目前，基于IEC 61850的數(shù)字化變電站技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，其優(yōu)點得到了電力部門和設(shè)備廠商的廣泛認同，并逐漸向變電站自動化以外的領(lǐng)域推廣。IEC 61850第二版標題也改為“電力系統(tǒng)自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（communication networks and systems for power utility automation）”。變電站的出口延伸即為配電網(wǎng)，而配電網(wǎng)設(shè)備通信采用IEC 60870-5和Modbus規(guī)約。伴隨著堅強智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)約趨向統(tǒng)一，配電網(wǎng)規(guī)約技術(shù)升級緊迫感加強。

近年來有不少配電網(wǎng)IEC 61850應用技術(shù)的研究，但主要集中在信息模型的建立。

• 有學者給出了分布式能源各系統(tǒng)的通信信息模型。
• 有學者對光伏系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備功能建模。
• 有學者給出了絕緣故障監(jiān)測通信信息模型。
• 有學者展開配電網(wǎng)饋線自動化信息模型研究。
• 有學者將IEC 61850的訂閱發(fā)布功能應用到在線檢測信息系統(tǒng)中。
• 有學者研究采用可擴展消息和在線表示協(xié)議傳輸IEC 61850信息。
• 有學者介紹了IEC 61850技術(shù)流程，并在開發(fā)板上進行了部分功能模擬。

綜上所述，配電網(wǎng)設(shè)備的IEC 61850規(guī)約支持是未來配電網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展的主流方向之一，而現(xiàn)有研究重點放在信息模型建立，對配電網(wǎng)設(shè)備快速實現(xiàn)規(guī)約升級涉及較少。

本文設(shè)計了一種配電網(wǎng)嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，從方便現(xiàn)有配電網(wǎng)中設(shè)備快速支持IEC 61850規(guī)約角度出發(fā)，技術(shù)上基于國外成熟的底層協(xié)議庫進行二次開發(fā)來保證核心規(guī)約通信的可靠性，性能上通過高性能微處理器來保障軟件運行和規(guī)約數(shù)據(jù)處理要求的實效性，支持不同方式通信接口，滿足不同設(shè)備的同步接入，基于嵌入式Linux的多任務(wù)模式，使得多設(shè)備多規(guī)約的轉(zhuǎn)換可同步進行，滿足了現(xiàn)有配電網(wǎng)系統(tǒng)各種設(shè)備規(guī)約轉(zhuǎn)換的需求。

1 系統(tǒng)描述

當前國內(nèi)配電網(wǎng)系統(tǒng)應用最多的通信規(guī)約是IEC 60870-5和Modbus，雖然已經(jīng)是成熟技術(shù)，但在長期的工程應用中其不足也逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為：

• ①IEC 60870-5系列標準技術(shù)本質(zhì)是給出一個大的通信數(shù)據(jù)框架格式，支持該規(guī)約的設(shè)備按此格式上組幀數(shù)據(jù)，不同廠家的理解差異導致支持該規(guī)約的不同廠家設(shè)備在同一系統(tǒng)中不能互通，需要廠家技術(shù)人員現(xiàn)場支持，互相配對規(guī)約；
• ②Modbus規(guī)約簡單，各項數(shù)據(jù)按點表號順序存放，各點表號代表的數(shù)據(jù)含義完全由設(shè)備廠家自定義，要想實現(xiàn)設(shè)備互通，也需設(shè)備廠家統(tǒng)一制定點表含義。

IEC 61850技術(shù)在變電站中的成功應用，克服了不同廠家設(shè)備互操作的難題。其采用分層分布式的體系結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對象的自我描述，為不同廠商的智能電子設(shè)備實現(xiàn)互操作和無縫集成提供有效途徑，有效解決了現(xiàn)有通信規(guī)約技術(shù)的缺點，其特點有：

• ①提出了信息分層的概念，將變電站從邏輯上劃分為站控層、間隔層和過程層；
• ②采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了抽象通信服務(wù)接口ACSI，定義了服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點及數(shù)據(jù)對象等模型，并定義了對象之間的通信服務(wù)；
• ③采用統(tǒng)一的命名規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自描述；
• ④通過特定通信服務(wù)映射（specific communication serve mapping, SCSM），實現(xiàn)通信服務(wù)和具體協(xié)議的相獨立。

由上可知，將IEC 61850引入到配電網(wǎng)現(xiàn)有通信體系中，能克服現(xiàn)有配電網(wǎng)通信規(guī)約的缺點，但IEC 61850對硬件要求較高，軟件開發(fā)難度也更大，在現(xiàn)有配用電設(shè)備上直接升級比較困難，開發(fā)周期長。嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了配電網(wǎng)設(shè)備對IEC 61850的支持。配電網(wǎng)設(shè)備軟硬件無需升級，將自身通信接口與規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的通信接口連接，二者交互信息。

信息交互的規(guī)約為配電網(wǎng)設(shè)備當前的通用協(xié)議，規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換，對主站進行IEC 61850協(xié)議通信，實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備的IEC 61850協(xié)議支持，具體應用示意如圖1所示。

圖1 嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)應用示意圖

2 硬件設(shè)計

IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件選用Freesclae的I.mx287微處理器作為核心控制單元，其芯片為ARM956EJ-S架構(gòu)，主頻可達454MHz，指令緩存16K、數(shù)據(jù)緩存32K，片內(nèi)有128K SRAM和128K ROM，支持豐富的外設(shè)接口（包括兩個支持IEC1588的Ethenet口），能夠充分滿足網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件設(shè)計需求。

同時，該芯片內(nèi)部集成了電源管理單元，支持3.3V/1.8V的DC-DC輸出，滿足外圍芯片的供電需求，因此電源設(shè)計時只需滿足芯片的5V供電即可，簡化了電路的硬件設(shè)計。外圍芯片需配置DDR2 SDRAM和NAND FLASH，已滿足嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)要求。硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)硬件示意圖

3 軟件設(shè)計

IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)提供通用接口（RS 485/RS 232、Ethenet等），實現(xiàn)與待轉(zhuǎn)換設(shè)備的連接。網(wǎng)關(guān)解析規(guī)約報文配置文件，通過接口發(fā)收規(guī)約報文獲取設(shè)備原始數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)映射模塊根據(jù)數(shù)據(jù)映射配置文件將這些原始數(shù)據(jù)映射到客戶智能電子設(shè)備性能描述（IED capability description, ICD）中具體的數(shù)據(jù)對象屬性，最后IEC 61850服務(wù)模塊通過調(diào)用MMS-EASE Lite 軟件庫實現(xiàn)制造引文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）報文通信，通過客戶端接口和外接IEC 61850標準客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型交互，在客戶設(shè)備無需整改的基礎(chǔ)上完成客戶設(shè)備對IEC 61850通信的支持，整體轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

圖3 嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換流程功能示意圖

3.1 規(guī)約報文配置文件

程序啟動時讀取ini格式的規(guī)約報文配置文件，獲得嵌入式規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)所需要轉(zhuǎn)換的對應報文。報文的配置格式如下：

Modbus報文配置格式：

[frame]

[portofframe]=1 //幀屬于哪個串口

[Sequence]=1 //幀在所有幀中的順序

[Type]=1 //為保留值

[DevAddr]=1 //幀所屬設(shè)備的鏈路地址

[FC]=2 //幀功能碼

[Addr]=0 //請求數(shù)據(jù)起始地址

[Length]=16 //請求數(shù)據(jù)地址長度

[Dataaddr]=0 //為保留值

[Datalen]=0 //為保留值

[\frame]

101報文幀配置格式：

[frame]

[portofframe]=1 //幀屬于哪個串口

[Address]=1 //幀所屬設(shè)備的鏈路地址

[Identifier]=100 //類型標識

[\frame]

104報文幀配置格式：

[104_Frame]

[Address]=1 //鏈路地址

[Identifier]=103 //類型標識

[\104_Frame]

對支持Modbus的客戶設(shè)備，智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)直接根據(jù)配置文件召喚設(shè)備實時數(shù)據(jù)。對支持IEC 60870-5-101的客戶設(shè)備，智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)首先發(fā)送鏈路狀態(tài)查詢、鏈路復位幀，鏈路正常后查詢是否有遙控幀或設(shè)置定值幀需要發(fā)送，有則進入遙控或設(shè)置定值流程；沒有則按照配置文件依次發(fā)送對應的報文幀，召喚設(shè)備實時原始數(shù)據(jù)。

對支持IEC 60870-5-104的客戶設(shè)備，智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)打開其對應的端口，獲取socket，發(fā)起TCP連接，成功建立連接后向設(shè)備發(fā)送停止、激活幀，完成鏈路的復位和初始化過程，鏈路正常后首先查詢是否有遙控幀或者設(shè)置定值幀需要發(fā)送，有則進入遙控或者設(shè)置定值流程；沒有則按照配置文件依次發(fā)送對應的報文幀，召喚設(shè)備實時原始數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)映射

規(guī)約解析模塊通過解析設(shè)備規(guī)約獲得原始數(shù)據(jù)，再利用映射文件將其映射到具體的數(shù)據(jù)模型。映射文件中包含了設(shè)備模型中所有具體數(shù)據(jù)模型的相關(guān)映射信息，表1給出配電站所終端（distribution terminal uint, DTU）中1路開關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)映射文件描述。

表1 映射文件描述表

3.3 MMS EASE Lite

SISCO的MMS-ESAE Lite是MMS的C語言編程接口，是優(yōu)化了的支持MMS和IEC 61850的源碼包，專為嵌入式環(huán)境設(shè)計。

嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的軟件是基于該軟件庫中的MVL（MMS-Virtual-Lite）應用編程接口，IEC 61850對象模型的服務(wù)映射到MMS服務(wù)，MMS的服務(wù)通過MVL接口來實現(xiàn)，這三者的關(guān)系如圖4所示，其中u_mvl_xxx_ind接口函數(shù)是為用戶定義的反饋函數(shù)，mplas_xxx_resp是使用成對原語接口的應答函數(shù)，mvlas_xxx_resp是使用虛擬機接口的應答函數(shù)。

3.4 軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)軟件基于Linux設(shè)計，流程如圖5所示。

圖4 IEC 61850對象、MMS服務(wù)、MVL函數(shù)關(guān)系圖

圖5 軟件流程圖

系統(tǒng)讀取參數(shù)獲取系本次需要轉(zhuǎn)換協(xié)議的參數(shù)，啟動對應的配電網(wǎng)設(shè)備協(xié)議線程。因線程啟動需要時間，為保證數(shù)據(jù)同步，系統(tǒng)延遲10s等待線程建立成功。配電網(wǎng)設(shè)備協(xié)議線程建立成功后，啟動IEC 61850模型初始化流程，進行模型數(shù)據(jù)和控制模型映射，映射完成后啟動IEC 61850服務(wù)器，分配服務(wù)端所需資源，隨后初始化底層協(xié)議棧和響應客戶端監(jiān)聽，初始化IEC 61850協(xié)議中所需應用數(shù)據(jù)參數(shù)。

上述所有功能完成后，啟動IEC 61850具體通信協(xié)議：MMS線程，goose的發(fā)布/訂閱線程，同步啟動的數(shù)據(jù)更新線程實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備協(xié)議數(shù)據(jù)與IEC 61850規(guī)約數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)同步。

4 結(jié)果實現(xiàn)

嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了配電網(wǎng)設(shè)備的規(guī)約轉(zhuǎn)換，本文通對過DTU的規(guī)約轉(zhuǎn)換測試驗證網(wǎng)關(guān)的協(xié)議功能，網(wǎng)關(guān)的樣機如圖6所示，DTU設(shè)備接入樣機網(wǎng)口0，樣機網(wǎng)口1接入上位機。

圖6 嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)樣機

上位機運行通用IEC 61850客戶端軟件，模擬主站系統(tǒng)，通過和智能網(wǎng)關(guān)交互MMS報文，獲得設(shè)備自描述模型，得到設(shè)備具有的功能，實現(xiàn)互操作。獲取的設(shè)備模型如圖7所示。

圖7 客戶端獲得的DTU設(shè)備IEC 61850模型

結(jié)論

嵌入式IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)計硬件上選用高性能芯片，可靠穩(wěn)定，支持多路設(shè)備通信接口。軟件設(shè)計基于通用的嵌入式Linux平臺和標準的MMS EASE Lite軟件庫，支持智能電網(wǎng)常用的規(guī)約，規(guī)約報文可通過配置文件根據(jù)不同的具體設(shè)備靈活配置，具有可擴展性。

實際應用中，配電網(wǎng)設(shè)備廠商無需對現(xiàn)有產(chǎn)品進行改動，只需將其現(xiàn)有通信端口連接到IEC 61850智能規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的對應端口，正確配置，即可快速實現(xiàn)IEC 61850通信支持，加快產(chǎn)品技術(shù)升級，減少研發(fā)成本投入。