工业控制与现场总线

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基于IEC61850智能断路器IED通信接口设计

学院：电子信息学院

班级：14级研11班

姓名：张浩

学号： 2014041004

0.摘要

智能断路器是智能化变电站的重要标志之一，智能断路器是由传统断路器与智能元件组合而成，在信息化和智能化方面与传统传统断路器有本质的区别[1]。随着电力系统越来越高的可靠性要求，智能断路器在电力系统发电、输电、配电各方面都面临着更大的挑战。智能断路器的好坏直接影响到电力的安全稳定、运行。特别是在IEC61850Ed 2.0中着重对智能断路器IED信息建模和设备状态监测、分析和诊断内容做出重要的修改，对智能断路器提出更高的要求，以适应不断发展智能化变电站的需要。

本文介绍了标准版本的升级过程和Ed 2.0标准体系结构，通过与Ed 1.0进行对比，分析Ed 2.0标准对智能断路器产生的影响、对智能断路器的新要求，重点分析标准专门针对智能断路器等智能一次设备状态监测、分析与诊断内容。然后以智能断路器产品进行分析，依据IEC61850Ed 2.0的建模流程，对智能断路器状态监测的通信功能进行分解，将分析得到的逻辑节点、逻辑数据和数据属性进行归类，并根据低压智能断路器频繁操作的特点，扩展相应逻辑节点，搭建智能断路器完整信息功能模型，并对信息模型进行配置描述[2][3]。利用既可以模拟IEC61850标准的服务端，又可以模拟客户端的GF4600-IEC61850规约测试系统来获取智能断路器IED包括目录服务、读写操作、报文和日志形成等在内容，完成对智能断路器的一致性测试。测试结果表明，所建的智能断路器信息模型符合一致性测试要求。

最后，以MOXA公司提供的嵌入式工控机UC-7122CE智能通讯服

务器为硬件平台，对原本遵循IEC61850Ed 1.0标准的智能断路器规约转换器产品进行升级、改造，实现与站级的通信交互。

关键词:IEC61850Ed2.0、智能断路器、MODBUS、通信接口

1.引言

IEC61850标准是一个用于无缝通信的全球化标准，实现标准需要一个过程。另外，IEC61850标准是国外企业提出来的，由于语言和文化不同，在对标准的理解上有存在差异，IEC61850的产品研发速度有所不同，会出现支持IEC61850协议的设备与支持非IEC61850协议的设备在相当长的时间内共存的现象[4]。

在这种背景下，如何在保持原有系统结构与设备不变的情况下，将采用旧协议的变电站通信设备纳入到新的变电站通信系统中一一与符合IEC61850标准的设备或者主站进行通信实现信息共享，是目前值得我们研究的重要课题。

针对目前市场上有多种关于规约转换器产品，但均要求企业开放通信协议，提供源代码，不仅成本较高，而且之后的技术升级均受制于人。另外，随着IEC61850Ed 2. 0标准的公布，原本遵循IEC61850Ed 1. 0标准的智能断路器通信接口的产品需要对其进行升级、改造。

2.通信接口的总体设计

2.1通信接口设计思路

本文利用选用MOXA公司提供的嵌入式工控机UC-7122CE智能通讯服务器作为硬件开发平台，对原有智能断路器IED通信接口进行升级，接口将MODBUS等协议与IEC61850协议相互转换，通过以太网与上位机进行通信，与下位机进行MODBUS串行通信，实现智能断路器的状态监测信息的上传和站控层指令的操作[5][6]。如下图所示。

图2.1 通信接口连接

传统规约与IEC61850的转换工作主要在通信接口中完成，所以通信接口一方面充当非IEC61850系统中主站的角色，另一方面又是IEC61850系统中的服务器，作为客户端为调度中心提供服务[9]。具体来说，通信接口一端与智能断路器的控制器的通信接口相连接，通信

接口充当智能断路器的主站;另一端与IEC61850网络相连接，通信接口又充当基于IEC61850系统中的服务器[10][11]

通信接口的功能就是实现接口两端协议的转换，其工作流程如下图所示。协议转换的本质是一种映射，是对协议的数据模型间建立起的，用数学形式表达所对应的关系。规约转换的一般过程:首先对传入信息的协议进行解析，包括报文头、判断帧、检验帧等，再根据报文的解析结果判断进入其对应的转换子程序。转换子程序根据报文的帧格式提取出信息，再将这些信息按照目标协议的帧格式重新打包，计算校验码并储存。

图2.2 IEC61850协议转换器实现原理

2.2 MODBUS与IEC61850之间的转换

IEC61850采用抽象通信服务接口(ACSI)把具体的功能和所使用的协议分离开来，不对所采用的通信协议做出具体要求，采用分层分布式结构，按照标准建模流程将设备功能分解为逻辑设备、逻辑节点等，只要满足标准的要求和传输的信息符合标准的信息模型，就可以使用标准。而MODBUS标准的体系是平面化的通信协议，通信规则

与传输的信息息息相关，因此，MODBUS与61850标准映射是不同体系间的映射[12]。

以基于MODBUS协议的智能断路器通过通信接口实现与基于IEC61850间隔层的报文映射为例，首先建立MODBUS协议的信息模型和IEC61850的信息模型以及两种信息模型的映射关系。

根据智能断路器的通信对象不同，可以分为两种:一类是智能断路器通过GOOSE网络与主站通信;一类是智能断路器直接与其他IED 设备进行通信。其中智能断路器与主站进行通信过程如下所示：由于过程层的断路器开断闭合等信息通过映射到GOOSE网络来通信，即MODBUS协议转换为IEC61850报文的实际过程为MODBUS报文映射为GOOSE格式报文，GOOSE格式报文映射为IEC61850报文(图2.3)。MODBUS与GOOSE的映射方法和IEC61850与GOOSE的映射方法类似，为论述方便，省略MODBUS与GOOSE 的映射过程。

GOOSE传输的是以模型为基础的数据集组成的公共数据(CDC)，映射为GOOSE的变量Variable;信息模型服务控制模块(BRCB, LCB)映射为GOOSE的GoCB, GOOSE报文的发布过程由控制模块GoCB 控制;信息模型的口志映射为GOOSE的口志，最终形成GOOSE的报文。