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(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，成都 611231)

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能水位變送器研究

馮黎兵，劉一均，陳榮，鄭嘉龍，楊鴿

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，成都 611231)

為提高智能水電廠水位測控裝置的智能化程度，提出了一種智能水位變送器的設(shè)計方案。通過對智能水電廠通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案的分析，指出數(shù)據(jù)格式無法滿足智能電網(wǎng)技術(shù)的通信要求；明確智能水位變送器的通信功能需求，在此基礎(chǔ)上搭建智能水位變送器系統(tǒng)硬件平臺；然后按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求建立智能水位變送器的信息模型，完成通信服務(wù)配置并給出了系統(tǒng)組成框圖。最后設(shè)計了一套實驗方案，在2臺電腦上運(yùn)行IEDScout模擬軟件接收數(shù)據(jù)，使用Wireshark軟件抓取并分析MMS數(shù)據(jù)包。實驗結(jié)果表明:構(gòu)建的信息模型能滿足水位數(shù)據(jù)使用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信的要求，信息具有共享性和自描述性;所搭建的系統(tǒng)平臺通過信息模型重構(gòu)或擴(kuò)展可以滿足其他非電量數(shù)據(jù)的采集處理需要，符合一次設(shè)備智能化的建設(shè)戰(zhàn)略要求。

IEC 61850；水位變送器；智能電子設(shè)備；服務(wù)端建模；智能水電廠

1 研究背景

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，利用數(shù)據(jù)模型強(qiáng)大的自描述能力，可使數(shù)據(jù)交換各方不經(jīng)事先約定而實現(xiàn)良好的互操作性。

在我國智能變電站和智能水電廠建設(shè)過程中，由于市場上缺乏相應(yīng)的智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，以下簡稱IED)，因而對壓力、液位、溫度等非電量參數(shù)的測量只能采用折中處理辦法，即：將相關(guān)傳感器輸出的4～20 mA或0～5 V模擬量信號通過電纜傳輸至智能可編程控制器或智能微機(jī)測控裝置的模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后予以識別和利用，并將該數(shù)據(jù)納入遙測數(shù)據(jù)集以MMS協(xié)議發(fā)往站控層數(shù)據(jù)平臺供實時監(jiān)視使用。這種處理方式不符合智能電網(wǎng)“一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化”的技術(shù)要求[1]，數(shù)據(jù)信息的共享性較差，相關(guān)IED設(shè)備建模復(fù)雜，同時也不利于產(chǎn)業(yè)鏈上不同廠家的分工協(xié)同。目前，國內(nèi)符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的非電量變送器還未見相關(guān)文獻(xiàn)報道，也未見相關(guān)專利請求，因此對基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能水位變送器的研究具有必要性，能以此輻射智能水電廠其他非電量數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，并促進(jìn)相關(guān)測控儀表或裝置的技術(shù)進(jìn)步。

水位遠(yuǎn)程自動化測量系統(tǒng)是由水位傳感器、智能變送器和后臺應(yīng)用軟件3部分構(gòu)成，伴隨傳感器向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的需要，傳統(tǒng)水位傳感器通過配裝智能變送器實現(xiàn)水位信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸已經(jīng)成為近年來的研究重點[2]。張文[3]通過配裝GSM通信模塊實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的無線傳輸；劉紅樂[4]將水位傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提出了一種網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字水位傳感器處理方案；韓凱州[5]則在多個傳感器節(jié)點無線組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了水位數(shù)據(jù)的整體以太網(wǎng)方式遠(yuǎn)傳；馬珺等[6]提出了一種配裝檢索式數(shù)字水位傳感器的智能變送器系統(tǒng)，采用RS-485總線、Modbus協(xié)議這種最常用的通信接口方案，從信號采樣到數(shù)據(jù)傳輸各環(huán)節(jié)均實現(xiàn)了數(shù)字化，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

通過查閱國內(nèi)外公開的文獻(xiàn)報道[7]并予以歸納總結(jié)，可以看到在水位傳感器數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展方向上已經(jīng)產(chǎn)生了較多研究成果，但無論哪種處理方案，因其數(shù)據(jù)格式不符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求，其研究成果均無法直接應(yīng)用于智能水電廠建設(shè)。

2 通信需求與系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 需求分析

圖1 智能水電廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Network structure of intelligent hydropower plant

依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)所定義的“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，智能水電廠通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方案通常如圖1所示[8]。由圖1可知，需要獲取水位信息的間隔層IED設(shè)備主要是輔機(jī)自控裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和在線監(jiān)測裝置，這些設(shè)備與屬于過程層設(shè)備的水位傳感器之間理論上應(yīng)該采用SMV(采樣測量值傳輸)網(wǎng)絡(luò)通信。但是，基于IEC 61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)的SMV網(wǎng)絡(luò)是一種“點對點”通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的共享性不足，且通信數(shù)據(jù)為原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要客戶端配裝相應(yīng)的解碼軟件，故一般只用于電子式電流、電壓互感器與微機(jī)保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)交換；基于IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的SMV網(wǎng)絡(luò)雖具備“一點對多點”通信功能，但因電流、電壓采樣點多、采樣頻率高導(dǎo)致通信時會占用較多網(wǎng)絡(luò)資源，且智能水電廠過程層網(wǎng)絡(luò)一般采用GOOSE與SMV合并組網(wǎng)方式，為保證實時性要求更高的GOOSE信號享有盡可能大的通信帶寬，所以該通信方式一般只用于電流、電壓測量合并單元與間隔層IED設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換[9]，其他模擬量的測量數(shù)據(jù)不宜再使用GOOSE/SMV網(wǎng)絡(luò)傳輸。

鑒于以上實際情況，且水位信息傳輸?shù)膶崟r性要求并不高，故智能水電廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可優(yōu)化為圖2所示方案。

圖2 智能水電廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案Fig.2 Optimized scheme of network structure of intelligent hydropower plant

圖2中，隸屬于其他智能測量裝置的智能水位變送器可視為服務(wù)端，需要獲取該水位信息的其他IED設(shè)備可視為客戶端，采用C/S通信服務(wù)模式通過MMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因間隔層IED設(shè)備均具備MMS報文解析功能，所以可方便地獲取水位信息。

2.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)以上需求分析，智能水位變送器僅需采集水位傳感器的數(shù)據(jù)并按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)處理后發(fā)送至間隔層MMS網(wǎng)絡(luò)，供相關(guān)IED設(shè)備共享使用，故智能水位變送器系統(tǒng)的組成方案如圖3所示。

圖3 智能水位變送器系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Block diagram of the intelligent water level transmitter system

在圖3中，基于Inter ATOM N2800處理器的嵌入式工控主板具備2個千兆以太網(wǎng)通信口，能滿足智能水電廠站控層MMS千兆雙網(wǎng)通信要求[10]，且支持RS-485,RS-232,USB及無線WiFi等主流通信方式，能與現(xiàn)有數(shù)字化水位傳感器無縫對接，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性；選用自帶看門狗電路和傳感器斷線監(jiān)測功能的工業(yè)級A/D采集模塊采集多路水位傳感器輸出的4～20 mA或0～5 V模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以RS-485串口與主板通信交換數(shù)據(jù)。也可配裝基于PCI,PXI總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊，滿足并行高速數(shù)據(jù)傳輸要求；選用基于STM32芯片組的3.5寸工業(yè)級串口顯示屏作為就地顯示裝置，通過PL2303HX芯片轉(zhuǎn)換后與主板USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)就地顯示功能。

以上系統(tǒng)具有組態(tài)簡單、易于集成、調(diào)試方便和體積較小等特征，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的運(yùn)行環(huán)境，可就地組屏安裝。

3 服務(wù)端模型構(gòu)建

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是通過構(gòu)建IED設(shè)備的信息模型，以抽象通信服務(wù)接口描述設(shè)備對外提供信息模型的功能，然后通過特殊通信服務(wù)映射將抽象通信服務(wù)接口映射到OSI 7層模型的應(yīng)用層[11]。在具體工程實踐中，通信服務(wù)的映射已有較為成熟的解決方案，裝置開發(fā)的關(guān)鍵是設(shè)備信息模型的構(gòu)建。

3.1 建模原則

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用分層思想定義了服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性5層嵌套的結(jié)構(gòu)化信息模型，任何一個物理設(shè)備都可以抽象為一個包含以上5個信息層次的IED設(shè)備[12]。其中，服務(wù)器模型代表設(shè)備的外部可視功能，是設(shè)備的通信接口，可根據(jù)其通信功能需求確定訪問點名稱與數(shù)量；邏輯設(shè)備是一種虛擬設(shè)備，主要用于存放被訪問和引用的信息列表，故一般按物理設(shè)備的功能類別(如測量、保護(hù)、報警等)確定邏輯設(shè)備數(shù)量及名稱；邏輯節(jié)點則代表設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)交換的具體功能，是整個建模的核心[13]。通常情況下對設(shè)備進(jìn)行功能分解后(如測量功能可繼續(xù)分解為電流、電壓、頻率測量等)，依據(jù)完成功能所需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的對象，從IEC 61850-7-4中選擇對應(yīng)的邏輯節(jié)點創(chuàng)建信息模型，特殊情況下也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行邏輯節(jié)點擴(kuò)展來滿足建模需要。應(yīng)當(dāng)注意的是，任何一個邏輯設(shè)備下還必須包含2個特殊邏輯節(jié)點:LLN0邏輯節(jié)點是管理性質(zhì)邏輯節(jié)點，用于存放數(shù)據(jù)集和控制塊等通信服務(wù)信息;LPHD邏輯節(jié)點則是存放諸如銘牌、自檢等物理信息的邏輯節(jié)點[14]。此外，IEC 61850-7-4是按功能類定義邏輯節(jié)點，故建模時還應(yīng)根據(jù)功能數(shù)量對同類邏輯節(jié)點進(jìn)行實例化(如電流測量邏輯節(jié)點TCTR，可實例化為A相電流TCTR1、B相電流TCTR2等)；邏輯節(jié)點下所包含的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性是信息交互的具體內(nèi)容，繼承自邏輯節(jié)點類，須嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定才能確保設(shè)備互操作，若數(shù)據(jù)對象帶“O”標(biāo)識，可視具體情況裁剪。

3.2 建模方法

根據(jù)以上原則，從IEC 61850-7-4中選擇“HLVL類”邏輯節(jié)點建模。該邏輯節(jié)點類用于表示基準(zhǔn)面之上的水位高度，其數(shù)據(jù)對象及數(shù)據(jù)屬性見表1。

表1 HLVL邏輯節(jié)點類的數(shù)據(jù)對象Table 1 Data objects of the HLVL logical node class

注：M為強(qiáng)制實施；O為可選實施

表1中，公用邏輯節(jié)點信息是任何一個邏輯節(jié)點都必須包含的數(shù)據(jù)對象，通過系統(tǒng)配置賦值。測量值數(shù)據(jù)對象“LevM”相當(dāng)于一個有名變量，用于存放來自于生產(chǎn)過程的數(shù)字化水位數(shù)值。狀態(tài)信息和控制信息中的數(shù)據(jù)對象均帶有“O”標(biāo)識，可視具體情況裁剪。此外，也可根據(jù)功能需要按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定擴(kuò)展數(shù)據(jù)對象，如：增加“報警信息”數(shù)據(jù)對象。

因篇幅所限，僅以完成四路水位數(shù)據(jù)發(fā)送功能為例，對表1中的數(shù)據(jù)對象進(jìn)行裁剪，只保留強(qiáng)制數(shù)據(jù)(“M”標(biāo)識)，構(gòu)建的智能水位變送器信息模型如圖4所示。

圖4 智能水位變送器的信息模型Fig.4 Information model of intelligent water level transmitter

圖4中，LLN0和LPHD是邏輯設(shè)備模型必須包含的邏輯節(jié)點，HLVL1—HLVL4是邏輯節(jié)點類的實例化，分別代表四路水位數(shù)據(jù)信息。因只需完成水位測量功能，故邏輯設(shè)備類建模為1個LD實例，命名為MONT01。同理，因本裝置只需實現(xiàn)單個MMS網(wǎng)絡(luò)通信，故只需在SERVER實例下建模1個訪問點，訪問點名稱為S1。

通過引用邏輯節(jié)點HLVL1—HLVL4下的數(shù)據(jù)對象LevM和NamPlt組成數(shù)據(jù)集dsMeasure，選擇和調(diào)用ASCI核心服務(wù)并對報告服務(wù)控制塊進(jìn)行設(shè)置就可以完成信息交換服務(wù)模型構(gòu)建。因NamPlt數(shù)據(jù)對象可以描述銘牌信息，在數(shù)據(jù)集中引用后，所報告的水位數(shù)據(jù)就帶自描述信息，故將其納入數(shù)據(jù)集同步報告。

3.3 建模結(jié)果

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為確保設(shè)備間具有良好的互操作性，專門規(guī)范了對系統(tǒng)進(jìn)行配置描述的語言，所以還需根據(jù)以上信息模型，使用SCL語言按規(guī)范編寫智能電子設(shè)備的ICD文件(設(shè)備自描述文件)。設(shè)備投運(yùn)前，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)集成商提供的系統(tǒng)配置文件修訂本設(shè)備的實例名稱及通信參數(shù)等相關(guān)信息，進(jìn)而生成CID文件(IED裝置的實例化配置文件)，再裝載到智能電子設(shè)備中即可實現(xiàn)互操作[15]。具體工程實踐中，也可使用第三方提供的配置工具和ICD模板文件來簡化信息模型及通信服務(wù)模型建模與配置工作，建模結(jié)果如圖5所示。

圖5 信息模型構(gòu)建結(jié)果Fig.5 Results of information model building

4 實驗結(jié)果

為驗證以上信息模型、通信服務(wù)模型及程序能否滿足IEC 61850 MMS網(wǎng)絡(luò)通信要求，設(shè)計仿真實驗方案如圖6所示。

圖6 實驗方案流程Fig.6 Flowchart of the experimental program

圖6中，使用2套信號發(fā)生器分別輸出變化范圍為4～20 mA和0～5 V的電流、電壓信號，模擬工程實踐中常用的2類傳感器。使用2臺PC模擬2個客戶端并裝載IEDScout軟件(智能電子設(shè)備客戶端測試軟件)及MMS報文抓包分析軟件Wireshark，經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)將智能水位變送器與2臺PC建成局域網(wǎng)并配置IP地址。通過觀察和比較信號源、智能水位變送器及客戶端測試軟件三者間顯示的數(shù)值，可以判斷智能水位變送器的信息模型與通信服務(wù)模型的可識別性、準(zhǔn)確性及共享性。

按照以上方案，通過手動調(diào)節(jié)信號源輸入的電流、電壓數(shù)值，可以觀察到智能水位變送器裝置在輸入數(shù)據(jù)變化時能自動向2個客戶端發(fā)送報文，在數(shù)據(jù)無變化時也能周期性地向2個客戶端發(fā)送報文，報文能被客戶端PC的IEC 61850測試軟件識別和利用，信號源、就地裝置與客戶端三者之間顯示的數(shù)值具有一致性。

5 結(jié) 論

通過以上研究和實驗驗證，可以得出以下結(jié)論：

(1) 傳統(tǒng)水位傳感器通過配裝智能變送器可以實現(xiàn)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化通信，其信息具有很強(qiáng)的共享性和自描述性。若將智能變送器與水位傳感器就地配裝，還能有效解決傳統(tǒng)模擬量采集方式無法避免的干擾問題，使其具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特征，從而升級成為智能電子設(shè)備。

(2) 通過重構(gòu)或擴(kuò)展信息模型與服務(wù)模型，本系統(tǒng)平臺可用于其他非電量數(shù)據(jù)(如壓力、溫度等)的采集與處理，還能擴(kuò)展出報警、控制等功能，具有較強(qiáng)的可移植性，能滿足智能水電廠建設(shè)需求。

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(編輯：陳 敏)

An Intelligent Water Level Transmitter Based on IEC 61850

FENG Li-bing, LIU Yi-jun, CHEN Rong, ZHENG Jia-long, YANG Ge
(Department of Electronic Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu 611231，China)

To improve the intelligence of water level measurement and control devices in intelligent hydropower plant, we present an intelligent water level transmitter in this article. Through analysis on the communication network structure of hydropower plants, we point out that the data format does not meet the technical requirements of smart grid, and expound the demand for intelligent communication function of transmitters. On this basis, we build a hardware platform for smart transmitter system, and establish the information model of smart transmitter in line with IEC 61850 standard. Furthermore, we complete the communication service configuration and give the block diagram of the intelligent transmitter system. Finally, we design an experimental program of running IEDScout software to

ata on both two PCs, and captured and analyzed MMS packet by Wireshark. Experimental result shows that the constructed information model and communication server mode meet the requirement of water level data posed by IEC 61850 standard. The information is self-descriptive and has a strong character of sharing. With the information model reconstruction or expansion, the system platform has the capacity to meet other non-power data’s acquisition and processing requirements, which is in line with the strategic requirement of primary equipment intelligence.

IEC 61850; water level transmitter; intelligent electronic device; server mode; intelligent hydropower station

2016-05-28；

：2016-07-20

四川省教育廳自然科學(xué)類重點科研項目(16ZA0439)

馮黎兵(1972-)，男, 四川成都人，副教授, 主要研究方向為水電廠自動控制，(電話)13678123237(電子信箱)43044784@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160533

2017,34(9):154-158

TM764；TP212.6

：A

：1001-5485(2017)09-0154-05