(云南电网有限责任公司文山供电局 云南文山 663000)
摘要：当前阶段，智能电网通信建设事业虽然取得了阶段性的进展，但是在实际的建设过程中，实时性要求高、结构复杂以及互操作性不足等问题仍然制约着我国智能电网通信事业的进一步发展。在本文的研究中，从智能电网的特点出发，介绍了智能电网数字化数据交换系统中，实时数据交换的智能变电站IEC 61850的映射方法，希望能够为当前配电网通信需求的有效满足提供必要的支持。
关键词：智能电网；数据分发服务；IEC 61850的映射
0.前言
当前阶段，不可再生能源在人类发展的过程中不断减少，用电群体对电力供应稳定性提出了新的要求。这种情况之下，可再生能源电力和智能电力装置在电网中得到了广泛的应用。
在我国乃至世界范围内，智能变电站是未来智能电网中至关重要的一环，为电厂和用电单位之间提供了承上启下的作用。智能变电站系统中，数据处理为基础的分布式应用为主要形式。这种情况之下，通信质量对于系统整体功能的顺利发挥有着直接的影响。当前所执行的IEC 61850通信标准虽然定义了抽象通信服务接口，但这仅仅是一个虚拟接口，并没有定义应用层协议，因此不同设备之间的数据交互难以完成，和这套标准设立的初衷显然是不符的。这种情况之下， ACSI到一个具体的通信栈的映射成为当下研究的热点课题。
智能变电站，是当前阶段电力系统中的重要组成部分，同时也是未来智能电网功能得以实现的基础。因此其可靠性对于电网整体可靠性和供电能力有着直接的影响。智能变电站系统是一种建立在智能化一次变电设备和二次网络化设备基础之上的电力管理系统。当前所执行的IEC 61850是国际电工委员会IEC TC57所提出的世界范围内第一个完整通信标准协议体系，它为变电站内各模块之间的通信提出了规范性要求，并为不同生产厂家所提供的智能电子设备之间的互操作提供了可能。
1.变电站IEC 61850协议
当前阶段，包括我国在内的世界各国，均采用IEC 61850协议作为新型变电站智能化系统的通信标准。相对于传统电力系统通信协议来说， IEC 61850集中应用了当前已经相对成熟的面向对象建模技术，通过逻辑节点、逻辑设备以及数据对象和数据属性的定义来完成对数据类型的描述，通过分层体系为其通信结构的划分提供有效支持。同时通过抽象通信服务接口的方式，配合特殊通信服务映射技术，为不同设备之间的互操作提供了新的可能。IEC 61850标准相对于传统标准协议来说，其定义的ACSI是抽象接口，为现场设备数据访问等功能的实现提供了技术支持。但是我们必须认识到，实际上ACSI是一个典型的虚拟接口，没有应用层协议的支持，无法真正意义上地完成实际的数据接收工作。
2.基于DDS的面向智能电网的实时数据通信
2.1实时数据通信简介
智能电网建设过程中，保证供电的稳定性和可靠性始终是其主要目标。尤其是当前无人值守数字变电站应用范围的不断拓展，数据传输的规模和种类急剧增加，再加上通信网络相对复杂，整体通信需求出现了根本性的转变。这种情况之下，通信网络的灵活性得到了广泛重视。相对于传统通信方式来说，DDS服务也是一种以数据为中心，通过分布式网络完成的数据传输模式。分布式网络本身没有中心，所以在实际的应用过程中，局部故障对于整体通信能力没有直接影响。包括HTTP, CORBA在内的传统通信模式，主要是通过信息处理中心将各地接口提供给远程对象来获取信息，通信整体安全性较差。同时，相对于传统意义上的客户/模式紧耦合结构来说，DDS采用了点对点传输模式，属于典型的的松藕合结构。这对于信息传输的安全性和可靠性的提升显然是有着重要的积极作用，值得我们重视和肯定。
2.2主动配电网数据通信技术需求
2.2.1、ADO阶段的通信需求
配电网线路保护只需要考虑保护电力元器件,不需要考虑电力系统稳定性因素,因此动作时间比高压输电网线路保护动作时间要求略低,约为500~700 ms,通信通道时延应小于等于100 ms,通信带宽在64 k比特每秒到1兆比特每秒。
智能配电网通信需求主要满足配电网设备(FTU,DTLI等)监测信息、自愈控制信息、故障定位信息的传送。智能配电网自愈动作速度要求小于3秒,除去元件采集和调度系统处理时间。双向通信通道时间应小于1秒,即单向通信时延要求小于500毫秒,通信带宽大约在30k比特每秒。
分布式电源、储能站通信需求同智能微电网通信需求，微网既可以从主网买电能,又可以将自身富余电能卖给主网,同时还可以协调MC、LC实现调度优化。假设MGCC充当市场操作员角色。MC根据MGCC提供的市场电价以及微源运行成本,向MGCC发送电价要求和发电量信息;新能源发电控制器负责进行实时预测,按照最大功率跟踪控制发电,并将预测发电量发送给MGCC; SC根据自身电量情况,向MGCC发出充/放电量要求;LC向MGCC发出高\低优先级负荷的需求电量及竞价;RMU向MGCC发出调度指令。
2.2.2.AMI阶段的通信需求
负荷需求侧管理通信需求对有特殊需求的大负荷用户,负荷需求侧管理必不可少,包括电能质量监测、负荷预测、负荷控制参数下发等功能。负荷需求侧管理带宽应达到5k比特每秒,时延为分钟级。
2.2.3.AAM阶段的通信需求
智能电网新的业务需求为对电网设备的全生命周期管理,以提高电网资产利用率。需要对全网设备(线路)运行状态进行在线监测以提高检修效率,延长设备使用寿命。设备运行状态监测为秒级业务,单点流量在4k比特每秒,110kV变电站覆盖配网范围内大约包含2000个左右的监测的信息点,包括变压器、二次设备、线路故障指示器、断路器、避雷器等。
DDS作为一种以数据为中心的的 DCPS模型的通信形式。而实际上，DCPS是一种非常典型的以数据为中心的信息交互模型，以信息发布者、信息订阅者和主题为基本元素。全局网络中，所以对信息感兴趣的节点都可以参与到信息的共享中来，并通过域或者主题来区分数据对象。这里的发布者为全局数据空间提供数据节点，而订阅者则主要是全局空间中按照数据使用需求提取信息的对象。而主题在这里的作用，主要是对信息加以标识。空间中的所有节点都是相互独立的，彼此之间没有逻辑上的从属关系，发布者以广播的形式完成数据发布，而订阅者则根据主题来选择相应的信息进行阅读。
DDS通过大量服务质量策略来为通信质量的保障提供支持。作为一种信息传输策略，QoS执行通过程序定制的质量目标，为用户通信需求的满足提供必要的支持。所有的节点本身都具有一个完整的QoS策略，同时信息发布者和信息的订阅者之间可以根据信息的实际使用需求设定独立的QoS协定。节点在上述策略的控制之下，自行匹配网络参数并完成连接的建立工作。
3.智能数字变电站自动化系统通信模型
IEC 61850将变电站的所有物理装置，利用服务器完成从子网到网站之间的数据传输，智能电子设备不仅可以提供客户角色，同时也可以是一个服务器角色。 (如图1所示）
图1 客户和服务器角色
服务器中存储了所有通信信息。本质上来说，这里的服务器实际上是一种抽象的物理存储设备。所有的服务器中，包括了逻辑设备-逻辑节点-数据对象-数据属性等多方面的内容。通信网络和I/O是服务器中的两个主要应用，为不同功能之间的通信和时钟同步等多种核心功能的完成提供技术支持。
逻辑设备在服务器中的应用，为通信的顺利进行提供了技术支持。多个逻辑节点以及附加服务等，构成了一个完整的逻辑设备。同时，该设备在实际的应用过程中，也同样提供了其所代表以及控制的物理设备的基本信息。
4.ACSI到DDS的映射规范和实例数据模型
DDS如上文中所介绍的，采用了数据为中心的信息交互模型，发布者发布数据，订阅者根据所发布数据的主题来选择自己感兴趣的数据进行阅读。而发布者和订阅者之间仅有数据上的关系，所关心的也仅仅是数据传输的经济性和有效性。
从IEC 61850协议的要求出发，结合本通信模型的实质性特征，我们可以用表1来表示ACSI的对象映射到相应的DDS服务实例。
本系统中，IEC 61850协议为设备无关功能进行了定义，并通过多种功能组件（逻辑节点）实现了具体的功能。这里我们所说的逻辑节点，是通信能力最小功能模块的一种，涵盖了多种数据。而数据中则涵盖了多个方面的数据属性，代表了功能在实际实现过程中的具体数据。自交换是构成逻辑节点的基础和前提， IEC 61850中，主要是通过PICOM对不同逻辑节点间数据交互行为进行定义来传输PICOM。
如果一台服务器为多台客户机提供数据支持，将会极大的增加两者之间的耦合，从而影响系统的灵活性水平，同时对于系统的可扩展性也有一定的负面影响。尤其是故障发生的时候，C/S模式通信拥堵问题非常严重。而本文所研究的基于DDS的映射则完全不存在这一方面的问题，因此整体性能更为强大。
图2 实例IEC 61850映射到DDS的数据模型
通过图2我们可以看到，包括TCTR、XCBR、TVTR、XSWI、PIOC、MMXU、MMTR以及CSWIIEC 61850在内的逻辑节点映射为DDS中的发布者和订阅者，并保证彼此之间较强的独立性。本研究中，通过对电压互感器TVTR以及电流互感器TCTR的测量来研究MMXU的通信过程，希望借此来论述智能变电系统中，IEC 61850协议到实际通信协议DDS映射的具体过程。将电子智能设备的域名定义为 “MMXU”,主题为“PtPV”，通过对全局数据空间中所有数据的监听来对比搜索相关数据流，如果发现则进行提取，无发现则继续保持监听状态。提取之后，需要对其QoS进行匹配，并以此为基础判断是否建立连接。而对于智能设备TCTR以及TVTR，则按照预先设定程度，根据控制信号的命令进行数据的发布。如图2所示，所有智能电子设备之间有着较强的独立性，并通过点对点通信的方式来降低彼此之间的耦合度水平，而当目录个电子设备处于故障状态之后，并不影响其他设备的正常运转。
5.基于DDS/IEC 61850的智能微电网数据通信
IED是智能MC/SC/LC。将IED看着为逻辑设备(LD)。IED的主要功能是测控。LD为测控功能的逻辑设备,主要包括幵关控制器(CSWI)、负荷开关(XSWI)、测量(MMXU)、电流互感器(TCTR)、电压互感器(TVTR)、通用过程I/O (GGIO)等逻辑节点。微电网最大特点是既可以并网运行,也可以孤岛运行。微网既可以从主网买电能,又可以将自身富余电能卖给主网,同时还可以协调MC、LC实现调度优化。假设MGCC充当市场操作员角色。MC根据MGCC提供的市场电价以及微源运行成本,向MGCC发送电价要求和发电量信息;新能源发电控制器负责进行实时预测,按照最大功率跟踪控制发电,并将预测发电量发送给MGCC; SC根据自身电量情况,向MGCC发出充/放电量要求;LC向MGCC发出高\低优先级负荷的需求电量及竞价;RMU向MGCC发出调度指令。（如图3）
图3智能DDS/IEC61850主动配电网数据通信
第1层控制是就地控制,主要是用来实现快速响应的控制，第2层控制是局部区域控制,主要是用来协调在局部区域内多个分布式单元以及多个DG之间的调度运行,降低各个分布单元之间对网络的影响及相互作用以保证区域局部目标的实现。主动配电网的全局优化管理系统是第3层控制,用来实现主动配电网全局范围的信息采集,利用智能优化算法构造主动配电网的全局优化控制策略。构建基于DDS/IEC 61850的主动配电网数据通信模型。
6.结束语
本文研究中，系统论述了DDS技术之下，IEC 61850映射到DDS的有效实现方法。本研究为电力系统通信工程师在专业通信知识方面的不足，通过对映射实现过程的简化，弥补了其软件编程知识上的不足。当前阶段，针对该领域所进行的研究在我国尚处于起步阶段，今后应对其给予更多的关注和重视，展开进一步的研究和探索。
参考文献
[1]程时杰,李兴源,张之哲.智能电网统一信息系统的电网信息全域共享和综合应用[J].中国电机工程学报,20]1,31(1): 8-14.
[2]黄盛.智能配电网通信业务需求分析及技术方案[J].电力系统通信,2010,31 (212) :10-12.
[3]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍.电网技术,2001, 25 (9): 8-11.
[4]朱桂英,张鸿,黄海峰,胡继昊,张海东,许先锋. 一种应用于智能变电站和调度主站之间的通信映射方法[J]. 电力系统保护与控制,2014,14:112-116.
[5]黄文华,庹善德. IEC61850标准中ACSI映射实现研究[J]. 现代电子技术,2011,15:63-66.
[6]陈羽,刘东,徐丙垠. 基于IEC 61850的行波测距装置建模[J]. 电力系统自动化,2013,02:86-90.
[7]毕艳冰,蒋林,张大海,王新军,崔立真. 基于实时数据分发服务的智能变电站IEC 61850的实现方法[J]. 中国电机工程学报,2013,07:149-155+7.
[8]段斌,刘艳,谭成. IEC 61850控制块服务追踪的实现策略[J]. 电力系统保护与控制,2013,18:126-131.
作者简介：
钱永亮(1984),男,工程师,云南电网有限责任公司文山供电局,从事变电检修专业工作（e-mail）1942743695@qq.com。
论文作者:钱永亮,段永生,刘懿,季兴福,杨红应,唐明淑
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/10
标签：通信论文; 智能论文; 电网论文; 数据论文; 变电站论文; 需求论文; 设备论文; 《电力设备》2016年第14期论文;