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220kV電網(wǎng)故障信息管理系統(tǒng)規(guī)約體系的應(yīng)用研究王皓（安徽省電力公司，安徽省合肥市，安徽省合肥市 230088）Abstract：After a research on fault information administrator system,this paper presents the importance of the system to electric grid, and then it is introduced and summarized a reasonable and common protocol which is compared with IEC61850 at last.KeyWords：Fault Information System；IEC60870-5-103；IEC60870-5-104；IEC61850摘要： 本文通過220kV電網(wǎng)故障信息管理系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，指出了故障信息管理系統(tǒng)建設(shè)的重要意義，同時(shí)提出了系統(tǒng)建設(shè)中一種比較合理的規(guī)約體系，最后與未來變電站通訊規(guī)約IEC61850進(jìn)行了簡單的對比總結(jié)。關(guān)鍵詞：故障信息管理系統(tǒng)；IEC60870-5-103規(guī)約；IEC60870-5-104規(guī)約；IEC61850規(guī)約；0引言 現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用以及電力通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展，使得充分應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)事故、保護(hù)裝置動(dòng)作行為的及時(shí)、有效分析成為可能，對涉及電網(wǎng)安全運(yùn)行的繼電保護(hù)系統(tǒng)所有信息，保護(hù)裝置的運(yùn)行信息、保護(hù)動(dòng)作信息、整定值信息、動(dòng)作特性信息、通道信息、斷路器動(dòng)作信息等實(shí)現(xiàn)有效的集成、分類、分析，以完成對電網(wǎng)事故分析及保護(hù)動(dòng)作行為的判斷，是實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度的重要前提，從電網(wǎng)事故處理和故障分析的角度，作為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化體系的重要組成部分，故障信息系統(tǒng)的建設(shè)是一種技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的必然選擇。電網(wǎng)故障信息管理系統(tǒng)通常由設(shè)在網(wǎng)（省）調(diào)度中心的主站或設(shè)在地區(qū)調(diào)度（或設(shè)備直管單位）的主站和若干個(gè)設(shè)在其所管轄的變電站、發(fā)電廠的子站，通過電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（或?qū)＞€）連接而成（見圖1）。它的任務(wù)是收集管理電網(wǎng)中各運(yùn)行廠、站中的保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置等涉及電網(wǎng)異常時(shí)動(dòng)作的裝置的動(dòng)作信號、斷路器的分合信號以及裝置的運(yùn)行異常信號，微機(jī)保護(hù)裝置和故障錄波器的故障錄波數(shù)據(jù)和故障報(bào)告、保護(hù)的定值等，以及對這些數(shù)據(jù)、信號的綜合、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和分析等處理與管理，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)運(yùn)行、管理和電網(wǎng)故障處理的網(wǎng)絡(luò)信息化、自動(dòng)智能化，達(dá)到為調(diào)度員安全、準(zhǔn)確、迅速處理電網(wǎng)事故提供信息支持與決策參謀；為繼保人員對保護(hù)、安全自動(dòng)裝置及故障錄波器的動(dòng)作行為分析和現(xiàn)代化運(yùn)行管理提供必要的支持，這兩個(gè)目的【12】。子站1子站2子站n子站路由器路由器路由器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度端（主站）路由器子站專線直連 圖1故障信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖我國故障信息系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用基本起始于2001年，近年來在全國范圍內(nèi)，隨著故障信息系統(tǒng)實(shí)施范疇的增加，系統(tǒng)的作用正在逐步被認(rèn)可。國家電網(wǎng)公司已經(jīng)明確將故障信息系統(tǒng)的建設(shè)列入電網(wǎng)二次系統(tǒng)規(guī)劃范疇，并要求在比較短的時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)220kV以上電網(wǎng)90的系統(tǒng)覆蓋率。從某種程度上說，故障信息系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)成為繼電保護(hù)專業(yè)工作的熱點(diǎn)之一。但在目前電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中，由于各設(shè)備制造廠家在保護(hù)裝置原理、邏輯回路設(shè)計(jì)、信息定義等方面的差異，造成了裝置結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理上的不同，尤其是數(shù)據(jù)的規(guī)范化、信息定義的標(biāo)準(zhǔn)化、通訊規(guī)約的統(tǒng)一化等問題成了故障信息系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施中的關(guān)鍵問題。例如安徽省內(nèi)幾個(gè)主要的保護(hù)廠家南瑞繼保公司有LFP規(guī)約，南瑞串口103規(guī)約，南瑞以太網(wǎng)103規(guī)約，國電南自公司有94規(guī)約，以太網(wǎng)103規(guī)約（PS6000規(guī)約）等。本文結(jié)合安徽電網(wǎng)220kV故障信息系統(tǒng)產(chǎn)品與應(yīng)用情況，考慮到103規(guī)約的通用性，提出在220kV變電站的故障信息系統(tǒng)子站內(nèi)部統(tǒng)一采用103規(guī)約，在故障信息系統(tǒng)主子站之間的通信協(xié)議統(tǒng)一采用南網(wǎng)103規(guī)約，最后展望了未來的電力通訊協(xié)議的發(fā)展方向。1 故障信息系統(tǒng)子站內(nèi)部的通信協(xié)議數(shù)字式保護(hù)裝置和故障錄波器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應(yīng)用使設(shè)備接口的規(guī)范化問題越來越突出，同一變電站內(nèi)往往由于各設(shè)備制造廠家的數(shù)字式保護(hù)或故障錄波器數(shù)據(jù)文件格式不同，無法統(tǒng)一在國際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式上，給用戶增加了很多不便。在系統(tǒng)中有新設(shè)計(jì)的、可直接上以太網(wǎng)的裝置（例如南自的PST系列保護(hù)），也有已由保護(hù)管理機(jī)集中轉(zhuǎn)換后（例如南瑞的RCS系列裝置），接入以太網(wǎng)的裝置，以及有經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入以太網(wǎng)的裝置（例如南瑞的規(guī)約轉(zhuǎn)換器RCS9794）。協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式采用盡量下放到接近裝置，分散處理的原則。這樣，在以太網(wǎng)上就已經(jīng)統(tǒng)一為IEC60870-5-103協(xié)議，避免規(guī)約轉(zhuǎn)換集中到保護(hù)工程師站處理，以充分利用分布式處理的靈活性和簡化單個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換中的復(fù)雜度和處理量，更好地滿足系統(tǒng)的開放性和提高協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化程度的要求。在裝置層次，仍可保留各自不同的通信協(xié)議。協(xié)議轉(zhuǎn)換器可設(shè)計(jì)各種裝置的通信接口和協(xié)議。11 IEC60870-5-103規(guī)約介紹103規(guī)約是為了達(dá)到在變電站或廠站中，不同繼電保護(hù)設(shè)備(或間隔單元)和控制系統(tǒng)之間達(dá)到互換的目的。我國將其等同采用作為電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：DL/T667-1999 idt IEC 60870-5-103:1997已經(jīng)于1999年10月1日正式實(shí)施。該規(guī)約屬于問答式(POLLING)規(guī)約，它與104，101標(biāo)準(zhǔn)一樣，都是IEC TC-57技術(shù)委員會(huì)在IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種應(yīng)用情況下的不同要求制定的配套標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)約采用非平衡傳輸方式，主從站的結(jié)構(gòu)（控制系統(tǒng)組成主站，繼電保護(hù)設(shè)備(或間隔單元)為從站(子站)）。配套標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種信息交換方法：一種方法是基于嚴(yán)格規(guī)定的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDUs)和“標(biāo)準(zhǔn)化”提出報(bào)文的傳輸應(yīng)用過程、方法；另一種方法是使用通用分類服務(wù)可以傳輸幾乎所有可能信息的方法【3】。 該協(xié)議的特點(diǎn)是詳細(xì)地描述了繼電保護(hù)信息，如：遙測、遙信、遙脈、遙控、保護(hù)事件信息、保護(hù)定值、錄波等數(shù)據(jù)的傳輸格式和傳輸規(guī)則，對于信息交換量較小的內(nèi)容采用兼容或?qū)Ｓ酶袷絺鬏敚瑢τ谛畔⒘枯^大的就采用通用分類服務(wù)來解決傳輸問題，總之，完全可以滿足變電站傳輸保護(hù)和監(jiān)控的信息的要求。12 103規(guī)約的參考網(wǎng)絡(luò)模型和幀格式103規(guī)約使用的參考模型是根據(jù)開放式系統(tǒng)互連ISO（InternetStandardOrganization，國際標(biāo)準(zhǔn)組織）的OSI（OpenSystemInterconnect，開放系統(tǒng)互連）七層參考標(biāo)準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)化而來的。由于保護(hù)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)要求相對較短的響應(yīng)時(shí)間，故103規(guī)約采用增強(qiáng)性能結(jié)構(gòu)(EPA，Enhanced Performance Architecture)，這種模型僅使用OSI標(biāo)準(zhǔn)模型中的三層【4】，如圖2所示。應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層 圖2 EPA網(wǎng)絡(luò)模型示意圖我國103規(guī)約采用的傳輸幀格式是IEC60870-5-2鏈路傳輸規(guī)則中描述的FT1.2格式。該數(shù)據(jù)幀常用兩種規(guī)約：固定幀長幀格式，可變幀長幀格式，如圖3所示。FT1.2可變幀長幀格式FT1.2固定幀長幀格式D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0啟動(dòng)字符（68H）啟動(dòng)字符（10H）長度L控制域（C）長度L（重復(fù)）鏈路地址域（A）啟動(dòng)字符（68H）幀校驗(yàn)和（CS）控制域（C）結(jié)束字符（16H）鏈路地址域（A）鏈路用戶數(shù)據(jù)（可變長度）（即應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU）幀校驗(yàn)和（CS）結(jié)束字符（16H） 圖3FT1.2幀格式說明 固定幀長幀格式用于繼保設(shè)備與系統(tǒng)之間傳輸請求幀、確認(rèn)幀、忙幀。可變幀長幀格式用于控制系統(tǒng)與繼保設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。13 103規(guī)約的特點(diǎn) 與其它的規(guī)約相比，103規(guī)約具有層次清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、格式簡潔的特點(diǎn)： A結(jié)構(gòu)簡單清晰IEC 870-5-103規(guī)約詳細(xì)闡明了EPA三層結(jié)構(gòu)及其具體內(nèi)容。物理層明確表明了繼電保護(hù)設(shè)備（或間隔單元）與控制系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，為硬件設(shè)施的互連創(chuàng)造了好的條件。鏈路層用于報(bào)文接收與發(fā)送，報(bào)文的校驗(yàn)、查詢與分析等，而應(yīng)用層只需要通過報(bào)文的類型標(biāo)識(shí)、傳輸原因等對報(bào)文進(jìn)行進(jìn)一步的分析，各層之間功能各自分離，卻又缺一不可，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率，使鏈路具有更快的響應(yīng)能力，對保護(hù)事件的采集更加快捷。B報(bào)文格式和內(nèi)容簡明扼要103規(guī)約對報(bào)文的設(shè)計(jì)簡單扼要，雖然不同的報(bào)文具有相同報(bào)文頭和尾，但報(bào)文之間又可以通過類型標(biāo)識(shí)，可變結(jié)構(gòu)限定詞，傳輸原因，功能類型等進(jìn)行區(qū)分，甚至傳輸?shù)姆较?，?shù)據(jù)區(qū)的溢出，報(bào)文的異常都有相應(yīng)的位來定義，更為重要的是，每個(gè)報(bào)文都是被打上時(shí)標(biāo)的，這樣更有利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與瀏覽，便于管理人員隨時(shí)了解歷史數(shù)據(jù)信息。 C良好的通用性與開放性103規(guī)約現(xiàn)在己在全世界很多國家推廣應(yīng)用，具有國際先進(jìn)性和通用性。隨著我國的改革開放，大量的國外保護(hù)及監(jiān)控產(chǎn)品進(jìn)入中國，同時(shí)，國內(nèi)單位（例如南瑞，南自等大公司）也參與國際投標(biāo)。推廣使用IEC 870-5-103規(guī)約，可以有效地加強(qiáng)電力產(chǎn)品的國際交流與合作。14 103規(guī)約在故障信息系統(tǒng)子站中的主要應(yīng)用過程 在103規(guī)約的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)故障信息管理系統(tǒng)主要完成的功能包括突發(fā)SOE（事件順序記錄）信息主動(dòng)上送過程，定值召喚過程（包括模擬量召喚），波形召喚過程等。 A總查詢過程在總查詢過程中，裝置要上送當(dāng)前狀態(tài)下所有開關(guān)量的分合狀態(tài)，而在保護(hù)裝置有開關(guān)量變位時(shí)，按照103規(guī)約，該變位信息是屬于一級數(shù)據(jù)，需要優(yōu)先上送的，下面是圖示的傳送過程： 圖4.總查詢過程 B召喚定值過程電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)重要作用就是能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站內(nèi)所有的保護(hù)裝置及故障錄波裝置實(shí)現(xiàn)定值的召喚，并能夠在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定值的自動(dòng)核查。保護(hù)裝置定值是通過通用分類服務(wù)分組上送的，在分組的基礎(chǔ)上，裝置可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量可以說是無限的，下面是定值召喚過程圖： 圖5.定值召喚通用分類服務(wù)過程 C波形召喚過程 故障信息系統(tǒng)能夠作為電網(wǎng)事故分析和保護(hù)動(dòng)作行為分析的有效手段，其波形召喚功能功不可沒，保護(hù)裝置在電網(wǎng)發(fā)生故障的瞬間將故障波形記錄并以標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE文件模式保存下來，同時(shí)立即主動(dòng)上送故障簡報(bào)到主站端，由主站端選擇故障文件進(jìn)行召喚，下面是波形召喚過程圖： 圖6.波形擾動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸過程15 103規(guī)約的應(yīng)用總結(jié) 由上述特點(diǎn)可以看出， 103規(guī)約較之其他規(guī)約更能適應(yīng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，速度也相對較快，可達(dá)到19.2kb/s，容量較大，能傳送幾乎所有的保護(hù)信息，而且還有通用分類服務(wù)功能，可以傳輸幾乎所有可能的信息。 2故障信息系統(tǒng)主子站之間的通信協(xié)議故障信息系統(tǒng)主站與子站之間的通信協(xié)議在國際國內(nèi)卻還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此各個(gè)廠家所建立的子站或主站都各有自己的一套標(biāo)準(zhǔn)，對于那些由不同廠家建成的故障信息系統(tǒng)中，主站與子站之間，或者子站與子站之間的信息交換出現(xiàn)了矛盾，不能實(shí)現(xiàn)信息的共享以及開放性的要求。本系統(tǒng)在普遍采用的南網(wǎng)103標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立了一套既符合安徽電網(wǎng)現(xiàn)狀，又具有一定通用性的主子站間的通信協(xié)議。鑒于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)已為遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問IEC60870-5-101協(xié)議數(shù)據(jù)集，制定了將101協(xié)議所定義的ASDU（應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元）與TCP/IP相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)訪問標(biāo)準(zhǔn)【5】。這為在系統(tǒng)主站與子站間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問的103協(xié)議提供了相當(dāng)好的支持和借鑒。104協(xié)議中ASDU與TCP/IP相結(jié)合的方式，不局限于101協(xié)議所定義的ASDU。根據(jù)相同的定義，不同的ASDU，包括IEC60870-5全部配套標(biāo)準(zhǔn)(如IEC60870-5-102和103協(xié)議)所定義的ASDU，都可以和TCP/IP相結(jié)合。在這種情況下，故障信息系統(tǒng)主站和子站之間的103協(xié)議，只采用103協(xié)議所定義的ASDU，而采用104協(xié)議中ASDU與TCP/IP相結(jié)合的方式，來取代103協(xié)議的鏈路層協(xié)議。通信過程中報(bào)文錯(cuò)或丟失時(shí)的TCP連接控制方式按104協(xié)議執(zhí)行。規(guī)約中的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU）的結(jié)構(gòu)如圖7【6】：啟動(dòng)字符68HAPDU長度（最大253）控制域八位位組1控制域八位位組2控制域八位位組3控制域八位位組4IEC60870-5-103中定義的ASDU 圖7 遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU定義在網(wǎng)絡(luò)通信通道的選擇中，主站和子站之間利用省電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)（SDH網(wǎng)絡(luò)），采用光纖的傳輸模式可以解決故障信息系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)信息量大的問題。主子站之間采用可靠的異步通信模式，在通信時(shí)，主站作為客戶端，子站作為服務(wù)器端，必須能夠可以支持多個(gè)主站的同時(shí)連接，使用TCP連接的端口號是可配置的，在本系統(tǒng)中使用IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)中確定的端口號2406。主站與子站之間通信時(shí)采用104規(guī)約中規(guī)定的完整的I幀（用于信息的傳輸幀），U幀（控制幀）和S幀（測試幀）。各幀的整體結(jié)構(gòu)完全相同，僅僅在控制域上加以區(qū)分。鏈路層既可以采用平衡方式，也可以采用非平衡方式傳輸規(guī)則，對于傳輸服務(wù)在傳輸過程中受到干擾，用幀控制域中的發(fā)送、接收序列號來防止報(bào)文丟失或報(bào)文的重復(fù)傳遞。主子站之間數(shù)據(jù)通信的核心在應(yīng)用層，它主要體現(xiàn)在應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（簡稱ASDU）中， ASDU的結(jié)構(gòu)使用103規(guī)約中的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元， 應(yīng)用層的信息主要包含裝置采樣值、控制字、硬壓板、突發(fā)事件信息、定值、時(shí)間信息等內(nèi)容。由于103標(biāo)準(zhǔn)提供通用分類服務(wù)，信息自描述功能，因此可以通過通用服務(wù)傳遞信息配置表，只要有一方（一般是子站）作好配置后，另一方直接調(diào)配置就行，不用再重復(fù)輸入。3故障信息系統(tǒng)新的通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850 IEC 61850是關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的第一個(gè)完整的通信標(biāo)準(zhǔn)體系，明確提出了信息分層、可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的配置管理、面向?qū)ο?、采用映射的方法和具體網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立、數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模，符合采用網(wǎng)絡(luò)傳輸建立無縫通信系統(tǒng)的要求，己成為無縫通信系統(tǒng)傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)，避免了繁瑣的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了IED（智能電子設(shè)備）間的互操作，因此對故障信息處理系統(tǒng)軟件的開發(fā)有著重要的指導(dǎo)作用。但考慮到IEC61850標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)變電站內(nèi)協(xié)議，目前采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站還很少，各個(gè)生產(chǎn)廠家的保護(hù)產(chǎn)品也還不支持此標(biāo)準(zhǔn)，而且故障信息系統(tǒng)僅是處理與保護(hù)有關(guān)的信息，因此，設(shè)計(jì)故障信息系統(tǒng)的主站與子站間的通信協(xié)議，