IEC61850标准在变电站低压电源设备的应用

吕杰辉 夏社幸 张颖基

（广东顺畅科技有限公司，广东 江门 529000）

随着配电网建设事业的快速发展，电网容量不断扩大，实时信息传递量持续增加，相关领域对自动化信息管理系统和通信系统的要求显著提高。在该背景下，IEC61850标准能够实现不同厂家电子设备间的交互操作和信息共享，还具有自由配置性、长期应用性等特点，有助于为搭建数字化变电站信息管理平台提供支持，满足变电站各基础设备的数据通信需求，并提高数据传输的效率和质量。综上所述，围绕IEC61850标准在变电站低压电源设备中的应用进行分析，其目的是为开发基于IEC61850的产品提供帮助，从而推动变电站建设的创新与发展。

1 IEC61850标准的提出背景

在以往变电站自动化系统中，通常使用1997年颁布的继电保护信息接口配套标准规约，但随着智能数字化设备的快速发展，该标准的缺点越来越明显。一方面，该标准未定义以太网的通信规范且缺乏针对系统功能的标准要求，该标准并不适用于当前的以太网建设环境；另一方面，该标准缺乏权威的一致性测试且不支持元数据传输，进而限制自动化系统的功能。此外，对传统的自动化系统来说，不同国家、不同厂商所遵循的通信协议往往存在较大差异，导致自动化集成度不足，容易影响系统的自动化性能。在该背景下，IEC61850标准可以解决通信标准统一问题，其基于现有的IEC/IEEE/ISO/OSI标准进行整合，采用开放且支持设备自我描述的协议，能够提升自动化系统的兼容性和扩展性，满足用户的个性化功能需求；同时，IEC61850标准能够规范设备逻辑模型和设备通信接口，可以对变电站层次结构进行优化。IEC61850标准不仅作用于变电站数据通信，而且还能够为变电站和控制中心通信提供支持。

2 IEC61850标准及关键技术2.1 IEC61850标准的主要内容

IEC61850标准包括面向对象的标准、通信网络性能要求、接口与映射、系统与项目管理以及一致性测试等内容，其约束文本共有10个部分。

此外，从概念上来说，IEC61850标准主要围绕以下4个方面展开：1） 功能建模。建立IEC61850标准的目的就是根据变电站自动化通信的基本需求进行相关的底层设计，建立变电站自动化系统功能模型，能够解决以往通信协议存在模型概念缺失的问题，提高变电站自动化通信系统的通用性和自定义性。2） 数据建模。IEC61850标准最开始是直接面向对象编程，使用人员可以直观、明了地看懂数据模型并对其进行修改，能够满足用户的基础功能需求，其具备建模质量高、能够在大部分的环境中使用、满足行业的标准和能够提供改进意见等优点。同时，借助IEC61850标准可以保证自动化系统的质量且能够对系统参数进行控制，有助于提升自动化系统及相关设备的运行稳定性。3） 通信协议。IEC61850标准定义数据访问机制和向通信协议栈的映射，在间隔层和过程层之间形成串行单向多点或点对点传输网络，能够提升自动化系统的兼容性和扩展性，从而更好地为用户提供数据支持。4） 一致性测试。IEC61850标准的定义是基于XML的结构化语言（可扩展标记语言），能够清楚地描述变电站和自动化系统的拓扑关系，从而为系统测试提供测试条件和测试准则。

2.2 IEC61850标准下变电站设备的通信系统结构

根据IEC61850标准可知，变电站自动化系统包括控制、监视以及保护等功能，能够实现对变电站基础设备进行管理、控制和维护的功能。在IEC61850标准的支撑下，变电站设备的通信系统结构如图1所示。

图1 IEC61850标准下变电站设备的通信系统结构

在IEC61850标准的支撑下，以以太网作为变电站设备通信的物理层和数据链路层。随着网络带宽的不断提升，数据传输速度已经不再是一个难题，随之而来的是实际的物理设备带宽的限制，其不能实现数据的全速上传和下载，通过增设传输线路的简单方法就能够解决数据传输延迟过大的问题。同时，监控主机作为物理层的重要结构，它可以有效地监控IEC61850标准下变电站设备的通信系统内、外部运行环境，以保证通信系统可以正常运行。如果发现通信系统运行异常，监控主机就能及时报警并将异常数据传输到监控终端，为系统维护工作提供良好的反馈。

选择TCP/IP协议作为站内IED的高层接口，能够实现IED的网络化，确保系统数据以TCP/IP的方式运行。网络层主要负责通过合适的传输方式将这些经过处理的信息传输到应用层。网络层主要依托无线传感技术完成数据传输工作，随着科技的进步，智能配电系统已经可以利用多种高速、低时延的通信技术进行网络层建设，使其具有信号覆盖面广、传输速率快等特点。

在物理层和网络层的基础上，IEC61850标准下变电站设备的通信系统要加强对应用层的建设，完善的应用层结构可以在通信系统和联网终端之间建立高效的信息共享通道，还可以帮助技术人员开发相关软件，以便更好地建设智能通信系统。将微软媒体服务器协议作为应用层显示协议，将数据显示在显示设备上，与观测人员进行简单的人机交互。其中，所有IED中基于IEC61850建立的对象和服务模型均映射成MMS中的通用对象和服务，这使数据自我描述成为可能，转变了以往面向点的数据描述方法，不仅提高了数据管理和维护的效率，而且也使变电站自动化系统成为开放系统，具有较强的兼容性和扩展性。

2.3 MMS技术的应用

MMS技术（微软媒体服务器协议）是由国际标准化组织ISO工业自动化技术委员会TC184制定的一套用于开发和维护自动化系统的独立标准报文规范，其通过设备及功能建模方法能够实现在网络环境下计算机应用程序或智能电子设备间的数据交互和信息交换，MMS技术应用如图2所示。通过应用MMS技术能够规范智能传感器、智能电子设备IED以及智能控制设备的通信活动，从而使设备之间具有互操作性，进而提升系统管理的便捷性。同样，对变电站低压电源设备来说，MMS技术显著地提高了低压电源设备的自动化水平，不仅更加方便管理人员对低压电源设备进行控制，而且还可以形成集信号上送、测量上送、定值、控制以及故障报告为一体的设备管理模式，有助于确保低压电源设备稳定、安全地运行。

图2 MMS技术应用系统

2.4 抽象语法符号

实现IEC61850标准的关键在于ACSI（抽象通信服务接口）到MMS的映射，而MMS协议规范使用的表示层标准为ISO8824，因此，ACSI到MMS映射的关键在于ASN.1编码。其中，ASN.1是一套灵活的记号，它允许定义多种数据类型，既包括integer、bit string等简单的数据，也包括set、sequence等复杂的数据。

2.5 GOOSE服务

GOOSE服务（面向通用对象的变电站事件）同样是实现IEC61850标准服务的重要组成部分，该功能可以解决数据信息到显示设备之间需要通过数据线进行连接的问题，去除数据线直接通过以太网将数据发送到内网中任意一台具有显示功能的智能设备上，具有相关权限的设备能够修改其中的数据，真正实现了无线化和智能化的目标，其主要的通信数据包括跳闸、断路器位置以及连锁设备信息等对实时要求高的数据。

3 IEC61850标准的实现过程

3.1 功能建模

从逻辑角度来看，变电站设备自动化管理由多个功能模块构成，不同的子功能模块又称为系统的逻辑节点，逻辑节点之间通过逻辑代码相互连接，使用IEC61850标准能够定义上百个逻辑节点并控制逻辑连接过程，使针对逻辑对象的保护、控制和测量呈现系统化和精确化的特性。同时，系统节点具有很高的扩展性，可以通过简单的逻辑代码与下方的其他节点或者新加的节点进行拓展。在该基础上，建模使用的基础数据包括设备的名牌信息、设备的状态信息、设备故障情况、设备故障次数、设备热启动次数和系统自检数据等。因此，采用逻辑节点和物理设备信息逻辑节点相结合的方式进行功能建模，前者对设备铭牌、运行时间以及自我诊断结果进行控制，后者对设备状态、故障情况、热启动次数以及上电检测情况进行控制。此外，当逻辑节点内的数据丢失时，逻辑节点往往无法正常读取数据，只能跳出逻辑循环节点进入下一个节点进行判断；因此，需要为经过降级处理和正常处理的节点添加相关标识，便于用户完成相关的识别工作和相应的操作处理工作。

3.2 数据建模

逻辑节点只能处理简单的ASCI码转换工作，有很多固定代码段是被限制处理的，而在IEC61850标准的要求下，超过30种数据对象名已经得到定义。其中，根据数据对象的多态性，不同数据对象的属性存在较大差异。例如数据对象Beh和Health均产生于公共数据类的“整型状态信息类ISI”，但二者的定义却存在较大的差异。因此，在围绕变电站低压电源设备进行数据建模时，应根据IEC61850标准对已经定义好的通信需求进行拆解，从而利用相关的数据并通过代码段解释、翻译成基于面向对象的显示数据，数据类型包括设备实施状态、测量数据、可动变量、可变模量以及模拟数据修改量等，但是操作数据时需要注重相关的逻辑，修改新的数据就相当于生成新的逻辑节点，而相关的逻辑节点又继承了原有的初始数据，最终给设备自动化系统赋予特定功能且能够帮助用户描述不同结构及型号设备所具有的公共信息，从而进一步提升设备通信系统的扩展性和兼容性。

3.3 通信服务映射

在变电站实现自动化运行的过程中，通常采用将数据上传至服务器的方式，用户根据自身需求调用服务器数据，对其进行修改后上传至服务器，最后服务器通过判断机制判断修改是否合理并完成相关的记录工作，再将其下传给机器，从而实现相关的变更，进而实现通信服务映射，即由低压电源等设备承担服务器角色，根据端口102响应用户要求，对设备进行精确化控制。与常规CDT和Polling模式不同，客户/服务器模式以事件驱动方式为支撑，能够在系统所定义事件（例如数据值改变、数据质量变化等）发生后经接口向主站报告数据集并写入事件日志，以方便用户随时进行查看。同时，在一般情况下，IED设备可包括多个服务器对象，而每个服务对象均由多个逻辑设备组成，用户通过ACSI服务便能够对设备进行访问。此外，除客户/服务器模式外，组播/单播模式也可作为通信服务模式，其同样采用与网络独立的抽象通信服务接口，能够支持GOOSE服务和GSSE服务，在周期采集数据并传输的基础上提供数据服务功能。

3.4 一致性测试

一致性测试的目的在于检验IED通信接口与标准要求的一致性，涉及访问组织、帧格式、位顺序、时间同步、定时、信号形式以及电平等因素。其中，在提交测试设备测试时，应就提交协议实现符合性陈述（PICS）、用于测试的协议实现额外信息（PIXIT）、模型实现符合性陈述（MICS）等信息，分别为被测设备能力的总结、被测系统的容量以及设备支持的标准数据对象模型元素。同时，还应对设备安装及操作指令指南进行检测，从而确保设备通信的科学性。此外，在测试过程中，一般包括动态一致性测试和静态一致性测试，而在通常情况下，使用网络分析仪监控测试过程中的错误，采集以太网络上IEC61850的信息流量，从而对网络事件、网络安全和系统配置进行记录，在帮助用户剔除设备通信错误的同时确保设备通信系统稳定、有效地运行。

4 结语

综上所述，在IEC61850标准要求下的变电站设备通信系统具有互操作性、自由配置性和长期应用性等特点，不仅能够为不同设备提供信息交换渠道，同时也能根据用户的个性化数据管理需求对通信数据进行集中化或分散化处理，有助于提升设备通信的稳定性和可靠性。在该基础上，对变电站低压电源设备来说，它是变电站自动化系统的主要组成部分，因此该文重点围绕IEC61850标准下设备的建模方法和通信方法并对其进行分析且指出了一致性测试的技术要点，从而为IEC61850标准在变电站自动化系统建设中的应用提供参考。