基于MODBUS 协议和IEC 61850 协议的变电站通信电源监控研究

张 焱

（国网河北省电力有限公司超高压分公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

自从人类步入电气时代以来，电力对人类社会产生了深远的影响，极大地推动了社会的发展，但也给生态环境带来了极大的负面影响。尤其是近年来全球变暖、臭氧层破坏问题日益严重，导致极端气候和地质灾害频发。提高电能的利用效率，不仅能保护自然资源，还能减少温室气体的排放[1-2]。变电站作为电力系统的重要组成部分，起着电量调控、电能分配和电压转换的作用，实现变电站智能化管理能有效减少能源的消耗和浪费，降低变电站内部电磁辐射等污染的影响。由于变电站电源系统设备之间相对独立、分散，难以实现自动化和网络化的电源监控，且监控信息难以共享，给变电站的智能化发展带来了阻碍。此外，传统电源监控系统的通信协议难以满足当前的智能化需求[3]。为实现变电站通信电源的实时监控，研究提出基于MODBUS 协议和IEC 61850 协议的实时监控系统。该系统利用IEC 61850 协议标准化电源系统的数据，实现信息共享。同时，将MODBUS协议和控制器局域网总线（Controller Area Network，CAN）协议转换为IEC 61850 协议，以扩展电源监控系统的适用范围，实现对不同种类电源的监控。

1 基于MODBUS 协议和IEC 61850 协议的变电站通信电源监控

1.1 变电站通信电源监控数据标准化方法

通常变电站电源设备之间缺乏统一的通信协议，而IEC 61850 协议作为电力系统自动化领域的通用标准，能够实现智能变电站的工程运作标准化，实现数据信息共享，从而使智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。

在建设IEC 61850 信息模型的过程中，需要根据需求设置智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED），并将某一功能设为主IED。同时，需要分解IED 功能，并确定其对应的逻辑节点和数据。在选取逻辑节点时，必须根据功能需求判断节点是否适用。若节点符合需求，则直接选用；若不符合，则需要扩充数据。若扩充数据后的逻辑节点满足要求，则选取标准中的节点，对数据进行判断。如果数据满足要求，则添加标准中的数据，否则添加新数据[4-5]。若节点本身不满足要求，则需要定义新的逻辑节点，并按照先前的判断标准判断数据是否满足要求。

由于变电站电源种类丰富，为提高电源监控的普适性，文章在监控方案中添加了逆变电源、蓄电池、交流电源、直流电源以及不间断电源（Uninterruptable Power Supply，UPS）的监控需求。确定好监控需求后，对逻辑节点进行确认。考虑电源监控需求，逻辑节点分为逻辑节点0、物理逻辑节点、交/直流母线、逆变器、交/直流进线、充电模块、单体电池以及蓄电池。同时，将相似的逻辑节点组合在一起，构成逻辑设备。为实现多种电源的在线监控，确保逻辑设备模型的清晰度，逻辑节点应涵盖所有功能需求，且同一功能的参数应集中在一个逻辑节点[6-7]。变电站电源监控信息分为测量信息、状态信息、定值信息以及控制信息4 种。以交流进线为例，逻辑节点测量信息、控制信息和状态信息的设置如表1、表2 和表3 所示。

表1 交流进线逻辑节点测量信息

表2 交流进线逻辑节点控制信息

表3 交流进线逻辑节点状态信息

由表1 ～表3 可知，交流进线的逻辑节点包含测量信息、状态信息和控制信息3 种，所有信息均属于可选信息。测量信息、状态信息和控制信息分别使用模型-视图（Model-View，MV）、结构化-实用化-情境化（Structured-Pragmatic-Situational，SPS）和算法-刺激-等级（Algorithm Stimulus Grade，ASG）类进行建模。组合相似的逻辑节点，即可得到逻辑设备。在研究提出的监控方法中，通信模式和信息模型的映射方法分别采用客户端/服务器的模型和变电站配置描述语言（Substation Configuration description Language，SCL）文件，而服务映射则通过多媒体信息服务（Multimedia Message Service，MMS）服务器来实现。

1.2 变电站通信电源在线监控方案

在变电站电源监控中，电源子系统的通信协议类型各异，因此很难在短时间内将其转换为支持IEC 61850 协议的设备。为实现变电站电源的普适性监控，研究提出利用PCIE 采集卡和T4240 处理器将数据协议转换为IEC 61850 协议。变电站电源监控信息传输方案如图1 所示。

图1 变电站电源监控信息传输方案

由图1 可知，整个电源信息传输系统由3 个快速外围组件互连（Peripheral Component Interconnect Express，PCIE）采集卡，2 个RJ-45 以太网接口，1个显示器、固态硬盘、T4240 处理器、鼠标、键盘以及固态硬盘组成。其中，固态硬盘为SATA 2.0。

在电源监控方案中，变电站信息系统通过以太网接口与处理器相连，PCIE 采集卡则与电源系统相连。采集卡采集电源系统中的不同协议数据后，通过Serdes Bus 将信息传递给处理器，转化不同的协议信息，即将不同的协议转化为IEC 61850 协议，以统一管理变电转电源。研究采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）EP2S60F484作为PCIE 采集卡的主控芯片。FPGA 的逻辑设计通过超高速集成电路硬件描述语言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL）完成，而芯片的模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）寄存配置和采样时钟则通过串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface，SPI）串行通信实现[8-9]。电源监控系统的通信方案则借助MODBUS 协议完成。MODBUS 协议的数据表示有2 种形式，即Modbus RTU 和Modbus ASCII，文章采用的信息格式为Modbus RTU。第一，对串口进行定义和设计，并通过定时器更新信息。第二，上位设备发送读寄存器数据指令，下位设备接收后响应并判断信息是否正确[10-11]。如果信息正确，则进行帧解析，否则重新发送读寄存器数据指令。解析完毕后，即可显示数据。

此外，为描述IED 信息模型，变电站配置描述语言SCL 的文件配置以XML 为基础。在电源监控系统启动时，MMS 服务器会在对象初始化完成后，读取.cfg 文件，判定其内容，寻找并解析IED 的访问点。同时，服务器会为逻辑节点和逻辑设备创建相应的MMS 数据和数据域。鉴于变电站电源监控的特点，研究采用MYSQL Workbench 作为数据库服务器。在设计数据库时，建立了多个数据表，包含管理人员信息、电源信息、操作日志及事故日志等。此外，考虑到电源监控系统的通用性，研究还在系统中集成了CAN协议，实现储能电池管理系统（Battery Management System，BMS）的通信功能。

2 变电站通信电源在线监控实验结果及分析

变电站通信电源监控系统的开发语言为C++，开发环境为QT。为测试研究提出的变电站通信电源在线监控系统的性能，分别测试BMS 通信、逆变器通信和IEC 61850 通信，各通信的协议分别为CAN 协议、MODBUS 协议和IEC 61850 协议。实验设备包含CAN 协议转换器、MODBUS 分析仪、CAN 协议分析仪、15 V 电源、工控一体机以及通信接口。在BMS 通信测试中，实验操作包含接触器1 闭合充电和断开，接触器2 闭合预充和断开。BMS 通信测试的报文结果如表4 所示。

表4 BMS 通信测试报文结果

由表4 可知数据部分表示接触器状态，以表中第一行数据为例。第一位数据表示接触器1 的状态，第二位数据表示接触器2 的闭合状态，00 和01 分别表断开和闭合。第三位数据表示蓄电池的充放电状态，01 表示电池处于充电状态。在BMS 通信的报文信息中，能够精准反映接触器的实时状态。可见，研究提出的变电站电源监控系统能实现对储能BMS 的监控。逆变器通信测试及IEC 61850 通信测试结果分别如图2、图3 所示。

图2 逆变器通信测试结果（返回遥测信息）

图3 IEC 61850 通信测试结果

由图2可知，逆变器通信通过MODBUS协议实现，报文最后两位表示校验码。发送的指令中，实线框和虚线框中的数据分别表示电源处于恒压充电状态和首地址，虚线框内最后一位数据表示读取数据的数量。返回遥调信息中的0A 和00 00 分别表示数据数量和首地址，00 00 后方信息则表示电源是否有功。根据报文信息内容可知，IEC 61850 通信无异常。

研究结果表明，文章提出的变电站电源监控系统不仅能实现IEC 61850 通信，还能实现逆变器通信和BMS 通信，有效提升通信电源监控系统的普适性。不同类型电源的监控准确率如图4 所示。

图4 不同类型电源的监控准确率

由图4 可知，研究提出的变电站电源监控方法对通信电源的监控准确率最高，达到99.79%；其次是逆变电源，准确率为99.34%；准确率最低的是不间断电源，仅为98.34%。就整体而言，研究提出的电源监控方法对各类电源的监控准确率均不低于98%，平均准确率为98.98%。由此可见，该变电站电源监控方法适用于不同类型的电源，具有较好的应用效果。

3 结 论

变电站作为实现电量调控和电能转换的场所，在电力系统中占据重要位置。为提高环保效益，变电站智能化趋势不可避免。文章提出一种基于MODBUS协议和IEC 61850 协议的变电站电源监控系统。该系统监控不同电源设备的状态，并将不同设备的通信协议转换为IEC 61850 协议，实现各设备之间的无障碍通信。同时，IE61850 协议能标准化处理电源的数据，实现信息共享。实验结果显示，研究提出的变电站电源监控系统能实现BMS 通信、逆变器通信和IEC 61850 通信，实时监控电源设备的状态。该研究弥补了现有的变电站通信电源监控系统自动化程度低、在线监控完整度和普适性差的缺点，实现了变电站的智能通信。