用于电能质量监测的IEC61850协议转换策略研究

2018-03-08高金峰杜云朋

郑州大学学报（理学版） 2018年1期

高金峰，杜云朋

(郑州大学电气工程学院河南郑州 450001)

0 引言

随着太阳能发电、风力发电等分布式能源的接入和非线性用户的增加，电能质量问题愈加受到关注.只有对电能质量做出实时可靠的监测与分析，才能制定有效的措施来提高电能质量[1].

用于电能质量数据传输的规约很多，比如MODBUS、IEC61870-5-101标准、IEC61870-103标准、IEC60870-5-104标准以及大量的私有协议.这些协议都是面向报文的协议[2]，导致了电能质量监测网建设过程中出现不同厂家设备兼容性差、数据共享困难、监测平台运行效率低下等问题[3].

要实现数据的共享，电能质量监测设备必须要遵循一致的信息结构和服务模型.现有部分监测系统采用PQDIF作为一种标准的转换格式，解决了不同文件格式之间的数据转存问题[4].但考虑到实际应用，PQDIF在历史数据、实时数据、SOE数据、波形数据等存在较大的局限性[5-6].IEC61850是一种面向对象的建模语言，定义了统一的信息模型和服务模型，通过SCSM映射到底层通信栈[7-9].通信协议栈的变化，以及电能质量监测设备硬件结构的升级并不影响上层的信息和服务模型，能够很好地适应通信的快速发展以及硬件的不断升级.IEC61850第二版中兼容逻辑节点类部分，扩充了测量类逻辑节点(M-),新增加了电能质量事件分析类逻辑节点(Q-)，使得电能质量监测系统完全采用IEC61850成为可能.所以把IEC61850引入电能质量监测系统是一种必然趋势[3].但实际中基于传统协议的设备已占有较大市场，在很长一段时间内，支持传统协议的电能质量监测装置与基于IEC61850的装置将共同运行于IEC61850系统.现有关于电能质量监测设备通信协议的研究主要集中在基于IEC61850规约的信息与服务模型的建立[10-11].文献[12]通过模型映射和对SCL文件进行扩充的方法建立了MODBUS TCP到IEC61850的协议转换.MODBUS支持多种电气接口和传输介质，并且帧格式简单、紧凑，在电力检测等领域得到了广泛应用[13].所以研究一种能够实现MODBUS网络无缝接入IEC61850系统的装置是很有意义的.

本文通过综合分析电能质量的数据和功能需求，MODBUS RTU协议帧格式，IEC61850规约信息模型、服务模型以及模型映射有关问题，提出一种通过建立代理服务器，以数据转存的方法实现基于传统协议MODBUS的监测装置与基于IEC61850规约的通信网络的无缝连接.对其他协议接入IEC61850系统具有借鉴意义.

1 规约转换原理分析

1.1 一般协议映射原理分析

无论是传统的通信协议还是IEC61850面向对象的通信规约，要正确地完成数据的交互，必须定义统一的寻址方式、一致的数据结构和一系列服务集合.通信过程为根据寻址方式正确地寻到设备，通过服务集合，操纵设备中具有一定存储结构的数据实现数据传输.传统的通信协议将地址、服务和数据结合起来，整合到一个数据帧中.而IEC61850面向对象的通信协议则分别定义了ACSI通信服务、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性等一系列的类型来组织数据，并根据服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性组成引用来正确地寻址得到数据.

通过以上分析可知，要想实现不同协议的转化，需要从3个基本方面来进行映射：

1) 选址方式的映射；2) 数据结构的映射；3) 服务集合的映射.

结合MODBUS等面向报文的协议和IEC61850面向对象的协议，把两者映射方式总结如表1所示.

表1 面向报文协议和面向对象协议的映射关系

1.2 所提方案的特性分析

IEC61850模型中的逻辑设备、逻辑节点等类型是物理装置相关功能虚拟映射，基于IEC61850标准的监测终端在硬件和软件接口方面已经按照标准进行了映射，可直接运行于IEC61850系统.文中所提方案的原理是在物理装置层与IEC61850系统层增加中间层，用于完成数据和服务的标准化转换.除了完成所需要的转换之外，本方案还具有3个特点：

1) 通过二次映射，实现IEC61850层与装置层的解耦，利于IEC61850系统的稳定性.而基于SCL或数据类型扩充的方案，需要改变IEC61850层的结构，会增加系统集成的复杂性.

2) 由于增加了中间层，可以在这一层上运用当下最流行的技术，比如大数据处理等.中间层会屏蔽掉这些技术的更新对装置层和IEC61850系统的影响.

3) 能够把系统层或装置层的一些费时和对存储要求高的处理过程放在中间层，降低装置的造价，提高系统的性能.基于修改IEC61850配置方式和扩充类型的方法并没有这种优势.

2 监测系统数据和功能需求分析

根据电能质量装置运行实践，结合IEC61850规约第二版对测量功能的类型定义，这里把电能质量监测数据主要分为3类：

1) 稳态数据.稳态数据是电能质量监测装置长期监测，包括3 s实时数据(基本测量值)、统计数据(为了便于稳态趋势的分析和报表的生成，文章选用3 min作为统计间隔，统计指标有：最大值、最小值、平均值、95%概率值等)、报表数据(对完整日内的实时数据和统计数据进行统计).

2) 暂态数据.用于超限监测、事件暂态捕获，记录事件发生时的特征值、波形数据，并用精确时标来标注时间.

3) 装置自检数据.对装置自身的运行状态进行监控，例如通信状态、装置掉电、内存监控等.

为了完成电能质量监测数据传输，保证监测信息的完整正确，代理服务器需具备3种主要功能：

1) 通信功能.代理服务器对下位机来说充当客户机，基于传统通信协议(如MODBUS)通信，对上充当标准IEC61850工作站，完成面向对象的数据类型和服务向MMS协议上的映射以及TCP/IP+以太网的通信.

2) 对时功能.较常用的对时协议有SNTP、IEEE1588、脉冲对时等.根据电能质量监测装置对时间精度和经济性要求，应运用SNTP软对时方式.

3) 配置功能.通过配置文件的传输，可以完成互通信装置对各自功能和信息结构的匹配，避免不必要的错误.

3 基于IEC61850规约的建模分析

3.1 基于IEC61850的信息建模

IEC61850按照面向对象的思想定义IED的信息模型，信息模型采用分层的结构，依次为：server(服务器)、logical device(LD逻辑设备)、logical node(LN逻辑节点)、data object(DO数据对象)、Data Attribute(DA数据属性).每一个IED包含一个或多个服务器，每个服务器包含一个或多个逻辑设备，每个逻辑设备包含至少3个逻辑节点(LLNO、LDPH和至少一个核心逻辑节点)、每个逻辑节点包含一组数据对象，每个数据对象包含一组特定的数据属性.

IEC61850根据变电站常用的功能，定义了标准的兼容逻辑节点类和兼容数据类，数据类型的属性由IEC61850-7-3所定义的公共数据类确定.每种类中封装了数据对象和服务，具体装置应该根据实际功能选用类型中所定义的数据和服务.对于一些标准中无法满足的功能，可以根据标准规定定义新类型或对已有类型进行扩充.

3.2 基于IEC61850的电能质量信息模型分析

稳态测量功能.在电能质量监测装置正常运行时，该功能逻辑节点主要完成实时数据的监测(分相及总的有功、无功、视在功率、功率因数、谐波、谐波因数、电压不平衡度等)，并根据实时数据得出统计和报表数据.该类逻辑节点如表2所示.

暂态事件监测功能.该功能主要用来监视电压暂升、电压暂降、电压中断及电压和电流瞬变等暂态事件.和暂态事件相关的逻辑节点包含在逻辑节点Q组中，它们能够实现对电压有效值越线等暂态事件的捕捉，具体的暂态逻辑节点的选取如表3所示.

表2 稳态测量逻辑节点

表3 暂态逻辑节点

异常记录以及自定义触发功能由逻辑节点RDRE承担，当暂态事件逻辑节点监测到暂态事件时，触发该逻辑节点完成波形记录功能.另外，客服端软件可以设置RDRE的RcdTrg实现自定义触发录波.物理装置的状态变位信息由逻辑节点GGIO完成.LDPH主要用于记录其所在物理装置的信息，包括装置铭牌信息、装置自检信息等.LLNO用于记录其所在的逻辑设备的公共信息，比如各种报告控制块、日志控制块、数据集、定值组等信息.该类逻辑节点的选用如表4所示.

3.3 基于IEC61850的数据传输模型

由于系统中监测点众多、指标各异，为了充分运用网络带宽，避免通信拥堵和信息丢失，IEC61850定义了数据集.数据集把具有相同特性的数据组成数据集合，在报告控制块的控制下，主动上送.另外，为了保证在通信终端断网等情况下，保证信息的完整性，IEC61850定义了日志模型，系统总站根据需要调用服务器的日志数据.对于不同的数据集，所需要的传输方式如表5所示.

表4 系统逻辑节点

表5 数据类型和传输形式表

4 MODBUS规约分析

MODBUS协议是OSI模型第7层的应用层报文传输协议，具有多种实现形式.本研究选择RS-485总线作为物理层，选用MODBUS RTU作为应用层协议来实现MODBUS通信.MODBUS RTU是一种面向报文的主-从协议.

图1 MODBUS的ADU结构Fig.1 Structure of MODBUS ADU

4.1 MODBUS RTU数据帧分析

MOBUS协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(ADU)，特定的信息首先映射到应用层ADU，然后再进行链路层编码，再通过物理层RS-485总线进行传输.MODBUS协议的ADU如图1所示.

仿照MMS应用层协议，这里把MODBUS的ADU也分为地址部分、信息部分与功能部分.

地址部分：附加地址；

信息部分：数据、数据校验以及错误信息；

功能部分：功能码.

附加地址为物理设备在总线上的地址引用以及数据在存储单元的首地址引用，用于和IEC61850规约中的实例引用相对应；数据中包含数据所占用存储器的大小以及需传输的数据，其中数据和数据所占存储单元的大小与IEC61850定义的数据和数据属性类型对应.MODBUS定义了十分丰富的功能码、子功能码，用于说明数据帧所要完成的功能，对应于IEC61850中的服务.

4.2 MODBUS在电能质量监测上的应用

选取合适的存储结构和功能码是正确实现MODBUS的必要条件.下面根据电能质量监测数据的特点来选取存储结构和适当的功能码.

MODBUS根据数据的存储结构和访问权限，把数据分为4类，分别存储在4张表中，如表6所示.

本文把4种性质的数据分配给4个独立的存储区，每个存储块的地址引用从0开始，并且连续.数据的地址引用要和实际地址的存储地址一一对应.因为不同的数据类型对应不同的功能码，所以不同类型，但具有相同引用的地址引用号并不会产生混淆.

根据表6的数据分类方法，我们可以把电能质量用到的数据类型和上述基本表所定义的基本类型一一对应，以实现数据的分类存储和管理，具体对应关系如表7所示.

表6 MODBUS数据模型基本表

表7 数据对应关系

以位组的形式存储告警事件，并事先定义好每一位代表的意义.手动触发信息，需要由代理服务器接收系统总站的触发消息，然后通过改变下位机的状态位，来触发下位机活动，所以需要可读写的位组来存储这些状态位.由于基本的测量、SOE等数据都是只读量，所以存储在输入寄存器表中.而对于一些设定值，配置信息则需要由上位机配置，所以存储在可读写的保持寄存器中.

MODBUS定义的功能码较多，能够实现丰富的数据传输方式.根据MODBUS在电力系统中的应用，本文所选用的功能码和所对应的电能质量信息如表8所示.

5 代理服务器的通信过程分析

5.1 系统结构分析

图2 系统基本结构图Fig.2 Basic struction of system

所设计系统为3层两网系统，代理服务器对下作为客户机，对上作为标准的IEC61850电能质量监测装置，上文中基于IEC61850所建立的模型都是电能质量监测终端在代理服务器中的映射.图2为系统的框图.

下位机完成数据采集与指标计算，和上位机按照MODBUS协议上送实时数据、状态变量、告警信息、异常状态信息等指标.代理服务器作为客户机，按上文中所选用的功能码，以轮询的方式从下位机取得实时数据和其他一些信息，然后根据所取得信息进一步处理[14-15].

5.2 MODBUS和IEC61850信息与服务模型映射

MODBUS定义了4种寄存器，分别存储不同数据类型的信息，代理服务器读取下位机寄存器中的数据，对应存入IEC61850所定义的数据模型之中，结合表8对电能质量数据类型的分类，它们的映射关系如下：

1) 离散量输入是一种只读状态量，用以反映电能质量监测装置的告警信息，比如装置掉电、网络中断、稳态越线、计数等.在IEC61850中用公共数据类SPS、INS表示.

2) 线圈是一种可读写状态量，用以表示可控状态量，映射为公共数据类中的SPC、ING.

3) 输入寄存器作为只读模拟量，用以表示监测装置的稳态数据、报表统计数据、暂态数据等，映射为公共数据类中的MV、WYE.

4) 保持寄存器作为可读写模拟量，用以表示可控模拟量，比如装置参数设定和稳态超限值的设定等，映射为ASG.

基于IEC61850的代理服务器和系统总站的数据交换主要是通过报告和日志实现.报告和日志并不涉及ACSI到功能码的映射.在报告之外的一些系统总站的数据召唤，需要ACSI向特定功能码的映射，具体映射如表9所示.

表8 功能码与电能质量信息的对应关系

表9 MODBUS功能码与ACSI服务映射

5.3 离散量输入表中数据的处理过程

离散量输入表存储的是只读位组信息，图3就是上位机对该数据类型的处理过程，图中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

代理服务器读取下位机的位组数据，然后判断位组中的数据变位，再根据数据变位所代表的告警信息类型，读取下位机中的告警信息，再把上召的告警信息组成数据集，以报告的形式把告警信息上传给总站，并储存在日志中[16-18].

5.4 线圈状态表中数据的处理过程

线圈状态表存储的是可读写的位组数据，主要用于状态触发(在电能质量监测系统中主要是人为触发).下位机根据这些位的状态变化，做出合适的动作，完成人机交互.下面以手动录波为例详细叙述这一过程，图4为该过程的框图，图中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

图3 只读位组数据的处理过程Fig.3 The process of read-only bits

图4 可读写位组的数据处理过程Fig.4 The process of read-and-write bits

系统总站做出手动录波命令，代理服务器收到这个命令，映射到特定功能码，将下位机代表录波命令的状态位改变.下位机根据状态位的变化，开始记录波形.下位机记录波形之后，将离散量输入表中代表故障波形完成位的状态改变.当代理服务器读取该位组并判断位组的改变信息后，就会以适当的功能码在存储波形数据的输入寄存器中读取该波形文件.代理服务器完成波形文件的读取之后，再以报告形式上送系统总站，并存储在日志中.

5.5 输入寄存器表中数据的处理过程

输入寄存器表是以数据字节为单位的只读数据表，是电能质量监测系统中应用最广的存储格式.图5给出了数据的具体处理过程，图中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

下位机的主要功能就是监测并记录实时数据、SOE(sequence of event)数据、波形数据，这些数据并不需要人为的改变，所以记录在只读寄存器中.代理服务器根据系统总站，或是根据数据变位，通过合适的功能码读取其中的数据，做一定的处理，再以报告或日志的形式上送总站.

5.6 保持寄存器表中数据的处理过程

保持寄存器表是以数据字节为单位的可读写数据表，这里主要用其可写的功能，存储一些由代理服务器或系统总站设定的信息.图6说明这一过程，并以稳态越限定值的处理为例，给出这一原理，图中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

图5 只读寄存器数据处理过程Fig.5 The process of read-only register data

图6 可读写寄存器的数据处理过程Fig.6 The process of read-and-write register data

系统总站发出设定值的命令和数据，代理服务器根据系统总站的命令和数据，选用合适的功能码，把稳态越限数据存入下位机特定区域的保持寄存器中，以供下位机作为越限告警的基准值.当下位机监测到越限事件后，就会把离散量输入表中代表该越限的数据位变位.代理服务器以3 s的时间间隔读取离散输入寄存器中的数据，当发现该变位时，就会通过适当的功能码读取输入寄存器中存储的越限告警数据，然后把该数据通过报告或日志的形式上传给系统总站.

5.7 模型实现

根据电能质量监测系统需求分析以及MODBUS协议向IEC61850模型映射方案的具体要求，文章运用C#编程语言编写了模型映射类型文件.通过对模型映射类型文件的引用，实现了协议映射层与下位机的通信以及协议的映射，并根据IEC61850模型中对信息和功能的需求，构建了MDI界面系统，能够在协议映射层对电能质量监测终端进行监控.图7包括了父窗体和两个最常用的子窗体.父窗体主要实现对各个子窗体的控制，包括菜单栏、工具栏和状态栏；子窗体完成具体的显式与监控功能.窗体的显示控件依据IEC61850信息模型进行指标提取，窗体的命令控件用于触发IEC61850服务模型中的具体服务.IEC61850信息和服务需要映射为具体的MODBUS协议帧，并发送到监测终端，实现对终端的信息读取与控制.通过监控软件的运行分析，能够完成数据的正确读取以及用户对终端的控制，表明能够实现MODBUS协议向IEC61850模型的映射.

图7 模型实现界面Fig.7 Model implementation interface

6 结论

IEC61850提供了统一的信息模型和服务模型，能够很好地实现数据共享和装置的互操作.实际中，能够完全在设备层实现IEC61850所定义的各种功能的设备很少，并且十分昂贵；基于传统规约的装置与基于IEC61850的装置共同运行于同一系统将是近阶段面临的主要问题[19].本文提出的用代理服务器的方式实现非IEC61850规约和IEC61850规约转换方法能够简化底层硬件和软件的设计难度，也能够使信息格式和传输方式的开发更加简洁方便.基于文中所提的电能质量监测装置的模型映射方案，已和研究机构进行了研讨，证明这是一种可行的方案.运用C#建立的MODBUS向IEC61850模型映射类型库文件被厂家引用在电能质量监控软件开发中，所开发的软件能够正常运行.

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