智能变电站面向间隔的IEC,61850网关设计和实现

摘 要:基于IEC 61850标准、智能变电站的设计规范和建设经验,以及常规变电站智能化改造中遇到的问题等因素,文中阐述了以间隔为单位进行信息采集和协议转换的必要性,并详细介绍了面向间隔的IEC 61850网关的设计和实现方法。在设计上,充分考虑了IEC 61850标准在变电站自动化系统中应用的现状,借助可视化配置工具,运用集中采集、统一建模和无缝通信等技术,实现了信息的标准化以及在变电站各应用间的信息共享。在实现上,采用实时数据库、软总线和总线适配器等技术,实现软件功能模块的即插即用,以方便智能变电站系统集成、扩展、升级和维护等实际要求。本文提出的IEC 61850网关对间隔的信息集成、智能变电站一体化信息平台的构建等均具有借鉴意义。

关键词:智能变电站 间隔 网关 无缝通信 IEC 61850

中图分类号:TM73文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0030-03

目前,我国正全面推广智能变电站的建设,常规变电站也处于智能化改造中。智能化对变电站的信息应用提出了更高要求,包括面向间隔信息的集中采集[1]、统一建模[2]和无缝通信等三方面。其中,集中采集是统一建模的基础,而统一建模是无缝通信的关键,可视化配置[3,4]工具则有力支撑了以上三者的关联。统一建模信息通过抽象通信服务接口(ACSI,Abstract Communication Service Interface)[5]和制造报文规范(MMS,Manufacturing Message Specification)[6]服务接入智能变电站一体化信息平台,从而实现了站内的设备互联和信息在各应用之间的共享。

变电站智能化改造要求间隔智能化,历史和现实因素决定这将是一个长期过程。在改造中一般按间隔也即按一次设备开展,以方便工程实施、系统配置和日常维护等工作。被改造的变电站中还大量存在非IEC 61850设备。即使已经在建的智能变电站中,还有部分辅助设备如直流屏等没有实现IEC 61850通信功能。针对这一现实问题,为实现智能变电站设备间的无缝通信技术,IEC 61850-7-1[7]中提出利用网关设备进行规约转换的方案。

目前,已经开发的IEC 61850网关存在不足,主要有:往往面向单一或全站二次设备,而非间隔或一次设备,不利于系统配置和工程维护;仅转换协议,不存储历史数据,一旦站控层网关异常或取消,变电站内的历史数据则丢失;设计日期较早,当时还缺乏智能变电站的指导规范和建设经验,导致设计的信息模型不标准,和国家电网公司等相关规范[8]不一致;配置复杂,缺乏可视化配置工具,导致在产品集成、工程配置和日常维护等环节还存在一系列问题。

本文基于IEC 61850标准[5-7,9-12]、智能变电站的设计规范[8,13,14]和建设经验,以及常规变电站智能化改造中遇到的问题等因素,提出面向间隔的IEC 61850网关的设计和实现方法,并重点讨论间隔内信息的采集、模型变换、通信及配置等关键问题。

1 系统结构

IEC 61850网关作为间隔对站控层的通信服务器[15,16],代表了整个间隔的外特性。网关解析本间隔的CID(Configured IED Description)和私有配置文件,对下采集间隔内各类信息并进行协议转换、刷新实时数据库、存储历史数据。同时,对上与站控层一体化信息平台通信,提供报告、文件等多种服务。面向间隔的IEC 61850网关系统结构如图1所示。

2 关键技术

2.1 集中采集

常规变电站每个间隔内二次设备的类型多、通信接口和协议差别较大。为满足各种需要,IEC 61850网关具备串行线、以太网和二次电缆等多种接口方式。间隔内的软信号由IEC 103等协议解释器通过串行线或以太网采集;传统的硬结点信号,由通用I/O协议解释器采集;预留GOOSE/SV协议解释器采集相应的信号。网关的配置模型分为传统模型和IEC 61850模型,分别基于私有配置和间隔CID文件。正常运行时,网关依据配置模型,完成动态的传统模型和IEC 61850模型的相互转换。这种对间隔内信息的采集方式,符合一处采集多处共享的智能变电站要求,是网关对间隔内信息统一建模的基础,有利于实现间隔和站控层一体化信息平台的无缝通信。

2.2 建模方法

IEC 61850网关采集间隔的遥信、遥测、参数(定值)和控制等信息,并把这些信息作为间隔资源,采用面向对象方法和IEC 61850标准对其再次建模。网关建模的对象包括间隔的一次设备和二次设备。首先,绘制间隔的一次设备及其接线图,并用鼠标连线完成和相应资源的关联。再建模间隔内的二次设备及其功能模型,包括逻辑设备(LD)、逻辑节点(LN)等,并用鼠标连线完成逻辑节点、数据对象(DO)和相应资源的关联,方法可参考IEC/TS 61850-80-1规范。此时,完成了间隔内一次设备和二次设备模型的自动关联,如图2所示。

作为间隔对站控层的通信服务器,IEC 61850网关表现了整个间隔的外特性。根据IEC 61850-7标准和国家电网公司相关规范,把网关建模为一个特殊的智能电子设备,分别采用访问点S1、G1和站控层、过程层通信;建立公用(LD0)、测量(MEAS)、控制(CTRL)、保护(PROT)、录波(RCD)和过程层(PI)等逻辑设备,公用逻辑设备同时建模网关的私有信息;逻辑节点、数据对象等其它部分,则参考相关标准和规范建模。

2.3 无缝通信

IEC 61850网关采用抽象通信服务接口(ACSI)和制造报文规范(MMS)服务与站控层一体化信息平台通信,实现了间隔信息在站内各应用之间的共享。ACSI服务端解析间隔的CID文件,读取IEC 61850模型信息和通信参数;建立和ACSI客户端的应用关联,接收客户端的服务订制;由总线适配器驱动,从软总线和实时数据库、历史数据库获取相应的信息,并上送给站控层一体化信息平台。ACSI客户端可按需调阅报告、文件等实时信息、非实时信息。ACSI客户端还可以随时订阅网关的私有信息。

2.4 配置方式

采用可视化的装置配置工具(IED configurator),首先添加IEC 103、GOOSE/SV和通用I/O等协议解释器;导入采集的遥信、遥控等点表,作为间隔资源,并根据协议配置各点的地址等参数;绘制间隔的一次设备及其接线图,建立间隔的IEC 61850模型;通过关联建立间隔资源和一次设备、IEC 61850模型之间的映射,可方便增加、删除和重新建立各种关联;校验ICD(IED Capability Description)和私有配置文件的语法和语义,对错误的配置给出告警和修改建议;最后导出间隔的ICD文件,如图3所示。

系统配置工具(System configurator)导入变电站所有间隔的ICD文件,绘制站内一次接线图,包括变压器、断路器、刀闸和线路等,自动生成一次设备模型及其拓扑关系;建立一次设备和二次设备模型的关联,调整间隔IED的数据集,分配IED通信参数等;校验和导出变电站配置描述(SCD)文件。此时,装置配置工具导入SCD文件,分别导出各间隔的CID文件,并和间隔私有配置文件一起,下载到相应间隔的网关上。站控层一体化信息平台工具导入SCD文件,可订阅间隔的报告、文件等服务。

2.5 其它功能

IEC 61850网关采用自行设计的数据库技术,可存储间隔1年内的故障事件、录波文件和日志等历史数据。同时,系统程序和历史数据分离存储方案,增强了网关的安全运行。在运行期间,IEC 61850网关定时巡检系统资源的使用情况,以及软、硬件的健康状况。一旦出现资源越限或健康异常则立刻报警,此时软硬件“看门狗”启动防护功能,并把报警信息存储到日志中。

3 工程应用

本文开发的IEC 61850网关已成功应用于浙江220kV龙隐变,为智能变电站一体化信息平台提供面向间隔的信息采集和协议转换等需求。通过浙江103、通用I/O协议解释器与北京四方、南瑞继保的间隔层装置通信。该系统自2009年8月投运至今,运行稳定可靠。

当保护跳闸、断路器分合时,保护和测控装置通过浙江103规约报告给间隔的IEC 61850网关。网关完成协议转换和历史数据的存储,同时以IEC 61850报告把跳闸和分合位信息及时告知站控层一体化信息平台。保护录波完成后,通过浙江103规约发送一个简报给间隔的IEC 61850网关。网关根据简报中的文件名称,把录波文件召唤到本地存储;同时以IEC 61850报告通知站控层一体化信息平台有新录波文件,信息平台召唤网关的文件列表,将最新录波文件上送到站控层。在现场,面向间隔的IEC 61850网关提供报告、控制、定值和录波文件等多项服务。

4 结语

本文提出了面向间隔的IEC 61850网关的设计和实现方法,体现了面向一次设备、面向对象设计的思想。该网关采集本间隔内的信息,根据一次设备及其拓扑关系实现间隔内一、二次模型的可视化关联,运用面向对象技术进行IEC 61850统一建模,完成和站控层的无缝通信,实现了智能变电站信息的标准化和各应用之间的共享,并减少了规约转换环节的成本支出。同时,本文提出的方案解决了传统IEC 61850网关不存储历史数据、信息模型不标准和配置不可视、不灵活等问题。

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