对数字化变电站IEC61850标准的分析与探讨

康海珍，丁美

（内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010010）

IEC 61850是国际电工委员会（IEC）TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准[1]。于2005年颁布。制定这一标准的目的是通过自动化变电站内的所有智能电子装置（IED）之间以及与远方控制数据通道之间的标准化信息交换来实现对电力系统的保护和控制。该标准规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。使不同智能电气设备间实现了信息共享和互操作。它不仅规范了保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了电子式互感器、智能开关等一次设备的模型和通信接口。

IEC 61850标准是变电站自动化发展史上的一个里程碑，该标准对数字化变电站的发展方向产生了重大影响。大量的电缆接线和串口通信线路被精心设计的交换以态网络所代替，功能规范的制定为制造厂建立了需要遵守的主要原则和准则，使变电站自动化技术即将进入数字化新阶段。IEC 61850国际标准正在全世界被越来越广泛的接受和应用，电力行业对IEC 61850潜在价值的认识进一步深入。下面对IEC 61850标准的功能进行了一些分析与探讨。

1 IEC 61850与通信协议的区别

在该标准使用之初很多电气工程师将IEC 61850理解为是一个通信协议，通过这几年的应用，大家深刻体会到IEC 61850不是一个通信协议，而是一个协议标准[2]。这个协议定义了一个协议集，包括了现有的协议以及标准内定义的一些高级协议。另外这个标准还定义了电力自动化的对象模型，也确定了如何配置实施这些模型并通过通信堆栈交换信息的装置。

IEC 61850是对通过TCP/IP协议传输的对象和命令的定义，所以其不应该被推断成为“只是”一个通讯协议。把IEC 61850说成只是一个通讯协议无法突出其本质意义，IEC 61850决不仅仅是另外一个SCADA协议，其内容要宽泛得多，通讯协议只是其中的一部分。如果IEC 61850的作用只是把一个通讯协议转变为另一个通讯协议，那就会完全忽略这个标准在改变工程过程和把电缆接线改变为通讯光纤方面的重要性及深远意义。

IEC 61850的定义是从应用层或更高层级上开始的。IEC 61850没有定义任何OSI层的协议，其所涉及的是现有的通讯协议，比如应用层上的制造报文规范（MMS）或者传输层上的传输控制协议（TCP）以及数据链路层上的以太网。ASCI的某些部分可以视为一个高级应用协议，该标准定义了一套信息交换服务，比如GOOSE（面向对象的通用变电站事件）报文；定义了识别数据结构要素的标识，这些标识是此类信息寻址内容的一部分，这些可以视为一个通信协议。不过，当这套标准有了所定义的逻辑节点、数据对象以及所有相关的语义，就远远超出了协议的范畴。IEC 61850第6部分定义了包括变电站配置语言（SCL）在内的整个变电站自动化系统的工程过程。现在许多企业和系统集成商都认识到了实施IEC 61850标准的合理性体现在减少了整个变电站自动化系统（SAS）设计与测试过程的工程量，而这是“通信协议”所无法做到的。正如克里斯托弗·布鲁诺先生所讲的：“如果把IEC 61850说成是一套通信协议的话，就好比是把一部汽车说成了一个车轮”。

2 IEC 61850网络结构分析

IEC 61850标准将变电站的通信体系分成变电站层、间隔层和过程层[3]。IEC 61850标准采用了交换以太网技术，包括两类总线：站级总线和过程总线。

2.1 站级总线

使用MMS把所有间隔层IED都与站级监控层连接起来，使用GOOSE把间隔层IED与间隔层IED连接起来，主要传输控制信息，比如测量量、连锁控制信息以及操作选择等。大型变电站所体现出来的是每一个电压等级都通过一个环形交换机网络把各个IED装置连接起来，通常这些IED装置都是主保护、后备保护和控制装置，其拓扑结构如图1所示。在大型变电站中，不同电压等级的通信环路以树状的形式接入站级监控层，所以站级总线所表现出的拓扑结构是一个环网和树型网络的混合结构。在小型变电站中，比如中压电压等级，每个间隔通常只有一台IED装置，每一台IED装置都有一个交换单元，这样这些IED装置就可以连成环形网络，其拓扑结构如图2所示。

2.2 过程总线

IEC 61850系统中与开关和传感器的连接称为过程总线。在过程层中，通常IED装置都是单一功能的测量和控制装置，以树状的结构接入合并单元装置（MU）。合并单元是IEC 61850过程总线的关键元件，它通过专用的连接采集信息，例如仪用互感器的相电压和电流以及传感器的状态信息，这个单元完成保护功能并作为与站级层的接口，其结构如图3所示。

因为IEC 61850并没有明确规定通信网络的拓扑结构，所以无论是树形、或者是环网形，还是其他任何形式的拓扑结构都可以使用，甚至于采用同一物理以太网同时传送站级总线和过程总线的通信数据都符合标准的要求。

2.3 IEC 61850过程总线的特点

IEC 61850的过程总线的优点：1）互操作性。连接到IEC 61850的过程总线的所有装置都能够与任何其他IED装置共享任何信息片。2）接线简单。点对点的电缆接线减少为很少的几个通信链路。3）过程总线改进了继电保护、监视和控制系统的灵活性。4）降低总成本。IEC61850过程总线也能减少安装费用和人工成本。

图1 站级总线拓扑结构（同一电压等级）Fig.1 Substation bus topology（the same voltage level）

图2 终端节点构成的环网Fig.2 Ring network consists of terminal nodes

图3 过程总线拓扑结构Fig.3 Process bus topology structure

IEC 61850-9-2的过程总线网络的性能方面所面临的挑战：按照IEC 61850标准的要求，最高等级数据的可接受最大通信延时只有3 ms，无论过程总线上的通信流量负荷状况如何，都要达到这个指标。过程总线对传输时间有严格要求的报文有两类：1）GOOSE；2）原始数据报文或者采样值（SV）。因为过程总线对传送时间要求严格的报文直接映射到以太网链路层，没有了TCP/IP层（TCP确认收到数据包，并且在数据包丢失时重新发送），这些对传输时间要求高的报文发送是没有发送可靠性保证的，所以，为了提高GOOSE的传输可靠性，所有对传输时间要求严格的报文都有VLAN（IEEE802.1Q）优先级标识，以提高通过过程总线的发送速度。

3 IEC 61850标准的变电站自动化系统的通信方式

3.1 通信方式

为了正确地理解IEC 61850标准的通信报文，需要对变电站的通信进行分析。变电站自动化系统中最常见的通信方式之一就是客户/服务器通信方式。把客户可以定义为一个装置或一个功能单元，其向服务器装置发送信息，或者从服务器获取信息来完成某一特定的服务。

典型的客户/服务器工作过程是完整的交互过程，包括请求信息的传送，一个服务器可以响应多个客户的请求。一般情况下，除了命令以外的操作类数据主要是由从服务器流向客户，客户/服务器通信方式也可以说成是面向连接的，也就是说在传递信息之前末端装置要首先建立端对端的连接。面向连接的通信方式被视为是一种更为可靠的通信服务，因为这种方式可以保证所发的数据会以正确的顺序到达接受点，传输控制协议（TCP）是一个面向连接的协议。客户/服务器通信方式存在的问题是其在原理上无法满足某些性能上的要求，尤其是对于保护类的应用。

IEC 61850标准具有与连接无关的通讯方式，数据在不经过排列的条件下从一种装置发送到另一种装置。无连接的协议通常也称为无主的，终端没有采用协议定义的方式来记住它们在信息“交换”会话中的位置。IEC 61850就采用了一种机制来保证数据能够发送到接收方，IEC 61850中采用的非连接通信方式称为发布/订阅通信方式。发布/订阅通信方式是IEC 61850中特有的通信方式[4]，这也是这个标准对继电保护和控制专家具有吸引力的突出特点之一。与主/从通信方式相比，这种通讯方式确定了连接到变电站网络的任何一对IED装置按照需要对信息交换进行管理，而且所有的装置具有相同的权限。与客户/服务器通信方式不同，发布/订阅通信方式不需要建立和保持信息交换所需要的关联信息，其通信方式如图4所示。

图4 多点传送Fig.4 Multicast

IEC 61850系统中的发布/订阅通信是采用“广播”的方式发送数据。在这种方式下，发送信息的IED装置以最高效率的方式向一组目标IED装置同时发送信息，即只通过网络发送一次信息。与广播方式相对应，传统点对点的发送方式被称为单播。功能元件是一个可以进行数据交换的最小数据单元，IEC 61850的这种功能单元被称为逻辑节点。当2个或者多个装置之间通过通信报文的交换来实现某个功能时，这个功能就称为“分布式功能”。

数据的交换在功能元件之间及变电站功能结构的不同层级之间进行，不同层级上的功能可以在同一个物理装置中存在，同时，不同的物理装置也可以在同一个功能层级进行数据交换。图5表示了其逻辑连接LC（功能元件之间的通信链路），其中P组和R组是逻辑节点。

图5 IEC 61850的分布式功能Fig.5 Distributed function of IEC 61850

3.2 IEC 61850 GSE模型

IEC 61850继电保护和控制系统的发布/订阅通信采用了一种特定的方法，其目的是支持不同装置或者应用之间可靠的高速通信，并且用报文来代替通过电缆传送的信号，与此同时又能够提高继电保护、自动化和控制系统功能单元的可靠性和可用性。通用变电站事件（GSE）方法可以视为逻辑装置发送报告的机制。GSE信息交换的发布/订阅机制如图6所示,发布方在发送端向发送缓冲区写入数据，并通过变电站局域网络以广播的方式将其发送给各个订阅方，所发布的GOOSE报文中的数据是定义为数据集一部分的数据属性值的集合，接收方在接收端从本地缓冲区读出这些值。这个过程由发布方的GSE控制功能控制。如果一个数据属性的值发生了变化，则本地“发布”服务会更新发布方的传输缓冲区，并把这些值通过GOOSE报文发送出去。

图6 发布/订阅机制Fig.6 Publisher/subscriber mechanism

接收方的特定通信服务对其接受缓冲区的内容进行更新，所接收到的新值传送给相关的应用。由于GOOSE报文代替了继电保护和控制应用的电缆接线，IEC 61850引入了一个机制来确保发送所需要的信息。如果一个数据属性的新值引起了一个新GOOSE报文的广播，重复机制确保报文以变化的时间间隔重复发送直至有一个新的变化事件发生。这种方式实现了几个重要目的：1）确保单个报文的丢失不会影响系统的功能；2）让新装置能够把它的状态通知给所有订阅装置；3）让新装置能够了解它需要订阅信息的所有发布装置的状态；4）让需要从发布方获取信息的任何装置对发布方的状态进行确认，即便是没有变化事件发生也能了解到发布方是否正常工作。

3.3 传输性能的要求

为了通过变电站局域网络实现高速保护和控制功能，需要确保系统能够满足某些特定的性能要求。不同的分布功能对系统的性能要求不同，IEC 61850在性能要求方面分为2个独立的类别：1）控制和保护类；2）测量或电能质量应用类。

由于性能类别是根据所要求的功能定义的，所以与变电站的规模无关。因为故障的清除时间对系统稳定或者敏感负荷影响很大，所以对控制和保护功能类的要求要高一些。对于此类应用，IEC 61850定义了3个性能类别：P1一般用于变电站的配电等级，或者其他可以接受比较低的性能要求的地方。P2一般用于输电电压等级，或者其他用户确定的地方P3一般用于要求最高的输电等级，比如母线保护。总的性能要求也取决于报文的类别，标准中把类别1定义为快速报文。由于跳闸（类别1A）是变电站最重要的快速报文，此类功能对通信性能指标的要求也最高，高于其他任何快速信息，继电保护功能之间的连锁、连跳以及逻辑判别可能也有相同的性能要求。对于类别1A的报文，定义了如下的要求：对于性能类别P1，总的传输时间应该是半个周波范围，所以定义了10 ms。对于性能类别P2/P3，总的传输时间应该在1/4周波范围，所以定义了3 ms。

4 基于IEC 61850标准的变电站结构

以IEC 61850通信接口为基础的分布式应用包括了连接到变电站局域网的多个装置，如图7所示。合并单元（MU）对传感器的数据进行处理，把所测量到的值以SV数据流的方式发送给所有订阅了该数据的IED装置，同时从各个IED装置接收GOOSE报文并在需要的时候执行开关的跳/合闸操作。执行MU功能的IED装置可能包括多个逻辑MU装置。MU和输入/输出单元可以组合在一个装置中，成为过程接口单元（PIU）。所有多功能IED接收采样值报文和开关量状态报文，对数据进行处理，并发送GSE报文跳开关或者执行其他所需要的动作。如果IEC 61850得到完整的应用，装置之间模拟量和开关量信号交换所用的电缆接线被通过光纤所传递的通信报文所代替。IEC 61850把外部的硬件接线逻辑转换成了IED装置内置的软件逻辑。如果不考虑变电站电池和IED之间的直流回路的话，变电站可以达到“无电缆”变电站。

图7 IEC 61850变电站结构Fig.7 IEC 61850 substation structure

5 结语

IEC 61850标准是变电站自动化的通信国际标准，而不仅仅是一个协议，它体现的是一种系统的观念。IEC 61850标准侧重于统一系统平台的建立,因此具有强大的优势，它弱化了各厂商设备型号，实现了通信无缝连接。对于IEC 61850标准的研究和应用也是一个系统工程,随着我国电力系统的迅速发展，IEC 61850标准在使用过程中所带来的各种问题也会凸显出来。国内的电力工作者对于IEC 61850标准的应用应该不断进行深化研究，理解标准的内涵。积极推进IEC 61850标准的应用将是一项非常有经济价值的工作。

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