应用IEC61850通信协议的新一代 故障信息处理系统

汪可友1，张沛超1，郁惟镛1，高  翔2
（1．上海交通大学电气工程系，上海200030；
2．华东电力调度通信中心，上海200002）
RESEARCH ON A NEW FAULT INFORMATION PROCESSING SYSTEM USING
IEC 61850 COMMUNICATION PROTOCOL
WANG Ke-you1，ZHANG Pei-chao1，YU Wei-yong1，GAO Xiang2
（1．Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，
Shanghai 200030，China；
2．East China Electric Power Dispatching Center，Shanghai 200002，China）
ABSTRACT: For the purposes that when the power system fault occurs the present power system situation and the action of protective relaying can be quickly mastered by the dispatchers and the reliable basis can be offered to the dispatching department in time to analyze and treat the fault and to ensure the security of power system, it is necessary to establish a Fault Information Processing System (FIPS). A FIPS is generally constituted by the units of fault information acquisition, transmission and processing, it is necessary for the fault information acquisition unit to process the information from protection devices and fault recorders provided by different manufacturers and equipped with different communication protocols. Because of absence of a unified standard the protocol transformation, for which a huge amount of calculation must be done, became the bottleneck restricting the development of FIPS. IEC 61850 is a new generation of standard communication system for substation automation, on this basis the seamless connection among the units produced by different manufacturers can be implemented. After a concise introduction to its features, a scheme for the practical application of IEC 61850 to fault information processing system is put forward.
KEYWORDS:IEC 61850；Digital relays；Digital fault recorders；Fault information processing system
摘　要：为了使调度中心人员可以迅速掌握电网故障时的情况以及继电保护动作行为，并为电网调度运行部门及时分析、处理电网事故、保证电网安全运行提供可靠的依据，就必须建立电网故障信息处理系统。故障信息处理系统一般由故障信息的采集、传输、处理等环节构成。其中，故障信息采集环节需要处理来自不同厂家、规约各异的保护和录波装置的信息。由于缺乏统一的标准，工作量巨大的规约转换工作已成为制约故障信息处理系统发展的瓶颈。IEC61850是变电站自动化系统的新一代的通信标准体系。基于该标准，不同厂家的产品间可实现无缝连接。作者在简要介绍该标准特点的基础上，提出了将其实际应用于故障信息处理系统的技术方案。
关键词：IEC 61850；微机保护；故障录波器；故障信息处理系统
1  引言
现代大电网的运行越来越依赖于对各种信息的有效分析和处理。在电力系统发生故障，尤其是大面积复杂故障时，仅仅依靠来自SCADA系统的保护信息和开关接点的变位信息，调度运行人员难以做出准确判断。而来自继电保护和故障录波器的信息越来越成为事故分析和系统恢复的重要依据。对这些信息进行分析，可以得出系统异常时的故障类型、故障相别、故障前后的相量、保护及开关动作事件、事件时序（SOE）等。对来自多个厂站的保护和录波信息进行综合分析，使得调度中心能迅速掌握电网实际故障状况以及继电保护动作行为、及时分析电网事故、迅速作出正确判断并快速恢复系统，同时有助于继电保护人员用故障数据进行事后详细分析。图1是故障信息处理系统的一般结构，由该图可见，故障信息处理系统主要由设在网、省、市、地区调度中心的主站和若干设在变电站、发电厂的子站通过电力系统通信网络组成。

其中，故障信息采集环节需要处理来自由不同厂家制造、规约各异的保护和录波装置的信息。由于缺乏统一的标准，工作量巨大的规约转换工作已成为故障信息处理系统的瓶颈。IEC 61850（变电站通信网络与系统）是变电站自动化系统的新一代的通信标准体系[1]。基于该标准，不同厂家的产品可实现无缝连接。本文在简要介绍该标准特点的基础上，提出了将其实际应用于故障信息处理系统的技术方案。
2  故障信息处理系统中现有通信协议体系
目前，IEC TC57为传输电力系统信息而制定的国际标准主要有[2]： ① 远动规约IEC60870-5系列，用于变电站与调度中心之间通信； ② IEC60870-6 TASE.2，用于调度中心之间相互通信； ③ IEC 61850，它以UCA为基础，是面向未来的主推方案。
故障信息处理系统涉及到变电站内部的间隔层、变电站层以及调度中心。在通信协议方面，现有系统的作法是，在变电站内部采用IEC 60870-5-103，在变电站和调度中心之间借用IEC 60870-5-103制订一个扩展版本，以使其可适应于TCP/IP网络。但是在具体应用中尚存在很多问题。例如，IEC 60870-5-103标准虽然利用通用分类服务提供了语义扩展的兼容手段，但由于其自身的缺陷（如提供非常有限的自我描述机制），使得各制造商、应用开发商所自行定义的部分无法彼此兼容。另外，修订IEC 60870-5-103标准以使其适用TCP/IP网络也无标准指导。这样，就出现了尽管都采用IEC 60870-5-103标准，但彼此之间仍需要进行大量转换的尴尬局面。
为避免这种劳民伤财的协议转换，并真正适应网络技术、计算机技术的迅猛发展的形势，采用无缝通信系统协议（IEC 61850）是今后的发展方向[2,3]，也就是从变电站内部的过程层、间隔层、变电站层，到变电站和调度中心之间、调度中心和调度中心之间都采用以IEC 61850为核心建立的无缝通信协议体系，进行统一面向对象建模。
由于IEC 61850尚未全部颁布和实施，在近阶段故障信息处理系统的设计和开发中，对通信协议应作如下考虑： ① 调度运行部门组织各制造商、应用开发商，制订一个地区性的IEC 60870-5-103版本，以统一规约的自定义部分，实现彼此的互换性和互操作性； ② 原始的IEC 60870-5-103标准是针对串口链路上的非平衡方式，在修订该标准时不可过于拘泥原标准，应考虑到TCP/IP网络下的特点。具体可参考IEC 60870-5-104标准的编制方法； ③ 开展对IEC 61850的研究，以准备向该标准的过渡。
3  无缝通信协议IEC61850简介
IEC确定以IEC61850为基础，建立未来统一的电力系统无缝通信协议体系。
该标准的核心可归纳为信息建模、抽象服务和具体映射三部分，如图2所示。由图2可见： ① IEC61850定义了二十多种公共数据类型（CDC），近一百种兼容逻辑节点（CPLN）和三百多种兼容数据类型（CPDC），用来表示变电站的具体信息； ② 定义了抽象通信服务接口（ACSI），描述了服务器和客户端间的通信，包括实时数据交换、事件报告、设备的自我描述、文件传输等。ACSI使整个标准向通信开放，独立于某个具体通信网络； ③ 定义了特定通信服务映射（SCSM），将ACSI映射到特定的通信网络协议（MMS、TCP/IP、各种现场总线、串行线等等）。将士这三部分有机地结合起来，就完善地解决了面向对象自我描述问题，显著降低了数据管理费用并简化了数据维护。

IEC 61850是一个面向未来、开放的体系结构， 用它能进行变电站功能的扩展（通过派生新的兼容逻辑节点、兼容数据对象），并能适应通信网络技术的飞速发展（通过增加新的SCSM），具有极大的灵活性和复用性，因此对故障信息处理系统的开发有着重要的指导作用。
4  基于IEC 61850的故障信息处理系统
故障信息处理系统中对信息的分类及要求
参数信息、正常运行状态信息、异常告警信息、故障信息及故障相关数据。这些信息可以分为状态量、模拟量、数据文件和其它信息四大类。
（1）状态量主要有装置动作信息、装置开入量信息以及装置（包括子站）内部产生的异常告警信息等，如动作信号、开入量所对应的触点位置；
（2）模拟量主要是装置测量的电压、电流、功率、频率、故障点距离等信息；
（3）数据文件主要指COMTRADE标准格式的故障录波数据文件；
（4）其它信息主要有定值、带参数的保护动作报告、操作过程及结果记录、行波测距结果以及其它带有状态量、测量值、字符串等的信息。
由于这些信息内容复杂、格式不一，而且IEC60870-5-103标准未作定义，只能由通信双方协商决定。如果使用IEC61850，则可实现这些信息的自我描述。
4.2  IEC 61850信息模型和信息交换
是将功能分解并再组合的过程。首先基于上述通信要求，将故障信息处理系统的功能分解成一些分布在IED中能相互通信的逻辑节点，然后从IEC 61850定义中选择或自行派生兼容逻辑节点类作为模板，生成逻辑节点实例，再进行组合，成为逻辑设备实例。需要强调的是，应该尽量采用IEC61850定义的数据，因为派生新对象会影响通用性，不利于标准的推广。
下面以LFP901A保护装置为例，说明如何用61850建立信息模型和信息交换。LFP901A包含以工频变化量方向元件和零序方向元件构成的主保护，包括由工频变化量距离元件构成的快速I段，以及由三段式相间和接地距离及两个延时段零序方向过流作为后备，此外还有振荡闭锁和重合闸功能。因此可看作LFP901A保护包含一个逻辑设备（LD），由下列逻辑节点（LN）组成：LLN0、物理设备信息LPHD、工频变化量元件PDIF、距离元件PDIS（每段对应一个实例）、过流元件PTOC、方向元件RDIR、振荡闭锁元件RPSB、重合闸RREC、跳闸出口PTRC等（注：这些LN的详细定义见IEC 61850-7-4原文部分[1]）。
定值操作是故障信息系统的重要功能。下面以定值操作为例说明61850的动态信息交换。如表1所示，LFP901A的定值都可以用61850中的信息模型表示。

定值操作一般包括召唤定值、修改定值、定值区切换等。这些操作都可以通过ACSI提供的设置组服务（Setting Group Service）来实现。设置组控制块（Setting Group Control Block，SGCB）与逻辑节点LLN0相关联。利用SGCB的GetSGValues服务召唤定值，SetSGValues服务修改定值，用SelectActiveSG服务来进行定值区切换。
4.3  基于DLL的实现方案
动态链接库（Dynamic Link Library，DLL），一直是微软操作系统的基础，Windows API中所有函数都是包含在DLL中的。运用DLL技术，可以实现故障信息管理系统的IEC 61850核心模块。
如图3所示，建立两个DLL模块，即ServerDLL、ClientDLL，上述信息模型和服务均被包含在DLL模块内。ServerDLL在子站端，负责与站内设备通信并对外提供IEC 61850服务；ClientDLL在主站端，通过TCP/IP与ServerDLL通信，再向其他可视化高级应用提供服务。二者对外部客户来讲，都可看作是黑箱。

DLL作为模块集成到故障信息管理系统中，具有灵活、易实现、易使用和易升级的特点。在主流操作系统Windows上运行时，可被用VB、C编制的应用程序使用，容易从别的协议（如IEC 60870-5-103）移植到IEC61850。
对不支持61850的设备的解决方案
由于IEC61850标准尚未完整颁布，直接支持该标准的IED设备还不多。可以想象，变电站内会有大量老设备不支持IEC61850。为节省投资，充分利用资源，故障信息管理系统应该提供如图4所示的IEC61850的网关/代理功能，将站内所有非IEC61850设备通过规约转换，统一对外提供IEC61850服务。

5 结语
故障信息管理系统是一个分布式的开放系统，要求它可以处理不同的数据源，设备和软件组件能够较容易地集成到系统中，遗留的老系统可以不费力地用新组件代替。IEC61850标准作为未来无缝通信体系结构的主推方案，涉及面向对象、通信等多学科的最新技术，可以高效完成无缝数据集成，完全符合故障信息管理系统的需要。本文初步探讨了IEC61850应用于故障信息管理系统的技术方案，提出基于DLL实现IEC61850的核心功能，后续研究的重点是将此方案实际应用到华东电力调度通信中心的故障信息管理系统中去。
参考文献
[1] IEC 61850：Communication networks and systems in substations[S]．
[2] 谭文恕（Tan Wenshu）．电力系统无缝通信系统体系（Seamless communication architecture in power system）．电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2001，21(11)：1-4．
[3] Kartheinz Schwarz，Standard IEC 61850 for Substation Automation and Other Power System Applications[A]．In：Prepared for the International Conference on Power System and Communication Infrastructures for the Future[C]，Beijing，September 2002．