范功能用于保障变电站空间范围内的建筑和设备安全，及时发现火警、盗警，启动报警装置并且可进行视频联动监控。

3 变电站可视联动系统

3.1 基本原理

在变电站内部，遥视系统通过一定的技术获取并解析变电站自动化系统内所传送的断路器分合闸、刀闸变位、事故报警、遥控、遥测等IEC 61850报文。根据解析所获得的报文内容，遥视系统自动打开现场照明设备(夜间)，并自动控制摄像机云台动作、调整摄像机焦距和光圈，对相关设备进行视频监控并自动录像，从而实现了遥视系统与变电站自动化系统的可视联动二者之间的关系见图2。

由于遥视系统与自动化系统处于不同的安全区［4］，遥视系统在获取自动化系统的报文时，必须保证单向传输并进行安全隔离。在具体应用中，可以通过网闸来实现这种安全的物理隔离。

3.2 IEC 61850规约转换器

IEC 61850规约转换器是可视联动系统中的关键设备，具体功能是:获取并解析变电站自动化系统的IEC 61850报文，将解析所得的相关信息转换成遥视系统所用的规约形式，并传送给遥视系统以控制摄像机调整，最终实现可视联动。其中，变电站自动化系统与遥视系统之间需要进行联动的报文可分为如下三类。

图2 变电站遥视系统与变电站自动化系统之间的关系

1)遥控报文。包括遥控选择、遥控执行报文等，这些均属于GOOSE类型。

2)遥信报文。包括开关位置、保护信号、预告信号等报警报文，这些亦是GOOSE类型。

3)遥测信息报文。主要包括传送现场采集的电流、电压等数据，它们属于SV类型。

为实现上述功能，IEC 61850规约转换器采用组件化、模块化的软件开发技术，基于嵌入式Linux［5］进行开发。使用 PCAP 技术［6］获取完整的报文，支持MAC地址协议包过滤，减少系统流量，并使用双以太网物理接口进行数据独立接收，保证数据接收的可靠性。具体包括如下模块见图3:

a.配置模块:提供软件运行过程中所需要的相关配置信息，以及所支持转换的规约配置信息。

b.日志模块:生成软件运行日志，为今后软件维护提供可靠、有效的日志服务。

c.内存模块:是整个软件的内存管理单元，采用内存池技术，软件中所有用到的内存均从内存模块中获取，且由此模块统一释放。

d.通信模块:该模块拥有两个以太网接口eth0和eth1，支持物理端口的动态配置，可以将eth0用于与遥视系统进行网络通信并接收报文;也可以将eth0与遥视系统进行网络通信，而将eth1用于报文的接收，从硬件接口上将协议进行分离，提高数据的处理能力及可靠性。

接收接口在收到来自变电站自动化系统的相关报文后，将这些报文调入内存模块中，由规约解析模块进行解析。发送接口通过某种通信方式(如RS－485总线)和遥视系统相连，并向遥视系统发送已转化成相应规约形式的信息。

e.规约解析模块:实现从IEC 61850协议到遥视系统规约的转换，转换后的信息将发送给变电站遥视系统，作为灯光及摄像机联动的控制命令。

图3 IEC61850规约转换器模块组成

3.3 可视联动功能

变电站可视联动过程包含建立预置点映射关系、报文抓取与解析、查找摄像机预置点、控制摄像机运动并录像等四个步骤［7］(见图4)。

图4 基于IEC 61850规约转换器的变电站可视联动

3.3.1 建立预置点映射关系

预置点是指预先设定的摄像机监控点，包括视角、焦距等内容，可帮助摄像机迅速对准相应的设备。预先建立变电站设备与摄像机编号、摄像机预置点的映射关系表。在软件启动时，创建所需要的内存块，并从物理磁盘或者数据库读取这些映射关系信息，建立内存关系表，以提高预置点映射关系的查询效率及可视联动效率。

3.3.2 报文抓取与解析

通过IEC 61850规约转换器，接收并解析变电站自动化系统发出的报文，识别出其中的遥控预置命令、遥信变位和遥测越限等信息，作为可视联动和预置点控制的重要依据。

3.3.3 查找对应的摄像机预置点

规约转换器通过解析报文，判断是否有相应的一次设备动作或其它异常情况。对于GOOSE报文，需判断是否存在一次设备动作或保护信号等;对于SV报文，需判断量测值是否越限发生报警情况。如果有动作产生或者出现报警，则通过查找预置点关系映射表，得出相应的摄像机编号及预置点，并发送给摄像机控制模块。启动摄像机时GOOSE报文中一次设备动作的情况优先级最高;当GOOSE报文和SV报文的判断条件同时满足时，则优先按照GOOSE报文的方式处理。

3.3.4 控制摄像机运动并录像

遥视系统得到控制参数后，控制相关的摄像机迅速定位到预定的监控点位上，同时可启动录像。

3.4 可视联动的执行流程

对于需要进行可视联动的三种报文类型，其可视联动流程大同小异，差别主要在报文内容和联动设备上，具体流程分别如下。

3.4.1 遥控视频联动流程

遥控视频的联动流程如图5所示。遥控流程包括“遥控选择－遥控执行－遥控返回”三个步骤。首先判断抓取的是否GOOSE报文，如果是再进行下一步解析。当抓取到遥控选择报文时，根据解析内容查找对应的摄像机及其预置点，然后控制摄像机指向预置点并开始录像。当抓取并解析“遥控返回”报文时，查找对应的摄像机，持续一段时间后停止其录像。

图5 遥控断电视频联动流程

3.4.2 遥信告警联动流程

异常报警主要包括一次设备的异常报警、环境量的异常等，处理流程与上述遥控联动流程基本相同。

3.4.3 遥测联动流程

遥测的内容主要包括现场电力运行量测值(电流，电压、功率等)的传送。遥视系统能够获取SV报文类型的遥测数据，并能够设置相应的策略，例如能根据由变电站自动化设备厂商提供的公式来转换遥测数据，设置报警阀值。当发生报警情况时，启动相应的联动机制，自动切换视频至报警点，并进行录像。

4 关键技术

4.1 预置点映射关系表的形成机制

变电站内每个间隔(以唯一的 Appid来标识)包含着若干刀闸和断路器等设备，每个设备是间隔的一个点位。

由于规约转换器与遥视系统之间的通信采用特定的规约，因此在建立预置点映射关系表之前，需要将GOOSE报文中的有关数据集映射到新规约的遥信点位(0～511)上。其映射关系的配置文件格式如下:

其中，每个字段间以 “:”隔开，“appid”表示间隔的标识号，“numdatset”表示包含的数据集个数，“alldata”表示数据集中每个数据单元对应的新规约遥信点位，其中“－1”表示不用解析。

根据上述约定，就可以建立遥信点位与摄像机预置点之间的映射关系。每个球机最多可设置128个预置点，每个预置点可以映射一个或多个遥信点位。所有的映射关系在视频监控客户端进行配置。

4.2 IEC 61850报文的解析方法

重点以GOOSE报文为例来具体说明IEC 61850协议解析的方法与步骤。SV报文解析方法类似。

变电站自动化系统将一次设备中的断路器遥信、刀闸遥控变位等信息以GOOSE报文格式［8］通过以太网进行发送。一次设备可以分布在不同的间隔中，每个间隔组成一个应用协议数据单元APDU，以不同的应用标识头appID进行标识;每个一次设备状态包含在PDU的allData数据集中，PDU 基于 ANS.1［9］/BER［10］编码进行序列化。

对应地，GOOSE报文解析由应用标识头分析、ASN.1/BER 解码、GOOSE事件分析、GOOSE语义分析等几部分组成。对于语法错误的GOOSE报文，给予丢弃处理，并给出报警信息。

1)应用标识头分析:提取GOOSE报文的AppId字段，查找配置哈希表。如果不存在对应的appID，协议处理结束;如果存在对应的AppId，则返回对应的配置结构，采用上下车方式向下游传递;

2)ASN.1/BER解码:解析GOOSE报文的PDU层，根据BER的T－L－V嵌套结构类型(见图6)层层解析。在解析的过程中，需要为每个T－L－V创建解析对象，采用内存池技术进行内存的动态申请和释放;

图6 ASN.1编码规则T－L－V结构

3)GOOSE事件分析:GOOSE报文的PDU中包含控制信息和数据集信息两大组成部分，均可按BER结构类型SEQUENCE进行解析。其中数据集信息包含事件的状态信息，含多级BER结构类型，需要采用递归的方式进行解析，并将获取到的状态信息进行标识;

4)GOOSE语义分析:分析内存中经过解析的PDU信息，获取相关一次设备的状态;

4.3 模块化、组件化的软件开发技术

采用组件化、模块化体系架构［11］，实现存取控制、目录管理、任务管理、规格管理、检索服务、消息传递、数据库接口、通信安全等基础网络管理功能，提高系统的稳定性、可移植性和伸缩性。COM是一套可以动态执行的对象，是一种可以提供应用程序、操作系统、以及其它组件服务的二进制可执行程序，但是COM只能运行在windows操作系统中［12］。采用类似于COM的管理机制和实现机制，定义了系统标准接口API，开发了IEC 61850数据解析模块，将协议解析部分定制成一个可以任意替换的lib或者so库文件，附加在系统平台上运行。今后需要加入另外的规约解析时，只需要根据标准的接口API，就可以实现规约协议解析的模块化、组件化处理。在应用程序执行时可随意添加或移除所需的组件。

基于“系统框架+模块化”组建，支持容器技术，使核心程序轻量化，所有功能模块采用插件方式，由容器将插件和核心程序自动重组成完整应用程序，软件架构更加开放灵活。更换修改任何功能插件不会影响已经稳定运行的核心程序和功能插件，解决软件定制开发和升级扩展的核心技术，可以实现火灾报警系统、电子巡检系统等第三方系统的无缝集成，以及对现场温度、湿度、风速等环境数据及现场烟雾、水浸等报警信息的数据采集和管理控制。

4.4 提高视频联动效率的实时内存技术

在软件启动时，创建一定量的内存块，存储从物理磁盘或者数据库读取的预置点映射关系表。当数据解析模块将IEC 61850报文解析并识别出预置命令和遥信变化后，即可将对应的摄像机ID等信息存入到内存关系表中。如此避免了当接收到IEC 61850报文后再从数据库或者其他介质中查询对应关系效率较低的问题，提高了视频联动的效率。同时，建立内存映射关系表到物理磁盘或者数据库的固化处理，可以保证任何时候都不会丢失变电站设备、摄像机编号、预置点等相关信息。这些信息在软件启动时会被联动服务器读取到内存中，建立相应的内存映射关系表。

5 结束语

以上介绍了组件化的IEC 61850规约转换器，设计并实现了数字化变电站的可视联动系统。该可视联动系统已经得到了实施应用，验证了系统的有效性和稳定性。从功能特点上，解决了传统变电站遥视系统监控范围宽泛、监视角度固定、监控功能单一、无法配合自动化系统状态来监视设备运行等几方面的不足，为数字化变电站实现无人值守提供了技术支持。

［1］涂光瑜，罗毅.电力遥视系统原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］IEC 61850［S］.Communication networks and systems in substations，2004.

［3］苏飞军.变电站遥视系统监控点的布置［J］.电力系统通信，2010，31(208):70－73.

［4］国家电力监管委员会.电力二次系统安全防护规定［M］.北京:电力出版社，2005.

［5］赵国安，郁斌，薛琳强.基于Linux嵌入式原理与应用开发［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［6］范建忠，马千里 .基于 WINPCAP的GOOSE报文捕获分析工具开发［J］.电力系统自动化，2007，31(23):52－56.

［7］窦晓波，吴在军，胡敏强，等 .与GOOSE联动的数字化变电站遥视系统［J］.电力自动化设备，2008，28(11):94－98.

［8］IEC 61850－7－2，Communication Networks and Systems in Substations Part 7－2:Basic communication structure for substation and feeder equipment－Abstract communication service interface(ACSI)［S］，2004.

［9］ISO/IEC 8824－1，ASN.1 Semantic Model［S］，2000.

［10］ISO/IEC 8825－1，Information technology–ASN.1 encoding rules:Specification of Basic Encoding Rules(BER)，Canonical Encoding Rules(CER)and Distinguished Encoding Rules(DER)［S］，2002.

［11］方丁.模块化流程设计原理及其在面向服务分析设计中的应用［D］.上海:复旦大学信息管理与信息系统，2008:95－100.

［12］沈树茂.COM组件技术的应用［J］.电脑知识与技术，2010，6(7):1718－1719.