IEC61850在电能量管理系统通信中的应用

庞宇峰

【摘 要】IEC61850标准是未来数字化变电站通信网络与系统的唯一国际标准，面向对象的信息模型和建模方法是IEC61850标准的核心，本文先总体阐述了IEC61850的建模过程，进而结合电能量管理终端的应用进行电能量管理终端的建模介绍。

【关键词】数字化变电站；IEC61850；智能电子设备；面向对象；信息模型

【Abstract】IEC61850 standard is the digital substation communication network and system of the international standard. Object-oriented information model and modeling method is the core of IEC61850 standard. This article overall expounds the modeling process of IEC61850 first， and then combined with the application of electric energy management terminal of electric energy management terminal modeling is introduced.

【Key words】Digital substation； IEC61850； Intelligent electronic equipment； Object oriented； The information model

0 引言

在智能变电站一体化监控系统中，需要接入大量的来自不同生产厂家的监控设备。采用传统的通信规约如IEC60870-5-102，Q/GDW376.1-2009，DNP3.0等，难以做到互联互通、即插即用，接入和维护的工作量都十分大。图1是智能变电站一体化监控系模型。

IEC61850为变电站自动化提供了统一的标准，实现了不同智能设备之间的无缝接入。随着IEC61850的逐渐成熟和广泛应用，其技术和方法逐渐推广至变电站自动化以外的其它应用领域，包括变电站与EMS主站之间的通信、水力发电（IEC61850-7-410）、分布式电源（IEC61850-7-420）、风力发电（IEC61400-25）等等。引入IEC61850采用统一的模型、统一的接口，实现主站与DRTU以及不同DRTU之间的互操作，从而解决大量DRTU的有效接入问题，减少维护工作量，是智能变电站通信的发展方向[1]。

1 IEC61850简介

IEC61850标准是IEC、IEEE与美国电科院（EPRI）合作的结果，其目的是建立一个真正的全球性标准，解决变电站自动化系统的互通互联问题。下面介绍IEC61850的采用的关键技术。

1.1 面向对象的数据模型

常规的通信协议（如IEC60870-5系列、SC1801、ModBus等）从各种自动装置接收数据需要三个处理过程。首先，装置把实际数据映射成适当的协议消息；将数据传递到请求者那里，并写入数据库中；最后，将数据以图形符号的方式显示给用户。存在的问题是，在协议消息传输过程中，其中一个数据与其他数据的关系丢失了，因此，必须映射协议消息与其他数据的关系（一般叫作交叉关系表映射）。在安装调试变电站自动化系统，处理所有的数据点时，（映射）配置工作非常耗费时间并且容易发生错误。

IEC61850采用面向对象的新方法，单一的数据是没有意义的，IEC61850将信息分为可以访问的逻辑信息组，例如保护信息、开关设备信息、测量信息组等。逻辑信息组被进一步划分为不同的逻辑节点。逻辑节点是组成变电站自动化应用功能，能够互相交换信息的最小实体，是变电站最基本的虚拟表示单元。每一个逻辑节点由代表一些特定应用功能的数据组成。按照定义好的通信方法与服务，包含在逻辑节点中的信息能够同其他逻辑节点交换。用户可以比较容易地研究和浏览这些逻辑节点，提取出所需要的信息。

图2给出了一个叫XCBR的逻辑节点的例子。这个逻辑节点代表一个IED模型中的断路器对象。XCBR包含一个数据类Pos，表示断路器的位置。这个数据类被赋予不同的属性。例如，状态值stVal表示断路器的分合位置。这样，断路器的信息可以通过访问具体的逻辑节点XCBR获得。假设已知一个包含断路器的IED模型，数据类XCBR的实例叫做XCBR1，则访问XCBR1.Pos即可获得断路器所有的位置属性信息，而访问XCBR1.Pos.stVal就可以获得断路器的分合位置信息。

一组逻辑节点组合在一起，完成一个具体的应用功能，它们可能分布在变电站内若干个实际物理设备中。图2所示的保护功能为例，它包含三个逻辑节点（HMI：人机界面、P：保护、XCBR：断路器）和一个独立的逻辑节点（TCTR：电流传感器），它们分布在断路器、电流互感器、保护装置三个具体的物理设备中。需要指出，在其他一些应用场合，这些逻辑节点有可能都集中在一个物理设备中。

一个物理设备可能包含多个逻辑节点。使用逻辑节点可以为一个具体的IED（例如单元层保护装置）建模，这些IED与变电站内的其他物理设备相互作用，完成具体的功能。一些逻辑节点可以认为是代表变电站内物理设备（例如断路器或电流互感器）的逻辑对象。其他一些逻辑节点只完成一部分功能。以开关或断路器控制为例，控制逻辑节点和断路器逻辑节点相互作用完成断路器的操作。如此，一组逻辑节点可逐步地建立起描述单元层装置控制行为的模块。

1.2 抽象通信服务接口

IEC61850总结了电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，设计出抽象通信服务接口（Abstract Communication Service Interface：ACSI），其应用功能、对象、服务与具体的技术及实现方法（通信协议）无关。ACSI提供6种服务模型：连接服务模型、变量访问服务模型、数据传输服务模型、设备控制服务模型、文件传输服务模型、时钟同步服务模型。它所定义的服务、对象、参数通过特殊通信服务映射（Specific Communication Service Mapping：SCSM）绑定到底层的应用程序（协议）中，例如绑定到MMS或IEC60870-5等应用层协议上。这使得IEC61850的应用可以适应各种网络。在底层网络发生变化的情况下，只需要改变相应的特殊通信服务映射即可。

1.3 面向对象的数据模型面向设备的自描述

IEC61850提供的模型覆盖了变电站自动化领域几乎所有功能和数据对象，并提供了扩展机制。因而在传输数据时，通过附带数据自我描述信息的方法，实现信息的自描述，数据在传到调度系统后，可以直接通过软件解析，简化现场验收工作，数据库维护工作量大为减少。

1.4 系统配置

因为IEC61850建立了统一的模型体系和统一的ACSI接口，并且支持现场设备的直接访问，因而在设备配置发生变化的情况下，调度系统可以很方便地得知配置改变情况，并据此进行更改。IEC61850包含了十个部分的内容。电力系统工程师和用户可能需要一些时间认识了解它。然而，随着对电力系统数据的需求越来越多，信息新技术的不断应用，IEC61850最终会成为处理变电站配置、模型和通信的主要标准。

2 IEC61850在电能量管理系统通信中的应用

由图3可知，一区和二区之间的防火墙开放相应的路由，使计量采集终端可以访问。常规普通电表通过RS485接入常规终端，多合一装置由于挂在Ⅰ区，需要通过防火墙开发路由接口，终端通过以太网接口的IEC61850-8-1访问多合一装置中的电量信息。

2.1 电能量管理终端设备模型

图4定义的模型中基本上都是采用了IEC61850-8-1中定义的LN，本文采用的是xml语言进行描述的。

2.2 信息交换模型

IEC61850-7-2定义了比较完备的抽象服务接口（Abstract Communication Service Interface，ASCI），包括基本模型规范和信息交换服务模型，信息交换服务模型包括核心服务、通用变电站事件（Generic Substation Event，GSE）模型、采样值（Sample Value，SV）传输模型、时间同步等。1.核心服务。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，主站与终端、终端与终端之间的通信都需要支持核心服务。2.GSE模型。通用变电站事件GSE包括面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Events，GOOSE）和通用变电站状态事件（Generic Substation Status Event，GSSE）。GSE采用广播方式，对传输的延时有严格的限制。

GOOSE是IEC61850定义的一种通信机制，用于快速传输变电站事件（如命令、告警等）。GOOSE利用了VLAN和优先等级等以太网特性，能够实现传输时间<4ms。配网自动化对于通信的实时性要求相对较低，并且终端设备的数量比较大，为避免出现大量的广播信息造成网络的堵塞，建议不采用GOOSE模型。

2.3 通信服务映射

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IEC 60870-5-101/104。1.映射到MMS：IEC61850-8-1中详细定义了用户/服务器模型映射到MMS的实现方式。MMS底层采用TCP/IP，编码格式采用ASN.1。在配网自动化中采用以太网，以MMS+TCP/IP来实现网络通信是一种比较可行的实现方式。2.映射到IEC60870-5-101/104：IECTC57制订了IEC61850与IEC60870-5-101/104之间信息交换的导则IEC61850-80-1。通过IEC61850-80-1可以完成IEC61850向IEC60870-5-101/104的数据模型的映射，用于变电站与控制中心的通信。

IEC61850-80-1对于信息模型能够很好的进行映射，但对服务模型支持的不够好，比如Server的Get Server Directory、Logical Device的Get Logical-Device Directory等偏重于信息模型自描述的部分在IEC60870-5-101/104中没有相应的实现。这主要由于两种标准所采用模型不一致造成的，对于这些不能映射的部分可以采用Web Service、文件传输，或者对IEC60870进行扩展，添加相关的应用来实现。

3 结语

本文对IEC61850在电能量管理系统通信中的应用背景进行描述，介绍了IEC61850面向对象的数据模型、抽象通信服务接口及系统配置及面向对象的数据模型面向设备的自描述，举例说明了IEC61850在电能量管理系统通信中的应用，详细阐述了电能量管理终端设备模型、信息交换模型及通信服务映射。

【参考文献】

[1]国家电网公司.Q/GDW 383-2009智能变电站技术导则[M].中国水利水电出版社，2009，12.

[2]罗四倍，等.基于IEC61850标准面向对象思想的IED建模[J].电力系统保护与控制，2009，17：88-91.

[责任编辑：杨玉洁]