基于IEC 61850标准的智能水位变送器研究

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(四川水利职业技术学院 电力工程系，成都 611231)

基于IEC 61850标准的智能水位变送器研究

冯黎兵，刘一均，陈荣，郑嘉龙，杨鸽

(四川水利职业技术学院 电力工程系，成都 611231)

为提高智能水电厂水位测控装置的智能化程度，提出了一种智能水位变送器的设计方案。通过对智能水电厂通信网络结构方案的分析，指出数据格式无法满足智能电网技术的通信要求；明确智能水位变送器的通信功能需求，在此基础上搭建智能水位变送器系统硬件平台；然后按照IEC 61850标准要求建立智能水位变送器的信息模型，完成通信服务配置并给出了系统组成框图。最后设计了一套实验方案，在2台电脑上运行IEDScout模拟软件接收数据，使用Wireshark软件抓取并分析MMS数据包。实验结果表明:构建的信息模型能满足水位数据使用IEC 61850标准通信的要求，信息具有共享性和自描述性;所搭建的系统平台通过信息模型重构或扩展可以满足其他非电量数据的采集处理需要，符合一次设备智能化的建设战略要求。

IEC 61850；水位变送器；智能电子设备；服务端建模；智能水电厂

1 研究背景

IEC 61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，利用数据模型强大的自描述能力，可使数据交换各方不经事先约定而实现良好的互操作性。

在我国智能变电站和智能水电厂建设过程中，由于市场上缺乏相应的智能电子设备(intelligent electronic device，以下简称IED)，因而对压力、液位、温度等非电量参数的测量只能采用折中处理办法，即：将相关传感器输出的4～20 mA或0～5 V模拟量信号通过电缆传输至智能可编程控制器或智能微机测控装置的模拟量输入模块，经A/D转换后予以识别和利用，并将该数据纳入遥测数据集以MMS协议发往站控层数据平台供实时监视使用。这种处理方式不符合智能电网“一次设备智能化、二次设备网络化”的技术要求[1]，数据信息的共享性较差，相关IED设备建模复杂，同时也不利于产业链上不同厂家的分工协同。目前，国内符合IEC 61850标准的非电量变送器还未见相关文献报道，也未见相关专利请求，因此对基于IEC 61850标准的智能水位变送器的研究具有必要性，能以此辐射智能水电厂其他非电量数据的采集与发送，并促进相关测控仪表或装置的技术进步。

水位远程自动化测量系统是由水位传感器、智能变送器和后台应用软件3部分构成，伴随传感器向网络化、数字化、智能化方向发展的需要，传统水位传感器通过配装智能变送器实现水位信息的网络传输已经成为近年来的研究重点[2]。张文[3]通过配装GSM通信模块实现水位数据的无线传输；刘红乐[4]将水位传感器与物联网技术进行结合，提出了一种网络化数字水位传感器处理方案；韩凯州[5]则在多个传感器节点无线组网的基础上，实现了水位数据的整体以太网方式远传；马珺等[6]提出了一种配装检索式数字水位传感器的智能变送器系统，采用RS-485总线、Modbus协议这种最常用的通信接口方案，从信号采样到数据传输各环节均实现了数字化，具有较强的应用前景。

通过查阅国内外公开的文献报道[7]并予以归纳总结，可以看到在水位传感器数字化、网络化、智能化发展方向上已经产生了较多研究成果，但无论哪种处理方案，因其数据格式不符合IEC 61850标准要求，其研究成果均无法直接应用于智能水电厂建设。

2 通信需求与系统构成

2.1 需求分析

图1 智能水电厂网络结构方案Fig.1 Network structure of intelligent hydropower plant

依据IEC 61850标准所定义的“三层两网”网络结构方案，智能水电厂通信网络构成方案通常如图1所示[8]。由图1可知，需要获取水位信息的间隔层IED设备主要是辅机自控装置、微机调速装置和在线监测装置，这些设备与属于过程层设备的水位传感器之间理论上应该采用SMV(采样测量值传输)网络通信。但是，基于IEC 61850-9-1标准的SMV网络是一种“点对点”通信网络，数据的共享性不足，且通信数据为原始二进制数据，需要客户端配装相应的解码软件，故一般只用于电子式电流、电压互感器与微机保护装置之间的数据交换；基于IEC 61850-9-2标准的SMV网络虽具备“一点对多点”通信功能，但因电流、电压采样点多、采样频率高导致通信时会占用较多网络资源，且智能水电厂过程层网络一般采用GOOSE与SMV合并组网方式，为保证实时性要求更高的GOOSE信号享有尽可能大的通信带宽，所以该通信方式一般只用于电流、电压测量合并单元与间隔层IED设备之间的数据交换[9]，其他模拟量的测量数据不宜再使用GOOSE/SMV网络传输。

鉴于以上实际情况，且水位信息传输的实时性要求并不高，故智能水电厂网络结构可优化为图2所示方案。

图2 智能水电厂网络结构优化方案Fig.2 Optimized scheme of network structure of intelligent hydropower plant

图2中，隶属于其他智能测量装置的智能水位变送器可视为服务端，需要获取该水位信息的其他IED设备可视为客户端，采用C/S通信服务模式通过MMS网络进行数据交换。因间隔层IED设备均具备MMS报文解析功能，所以可方便地获取水位信息。

2.2 系统组成

根据以上需求分析，智能水位变送器仅需采集水位传感器的数据并按照IEC 61850标准处理后发送至间隔层MMS网络，供相关IED设备共享使用，故智能水位变送器系统的组成方案如图3所示。

图3 智能水位变送器系统组成框图Fig.3 Block diagram of the intelligent water level transmitter system

在图3中，基于Inter ATOM N2800处理器的嵌入式工控主板具备2个千兆以太网通信口，能满足智能水电厂站控层MMS千兆双网通信要求[10]，且支持RS-485,RS-232,USB及无线WiFi等主流通信方式，能与现有数字化水位传感器无缝对接，具有较强的扩展性；选用自带看门狗电路和传感器断线监测功能的工业级A/D采集模块采集多路水位传感器输出的4～20 mA或0～5 V模拟量，经A/D转换后以RS-485串口与主板通信交换数据。也可配装基于PCI,PXI总线技术的数据采集模块，满足并行高速数据传输要求；选用基于STM32芯片组的3.5寸工业级串口显示屏作为就地显示装置，通过PL2303HX芯片转换后与主板USB接口进行数据交换，实现就地显示功能。

以上系统具有组态简单、易于集成、调试方便和体积较小等特征，能适应工业现场较为恶劣的运行环境，可就地组屏安装。

3 服务端模型构建

IEC 61850标准是通过构建IED设备的信息模型，以抽象通信服务接口描述设备对外提供信息模型的功能，然后通过特殊通信服务映射将抽象通信服务接口映射到OSI 7层模型的应用层[11]。在具体工程实践中，通信服务的映射已有较为成熟的解决方案，装置开发的关键是设备信息模型的构建。

3.1 建模原则

IEC 61850标准采用分层思想定义了服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性5层嵌套的结构化信息模型，任何一个物理设备都可以抽象为一个包含以上5个信息层次的IED设备[12]。其中，服务器模型代表设备的外部可视功能，是设备的通信接口，可根据其通信功能需求确定访问点名称与数量；逻辑设备是一种虚拟设备，主要用于存放被访问和引用的信息列表，故一般按物理设备的功能类别(如测量、保护、报警等)确定逻辑设备数量及名称；逻辑节点则代表设备执行数据交换的具体功能，是整个建模的核心[13]。通常情况下对设备进行功能分解后(如测量功能可继续分解为电流、电压、频率测量等)，依据完成功能所需要进行数据交换的对象，从IEC 61850-7-4中选择对应的逻辑节点创建信息模型，特殊情况下也可以根据标准的规定进行逻辑节点扩展来满足建模需要。应当注意的是，任何一个逻辑设备下还必须包含2个特殊逻辑节点:LLN0逻辑节点是管理性质逻辑节点，用于存放数据集和控制块等通信服务信息;LPHD逻辑节点则是存放诸如铭牌、自检等物理信息的逻辑节点[14]。此外，IEC 61850-7-4是按功能类定义逻辑节点，故建模时还应根据功能数量对同类逻辑节点进行实例化(如电流测量逻辑节点TCTR，可实例化为A相电流TCTR1、B相电流TCTR2等)；逻辑节点下所包含的数据对象和数据属性是信息交互的具体内容，继承自逻辑节点类，须严格执行标准规定才能确保设备互操作，若数据对象带“O”标识，可视具体情况裁剪。

3.2 建模方法

根据以上原则，从IEC 61850-7-4中选择“HLVL类”逻辑节点建模。该逻辑节点类用于表示基准面之上的水位高度，其数据对象及数据属性见表1。

表1 HLVL逻辑节点类的数据对象Table 1 Data objects of the HLVL logical node class

注：M为强制实施；O为可选实施

表1中，公用逻辑节点信息是任何一个逻辑节点都必须包含的数据对象，通过系统配置赋值。测量值数据对象“LevM”相当于一个有名变量，用于存放来自于生产过程的数字化水位数值。状态信息和控制信息中的数据对象均带有“O”标识，可视具体情况裁剪。此外，也可根据功能需要按照IEC 61850标准的规定扩展数据对象，如：增加“报警信息”数据对象。

因篇幅所限，仅以完成四路水位数据发送功能为例，对表1中的数据对象进行裁剪，只保留强制数据(“M”标识)，构建的智能水位变送器信息模型如图4所示。

图4 智能水位变送器的信息模型Fig.4 Information model of intelligent water level transmitter

图4中，LLN0和LPHD是逻辑设备模型必须包含的逻辑节点，HLVL1—HLVL4是逻辑节点类的实例化，分别代表四路水位数据信息。因只需完成水位测量功能，故逻辑设备类建模为1个LD实例，命名为MONT01。同理，因本装置只需实现单个MMS网络通信，故只需在SERVER实例下建模1个访问点，访问点名称为S1。

通过引用逻辑节点HLVL1—HLVL4下的数据对象LevM和NamPlt组成数据集dsMeasure，选择和调用ASCI核心服务并对报告服务控制块进行设置就可以完成信息交换服务模型构建。因NamPlt数据对象可以描述铭牌信息，在数据集中引用后，所报告的水位数据就带自描述信息，故将其纳入数据集同步报告。

3.3 建模结果

IEC 61850标准为确保设备间具有良好的互操作性，专门规范了对系统进行配置描述的语言，所以还需根据以上信息模型，使用SCL语言按规范编写智能电子设备的ICD文件(设备自描述文件)。设备投运前，还应根据系统集成商提供的系统配置文件修订本设备的实例名称及通信参数等相关信息，进而生成CID文件(IED装置的实例化配置文件)，再装载到智能电子设备中即可实现互操作[15]。具体工程实践中，也可使用第三方提供的配置工具和ICD模板文件来简化信息模型及通信服务模型建模与配置工作，建模结果如图5所示。

图5 信息模型构建结果Fig.5 Results of information model building

4 实验结果

为验证以上信息模型、通信服务模型及程序能否满足IEC 61850 MMS网络通信要求，设计仿真实验方案如图6所示。

图6 实验方案流程Fig.6 Flowchart of the experimental program

图6中，使用2套信号发生器分别输出变化范围为4～20 mA和0～5 V的电流、电压信号，模拟工程实践中常用的2类传感器。使用2台PC模拟2个客户端并装载IEDScout软件(智能电子设备客户端测试软件)及MMS报文抓包分析软件Wireshark，经以太网交换机将智能水位变送器与2台PC建成局域网并配置IP地址。通过观察和比较信号源、智能水位变送器及客户端测试软件三者间显示的数值，可以判断智能水位变送器的信息模型与通信服务模型的可识别性、准确性及共享性。

按照以上方案，通过手动调节信号源输入的电流、电压数值，可以观察到智能水位变送器装置在输入数据变化时能自动向2个客户端发送报文，在数据无变化时也能周期性地向2个客户端发送报文，报文能被客户端PC的IEC 61850测试软件识别和利用，信号源、就地装置与客户端三者之间显示的数值具有一致性。

5 结 论

通过以上研究和实验验证，可以得出以下结论：

(1) 传统水位传感器通过配装智能变送器可以实现基于IEC 61850标准的数字化通信，其信息具有很强的共享性和自描述性。若将智能变送器与水位传感器就地配装，还能有效解决传统模拟量采集方式无法避免的干扰问题，使其具备数字化、网络化、智能化特征，从而升级成为智能电子设备。

(2) 通过重构或扩展信息模型与服务模型，本系统平台可用于其他非电量数据(如压力、温度等)的采集与处理，还能扩展出报警、控制等功能，具有较强的可移植性，能满足智能水电厂建设需求。

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(编辑：陈 敏)

An Intelligent Water Level Transmitter Based on IEC 61850

FENG Li-bing, LIU Yi-jun, CHEN Rong, ZHENG Jia-long, YANG Ge
(Department of Electronic Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu 611231，China)

To improve the intelligence of water level measurement and control devices in intelligent hydropower plant, we present an intelligent water level transmitter in this article. Through analysis on the communication network structure of hydropower plants, we point out that the data format does not meet the technical requirements of smart grid, and expound the demand for intelligent communication function of transmitters. On this basis, we build a hardware platform for smart transmitter system, and establish the information model of smart transmitter in line with IEC 61850 standard. Furthermore, we complete the communication service configuration and give the block diagram of the intelligent transmitter system. Finally, we design an experimental program of running IEDScout software to

ata on both two PCs, and captured and analyzed MMS packet by Wireshark. Experimental result shows that the constructed information model and communication server mode meet the requirement of water level data posed by IEC 61850 standard. The information is self-descriptive and has a strong character of sharing. With the information model reconstruction or expansion, the system platform has the capacity to meet other non-power data’s acquisition and processing requirements, which is in line with the strategic requirement of primary equipment intelligence.

IEC 61850; water level transmitter; intelligent electronic device; server mode; intelligent hydropower station

2016-05-28；

：2016-07-20

四川省教育厅自然科学类重点科研项目(16ZA0439)

冯黎兵(1972-)，男, 四川成都人，副教授, 主要研究方向为水电厂自动控制，(电话)13678123237(电子信箱)43044784@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160533

2017,34(9):154-158

TM764；TP212.6

：A

：1001-5485(2017)09-0154-05