• 頭條配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計
    2020-08-23 作者:曹軍  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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    導語科大智能(合肥)科技有限公司的研究人員曹軍,在2019年第11期《電氣技術》雜志上撰文,針對配電網已有設備普遍不支持IEC 61850的現實情況,設計了支持IEC 61850的轉換網關,其硬件采用Freescale的I.mx287微處理器,軟件基于嵌入式Linux系統和SISCO的MMS-EASE Lite軟件庫,支持多種不同通信端口,支持不同設備的同步接入,規約報文采用文件方式,依據不同設備規約類型靈活配置,完成IEC 60870-5,Modbus等系列規約轉換。通過客戶端軟件實現樣機對配電網設備的規約轉換測試,獲取到IEC 61850模型。

    目前,基于IEC 61850的數字化變電站技術已經逐漸成熟,其優點得到了電力部門和設備廠商的廣泛認同,并逐漸向變電站自動化以外的領域推廣。IEC 61850第二版標題也改為“電力系統自動化通信網絡和系統(communication networks and systems for power utility automation)”。變電站的出口延伸即為配電網,而配電網設備通信采用IEC 60870-5和Modbus規約。伴隨著堅強智能電網和泛在電力物聯網的發展,電力系統的規約趨向統一,配電網規約技術升級緊迫感加強。

    近年來有不少配電網IEC 61850應用技術的研究,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的通信信息模型。
    • 有學者對光伏系統中相關設備功能建模。
    • 有學者給出了絕緣故障監測通信信息模型。
    • 有學者展開配電網饋線自動化信息模型研究。
    • 有學者將IEC 61850的訂閱發布功能應用到在線檢測信息系統中。
    • 有學者研究采用可擴展消息和在線表示協議傳輸IEC 61850信息。
    • 有學者介紹了IEC 61850技術流程,并在開發板上進行了部分功能模擬。

    綜上所述,配電網設備的IEC 61850規約支持是未來配電網數字化發展的主流方向之一,而現有研究重點放在信息模型建立,對配電網設備快速實現規約升級涉及較少。

    本文設計了一種配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關,從方便現有配電網中設備快速支持IEC 61850規約角度出發,技術上基于國外成熟的底層協議庫進行二次開發來保證核心規約通信的可靠性,性能上通過高性能微處理器來保障軟件運行和規約數據處理要求的實效性,支持不同方式通信接口,滿足不同設備的同步接入,基于嵌入式Linux的多任務模式,使得多設備多規約的轉換可同步進行,滿足了現有配電網系統各種設備規約轉換的需求。

    1 系統描述

    當前國內配電網系統應用最多的通信規約是IEC 60870-5和Modbus,雖然已經是成熟技術,但在長期的工程應用中其不足也逐漸顯現,主要表現為:

    • ①IEC 60870-5系列標準技術本質是給出一個大的通信數據框架格式,支持該規約的設備按此格式上組幀數據,不同廠家的理解差異導致支持該規約的不同廠家設備在同一系統中不能互通,需要廠家技術人員現場支持,互相配對規約;
    • ②Modbus規約簡單,各項數據按點表號順序存放,各點表號代表的數據含義完全由設備廠家自定義,要想實現設備互通,也需設備廠家統一制定點表含義。

    IEC 61850技術在變電站中的成功應用,克服了不同廠家設備互操作的難題。其采用分層分布式的體系結構和面向對象的建模技術,實現數據對象的自我描述,為不同廠商的智能電子設備實現互操作和無縫集成提供有效途徑,有效解決了現有通信規約技術的缺點,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采用面向對象的建模技術,定義了抽象通信服務接口ACSI,定義了服務器、邏輯設備、邏輯節點及數據對象等模型,并定義了對象之間的通信服務;
    • ③采用統一的命名規則,實現數據自描述;
    • ④通過特定通信服務映射(specific communication serve mapping, SCSM),實現通信服務和具體協議的相獨立。

    由上可知,將IEC 61850引入到配電網現有通信體系中,能克服現有配電網通信規約的缺點,但IEC 61850對硬件要求較高,軟件開發難度也更大,在現有配用電設備上直接升級比較困難,開發周期長。嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關實現了配電網設備對IEC 61850的支持。配電網設備軟硬件無需升級,將自身通信接口與規約轉換網關的通信接口連接,二者交互信息。

    信息交互的規約為配電網設備當前的通用協議,規約轉換網關實現規約轉換,對主站進行IEC 61850協議通信,實現配電網設備的IEC 61850協議支持,具體應用示意如圖1所示。

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖1 嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關應用示意圖

    2 硬件設計

    IEC 61850智能規約轉換網關硬件選用Freesclae的I.mx287微處理器作為核心控制單元,其芯片為ARM956EJ-S架構,主頻可達454MHz,指令緩存16K、數據緩存32K,片內有128K SRAM和128K ROM,支持豐富的外設接口(包括兩個支持IEC1588的Ethenet口),能夠充分滿足網關嵌入式軟件設計需求。

    同時,該芯片內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,因此電源設計時只需滿足芯片的5V供電即可,簡化了電路的硬件設計。外圍芯片需配置DDR2 SDRAM和NAND FLASH,已滿足嵌入式Linux系統的開發要求。硬件設計如圖2所示。

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖2 嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關硬件示意圖

    3 軟件設計

    IEC 61850智能規約轉換網關提供通用接口(RS 485/RS 232、Ethenet等),實現與待轉換設備的連接。網關解析規約報文配置文件,通過接口發收規約報文獲取設備原始數據,然后數據映射模塊根據數據映射配置文件將這些原始數據映射到客戶智能電子設備性能描述(IED capability description, ICD)中具體的數據對象屬性,最后IEC 61850服務模塊通過調用MMS-EASE Lite 軟件庫實現制造引文規范(manufacturing message specification, MMS)報文通信,通過客戶端接口和外接IEC 61850標準客戶端實現數據模型交互,在客戶設備無需整改的基礎上完成客戶設備對IEC 61850通信的支持,整體轉換流程如圖3所示。

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖3 嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關轉換流程功能示意圖

    3.1 規約報文配置文件

    程序啟動時讀取ini格式的規約報文配置文件,獲得嵌入式規約轉換網關所需要轉換的對應報文。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 //幀所屬設備的鏈路地址

    [FC]=2 //幀功能碼

    [Addr]=0 //請求數據起始地址

    [Length]=16 //請求數據地址長度

    [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的客戶設備,智能規約轉換網關直接根據配置文件召喚設備實時數據。對支持IEC 60870-5-101的客戶設備,智能規約轉換網關首先發送鏈路狀態查詢、鏈路復位幀,鏈路正常后查詢是否有遙控幀或設置定值幀需要發送,有則進入遙控或設置定值流程;沒有則按照配置文件依次發送對應的報文幀,召喚設備實時原始數據。

    對支持IEC 60870-5-104的客戶設備,智能規約轉換網關打開其對應的端口,獲取socket,發起TCP連接,成功建立連接后向設備發送停止、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置定值幀需要發送,有則進入遙控或者設置定值流程;沒有則按照配置文件依次發送對應的報文幀,召喚設備實時原始數據。

    3.2 數據映射

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

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    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,是優化了的支持MMS和IEC 61850的源碼包,專為嵌入式環境設計。

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

    3.4 軟件設計

    網關軟件基于Linux設計,流程如圖5所示。

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖4 IEC 61850對象、MMS服務、MVL函數關系圖

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖5 軟件流程圖

    系統讀取參數獲取系本次需要轉換協議的參數,啟動對應的配電網設備協議線程。因線程啟動需要時間,為保證數據同步,系統延遲10s等待線程建立成功。配電網設備協議線程建立成功后,啟動IEC 61850模型初始化流程,進行模型數據和控制模型映射,映射完成后啟動IEC 61850服務器,分配服務端所需資源,隨后初始化底層協議棧和響應客戶端監聽,初始化IEC 61850協議中所需應用數據參數。

    上述所有功能完成后,啟動IEC 61850具體通信協議:MMS線程,goose的發布/訂閱線程,同步啟動的數據更新線程實現配電網設備協議數據與IEC 61850規約數據域中數據同步。

    4 結果實現

    嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關實現了配電網設備的規約轉換,本文通對過DTU的規約轉換測試驗證網關的協議功能,網關的樣機如圖6所示,DTU設備接入樣機網口0,樣機網口1接入上位機。

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖6 嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關樣機

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

    配電網嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計

    圖7 客戶端獲得的DTU設備IEC 61850模型

    結論

    嵌入式IEC 61850智能規約轉換網關設計硬件上選用高性能芯片,可靠穩定,支持多路設備通信接口。軟件設計基于通用的嵌入式Linux平臺和標準的MMS EASE Lite軟件庫,支持智能電網常用的規約,規約報文可通過配置文件根據不同的具體設備靈活配置,具有可擴展性。

    實際應用中,配電網設備廠商無需對現有產品進行改動,只需將其現有通信端口連接到IEC 61850智能規約轉換網關的對應端口,正確配置,即可快速實現IEC 61850通信支持,加快產品技術升級,減少研發成本投入。

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