IEC 61850通信规约的特点及应用要点

2021-04-14谭伟林叶常青陈必巧

通信电源技术 2021年22期

谭伟林，叶常青，陈必巧

（广东顺畅科技有限公司，广东江门 529000）

0 引言

随着配电网建设事业的快速发展，电网容量不断扩大，使得实时信息传递量显著增多，不仅对配电网通信系统提出了更高要求，同时也需要统一的电网通信规约来支撑电子设备间的交互操作和信息共享。在此基础上，IEC 61850通信规约能够有效连接不同厂家生产的电子设备，有助于为搭建智能化变电站信息管理系统提供帮助，并满足电网管理人员对于电网基础设备的数据通信需求，从而提升电网管理效率，确保电网运行安全。

1 IEC 61850通信规约的提出背景

在变电站自动化技术及网络通信技术的发展背景下，电力通信领域针对IEC 61850通信规约的讨论越来越多。其中，围绕当前主流变电站自动化系统，广泛采用由国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）于1997年颁布的继电保护信息接口配套标准IEC 60870-5-103规约，但该规约制定时间较早，已经不再适用于当前的技术发展环境。一方面，IEC 60870-5-103规约没有定义以太网的通信规范，且缺乏针对系统功能的标准要求，这使得该通信规约与当前的以太网建设环境不符[1,2]；另一方面，IEC 60870-5-103规约欠缺权威的统一性测试，且未针对元数据传输进行规定，导致在实际应用时容易出现各种标准性问题，给自动化系统的开发造成了影响。在此背景下，IEC 61850通信规约是一种基于现有IEC、电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）、国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）、开放式系统互联（Open System Interconnection，OSI）通信标准提出的、能够实现设备自我描述的、符合电力生产需求的通信规约，其能够规范设备逻辑模型和通信接口，不仅可对变电站层次结构进行优化，同时也能作用于变电站数据管理，为提高数据传输效率和改善数据控制质量提供帮助[3]。

2 IEC 61850通信规约的基本内容

IEC 61850通信规约分为3层架构，分别为变电站层、间隔单元层以及过程层[4,5]。从概念上来讲，IEC 61850通信规约主要围绕功能建模、数据建模、通信服务、通信映射、一致性测试等5个方面展开。对于功能建模，在介绍通信规约基本术语的基础上，以变电站自动化通信系统的通信性能要求为依托，建立自动化系统功能模型，这使得以往通信规约存在的功能模型缺失问题得到解决，能够确保通信系统设计的可操作性和自定义性。对于数据建模，就数据对象、数据集、报告控制、登录控制等对象以及取数、设定、报告、创建、删除等服务进行定义，采用面向对象方法，能够满足用户的个性化数据要求，包括质量要求、环境条件要求、服务要求以及其他标准规范要求等。对于通信服务，对Scada通信服务进行定义，并提出实时通信的概念。对于通信映射，一是定义通信服务映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）到会员管理系统（Membership Management System，MMS）和ISO/IEC 8802-3，二是定义SCSM通过单向多路点对点串行通信链路的采样值，三是定义SCSM通过ISO/IEC 8802-3的采样值，确保了自动化系统的兼容性和扩展性，能够为用户提供完善的数据支持。对于一致性测试，基于可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）结构化语言描述变电站设备与自动化系统的拓扑关系，从而为系统测试提供测试条件和测试准则。

3 IEC 61850通信服务

从实际应用来看，IEC 61850通信规约的服务实现主要体现在3个方面，即MMS服务、GOOSE服务以及SMV服务，其关系如图1所示。

图1 3种服务的关系

3.1 MMS服务

MMS即制造报文规范，是由IOS/IEC 9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议，由ISO TC184开发和维护的一套独立国际标准报文规范，其定义了交换报文的格式以及结构化层次化的数据表示方法，能够为用户提供一个独立的通用通信环境，满足用户针对数据对象的个性化操作需求。同时，MMS服务支持信号上送、测量上送、定值、控制以及故障报告等功能，不仅可使配电网自动化系统的智能管理水平显著提高，同时也便于操作人员对系统及相关设备进行控制，有助于确保配电网通信系统的稳定安全运行[6]。

3.2 GOOSE服务

在IEC 61850通信规约中，定义面向通用对象的变电站事件GOOSE以实现以太网多播报文传输，其取代传统智能电子设备（Intelligent Electronic Devices，IED）间硬接线的通用方式，为逻辑节点间的通信提供了有效方法，能够显著提升设备通信的可靠性和效率性。同时，GOOSE服务支持公共数据交换，可用于跳闸保护等情况，并满足联锁信息等实时性要求较高数据的传输要求，且GOOSE服务的信息交换建立在发布、订阅的基础上，这使得同一GOOSE网中的IED设备均能既作为订阅端接收数据，又能作为发布端为其他IED设备提供数据，以此有效实现了不同IED设备间的数据交换，提升了数据传输的效率[7]。此外，除收发功能外，GOOSE服务还提供报警功能和检修功能，即可以针对数据传输过程中的异常情况进行监测，在及时发出预警的同时依托检修装置进行自我检修，且不会对系统的正常运行造成影响，最大限度确保了通信服务的灵活性和可靠性。

3.3 SMV服务

在信息发布方和订户之间，存在两种交互采样值方法，一种为MULTICAST-APPLICATIONASSOCIATION（多路广播应用关联控制块MSVCB），另一种为TWO-PARTY-APPLICATIONASSOCIATION（双边应用关联即单路传播采样值控制块USVCB），其均能够依托固定的采样率进行采样，并将采样存储于传输缓冲区。其中，多点传送采样值服务的映射如表1所示。

表1 多点传送采样值服务的映射

4 IEC61850通信规约的技术特点

4.1 能够减少二次回路图纸设计与管理

相比于102规约和CDT规约，IEC 61850通信规约中各个IED设备的通信方式均是采用光缆或网线的一根通信线方式取代以往的空结点+开入方式，而由于只需要一根光缆便能够支撑通信活动，且通过方式以统一的通信规约支持，使得线路设计和文件配置相对简单，能够实现数据传输的标准化和统一化，并减少不必要的数据核查环节。

4.2 能够降低系统人力成本

通过应用IEC 61850通信规约，能够实现针对变电站全站的实时数据共享，既有利于系统专家统一解决难题，又方便远程专家对系统重点环节进行质量控制，有助于降低人力成本，提升系统的运行效率[8,9]。

4.3 能够降低系统运行成本

在IEC 61850通信规约指导下，IED设备生产能够明显减少电流互感器（Current Transformer，CT）开路和电压互感器（Potential transformer，PT）短路的风险，且由于使用光缆作为通信专线，不存在电磁干扰和热效应问题，因此能够有效降低系统的运行成本，提升变电站综合管理水平。

5 IEC 61850通信规约的应用要点

变电站网络结构一般包括单星形网、双星形网、单环形网以及双环形网4种，而基于IEC 61850通信规约的变电站网络结构包含站控层、网络层以及间隔层3个层次[10]。其中，站控层涉及全球定位系统（Global Positioning System，GPS）对时装置、主机操作员站、维护工程师站、五防工作站、运动装置、网络打印机等设备，网络层由两条100M以太网和对时总线构成，间隔层涉及RCS-9700C测控装置、RCS-9000C保护装置、RCS-900保护装置以及智能电子设备。在此基础上，可构成支持电子式互感器与GOOSE服务的数字化变电站，其能够实现变电站内智能设备依据变电站操作票执行顺序的自动化管理，且借由智能设备取代操作人员，实现操作票的自动执行。而对于实际操作过程，操作人员只需要根据操作要求选择一条程序化操作命令对操作票执行过程进行监督校验即可。