智能变电站IEC61850 Ed2.0通信服务模型应用探讨

中国电机工程学会2017年年会论文集智能变电站IEC61850Ed2.0通信服务模型应用探讨王丽华，姜建钊，王夷夷(1.北京四方继保自动化股份有限公司,北京,100085)THEDISCUSSIONONSERVICEMODELOFIEC61850ED2.0USEDINSMARTSUBSTATIONWANGLihua,JIANGJianzhao，WANGYiyi(1.BEIJINGSiFangAutomationCo.,Ltd.Beijing,100085)Abstract:IEC61850Ed2.0improvesinmanyaspectsofservicemodel.Thispaperanalysessomeoftheimprovementsaccordingtoapplicationusedinsmartsubstation.Someoftheimprovementscansovlvetheproblemfacedbysmartsubstation,someoftheimprovementscanoptimizethemanagementandefficientofthesmartsubstation.Thepapergivesthemethodofusingtheseimprovementanddiscussestheaspectshavetobetakenintoaccount.ThepapercanbereferencedwhenapplyIEC61850Ed2.0tosmartsubstation.Keywords:smartgrid;IEC61850Ed2.0;servicemodel.摘要：IEC61850第2版标准中针对变电站内的应用新增和改进了很多内容。本文结合智能变电站工程应用需求，对第2版标准的通信服务模型的新增改进内容进行了深入分析，其中有些改进可以解决智能变电站工程实施中面临的问题，有些可以进一步提升智能变电站的运维效率和管理水平。结合分析内容，本文提出了第2版通信服务模型在工程中的应用方法，讨论了工程应用中应注意的问题，可作为智能变电站中实施IEC61850第2版的参考资料。关键词：智能变电站；IEC61850第2版；通信服务模型；0引言IEC61850目前已经成为智能变电站的重要基础标准[1]。IECTC57WG10在总结IEC61850第1版标准应用经验的基础上，已经陆续发布了标准的第2版[2]。文献[1]中介绍了标准第2版的整体概况和应用前景。文献[2]中介绍了标准第2版的技术路线，讨论了从第1版迁徙到第2版的主要影响面。标准第1版主要是针对变电站内应用的，标准第2版中针对变电站内的应用，新增和改进了很多内容，目的是完善互操作性，增强通信能力，丰富传输信息内容。目前国内智能变电中基本都是采用的IEC61850第1版，标准第2版在工程中还没有实际应用。第2版标准中新增和改进内容在工程中应该如何应用，可以解决工程中的哪些问题，应用时需考虑的问题，与现有IEC61850变电站的兼容性等方面都需要深入分析和探讨，这些探讨可以为第2版标准的工程实施奠定基础。通信服务模型是IEC61850实现互操作性的核心技术之一，本文结合智能变电站的工程实际需求情况，对IEC61850Ed2.0的通信服务进行深入分析和讨论。基于通信服务模型的分析，探讨了利用IEC61850Ed2.0通信服务实现在线检修的方法。1IEC61850Ed2.0服务模型IEC61850Ed2.0在通信服务方面，除了对IEC61850Ed1.0错误修改外，还对服务模型进行了完善和改进，可实现更好的互操作性。通信服务是以向后兼容的方式改进的，与IEC61850Ed1.0的通信服务可以实现互操作。为保证IEC61850Ed2.0的通信服务的互操作性，标准第10部分新增了很多测试案例[8]。信息模型的版本在SCL文件中可以体现，通信服务的版本没有显式体现的方法。一个IED中各种通信服务的版本应该统一，并以模型文件中国电机工程学会2017年年会论文集的版本为依据，即如果模型文件的版本遵循标准第2版，通信服务也应该遵循标准第2版。1服务跟踪模型智能变电站调试运行阶段遇到的问题中，间隔层IED功能失效比如遥控失败、定值操作失败、报告上送异常占较大比例。出现这些问题时一般需要提供问题时段的MMS通信报文，由专业人员进行问题分析定位。如果是调试阶段可以及时录取MMS报文供专业人员分析。如果是运行阶段出问题，通常需要从网络分析仪提取报文，如果网络分析仪没有录制MMS层的信息，则问题分析处理起来很困难。间隔层设备依赖于MMS报文定位问题的方式，解决问题的时效性较差[3]。标准第2版新增的服务跟踪是由IED对重要的操作事件过程包括控制操作、定值固化和切区、控制块属性设置等进行记录，利用报告和日志服务传送给客户端，可在客户端存储展示。跟踪记录的操作过程信息可以字符串的方式展示，可读性好，工程调试人员和运维人员也可以读懂，方便现场即时处理问题。当通信过程中出现问题时，可以从IED日志或从客户端数据库中方便的提取操作记录，协助定位问题，在一定程度上可提高排查问题的效率。服务跟踪用于对MMS操作事件进行跟踪，但服务跟踪所记录的信息只是从IED的角度记录的。而通信事件是通信两端配合的过程，IED记录的信息不能完整的反映通信过程，只能为分析问题提供一些参考信息。如果客户端能同步记录各类操作信息，出现问题时结合通信两端的记录，能更全面的分析定位。但是当服务端和客户端记录的信息不一致时，则还是需要以网络分析仪记录的完整信息为准。工程应用时应 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 客户端也记录操作信息，这样大部分问题通过操作记录就可以定位问题，服务跟踪才能更好地发挥作用，提高问题定位效率。2遥控服务智能变电站中，保护压板和开关刀闸的控制操作可以在本地监控完成也可以从调度中心完成，为提高效率，可以通过顺序控制功能实现[4][5]。目前智能变电站的顺控功能主要是由本地监控系统完成。调度发起的顺控操作一般是通过101或104规约下发给远动装置，远动通过IEC61850规约以遥调命令通知给监控系统，最终由监控系统完成实际的顺控操作。但据实际调研发现，已投运的智能变电站中，顺控功能的实际应用率不高，传统倒闸操作方式仍占主流[6]，出于安全性考虑是主要原因，文献[5-6]分析了影响顺控功能的各种安全因素。IEC61850第2版的应用扩展到调度中心与变电站之间的通信，为调度直接实现顺控功能提供了可能。考虑到变电站中多控制源及工程上各种状况引入的控制不安全因素，第2版标准中从模型和服务两方面都加强了控制操作的安全性考虑，可以更好地服务于智能变电站自动化控制操作需求。2.1控制输入闭锁通用逻辑节点中增加了可控数据CmdBlk，用于从逻辑节点层级闭锁控制命令的输入。XCBR用BlkOpn和BlkCls数据闭锁控制命令的输入，闭锁范围更准确。可通过IEC61850服务在线设置CmdBlk、BlkOpn和BlkCls的状态，当CmdBlk为TRUE时，整个逻辑节点拒绝遥控操作（但不影响Mod的可控性），对通过GOOSE报文间接触发的控制操作也有效。控制输入闭锁可用于设备局部故障时，闭锁特定的控制操作，也可用于在线检修测试时提高安全性。2.2控制权限变电站中控制操作来源可以是调度中心、远动设备、故障信息子站设备、本地监控、维护设备、间隔IED人机界面或者是一次设备的人工操作机构等。为避免多源同时发起控制操作，第2版模型中考虑了对各种控制源权限的管理。图1表示信息模型中提供的控制操作访问限制。图1控制操作访问限制Fig1.controltheaccesstocontrolactions新增可控数据LocSta表示了控制权限是在本地站控层还是在远方调度中心。LocSta的增加可以解决本地监控和调度中心控制权限切换的中国电机工程学会2017年年会论文集问题，避免两个控制源同时发起遥控操作。新增状态数据LocKey可以表示本地远方的物理钥匙位置，模型中无需再扩充“远方压板”这个数据。状态数据Loc表示当前逻辑节点或逻辑设备（LLN0中的Loc）所处的本地远方操作状态。Loc是多个因素综合的结果，其中除包含LocKey因素外，还可以包含其它用户特定的参考因素。LLN0中新增可设点MltLev可以设定LD是否支持多层级控制源。控制权限逻辑关系如表1所示。表1控制权限与Loc/Rem的关系表Table1relationshipbetweenLoc/RemdataobjectsandcontrolauthorityAA:始终允许NA:不允许n.a.:不影响结果表1本地/远方数据对象与控制权限的关系MltLev和LocSta是可以在线通过服务设定的。在调试、正常运行、检修维护的不同阶段，可以根据需要设定控制权限，即可在保证安全性的同时提高运维的自动化水平。2.3控制操作过程实时监视通过控制服务完成的控制操作，IED可以用服务跟踪模型记录并上送控制过程信息。智能变电站中，间隔层IED与过程层IED之间通过GOOSE命令完成开关刀闸控制操作。当功能失效时，间隔层IED是否发出跳闸命令，过程层IED是否收到命令这些过程只能依赖于GOOSE报文由专业人员分析定位问题，运维调试和消缺效率较低。标准第2版信息模型中为间隔层逻辑节点CSWI提供了OpOpn、OpCls、SelOpn、SelCls数据，用于反映CSWI是否发出了预选和执行跳闸命令。过程层逻辑节点XCBR的可控数据pos中增加了数据属性opRcvd、opOk、tOpOk，用于反映过程层是否收到了由GOOSE报文发来的代表控制出口含义的命令。opRcvd、opOk、tOpOk含义如图2所示。图2控制过程实时监视Fig2realtimemonitoringoncontrolprocess这些反映控制过程的信息可以通过报告服务或GOOSE报文上送给监视设备，可以实现对通过GOOSE报文完成的控制过程的实时监视，提高运维调试和消缺效率，同时对操作过程的实时监控也可以提高控制操作的安全性。2.4控制诊断信息在标准第1版中，没有明确控制失败情况下应返回的失败原因码。各厂家按自己的理解决定在何种情况下返回何种失败码，这种状况造成了在工程调试过程中，无法根据控制失败码确定问题原因，遥控失败的原因定位困难。标准第2版中对4种控制服务状态机进行了完善，明确了控制过程中各种状态的变化依据，尤其是明确了在每个特定状态发生控制失败后应返回的具体失败原因码。而且第2版中失败原因码由原来的18种扩充为25种，信息更准确。一致性测试用例中增加了对遥控失败码的测试用例，可以有效保证不同厂家能够按标准要求返回失败原因码，现场可以根据失败码快速准确定位失败原因，有效提升现场调试中处理遥控失败问题的效率。3定值服务智能变电站中，多源同时操作定值成为一种可能，为保证定值操作的安全性，需要考虑多客户端之间的互斥机制。定值控制块的操作在同一个时刻应该只有允许一个客户端操作。在IEC61850Ed2.0中，明确了多客户端操作定值时的互斥机制。定值控制块中新增属性ResvTms，大于0表示定值控制块当前处于被占用状态，ResvTms数值表示定值控制块被持续占用的剩余时间。客户端操作SelectEditSG成功后，IED中国电机工程学会2017年年会论文集置ResvTms为模型中SettingControl中配置的最大占用时间并进行递减。在下面四种情况下，IED主动释放客户端对SGCB的占用：客户端发出了ConfirmEditSGValuesIED与占用客户端之间的连接中断了客户端写editSG为0ResvTms递减为0，即占用超时以ResvTms控制的多客户端定值操作互斥机制，提高了定值操作的安全性，满足智能变电站定值操作的需求。4GOOSE服务4.1编码格式IEC61850第2版中GOOSE编码可以采用定长编码，定长编码后GOOSE报文编解码效率提高，可以满足变电站内及变电站间GOOSE报文传输实时性需要。GOOSE报文编码格式可在SCL中配置。在SCL的GSEControl中可以配置为定长编码，接收方就可以按定长规则进行解码，达到提高解码效率的目的。4.2测试报文第1版标准中，GOOSE报文头中有一个Test标志，用于表示报文是正常报文还是模拟测试报文，但在SV报文头中没有Test标志。为了两种报文格式保持一致，第2版标准用帧格式中Reserved1字节的S位置用作Simulation标志，S=1的报文表示是模拟测试报文。GOOSE报文头中的Test标志仍保持，以实现向后兼容，但要求Test标志必须与S标志一致。GOOSE报文的S标志位如图3所示。标准第2版中根据GOOSE报文的S位识别测试报文的效率更高，因为只需要解析报文前几个字节就可以了。SV报文的Simulation标志与GOOSE报文类似。图3GOOSE报文帧格式中的部分截图Fig3partofGOOSEframefomat4.3FCD建模目前智能变电站中GOOSE数据集采用建模到FCDA的方式，一般传输值和品质。这种建模方式，面向对象数据以离散信息的方式传输，数据间的关联关系从报文中不能直观体现，必须由接收方根据根据模型中的数据集信息确定FCDA间的关联关系。在标准第2版中，GOOSE的测试用例中增加了FCD建模方式的测试用例，要求支持GOOSE以DO为单位传输数据，以FCD建模后GOOSE报文类似图3所示，结构化组织的数据中包含一个对象的值、品质、时标三个信息，更加完整。为减少报文信息量，可以根据需要选择数据集FCDA建模到DA还是建模到DO。图4结构化GOOSE报文Fig4structGOOSEframefomat4.4安全扩展第2版标准推荐采用IEC62351作为通信安全标准，并在报文帧格式中扩充了安全相关的信息段。增加了信息安全的GOOSE/SMV报文格式如下图5所示。图5中的Extension用于存储数字签名信息，前文1.4.2节的图3中的ReservedSecurity是Extension字段的长度。中国电机工程学会2017年年会论文集图5扩展前后GOOSE/SV报文示意Fig5extendedGOOSE/SVframeexample5在线检修测试在智能变电站结构中，间隔层与过程层IED间通信数字化，当功能出现问题时，通常需要模拟特定报文的收发环境以复现问题，进而进行分析和定位。如果是在现场运行的设备，定期检修测试或需要消缺时通常需要停负荷以保证安全性。如果有一种可以在线局部检修测试IED功能的机制，在变电站运维检修或消缺时，可减少停电停负荷范围和时间，对于研发工程师，可以简化复现环境的搭建，提高问题排查效率。在第2版标准中，提供了在线检修测试的机制，在下面的章节中进行分析。5.1与测试相关的信息模型第2版信息模型中增加了很多配合测试的信息，图6中以XCBR为例展示了信息模型中与测试相关的数据。LPHD1中的可控数据Sim可以设定IED对输入信号的选择，LPHD.Sim.stVal=true时，IED优先接收测试报文。图6中输入报文Goose1有正常报文和测试报文，LPHD.Sim.stVal=true时，XCBR优先选择模拟报文进行处理。Goose2只有正常报文，XCBR仍会接收Goose2并正常处理。如果有多个测试报文输入，还可以用模型中的InRef1进一步明确用于测试目的的具体GOOSE控制块和数据对象。XCBRBlkOpnBlkClsInRef1-setSrcRef=PTRC1.Tr.general-setTstRef=GGIO1.Ind1.stVal-setSrcCB=GoCB1-setTstCB=GoCBTest-tstEna=truebeh.stVal=Test-BlockGGIO1.Ind1.stVal-q.test=truePTRC1.Tr.general-q.test=falseLPHD1Sim.stVal=true闭锁输入闭锁输出选择通道LocLocStaLocKeyMltLev控制权限Goose1Sim=trueGoose1Sim=falseGoose2Sim=falseopRcvdopOktOpOk在线监视图6用于测试的数据Fig6datausedfortesting变电站在线检修测试最重要的是安全性。为了防止误动操作，信息模型中提供了闭锁输入、闭锁输出机制。如图6中所示，闭锁输入可以控制逻辑节点拒绝所有的控制输入命令，闭锁输出可以控制逻辑节点对外部输出信号。结合前文介绍的控制权限设置和控制过程实时监视，可以保证在线检修测试过程的安全性。5.2局部功能在线检修测试利用前2节介绍的测试相关的模型信息，以保护功能为例在线检修测试可按图7所示过程实现。测试时由测试软件把LPHD的Sim设置为TRUE，把保护功能逻辑节点PDIS、PTOC、PTRC设置为Test状态，此时保护逻辑节点只接收测试报文。处于Test状态的保护逻辑节点不再处理正常运行态TVTR、TCTR发出的正常报文。为了防止测试报文触发误动作，测试后台还需要设置XCBR为Test-Block状态以XCBR闭锁输出，防止测试报文触发出口动作。测试合并单元给保护逻辑节点发送测试SV报文，测试智能终端模拟收发GOOSE报文，即可完成保护功能的在线测试。T测试合并单元、智能终端PTOCTPDISTPTRCTTVTRTTCTRTXCBRTXCBRTCTRonTVTRon跳闸GOOSE后台ON测试软件Test-behaviorononTt-blOn-ModeTest-BlockMode正常数据测试数据闭锁输出SVLPHDSSSim=TRUEt-bl图7在线功能测试示例Fig7testonlineexample中国电机工程学会2017年年会论文集按标准设计的机制，逻辑节点的状态如Test、ON可以通过MMS控制服务在线更改可控数据Mod实现。国内变电站中IED的测试状态通常由检修硬压板手动控制，控制范围是IED级别。图7所示在线功能测试过程，IED的检修范围可以限定在逻辑设备或逻辑节点范围内，如果在实际工程中采用这种在线测试检修测试机制，当需要小范围问题排查和设备检修时，可以减小停负荷范围。为了保证检修的安全性，要求IED设备支持模型中新增数据和数据属性，能严格遵守标准规定的预期行为，比如处于Test-Block状态的逻辑几点必须要闭锁输出。为安全考虑，可以先在间隔层采用在线检修测试技术，技术成熟后再扩展到过程层IED设备。6.结语IEC61850第2版完善了信息模型[7]和服务模型，通过本文分析，如果在智能变电站中合理应用第2版标准新增或改进的内容，可以带来下列好处①互操作性提高。明确了第1版标准中未明确规定或描述不清楚的内容，减少工程上设备间互操作问题。②通信事件追述更方便[3]，提高调试运维效率。③提高操作的安全性，控制和定值操作的安全性都有改进。④提供在线检修测试机制，消缺和局部检修时可减少停负荷范围，提高效率。虽然标准中提供的一些机制比如在线检修方法与国内智能变电站的用法习惯或规程不符合，但是这些方法可以提高自动化操作水平，提高运维调试效率。随着技术的发展，通信能力逐步增强，通信安全性也逐步提高，建议国内变电站能逐步应用标准中提供的各种自动化方法，进一步提高变电站的自动化水平。参考文献[1]李永亮,李刚.IEC61850第2版简介及其在智能电网中的应用展望[J].《电网技术》,2010,34(4):11-16.LIYONGLiang,LIGANG.Anintroductioninto2ndEditionofIEC61850andprospectsofIt’sApplicationinSmartGrid.PowerSystemTechnology,2010,34(4):11-16.[2]任雁铭，操丰梅，张军.IEC61850Ed2.0技术分析[J].电力系统自动化,2013,37(3):1-5RENYanming,CAOFengmei,ZHANGJun.TechnicalAnalysisofIEC61850Ed2.0[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,37(3):1-5.[3]葛亚川，尹军.智能变电站基于IEC61850服务跟踪模型研究[J].中国电力,2013,46(11):142-145.GEYachuan,YINJun.StudyonServiceTrackingModelofSmartSubstationsBasedonIEC61850Standard[J].ELECTRICPOWER,2013,46(11):142-145.[4]汤国文,黄景婧,等.智能变电站顺控操作逻辑编制应用探讨[J].无线互联科技,2015(23):138-139.TANGGuowen,HUANGJing,etc.DiscussontheapplicationofIntelligentSubstationControlOperationLogic.WirelessInternetTechnology,2015(23):138-139.[5]王伟.影响智能变电站顺控操作系统可靠性的分析.电力讯息,2014(01):69-70.LIMing,LIJingqiang.Awideareastandbypowersupplyautomaticswitchingschemebasedonsmartgrid[J].PowerSystemProtectionandControl,2014(01):69-70.\[6]陈盼,叶蓉,林传伟.考虑多参量判据的智能变电站可视化顺控系统优化设计.电气应用,2017(4):65-69.电气技术，2011（1）.[7]贺敏.IEC61850Ed2.0建模升级 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 研究.电脑编程技巧与维护,2015,12:193-23HEMin.ResarchonmodelingupgradeschemebasedonIEC61850Ed2.0.ProgrammingSkills&maintenance,2015,12:193-23[8]IEC61850-10Ed2.0Communationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part10:Conformancetesting.收稿日期：2016-xx-xx；修回日期：2016-xx-xx作者简介：王丽华(1974-)，女，高级工程师，研究方向电力系统自动化及IEC61850；E-mail:wanglihua@sf-auto.com