基于IEC 61850的同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法研究

張曉悅，馮善強(qiáng)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

基于IEC 61850的同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法研究

張曉悅，馮善強(qiáng)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

目前，智能變電站同步相量測(cè)量系統(tǒng)仍然采用IEEE 1344規(guī)約并使用專用通道與主站進(jìn)行通信，而未采用在智能變電站中普遍采用的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信，這既增加了電網(wǎng)建設(shè)投資，也給系統(tǒng)運(yùn)維帶來不便。針對(duì)上述問題，本文提出基于IEC 61850的同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法，即將同步相量測(cè)量系統(tǒng)的傳輸方法映射到IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系，并將現(xiàn)有的通訊服務(wù)所包含的功能在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系下找到實(shí)現(xiàn)的手段。首先針對(duì)高速的數(shù)據(jù)傳輸和快速控制提出實(shí)現(xiàn)方法，然后對(duì)IEC 61850服務(wù)不能完全實(shí)現(xiàn)的功能服務(wù)以規(guī)定的方式對(duì)功能做擴(kuò)展填補(bǔ)缺陷。最后從統(tǒng)一變電站信息平臺(tái)的角度，對(duì)本方案的前景進(jìn)行了分析。結(jié)果表明同步相量測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到IEC 61850體系是可行的，并將為信息的聯(lián)合分析提供了基礎(chǔ)。

電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；IEC 61850；同步相量；信息平臺(tái)一體化；相量數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

智能變電站是基于數(shù)字化變電站的更先進(jìn)的一種應(yīng)用[1]。為了實(shí)現(xiàn)智能變電站更加突出“智能”的特點(diǎn)，變電站內(nèi)多種表現(xiàn)出“信息孤島[2]”特征的信息系統(tǒng)需要進(jìn)行整合，將站內(nèi)所有信息統(tǒng)一在一個(gè)平臺(tái)[3]，避免信息數(shù)據(jù)的重復(fù)造成資源的浪費(fèi)，并且可以使不同的信息系統(tǒng)間完成信息的交互形成大數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更“智能”的高級(jí)應(yīng)用[4]。

隨著電力系統(tǒng)的建設(shè)，部分重要輸電斷面經(jīng)常滿負(fù)荷運(yùn)行，跨區(qū)域功率交換日趨頻繁，交直流相互影響日益加深，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題日漸突出，系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)不斷加大，建立一套良好的區(qū)域同步相量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、為電網(wǎng)調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)支撐、防范系統(tǒng)失穩(wěn)具有重要的意義[5-7]。目前，智能變電站中不同功能的設(shè)備和系統(tǒng)已經(jīng)逐步完成了資源的整合和信息的統(tǒng)一。站內(nèi)多種信息系統(tǒng)如實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)信息子站、故障錄播系統(tǒng)、一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于IEC 61850的信息通訊，所以基于同步相量測(cè)量系統(tǒng)的廣域測(cè)量系統(tǒng)完成向IEC 61850信息通訊體系的轉(zhuǎn)化勢(shì)在必行。

雖然國內(nèi)現(xiàn)在對(duì)同步相量數(shù)據(jù)的61850建模已經(jīng)有《QGDW 1844-2012智能變電站的同步相量測(cè)量裝置技術(shù)規(guī)范》[8]進(jìn)行描述，但是該描述僅包含了建模的輪廓，未對(duì)信息服務(wù)做出明確的定義，所以實(shí)際應(yīng)用中仍然只使用傳統(tǒng)的傳輸規(guī)約，導(dǎo)致同步相量測(cè)量系統(tǒng)仍然孤立于其他信息系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)基于IEC 61850的信息體系，本文提供了一種同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法。該方法將實(shí)現(xiàn)基于 IEC 61850通信規(guī)約完成同步相量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸、在線管理、離線數(shù)據(jù)查詢的功能，用以將同步相量測(cè)量系統(tǒng)的信息以標(biāo)準(zhǔn)的交互方式統(tǒng)一到智能變電站信息系統(tǒng)中。

1 現(xiàn)有同步相量傳輸方法

當(dāng)前同步相量裝置與 WAMS主站的傳輸使用的是 IEEE 1344規(guī)約，該規(guī)約常用版本有兩個(gè)《Q-GDW 131-2006電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[9]和《GB/T 26865電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》[10]。兩個(gè)版本最主要的區(qū)別在于對(duì)數(shù)據(jù)通道中服務(wù)端與客戶端的定義不同，前者定義主站為服務(wù)端、后者定義子站為服務(wù)端。功能服務(wù)方面完全一致，報(bào)文生成字段略有不同，從功能方面比較兩個(gè)版本沒有區(qū)別。

1.1 現(xiàn)有傳輸方法概述

同步相量數(shù)據(jù)一般先由各個(gè)采集單元進(jìn)行采集計(jì)算，生成相量數(shù)據(jù)的同時(shí)形成一個(gè)采集單元的自描述文件CFG1描述自身功能配置等，之后由數(shù)據(jù)集中器將各個(gè)采集單元的自描述文件整合，形成一個(gè)完整的站內(nèi)全信息自描述文件 CFG1，并匯總所有采集單元的同步相量測(cè)量數(shù)據(jù)，最終以完整的自描述信息和完整的數(shù)據(jù)與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。

圖1 目前變電站同步相量測(cè)量系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The currentcommunication structure of synchronized phasor measurement system in substation

1.2 改變現(xiàn)有傳輸方式的意義

由于同步相量測(cè)量系統(tǒng)目前使用專屬規(guī)約，且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較高，導(dǎo)致在智能變電站的建設(shè)中，站內(nèi)需要建設(shè)單獨(dú)的采集通道直接上送至相量采集裝置，出站則需要在物理上單獨(dú)組建傳輸網(wǎng)絡(luò)與主站進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 目前智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The currentcommunication structure in smart substation

智能變電站中采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)一由相同的過程層設(shè)備完成，以此為基礎(chǔ)，同步相量的測(cè)量、實(shí)時(shí)量值的測(cè)量、電能量的測(cè)量都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在同一裝置內(nèi)完成。雖然過程層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，但是由于同步相量數(shù)據(jù)對(duì)上的傳輸仍未統(tǒng)一到IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系中，數(shù)據(jù)集中器（phasor data concentrator，PDC）必須提供單獨(dú)的物理網(wǎng)卡對(duì)上組成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，使得同步相量測(cè)量系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上仍然獨(dú)立于其他的信息系統(tǒng)。

基于過程層、間隔層都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的條件，同步相量數(shù)據(jù)對(duì)主站傳輸?shù)姆绞浇y(tǒng)一到 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)于信息系統(tǒng)的集成便具有重大意義。一旦同步相量數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換為IEC 61850體系，將直接從物理上減少一個(gè)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且同步相量數(shù)據(jù)不再是孤立數(shù)據(jù)，它將與站內(nèi)其他信息統(tǒng)一到站控層網(wǎng)絡(luò)，使得同步相量數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)信息聯(lián)合使用分析問題成為可能。

2 基于IEC 61850的同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法概述

同步相量測(cè)量系統(tǒng)使用IEC 61850體系后，同步相量數(shù)據(jù)將對(duì)站控層形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，任何級(jí)別、功能的主站只需接入站控層網(wǎng)絡(luò)即可使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接入方法同時(shí)接入同步相量數(shù)據(jù)服務(wù)和其他信息系統(tǒng)的服務(wù)，如圖3所示。

圖3 統(tǒng)一通訊體系后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Network structure after unified communication system

由上圖可知，如果同步相量測(cè)量系統(tǒng)完成 IEC 61850的體系轉(zhuǎn)換，各種間隔層裝置的數(shù)據(jù)將被統(tǒng)一集中在站控層網(wǎng)絡(luò)上，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)被清晰的分為兩層，如果其他信息系統(tǒng)需要獲取同步相量數(shù)據(jù)進(jìn)行高級(jí)應(yīng)用，可立即從站控層獲取相量數(shù)據(jù)。另一方面，WAMS主站如果需要同步相量以外的信息，如各類事故信號(hào)、裝置告警等，也可以直接經(jīng)由站控層網(wǎng)絡(luò)從其他信息系統(tǒng)獲得。

3 基于IEC 61850的同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法研究

同步相量測(cè)量系統(tǒng)主要功能有：動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸功能、離線數(shù)據(jù)查詢功能、管理功能?，F(xiàn)將在 IEC 61850體系中如何實(shí)現(xiàn)這些功能進(jìn)行研究。

3.1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸包括相量、模擬量的傳輸和狀態(tài)量的傳輸。相量、模擬量的應(yīng)用需要高密度的數(shù)據(jù)形成時(shí)間斷面，所以需要非常高的傳輸速率，使用低速的 MMS報(bào)文進(jìn)行傳輸是不可行的，需要在站控層使用SV報(bào)文進(jìn)行傳輸。IEC 61850-90-5部分定義了 R-MSVCB數(shù)據(jù)控制塊[11]用于在站控層傳輸SV報(bào)文。

為實(shí)現(xiàn)由主站發(fā)起的快速控制，以及接收到狀態(tài)信號(hào)觸發(fā)的快速控制，需要提供一種傳輸速度高、響應(yīng)速度快的狀態(tài)量傳輸服務(wù)，站控層低速 MMS是無法滿足這種應(yīng)用的。于是IEC 61850-90-5部分定義了R-GOCB數(shù)據(jù)控制塊用于在站控層向主站傳輸 GOOSE報(bào)文，用以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)量的高速傳輸和主站快速控制的應(yīng)用需求。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的交互流程如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.4 Dynamic data transfer process

3.2 離線數(shù)據(jù)的查詢

由于同步相量的數(shù)據(jù)量大，本地測(cè)量裝置需要將所有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存形成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件，同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)同步相量測(cè)量裝置會(huì)產(chǎn)生錄波文件儲(chǔ)存于本地，主站需要對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)需要查詢儲(chǔ)存于本地的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件和錄波文件，查詢流程如圖5所示。

圖5 離線文件查詢流程Fig.5 Offline file query flow

3.3 數(shù)據(jù)管理功能

3.3.1 打開關(guān)閉動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

IEEE 1344規(guī)約中的打開或關(guān)閉動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)被映射為IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的使能和停止R-MSVCB控制塊的動(dòng)作，具體是通過對(duì)布爾類型的SvEna屬性寫入相應(yīng)的值實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該屬性寫入True時(shí)，即打開動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸，寫入False時(shí)為關(guān)閉動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。為了有效控制網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量，缺省狀態(tài)為關(guān)閉動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。

3.3.2 更改動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸速率

由于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類似過程層采樣值數(shù)據(jù)，為高密度等時(shí)間間隔的測(cè)量值，所以此處可將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)看做采樣值數(shù)據(jù)，傳輸速率即為采樣率。這樣即可借用R-MSVCB控制塊的特征值SmpRate進(jìn)行傳輸速率的設(shè)置。

3.3.3 上傳自描述文件CFG1

在IEC 61850體系中自描述文件即ICD文件，主站獲得子站的ICD文件可以有兩種方式：第一種為離線模式，即離線制作包含子站ICD的SCD文件，主站通過讀取SCD文件即可獲得子站的ICD；第二種模式為在線模式，即通過目錄服務(wù)在線直接讀取子站ICD信息，此種方式適合包含信息較少的子站，若子站ICD包含信息較多時(shí)，此方式會(huì)非常耗時(shí)。

3.3.4 下傳CFG2文件

由于站內(nèi)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)涵蓋全站采集到的所有數(shù)據(jù)，主站平時(shí)需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)闹皇瞧渲幸徊糠?，需要提供主站在全站?shù)據(jù)中選定數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)墓δ堋?/p>

這里可以通過IEC 61850的自定義數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)。由于自定義數(shù)據(jù)集掉電會(huì)丟失，所以這里規(guī)定一種交互流程，以保證相量傳輸?shù)恼_性，其流程如圖6所示。

圖6 上電使能數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.6 Power-up enabled data transfer process

3.3.5 離線文件的查詢和上傳

由于歷史動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件按照每分鐘一個(gè)進(jìn)行儲(chǔ)存，且保存于站內(nèi)設(shè)備的大容量儲(chǔ)存器中，在分析故障時(shí)，需要調(diào)用故障時(shí)間前后的歷史動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或者錄波文件。

這里需要使用IEC 61850的文件服務(wù)，然而該服務(wù)存在不能按時(shí)間段查詢的缺陷，其只能調(diào)全部文件名列表，然后按文件名傳輸。而每一分鐘就會(huì)生成一個(gè)歷史動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)文件，文件數(shù)量龐大，查找到需要的文件進(jìn)行上傳十分困難。所以對(duì)此服務(wù)功能擴(kuò)展規(guī)定如下：

按時(shí)間段召喚錄波文件列表時(shí)，主站向子站發(fā)送請(qǐng)求的服務(wù)參數(shù)中，將路徑參數(shù)做如下擴(kuò)展：路徑名中包含裝置IED名稱，在路徑名前增加“開始時(shí)間”、“截止時(shí)間”以及標(biāo)識(shí)符“#*#”，“開始時(shí)間”與“截止時(shí)間”之間采用“^”符號(hào)連接，即“開始時(shí)間^結(jié)束時(shí)間#*#/COMTRADE（DYN）/IEDNAME/”，子站應(yīng)支持上述格式的時(shí)間段請(qǐng)求。從裝置召喚文件，路徑名前增加標(biāo)識(shí)符“#*#”。舉例如下：

（1）召喚列表時(shí)的路徑參數(shù)：“11445540898^ 12233330890#*#/COMTRADE/IEDNAME/”；

（2）召喚文件時(shí)的路徑參數(shù)：“#*#/COMTRADE/IEDNAME/FILENAME”；

以上提到的時(shí)間值均采用從 1970年 1月 1日00:00:00開始的秒數(shù)來表示。

3.3.6 歷史事件標(biāo)識(shí)的傳輸

同步相量采集裝置可以反映系統(tǒng)低頻振蕩時(shí)的狀態(tài)，而此時(shí)保護(hù)裝置并不會(huì)動(dòng)作，所以在其他的信息系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的告警事件。所以在分析故障時(shí)需要從同步相量測(cè)量系統(tǒng)中獲得相應(yīng)的告警事件，故需要提供可查詢歷史告警事件的功能。

由于將通訊統(tǒng)一到IEC 61850體系，所以只需要相量采集裝置將系統(tǒng)振蕩作為告警事件加入日志服務(wù)即可，當(dāng)主站需要知道歷史告警發(fā)生的時(shí)間時(shí)只需要發(fā)起日志服務(wù)進(jìn)行查詢即可獲得響應(yīng)的信息。

4 結(jié)論

將同步相量測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到IEC 61850體系是可行的，并且具有重大的意義。因?yàn)樵摲椒▽⑼较嗔繙y(cè)量系統(tǒng)與變電站其他信息系統(tǒng)全部統(tǒng)一到了相同的信息平臺(tái)上，使得其原本孤立的信息可以與其他信息系統(tǒng)的信息緊密聯(lián)系在一起，為信息的聯(lián)合分析提供了基礎(chǔ)。將來對(duì)于多種信息系統(tǒng)的整合，數(shù)據(jù)重復(fù)采集的簡化，數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一，不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，聯(lián)合分析的手段將會(huì)越來越趨于成熟，使得區(qū)域內(nèi)多變電站的信息統(tǒng)一分析處理，完成宏觀的整體控制成為可能。

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Research of a Method For Synchronized Phasor Data Transmission Based on IEC61850

ZHANG Xiao-yue, FENG Shan-qiang
(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

At present, IEEE 1344 protocol is still used in smart substation between the synchronous phasor measurement system and the main station with a dedicated channel, rather than IEC 61850 protocol which is widely used in smart substation.This both increases power grid construction investment and system maintance workload.In response to these issues, a transfer method based on IEC 61850 is proposed, which maps the tranditional method to IEC 61850 protcol, and make all existing communications services avaliable.First, a method of high-speed data transfer and fast control is proposed.Then, some provisions are clear to compensate the deffects where the functions cannot be fully implement by IEC 61850 protocol.Finally, the prospects of programme is analysed from the perspective of unified information platform of substation.Results show that it is feasible to realize the functions of sychorphasor measurement with IEC 61850, and will provide the basis for joint information analysis.

Electric power system and automation; IEC 61850; Synchronized Phasor; Integration information platform; Transfer of Synchronized Phasor Data

U223

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.021

張曉悅(1986-)，女，工程師，主要從事變電站自動(dòng)化研究與測(cè)試工作。

本文著錄格式：張曉悅，馮善強(qiáng).基于IEC 61850的同步相量數(shù)據(jù)傳輸方法研究[J].軟件，2017，38（3）：104-108