高金峰， 杜云朋

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式能源的接入和非線性用戶的增加，電能質(zhì)量問題愈加受到關(guān)注.只有對電能質(zhì)量做出實(shí)時可靠的監(jiān)測與分析，才能制定有效的措施來提高電能質(zhì)量[1].

用于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)約很多，比如MODBUS、IEC61870-5-101標(biāo)準(zhǔn)、IEC61870-103標(biāo)準(zhǔn)、IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)以及大量的私有協(xié)議.這些協(xié)議都是面向報(bào)文的協(xié)議[2]，導(dǎo)致了電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)過程中出現(xiàn)不同廠家設(shè)備兼容性差、數(shù)據(jù)共享困難、監(jiān)測平臺運(yùn)行效率低下等問題[3].

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備必須要遵循一致的信息結(jié)構(gòu)和服務(wù)模型.現(xiàn)有部分監(jiān)測系統(tǒng)采用PQDIF作為一種標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換格式，解決了不同文件格式之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存問題[4].但考慮到實(shí)際應(yīng)用，PQDIF在歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、SOE數(shù)據(jù)、波形數(shù)據(jù)等存在較大的局限性[5-6].IEC61850是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，定義了統(tǒng)一的信息模型和服務(wù)模型，通過SCSM映射到底層通信棧[7-9].通信協(xié)議棧的變化，以及電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)的升級并不影響上層的信息和服務(wù)模型，能夠很好地適應(yīng)通信的快速發(fā)展以及硬件的不斷升級.IEC61850第二版中兼容邏輯節(jié)點(diǎn)類部分，擴(kuò)充了測量類邏輯節(jié)點(diǎn)(M-),新增加了電能質(zhì)量事件分析類邏輯節(jié)點(diǎn)(Q-)，使得電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)完全采用IEC61850成為可能.所以把IEC61850引入電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是一種必然趨勢[3].但實(shí)際中基于傳統(tǒng)協(xié)議的設(shè)備已占有較大市場，在很長一段時間內(nèi)，支持傳統(tǒng)協(xié)議的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置與基于IEC61850的裝置將共同運(yùn)行于IEC61850系統(tǒng).現(xiàn)有關(guān)于電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通信協(xié)議的研究主要集中在基于IEC61850規(guī)約的信息與服務(wù)模型的建立[10-11].文獻(xiàn)[12]通過模型映射和對SCL文件進(jìn)行擴(kuò)充的方法建立了MODBUS TCP到IEC61850的協(xié)議轉(zhuǎn)換.MODBUS支持多種電氣接口和傳輸介質(zhì)，并且?guī)袷胶唵?、緊湊，在電力檢測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[13].所以研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)無縫接入IEC61850系統(tǒng)的裝置是很有意義的.

本文通過綜合分析電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)和功能需求，MODBUS RTU協(xié)議幀格式，IEC61850規(guī)約信息模型、服務(wù)模型以及模型映射有關(guān)問題，提出一種通過建立代理服務(wù)器，以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的方法實(shí)現(xiàn)基于傳統(tǒng)協(xié)議MODBUS的監(jiān)測裝置與基于IEC61850規(guī)約的通信網(wǎng)絡(luò)的無縫連接.對其他協(xié)議接入IEC61850系統(tǒng)具有借鑒意義.

1 規(guī)約轉(zhuǎn)換原理分析

1.1 一般協(xié)議映射原理分析

無論是傳統(tǒng)的通信協(xié)議還是IEC61850面向?qū)ο蟮耐ㄐ乓?guī)約，要正確地完成數(shù)據(jù)的交互，必須定義統(tǒng)一的尋址方式、一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一系列服務(wù)集合.通信過程為根據(jù)尋址方式正確地尋到設(shè)備，通過服務(wù)集合，操縱設(shè)備中具有一定存儲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.傳統(tǒng)的通信協(xié)議將地址、服務(wù)和數(shù)據(jù)結(jié)合起來，整合到一個數(shù)據(jù)幀中.而IEC61850面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議則分別定義了ACSI通信服務(wù)、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性等一系列的類型來組織數(shù)據(jù)，并根據(jù)服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性組成引用來正確地尋址得到數(shù)據(jù).

通過以上分析可知，要想實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的轉(zhuǎn)化，需要從3個基本方面來進(jìn)行映射：

1) 選址方式的映射；2) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射；3) 服務(wù)集合的映射.

結(jié)合MODBUS等面向報(bào)文的協(xié)議和IEC61850面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，把兩者映射方式總結(jié)如表1所示.

表1 面向報(bào)文協(xié)議和面向?qū)ο髤f(xié)議的映射關(guān)系

1.2 所提方案的特性分析

IEC61850模型中的邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)等類型是物理裝置相關(guān)功能虛擬映射，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測終端在硬件和軟件接口方面已經(jīng)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了映射，可直接運(yùn)行于IEC61850系統(tǒng).文中所提方案的原理是在物理裝置層與IEC61850系統(tǒng)層增加中間層，用于完成數(shù)據(jù)和服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換.除了完成所需要的轉(zhuǎn)換之外，本方案還具有3個特點(diǎn)：

1) 通過二次映射，實(shí)現(xiàn)IEC61850層與裝置層的解耦，利于IEC61850系統(tǒng)的穩(wěn)定性.而基于SCL或數(shù)據(jù)類型擴(kuò)充的方案，需要改變IEC61850層的結(jié)構(gòu)，會增加系統(tǒng)集成的復(fù)雜性.

2) 由于增加了中間層，可以在這一層上運(yùn)用當(dāng)下最流行的技術(shù)，比如大數(shù)據(jù)處理等.中間層會屏蔽掉這些技術(shù)的更新對裝置層和IEC61850系統(tǒng)的影響.

3) 能夠把系統(tǒng)層或裝置層的一些費(fèi)時和對存儲要求高的處理過程放在中間層，降低裝置的造價，提高系統(tǒng)的性能.基于修改IEC61850配置方式和擴(kuò)充類型的方法并沒有這種優(yōu)勢.

2 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能需求分析

根據(jù)電能質(zhì)量裝置運(yùn)行實(shí)踐，結(jié)合IEC61850規(guī)約第二版對測量功能的類型定義，這里把電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分為3類：

1) 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù).穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)是電能質(zhì)量監(jiān)測裝置長期監(jiān)測，包括3 s實(shí)時數(shù)據(jù)(基本測量值)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(為了便于穩(wěn)態(tài)趨勢的分析和報(bào)表的生成，文章選用3 min作為統(tǒng)計(jì)間隔，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有：最大值、最小值、平均值、95%概率值等)、報(bào)表數(shù)據(jù)(對完整日內(nèi)的實(shí)時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)).

2) 暫態(tài)數(shù)據(jù).用于超限監(jiān)測、事件暫態(tài)捕獲，記錄事件發(fā)生時的特征值、波形數(shù)據(jù)，并用精確時標(biāo)來標(biāo)注時間.

3) 裝置自檢數(shù)據(jù).對裝置自身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，例如通信狀態(tài)、裝置掉電、內(nèi)存監(jiān)控等.

為了完成電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，保證監(jiān)測信息的完整正確，代理服務(wù)器需具備3種主要功能：

1) 通信功能.代理服務(wù)器對下位機(jī)來說充當(dāng)客戶機(jī)，基于傳統(tǒng)通信協(xié)議(如MODBUS)通信，對上充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61850工作站，完成面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)類型和服務(wù)向MMS協(xié)議上的映射以及TCP/IP+以太網(wǎng)的通信.

2) 對時功能.較常用的對時協(xié)議有SNTP、IEEE1588、脈沖對時等.根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對時間精度和經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)運(yùn)用SNTP軟對時方式.

3) 配置功能.通過配置文件的傳輸，可以完成互通信裝置對各自功能和信息結(jié)構(gòu)的匹配，避免不必要的錯誤.

3 基于IEC61850規(guī)約的建模分析

3.1 基于IEC61850的信息建模

IEC61850按照面向?qū)ο蟮乃枷攵xIED的信息模型，信息模型采用分層的結(jié)構(gòu)，依次為：server(服務(wù)器)、logical device(LD邏輯設(shè)備)、logical node(LN邏輯節(jié)點(diǎn))、data object(DO數(shù)據(jù)對象)、Data Attribute(DA數(shù)據(jù)屬性).每一個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器包含一個或多個邏輯設(shè)備，每個邏輯設(shè)備包含至少3個邏輯節(jié)點(diǎn)(LLNO、LDPH和至少一個核心邏輯節(jié)點(diǎn))、每個邏輯節(jié)點(diǎn)包含一組數(shù)據(jù)對象，每個數(shù)據(jù)對象包含一組特定的數(shù)據(jù)屬性.

IEC61850根據(jù)變電站常用的功能，定義了標(biāo)準(zhǔn)的兼容邏輯節(jié)點(diǎn)類和兼容數(shù)據(jù)類，數(shù)據(jù)類型的屬性由IEC61850-7-3所定義的公共數(shù)據(jù)類確定.每種類中封裝了數(shù)據(jù)對象和服務(wù)，具體裝置應(yīng)該根據(jù)實(shí)際功能選用類型中所定義的數(shù)據(jù)和服務(wù).對于一些標(biāo)準(zhǔn)中無法滿足的功能，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定定義新類型或?qū)σ延蓄愋瓦M(jìn)行擴(kuò)充.

3.2 基于IEC61850的電能質(zhì)量信息模型分析

穩(wěn)態(tài)測量功能.在電能質(zhì)量監(jiān)測裝置正常運(yùn)行時，該功能邏輯節(jié)點(diǎn)主要完成實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)測(分相及總的有功、無功、視在功率、功率因數(shù)、諧波、諧波因數(shù)、電壓不平衡度等)，并根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)得出統(tǒng)計(jì)和報(bào)表數(shù)據(jù).該類邏輯節(jié)點(diǎn)如表2所示.

暫態(tài)事件監(jiān)測功能.該功能主要用來監(jiān)視電壓暫升、電壓暫降、電壓中斷及電壓和電流瞬變等暫態(tài)事件.和暫態(tài)事件相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)包含在邏輯節(jié)點(diǎn)Q組中，它們能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓有效值越線等暫態(tài)事件的捕捉，具體的暫態(tài)邏輯節(jié)點(diǎn)的選取如表3所示.

表2 穩(wěn)態(tài)測量邏輯節(jié)點(diǎn)

表3 暫態(tài)邏輯節(jié)點(diǎn)

異常記錄以及自定義觸發(fā)功能由邏輯節(jié)點(diǎn)RDRE承擔(dān)，當(dāng)暫態(tài)事件邏輯節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到暫態(tài)事件時，觸發(fā)該邏輯節(jié)點(diǎn)完成波形記錄功能.另外，客服端軟件可以設(shè)置RDRE的RcdTrg實(shí)現(xiàn)自定義觸發(fā)錄波.物理裝置的狀態(tài)變位信息由邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO完成.LDPH主要用于記錄其所在物理裝置的信息，包括裝置銘牌信息、裝置自檢信息等.LLNO用于記錄其所在的邏輯設(shè)備的公共信息，比如各種報(bào)告控制塊、日志控制塊、數(shù)據(jù)集、定值組等信息.該類邏輯節(jié)點(diǎn)的選用如表4所示.

3.3 基于IEC61850的數(shù)據(jù)傳輸模型

由于系統(tǒng)中監(jiān)測點(diǎn)眾多、指標(biāo)各異，為了充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)帶寬，避免通信擁堵和信息丟失，IEC61850定義了數(shù)據(jù)集.數(shù)據(jù)集把具有相同特性的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)集合，在報(bào)告控制塊的控制下，主動上送.另外，為了保證在通信終端斷網(wǎng)等情況下，保證信息的完整性，IEC61850定義了日志模型，系統(tǒng)總站根據(jù)需要調(diào)用服務(wù)器的日志數(shù)據(jù).對于不同的數(shù)據(jù)集，所需要的傳輸方式如表5所示.

表4 系統(tǒng)邏輯節(jié)點(diǎn)

表5 數(shù)據(jù)類型和傳輸形式表

4 MODBUS規(guī)約分析

MODBUS協(xié)議是OSI模型第7層的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，具有多種實(shí)現(xiàn)形式.本研究選擇RS-485總線作為物理層，選用MODBUS RTU作為應(yīng)用層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)MODBUS通信.MODBUS RTU是一種面向報(bào)文的主-從協(xié)議.

圖1 MODBUS的ADU結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of MODBUS ADU

4.1 MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀分析

MOBUS協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ADU)，特定的信息首先映射到應(yīng)用層ADU，然后再進(jìn)行鏈路層編碼，再通過物理層RS-485總線進(jìn)行傳輸.MODBUS協(xié)議的ADU如圖1所示.

仿照MMS應(yīng)用層協(xié)議，這里把MODBUS的ADU也分為地址部分、信息部分與功能部分.

地址部分：附加地址；

信息部分：數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及錯誤信息；

功能部分：功能碼.

附加地址為物理設(shè)備在總線上的地址引用以及數(shù)據(jù)在存儲單元的首地址引用，用于和IEC61850規(guī)約中的實(shí)例引用相對應(yīng)；數(shù)據(jù)中包含數(shù)據(jù)所占用存儲器的大小以及需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)所占存儲單元的大小與IEC61850定義的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性類型對應(yīng).MODBUS定義了十分豐富的功能碼、子功能碼，用于說明數(shù)據(jù)幀所要完成的功能，對應(yīng)于IEC61850中的服務(wù).

4.2 MODBUS在電能質(zhì)量監(jiān)測上的應(yīng)用

選取合適的存儲結(jié)構(gòu)和功能碼是正確實(shí)現(xiàn)MODBUS的必要條件.下面根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)來選取存儲結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)墓δ艽a.

MODBUS根據(jù)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)和訪問權(quán)限，把數(shù)據(jù)分為4類，分別存儲在4張表中，如表6所示.

本文把4種性質(zhì)的數(shù)據(jù)分配給4個獨(dú)立的存儲區(qū)，每個存儲塊的地址引用從0開始，并且連續(xù).數(shù)據(jù)的地址引用要和實(shí)際地址的存儲地址一一對應(yīng).因?yàn)椴煌臄?shù)據(jù)類型對應(yīng)不同的功能碼，所以不同類型，但具有相同引用的地址引用號并不會產(chǎn)生混淆.

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)分類方法，我們可以把電能質(zhì)量用到的數(shù)據(jù)類型和上述基本表所定義的基本類型一一對應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類存儲和管理，具體對應(yīng)關(guān)系如表7所示.

表6 MODBUS數(shù)據(jù)模型基本表

表7 數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系

以位組的形式存儲告警事件，并事先定義好每一位代表的意義.手動觸發(fā)信息，需要由代理服務(wù)器接收系統(tǒng)總站的觸發(fā)消息，然后通過改變下位機(jī)的狀態(tài)位，來觸發(fā)下位機(jī)活動，所以需要可讀寫的位組來存儲這些狀態(tài)位.由于基本的測量、SOE等數(shù)據(jù)都是只讀量，所以存儲在輸入寄存器表中.而對于一些設(shè)定值，配置信息則需要由上位機(jī)配置，所以存儲在可讀寫的保持寄存器中.

MODBUS定義的功能碼較多，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的數(shù)據(jù)傳輸方式.根據(jù)MODBUS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文所選用的功能碼和所對應(yīng)的電能質(zhì)量信息如表8所示.

5 代理服務(wù)器的通信過程分析

5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

圖2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Basic struction of system

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)為3層兩網(wǎng)系統(tǒng)，代理服務(wù)器對下作為客戶機(jī)，對上作為標(biāo)準(zhǔn)的IEC61850電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，上文中基于IEC61850所建立的模型都是電能質(zhì)量監(jiān)測終端在代理服務(wù)器中的映射.圖2為系統(tǒng)的框圖.

下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集與指標(biāo)計(jì)算，和上位機(jī)按照MODBUS協(xié)議上送實(shí)時數(shù)據(jù)、狀態(tài)變量、告警信息、異常狀態(tài)信息等指標(biāo).代理服務(wù)器作為客戶機(jī)，按上文中所選用的功能碼，以輪詢的方式從下位機(jī)取得實(shí)時數(shù)據(jù)和其他一些信息，然后根據(jù)所取得信息進(jìn)一步處理[14-15].

5.2 MODBUS和IEC61850信息與服務(wù)模型映射

MODBUS定義了4種寄存器，分別存儲不同數(shù)據(jù)類型的信息，代理服務(wù)器讀取下位機(jī)寄存器中的數(shù)據(jù)，對應(yīng)存入IEC61850所定義的數(shù)據(jù)模型之中，結(jié)合表8對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)類型的分類，它們的映射關(guān)系如下：

1) 離散量輸入是一種只讀狀態(tài)量，用以反映電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的告警信息，比如裝置掉電、網(wǎng)絡(luò)中斷、穩(wěn)態(tài)越線、計(jì)數(shù)等.在IEC61850中用公共數(shù)據(jù)類SPS、INS表示.

2) 線圈是一種可讀寫狀態(tài)量，用以表示可控狀態(tài)量，映射為公共數(shù)據(jù)類中的SPC、ING.

3) 輸入寄存器作為只讀模擬量，用以表示監(jiān)測裝置的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)等，映射為公共數(shù)據(jù)類中的MV、WYE.

4) 保持寄存器作為可讀寫模擬量，用以表示可控模擬量，比如裝置參數(shù)設(shè)定和穩(wěn)態(tài)超限值的設(shè)定等，映射為ASG.

基于IEC61850的代理服務(wù)器和系統(tǒng)總站的數(shù)據(jù)交換主要是通過報(bào)告和日志實(shí)現(xiàn).報(bào)告和日志并不涉及ACSI到功能碼的映射.在報(bào)告之外的一些系統(tǒng)總站的數(shù)據(jù)召喚，需要ACSI向特定功能碼的映射，具體映射如表9所示.

表8 功能碼與電能質(zhì)量信息的對應(yīng)關(guān)系

表9 MODBUS功能碼與ACSI服務(wù)映射

5.3 離散量輸入表中數(shù)據(jù)的處理過程

離散量輸入表存儲的是只讀位組信息，圖3就是上位機(jī)對該數(shù)據(jù)類型的處理過程，圖中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

代理服務(wù)器讀取下位機(jī)的位組數(shù)據(jù)，然后判斷位組中的數(shù)據(jù)變位，再根據(jù)數(shù)據(jù)變位所代表的告警信息類型，讀取下位機(jī)中的告警信息，再把上召的告警信息組成數(shù)據(jù)集，以報(bào)告的形式把告警信息上傳給總站，并儲存在日志中[16-18].

5.4 線圈狀態(tài)表中數(shù)據(jù)的處理過程

線圈狀態(tài)表存儲的是可讀寫的位組數(shù)據(jù)，主要用于狀態(tài)觸發(fā)(在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中主要是人為觸發(fā)).下位機(jī)根據(jù)這些位的狀態(tài)變化，做出合適的動作，完成人機(jī)交互.下面以手動錄波為例詳細(xì)敘述這一過程，圖4為該過程的框圖，圖中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

圖3 只讀位組數(shù)據(jù)的處理過程Fig.3 The process of read-only bits

圖4 可讀寫位組的數(shù)據(jù)處理過程Fig.4 The process of read-and-write bits

系統(tǒng)總站做出手動錄波命令，代理服務(wù)器收到這個命令，映射到特定功能碼，將下位機(jī)代表錄波命令的狀態(tài)位改變.下位機(jī)根據(jù)狀態(tài)位的變化，開始記錄波形.下位機(jī)記錄波形之后，將離散量輸入表中代表故障波形完成位的狀態(tài)改變.當(dāng)代理服務(wù)器讀取該位組并判斷位組的改變信息后，就會以適當(dāng)?shù)墓δ艽a在存儲波形數(shù)據(jù)的輸入寄存器中讀取該波形文件.代理服務(wù)器完成波形文件的讀取之后，再以報(bào)告形式上送系統(tǒng)總站，并存儲在日志中.

5.5 輸入寄存器表中數(shù)據(jù)的處理過程

輸入寄存器表是以數(shù)據(jù)字節(jié)為單位的只讀數(shù)據(jù)表，是電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的存儲格式.圖5給出了數(shù)據(jù)的具體處理過程，圖中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

下位機(jī)的主要功能就是監(jiān)測并記錄實(shí)時數(shù)據(jù)、SOE(sequence of event)數(shù)據(jù)、波形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并不需要人為的改變，所以記錄在只讀寄存器中.代理服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)總站，或是根據(jù)數(shù)據(jù)變位，通過合適的功能碼讀取其中的數(shù)據(jù)，做一定的處理，再以報(bào)告或日志的形式上送總站.

5.6 保持寄存器表中數(shù)據(jù)的處理過程

保持寄存器表是以數(shù)據(jù)字節(jié)為單位的可讀寫數(shù)據(jù)表，這里主要用其可寫的功能，存儲一些由代理服務(wù)器或系統(tǒng)總站設(shè)定的信息.圖6說明這一過程，并以穩(wěn)態(tài)越限定值的處理為例，給出這一原理，圖中M代表MODBUS, IEC代表IEC61850.

圖5 只讀寄存器數(shù)據(jù)處理過程Fig.5 The process of read-only register data

圖6 可讀寫寄存器的數(shù)據(jù)處理過程Fig.6 The process of read-and-write register data

系統(tǒng)總站發(fā)出設(shè)定值的命令和數(shù)據(jù)，代理服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)總站的命令和數(shù)據(jù)，選用合適的功能碼，把穩(wěn)態(tài)越限數(shù)據(jù)存入下位機(jī)特定區(qū)域的保持寄存器中，以供下位機(jī)作為越限告警的基準(zhǔn)值.當(dāng)下位機(jī)監(jiān)測到越限事件后，就會把離散量輸入表中代表該越限的數(shù)據(jù)位變位.代理服務(wù)器以3 s的時間間隔讀取離散輸入寄存器中的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該變位時，就會通過適當(dāng)?shù)墓δ艽a讀取輸入寄存器中存儲的越限告警數(shù)據(jù)，然后把該數(shù)據(jù)通過報(bào)告或日志的形式上傳給系統(tǒng)總站.

5.7 模型實(shí)現(xiàn)

根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)需求分析以及MODBUS協(xié)議向IEC61850模型映射方案的具體要求，文章運(yùn)用C#編程語言編寫了模型映射類型文件.通過對模型映射類型文件的引用，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議映射層與下位機(jī)的通信以及協(xié)議的映射，并根據(jù)IEC61850模型中對信息和功能的需求，構(gòu)建了MDI界面系統(tǒng)，能夠在協(xié)議映射層對電能質(zhì)量監(jiān)測終端進(jìn)行監(jiān)控.圖7包括了父窗體和兩個最常用的子窗體.父窗體主要實(shí)現(xiàn)對各個子窗體的控制，包括菜單欄、工具欄和狀態(tài)欄；子窗體完成具體的顯式與監(jiān)控功能.窗體的顯示控件依據(jù)IEC61850信息模型進(jìn)行指標(biāo)提取，窗體的命令控件用于觸發(fā)IEC61850服務(wù)模型中的具體服務(wù).IEC61850信息和服務(wù)需要映射為具體的MODBUS協(xié)議幀，并發(fā)送到監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)對終端的信息讀取與控制.通過監(jiān)控軟件的運(yùn)行分析，能夠完成數(shù)據(jù)的正確讀取以及用戶對終端的控制，表明能夠?qū)崿F(xiàn)MODBUS協(xié)議向IEC61850模型的映射.

圖7 模型實(shí)現(xiàn)界面Fig.7 Model implementation interface

6 結(jié)論

IEC61850提供了統(tǒng)一的信息模型和服務(wù)模型，能夠很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和裝置的互操作.實(shí)際中，能夠完全在設(shè)備層實(shí)現(xiàn)IEC61850所定義的各種功能的設(shè)備很少，并且十分昂貴；基于傳統(tǒng)規(guī)約的裝置與基于IEC61850的裝置共同運(yùn)行于同一系統(tǒng)將是近階段面臨的主要問題[19].本文提出的用代理服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)非IEC61850規(guī)約和IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換方法能夠簡化底層硬件和軟件的設(shè)計(jì)難度，也能夠使信息格式和傳輸方式的開發(fā)更加簡潔方便.基于文中所提的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的模型映射方案，已和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研討，證明這是一種可行的方案.運(yùn)用C#建立的MODBUS向IEC61850模型映射類型庫文件被廠家引用在電能質(zhì)量監(jiān)控軟件開發(fā)中，所開發(fā)的軟件能夠正常運(yùn)行.

[1] 康海珍, 丁美.對數(shù)字化變電站IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的分析與探討[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2013, 29(1):40-44.

[2] 王德文, 朱永利, 王艷. 基于IEC61850的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測集成平臺[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(13): 43-47.

[3] 余曉鵬, 李瓊林, 杜習(xí)周, 等. 基于IEC61850的電能質(zhì)量監(jiān)測終端數(shù)據(jù)分析及模型實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(4): 46-59.

[4] 徐遐齡, 查曉明. 電能質(zhì)量監(jiān)測評估系統(tǒng)的研究[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(1): 158-162.

[5] 張競, 肖先勇. 基于XML的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)共享模型及跨平臺數(shù)據(jù)交換[J].電力自動化設(shè)備, 2007, 27(12): 88-92.

[6] 周磊. 電能質(zhì)量及其一致性方法研究[D].南京： 東南大學(xué), 2014.

[7] 國家能源局. DL/T 860.72 基本信息和通信結(jié)構(gòu)抽象通信接口(ACSI)[S]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[8] 國家能源局. DL/T860.7420基本通信結(jié)構(gòu)——分布式能源邏輯節(jié)點(diǎn)[S]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

[9] 國家能源局. DL/T860.81特定通信服務(wù)映射(SCSM)對MMS(ISO 9506-1和ISO 9506-2)及ISO/IEC 8802-3的映射[S].北京: 中國電力出版社, 2007.

[10] 熊慕文, 朱何榮. 電能質(zhì)量監(jiān)測終端IEC61850建模方案設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與應(yīng)用, 2014(12): 85-88.

[11] 李鵬. 基于IEC61850的統(tǒng)一電能質(zhì)量監(jiān)測終端模型設(shè)計(jì)及其在浙江電網(wǎng)的應(yīng)用[J]. 電力電氣, 2012, 31(7): 18-22.

[12] 王德文, 閻春雨, 畢建剛, 等. 變電站狀態(tài)監(jiān)測通信網(wǎng)關(guān)中Modbus與IEC61850的映射方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(19): 78-80.

[13] 李金, 孫斌, 張靜. 電能質(zhì)量監(jiān)測終端的IEC61850信息模型[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2013, 29(11): 20-24.

[14] 華镕. 從Modbus到透明就緒——施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 6-50.

[15] 張海源, 任春梅, 張冉.Modbus協(xié)議在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].繼電器, 2007, 35(17): 31-35.

[16] 唐喜, 孟巖, 王治民, 等.IEC61850日志功能工程應(yīng)用實(shí)踐[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(1): 91-95：

[17] 王順江. 電力自動化通訊規(guī)約精解[M]. 沈陽: 東北大學(xué)出版社, 2014: 157-174.

[18] 李立平. 基于IEC61850的電能質(zhì)量監(jiān)測IED的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2012.

[19] 黃永寧, 張爽, 周建麗. IEC61850在省級電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的深化應(yīng)用[J]. 電力科學(xué)與工程, 2013, 29(3): 33-39.