基于IEC61850的通讯管理机与远动工作站一体化的设计与实现

哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司 张 卓 张大明

1.引言

作为全球统一的变电站网络与通信协议IEC 61850，其主要目标是实现“一个世界、一种技术、一种标准”，实现设备之间的互操作，实现变电站自动化系统无缝集成。以往，几乎所有的设备生产商都具有一套自己的通信规约，通常一个传统变电站可能有多个厂商的协议同时在使用，一个变电站需要使用不同厂家的产品，整个电网里运行的规约多达上百种，因此在变电站智能化改造过程中，必须进行规约转换，ARF850通信管理装置既能以客户端模式与数字化保护装置通讯，作为远动系统、站级监控系统等，也能以服务器模式与不提供以太网通讯的间隔装置（如保护装置、电度表、直流屏、调度中心等）直接通讯，起到规约转换器的作用。

2.IEC 61850标准介绍

IEC61850标准是基于通用网路通信平台的变电站自动化系统性的标准。该标准主要特点有以下几个方面：

（1）信息分层。变电站通信网络和系统协议IEC 61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口。

（2）面向对象的数据对象统一建模。IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户都可利用抽象通信服务接口（ACSI）通过服务器访问数据对象。

（3）数据自描述。与IEC 60870-5系列标准采用面向点的数据描述方法不同，IEC 61850标准对于信息均采用面向对象的自描述。该自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收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。

（4）抽象通信服务接口（ACSI）。IEC 61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，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。

3.远动通信管理装置ARF850智能化装置的研发

3.1 基本配置

ARF850通信管理装置采用Embedded Intel®Celeron®CPU，支持Socket 479，内存为1GB DDR SO-DIMM，6个10M/100M自适应网口，配置串口转换插件，由于串口的类型采用模块化的方式，所以，您可以根据实际需求选择每个口的输出方式，所有串口均带光电隔离和TVS防雷保护，电源为220V交直流两用或110V直流。

3.2 通讯管理机及远动工作站一体化功能

ARF850智能化装置软件系统采用Vxworks嵌入式实时多任务操作系统，根据规约组态文件的配置，动态装载第三方规约任务，各种组态文件和配置文件可在线读取。内置众多已经联调通过的通讯规约，如：DL451-91、扩展DL451-91、IEC870-5-101、扩展IEC870-5-101、IEC870-5-104、扩展IEC870-5-104 等规约。

3.2.1 远动工作站功能

远动工作站功能的实现是通过在IEC61850通讯平台 库(v2.00版)COSMOS基础上实现客户端的程序设计，同时通过SISCO公司的MMS通讯协议的封装软件包MMS-LITE，实现IEC61850对象服务，通过启动IEC61850Client任务来启用IEC61850客户端的通讯功能。

IEC61850Clientren任务的程序设计流程分为六部分：

①初始化程序环境

程序环境初始化包括多线程环境的初始化、时钟初始化，全局变量初始化、内存管理初始化、调试log初始化以及网络初始化等。

②设置用户回调函数指针

用户回调函数是用户编写的用户处理函数，要想使用户处理函数在平台库里得到调用，就必须设置用户回调函数指针。

③初始化站点管理

站点管理初始化步骤很简单就是调用站点管理初始化接口函数就可以完成对站点管理的初始化步骤.

图1 智能牵引变电所网络结构图

④设置服务器连接标志

在初始化完成后，需要调用设置服务器连接标志接口设置连接标志，以使客户端和服务器进行连接。

⑤启动网络事件处理线程

启动单独的线程对客户端状态进行处理以及对网络数据接收处理。

⑥用户处理程序

使用平台库中的所有服务，以达到接收及发送数据的目的。

3.2.2 通讯管理机功能

通讯管理机功能的实现是通过SISCO公司的MMS通讯协议的封装软件包MMSLITE，实现IEC61850对象服务，通过启动IEC61850Server任务来启用IEC61850服务器端的通讯功能。

IEC61850Server任务的程序设计流程分为六部分：

①装置初始化：进行硬件通道个数、类型参数、信号量、消息、计时器的初始化。

②启动主程序任务：启动开入开出信息的采集、处理、存储以及与液晶的通讯程序。

③图形化编程初始化：根据保护图形化编程组态配置文件进行逻辑组态初始化。

④启动服务器通讯任务：建立IEC61850系统对象空间，解析配置文件，获取参数信息，调用应答处理函数，从对象空间中获取值。

⑤通讯数据处理程序：负责数据格式的转换，将接收到的符合IEC61850要求的数据转换为符合远动工作站要求的数据。

⑥启动记录读写管理任务：负责记录的非易失写入和上电记录管理。

4.应用实例

ARF-850系列通信管理装置(以下简称装置)主要用于各电压等级变电站和电气化铁路牵引变电所、开闭所、分区所等，和当地计算机、保护测控装置一起构成变电站自动化系统，是变电站综合自动化系统的重要组成部分。ARF850远动通信管理装置在智能化牵引变电所中的应用实例如图1，远动通信管理装置实现变电站与各级调度系统之间的通信功能，使调度端实现对变电站实现远方的监视和控制。远动通信管理装置采用直采直送模式工作，运行独立于监控后台系统，互不影响。远动动通信管理装置既能以IEC61850客户端功能与智能化保护装置通讯，同时又能以IEC61850服务器端功能与监控后台系统通讯，对间隔层使用IEC61850进行接入，对调度系统使用规约进行接入（可配置可选择）。

5.结论

IEC61850协议体系标准实现是未来数字化电力自动化系统的发展方向，是数字化变电站系统实现的基础。随着IEC61850在数字化变电站的实施与推广，通信管理装置ARF-850产品必将在由传统自动化系统向数字化系统转化方面发挥巨大作用，同时适用于传统自动化系统改造项目，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础，发展前景十分广阔。

[1]冯军.智能变电站原理及测试技术[M].中国电力出版社,2011.

[2]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J].电网技术,2001(25).

[3]韩滨.基于IEC61850标准的变电站通讯平台库设计与实现[J].电子世界,2012,4.

[4]孔祥营,柏桂枝.嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado[M].北京中国电力出版社,2002.