调度自动化实时系统与数字化变电站接入研究

摘要：为适应数字化变电站的发展，解决传统远动协议与IEC61850标准不兼容的问题，实现数字化变电站与调度主站无缝集成，提出了调度自动化实时系统与数字化变电站接入的两种方案，并对两种方案的优缺点进行了对比分析。对采用IEC61850通讯网关机的方案进行了详细设计，对通信网关机的数据流、模型转换、硬件、软件等问题进行了探讨。

关键词：调度实时系统；数字化变电站；接入研究

Abstract: This paper through the detailed design of IEC61850 communications network to shut down, the data flow of the communication gateway machine, model conversion, hardware, software, and other issues were discussed.Key words: scheduling real-time systems; digital substation; access research

中图分类号：TM73 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

0 引言

随着我国对数字化变电站建设的逐步推广，越来越多的老旧变电站将通过数字化改造后遵循IEC61850标准。但大多数变电站与调度中心之间的通讯仍采用传统的IEC60870-5-101 或IEC60870-5-104 等远动通讯协议，由于传统的远动通信协议采用的面向信息点的方式，仅规定了数据报文格式的统一，缺乏对变电站系统的统一建模和描述，互操作性差，与IEC61850标准不兼容，必须要进行协议转化，才能实现变电站与调度中心的无缝集成。

目前，有关IEC61850的研究主要集中于变电站内，将IEC61850应用于远动实现变电站到调度中心通信的研究还是不多。为了今后实现变电站数字化改造后平稳接入调度自动化系统，本文的研究可以提供一些参考。

1 数字化变电站与IEC61850标准简介

1.1 数字化变电站定义

数字化变电站是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站的主要特征是“全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化”，即变电站内的信息全部做到数字化，网络通信体系基于IEC61850 标准，信息模型达到标准化。数字化变电站的核心是IEC61850标准，IEC61850是数字化变电站的信息描述方法和通信协议。

1.2 IEC61850标准简介

IEC 61850标准是由国际电工委员会于2004年颁布的，是应用于变电站通信网络和系统的最新国际标准，它吸收了IEC60870系列标准和UCA的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统（SAS）的设计产生深刻的影响。它不仅应用在变电站内，而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。

2 调度自动化实时系统与数字化变电站接入的方案

2.1 方案一：调度主站集成IEC61850模块

可以在调度自动化主站系统的前置程序中开发IEC61850模块，数字化变电站通过调度数据网络与主站通讯，调度运行系统中的IEC61850模块通过调度数据网络与间隔层的IED通讯，接收间隔层IED的数据，实现调度自动化实时系统与变电站的接入。

图1主站集成IEC61850模块示意图

2.2 方案二：采用IEC61850通讯网关机

可以在变电站的站控层与调度自动化系统之间采用一台IEC61850通讯网关机，作为变电站内IED的通信代理，网关机通过变电站的站控层网络与间隔层IED通信，接收间隔层IED的数据，同时通过电力调度数据网与调度主站通信，向主站上送远动数据。可选择按照IEC61850协议或60870-101/104协议。

图2站端配置IEC61850网关机

2.3方案比较

方案一的优点是不增加硬件设备，只需完善调度主站前置IEC61850软件模块，调度主站直接通过数据网络与站控层的IED通讯，变电站的信息直接转化为调度数据模型。缺点是调试工作主要集中在主站进行，一旦调试时间长，可能影响调度自动化实时系统运行；

方案2的优点是通过增加一台网关机把IEC61850数据模型转化调度主站的通讯规约，实现通讯协议的转换功能，只在主站增加相应的接收通道，不影响调度系统的运行，避免了IED直接接入调度数据网，提高了系统安全性。缺点是需要一定的硬件投资。

综合分析和比较后，笔者认为方案二较可行。

3 IEC61850通讯网关机的实现

3.1 通信数据流

网关机与变电站的IED设备通信建立MMS连接时是客户端，与调度主站通信时是服务端。它是IEC61850通信服务网关，在SCADA系统中负责接入智能电子装置IEDs并将智能装置数据模型转换为调度目前兼容的IEC60870-101/104协议送往SCADA。

网关机系统由通信服务和配置工具组成，通信服务运行在嵌入式装置或服务器上，配置工具运行在网关机或工作站中（非独占）。

图3 网关机通信数据流示意图

3.2 模型转换

IEC61850和现有的调度系统定义了各自的数据模型和通信接口标准,IEC 61850 SCL模型需要转换到现有调度系统模型。网关机主要进行以下模型转换

（1）一次设备及连接模型的转换

即把数字化变电站的一次设备模型自描述数据转化成调度运行系统的状态数据

（2）量测模型的转换

根据数字化变电站智能装置自描述数据，确定调度系统的量测数据

（3）保护相关模型的转换

把IEC 61850 中各种保护模型分解转换为调度系统中的保护装置模型、保护量测模型、保护定值模型。

3.3 硬件设计

IEC61850通讯网关机既是一个IEC61850的客户端，与变电站的各个IED通信，又是—个IEC61850的服务端，与调度主站通信，同时IEC61850比传统远动协议通信数据流量大，这要求IEC61850网关机具有较快的数据处理能力和通信能力。IEC61850网关机采用弹性设计，可利用工业控制机，对于处理大数据量的可采用服务器；即根据现场应用的情况选择不同的机器类型。为提高系统的可靠性， 配置双机模式，网关机采用热备用运行模式，在正常情况下，一台网关机处于值班状态，另一台处于备用状态，值班机负责与IED、调度主站通信，当值班机发生故障时，自动降为备用机运行，另外一台备用机升为值班机运行。

在实际应用中，可先配置一套实验系统进行可行性测试。实验系统可配置一台嵌入式装置作为网关机，其操作系统采用linux，该装置具有4个10/100M Mbit／s以太网卡，其中2个网口接变电站数据网，与变电站智能装置IED通信（本期采用一台智能装置模拟实现），2个网口接入调度SCADA前置网；配置一台61850智能数据装置IED作为数据源，该装置具备双网口，模拟智能变电站数据，进行测试。

图4 实验系统示意图

3.4 软件设计

远动网关机软件结构示意图如下：

图5 网关机软件模块构成图

（1）数据库配置工具

通过导入变电站IED、通信等配置文件,生成IEC61850实时库,部分IED的数据是需要上送调度主站的。数据库配置工具还可以设置远动网关机IEC61850客户端使用的报告标识号,避免与变电站内的其他客户端发生冲突。

（2）IEC61850实时库

根据IEC6I850的对象层次关系,采用面向对象的方法,在内存中建立了符合IEC61850规范的实时数据模型。与IED装置通信时，可以快速地获得IED模型配置信息,不必直接去解析SCD文件,提高了系统效率。

（3）IEC61850 MMS通信客户模块

MMS通信模块负责与变电站内的各个IED装置通信。,在线读取IED数据集配置、报告控制块配置，然后逐个使能IED的报告控制块,接收IED上送的实时报告数据。同时, MMS通信模块可以将SCADA进程发送的控制命令下发给IED。

客户端进程定时去检测与各个IED的通信情况.在MMS连接发生中断时,能够自动地重新建立连接。

（4）IEC61850 MMS通信服务端模块

MMS通信服务端模块负责与支持IEC61850协议的调度中心通信，将变电站各种IED装置数据汇总到网关机，避免调度中心程序直接访问各个装置，实现与变电站IED装置隔离并进行高效通信。本功能为远期调度中心完全支持IEC61850协议后提供无缝接入。

（5）IEC61850管理模块

管理模块实现IEC61850的服务功能,包括关联服务、目录类服务、报告服务、控制服务、定值服务、文件传输服务。

（6）模型转换模块

实现IEC6I850实时库模型中包含的数据与传统测点库的测点数据对应，以供各规约模块通信用；

（7）传统测点库

建立传统测点数据内存缓冲，由模型转换模块进行管理，以利于IEC60870－101/104规约通信用；

（8）IEC60870-101/104通信模块

实现与调度中心SCADA系统的传统接入，将传统测点库中的数据，按照101/104规约格式组包，送往SCADA，同时接收SCADA下行控制命令，由模型转换送往IEC61850实时库，待MMS通信模块发往IDE装置。

（9）网络访问接口模块

实现与配置工具的网络通信接口。

4 结语

调度自动化实时系统与数字化变电站接入的实验性研究，可以为今后数字化变电站建设提供可借鉴的方法，培养相关技术人才，同时缩短数字化变电站设备调试和建设周期，提高生产效率，减少运营成本。

参考文献：

[1]张蓉.IEC61850标准在数字化变电站自动化系统中的应用与研究[J].科技资讯,2011,32.

[2]王丽华,王治民,任雁铭,余斌.插件化IEC61850通信模块设计与实现[J].电力系统自动化,2012,36(5).

[3]徐奇,于然.IEC61970主站与IEC61850变电站信息交互的研究[J].电气应用,2012,31(3).

作者简介：

曹晏宁（1982—），女，内蒙古阿拉善盟人，电气工程师，华北电力大学在职研究生，现从事调度自动化专业的管理工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。