本文關(guān)鍵詞：基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)研究
 
吳在軍，胡敏強(qiáng)
（東南大學(xué)電氣工程系，江蘇省 南京市 210096）

    摘  要：變電站自動化系統(tǒng)在實現(xiàn)控制、監(jiān)視和保護(hù)功能的同時，為了實現(xiàn)不同廠家的設(shè)備達(dá)到信息共享，使變電站自動化系統(tǒng)成為開放系統(tǒng)，還應(yīng)具有互操作性。為此，國際電工委員會（IEC）制定了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系-IEC 61850。文章在分析IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的信息分層、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)自描述和抽象通信服務(wù)映射等概念的基礎(chǔ)上，提出了一種符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站內(nèi)通信系統(tǒng)的框架模型。同時，遵循面向?qū)ο蠼：统橄蠓⻊?wù)映射的思想，對變電站內(nèi)智能電子設(shè)備（IED）統(tǒng)一硬件平臺設(shè)計和軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)方法以及應(yīng)該注意的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)討論，為變電站自動化系統(tǒng)的互操作性、可擴(kuò)展性和高可靠性要求的實現(xiàn)提供了依據(jù)。
    關(guān)鍵詞：變電站自動化系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)；互操作性；面向?qū)ο蠼�；智能電子設(shè)備
 引言
    變電站自動化系統(tǒng)的功能除控制、監(jiān)視和保護(hù)3大功能外，還包括變電站自動化系統(tǒng)的維護(hù)功能，即系統(tǒng)組態(tài)、通信管理和軟件管理等功能[1]。
    采用變電站自動化系統(tǒng)可以把原本分隔的控制、保護(hù)、監(jiān)視、通信和測量等裝置以合適的形式進(jìn)行集成，由少量多功能智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，，IED）組成自動化系統(tǒng)，通過站內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息共享，可使信號電纜大為減少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化。這樣既提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，又改善了可靠性。因此，變電站集成和自動化已成為電力行業(yè)降低安裝、維護(hù)和運(yùn)行成本的有效途徑。
    在變電站自動化系統(tǒng)集成過程中面臨的最大障礙是不同廠家的IED，甚至同一廠家不同型號的IED所采用的通信協(xié)議和用戶界面的不相同，因而難以實現(xiàn)無縫集成和互操作。因為需要額外的硬件（如規(guī)約轉(zhuǎn)換器）和軟件來實現(xiàn)IED互聯(lián)，還要對用戶進(jìn)行培訓(xùn)，這在很大程度上削弱了變電站實現(xiàn)自動化的優(yōu)點和意義。因此變電站自動化系統(tǒng)在實現(xiàn)功能之外，還應(yīng)具備互操作性、可擴(kuò)展性和高可靠性等性能。這在以往系統(tǒng)分析和設(shè)計過程中通常是被忽視的。
    互操作性，即同一廠家或不同廠家的多個IED要具有交換信息并使用這些信息進(jìn)行協(xié)同操作的能力。設(shè)備的互操作性可以最大限度地保護(hù)用戶原來的軟硬件投資，實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品集成。
    可擴(kuò)展性，這就要求系統(tǒng)在設(shè)計時，軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)都盡可能采用模塊化設(shè)計方法，方便未來的系統(tǒng)擴(kuò)展，同時要求通信接口標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)具有開放性。
    高可靠性，系統(tǒng)應(yīng)具有冗余結(jié)構(gòu)，特別是作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的通信系統(tǒng)和人機(jī)界面的監(jiān)控主站應(yīng)具有互相獨立的冗余配置。在故障情況下，冗余的通信系統(tǒng)和監(jiān)控主站應(yīng)該可以在系統(tǒng)不停止工作的情況下進(jìn)行熱切換，以保證系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和自動控制任務(wù)。
    IEC在充分考慮上述變電站自動化系統(tǒng)的功能和要求，特別是互操作性要求的基礎(chǔ)上，制定了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)體系??IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。它采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得數(shù)據(jù)對象的自描述成為可能，為不同廠商的IED實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了途徑。
2  IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)簡介
2.1  IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容
    在20世紀(jì)90年代初，歐洲和美國同時開展了這方面的研究工作，并制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[2,3]。為了避免兩個標(biāo)準(zhǔn)沖突，在IEEE和IEC的共同協(xié)調(diào)下，IEC決定以UCA 2.0 數(shù)據(jù)模型和服務(wù)為基礎(chǔ)，將UCA的研究結(jié)果納入IEC標(biāo)準(zhǔn)，建立世界范圍的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)??IEC 61850，并于1999年3月提出了委員會草案版本。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)草案主要包括的系列文檔如圖1所示。
 
    就概念而言，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)草案主要圍繞以下4個方面展開：   
    （1）功能建模  從變電站自動化通信系統(tǒng)的通信性能（PICOM）要求出發(fā)，定義了變電站自動化系統(tǒng)的功能模型（Part 5）。
    （2）數(shù)據(jù)建模  采用面向?qū)ο蟮姆椒�，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型（Part 7-3/4）。
    （3）通信協(xié)議  定義了數(shù)據(jù)訪問機(jī)制（通信服務(wù)）和向通信協(xié)議棧的映射，如在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到MMS（IEC 61850-8-1）。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)映射成串行單向多點或點對點傳輸網(wǎng)絡(luò)（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的過程總線（IEC 61850-9-2）（Part 7-2，Part 8/9）。
    （4）變電站自動化系統(tǒng)工程和一致性測試 定義了基于XML（Extensible Make up Language）的結(jié)構(gòu)化語言（Part 6），描述變電站和自動化系統(tǒng)的拓?fù)湟约癐ED結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了驗證互操作性，Part 10描述了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一致性測試。
2.2  IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的主要特點
2.2.1  信息分層
    變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)草案提出了變電站內(nèi)信息分層的概念，無論從邏輯概念上還是從物理概念上，都將變電站的通信體系分為3個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口，如圖2所示。
 
2.2.2   面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模
    IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器本身又包含一個或多個邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和服務(wù)器通信可訪問數(shù)據(jù)對象，如圖3所示。
 
2.2.3  數(shù)據(jù)自描述
    與IEC 60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)采用面向點的數(shù)據(jù)描述方法不同，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對于信息均采用面向?qū)ο蟮淖悦枋觥?br />    采用“面向點”的數(shù)據(jù)描述方法，在信息傳輸時數(shù)據(jù)收發(fā)雙方必須事先對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行約定，并一一對應(yīng)，這樣才能正確反應(yīng)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)。協(xié)議一旦確立以后，如果要增加或刪除某些信息就必須對協(xié)議進(jìn)行修改，這是一項耗費資金和時間的工作。隨著技術(shù)發(fā)展、電力市場的建立和變電站自動化水平的提高，變電站內(nèi)需要傳輸?shù)男滦畔⒉粩嘣黾�，這種數(shù)據(jù)描述方法已不大適應(yīng)，因而使新功能的應(yīng)用受到限制。
    面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。由于數(shù)據(jù)本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預(yù)先定義限制，簡化了對數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)工作。為此，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)提供了一整套面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述方法。
    （1）IEC 61850 對象名稱  標(biāo)準(zhǔn)定義了采用設(shè)備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數(shù)據(jù)類名建立對象名的命名規(guī)則。
    （2）IEC 61850通信服務(wù)  標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎx了對象之間的通信服務(wù)，比如，獲取和設(shè)定對象值的通信服務(wù)，取得對象名列表的通信服務(wù)，獲得數(shù)據(jù)對象值列表的服務(wù)等。
2.2.4  抽象通信服務(wù)接口（ACSI）
    IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了變電站內(nèi)信息傳輸所必需的通信服務(wù)，設(shè)計了獨立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口（Abstract Communi-cation Service Interface，ACSI）。在IEC 61850-7-2中，建立了標(biāo)準(zhǔn)兼容服務(wù)器所必須提供的通信服務(wù)的模型，包括服務(wù)器模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型�？蛻敉ㄟ^ ACSI，由專用通信服務(wù)映射（Specific Communi-cation Service Map，SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，如制造報文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）等。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展時只要改動SCSM，而不需要修改 ACSI。
3 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站內(nèi)通信系統(tǒng)框架模型
    作為變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61850主要強(qiáng)調(diào)面向?qū)ο蟮慕：蛯诳蛻魴C(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用數(shù)據(jù)交換的定義。一典型變電站自動化系統(tǒng)的通信系統(tǒng)框架模型如圖4所示。
 
    （1）物理層/數(shù)據(jù)鏈路層
    選擇以太網(wǎng)作為通信系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的主要原因是以太網(wǎng)在技術(shù)和市場上已處于主流地位。另外，隨著快速以太網(wǎng)、G-比特以太網(wǎng)技術(shù)逐步成熟，對變電站自動化應(yīng)用而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬已不再是制約因素，由沖撞引起的傳輸延時隨機(jī)性問題已淡化。
    曾有一種觀點，認(rèn)為因以太網(wǎng)具有載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）的本質(zhì)，其對“實時”信息傳輸造成延遲的隨機(jī)性無法預(yù)測，因而不能滿足實時系統(tǒng)的需要。因為兩個或多個以太網(wǎng)節(jié)點同時訪問共享的傳輸介質(zhì)局域網(wǎng)（LAN）時會造成數(shù)據(jù)沖突，此時所有沖突的節(jié)點會按退避算法（backoff algorithm）隨機(jī)延遲一定的時間，然后試圖重新訪問介質(zhì)，以獲得介質(zhì)的訪問權(quán)。這樣就無法確切地估計沖突節(jié)點所需的隨機(jī)等待時間，因而有可能造成 “實時”信息傳輸無效。
    為了定性地說明這一問題，美國電力研究院（EPRI）對此進(jìn)行了研究，在特定的“最惡劣”情形下對比了以太網(wǎng)和12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)的性能。研究結(jié)果表明，通過交換式HUB連接的10M以太網(wǎng)完全能夠滿足變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信“實時”性的要求，并且以太網(wǎng)快于12M令牌傳遞 Profibus網(wǎng)絡(luò)[4]。
    （2）網(wǎng)絡(luò)層/傳輸層
    選擇事實標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議作為站內(nèi)IED的高層接口，實現(xiàn)站內(nèi)IED的Intranet/Internet化，使得站內(nèi)IED的數(shù)據(jù)收發(fā)都能以 TCP/IP方式進(jìn)行。這樣，監(jiān)控主站或遠(yuǎn)方調(diào)度中心采用TCP/IP協(xié)議就可以通過廣域網(wǎng)（WAN）甚至Internet獲得變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)。同時，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問方式可以保證站內(nèi)IED具有良好的互操作性。
    （3）應(yīng)用層
    選擇制造報文規(guī)范（MMS）[5]作為應(yīng)用層協(xié)議與變電站控制系統(tǒng)通信。所有IED中基于IEC 61850建立的對象和服務(wù)模型都被映射成MMS中通用的對象和服務(wù)，如數(shù)據(jù)對象的讀、寫、定義和創(chuàng)建以及文件操作等。MMS對面向?qū)ο髷?shù)據(jù)定義的支持，使該數(shù)據(jù)自描述成為可能，改變了傳統(tǒng)的面向點的數(shù)據(jù)描述方法。因數(shù)據(jù)本身帶有說明，故傳輸可不受預(yù)先定義的限制，簡化了數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作。
    以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)和MMS結(jié)合，加之IEC 61850的應(yīng)用描述，是將變電站自動化系統(tǒng)變成開放系統(tǒng)的一可能實現(xiàn)的途徑[6]。
4  IED統(tǒng)一硬件平臺設(shè)計
    考慮IED本身的功能，以及可擴(kuò)展性和可靠性的要求，IED硬件設(shè)計采用可組態(tài)的模塊化設(shè)計方法，按功能劃分各個模塊，主要包括模擬量輸入輸出模塊，開關(guān)量輸入輸出模塊，人機(jī)接口模塊（MMI），通信模塊（COM）和主控模塊（CPU），如圖5所示。
 
    模塊和模塊之間的數(shù)據(jù)通信通過內(nèi)部高速總線實現(xiàn)。由于各模塊都具有一定的智能化處理能力，可以對信號的輸入輸出進(jìn)行一定的預(yù)處理，減輕主控模塊的負(fù)擔(dān)，使其專注于數(shù)據(jù)處理、故障判斷和任務(wù)調(diào)度。同時，采用這種模塊化的設(shè)計方法，使得IED具有可擴(kuò)展性，可以根據(jù)客戶的需要添加相應(yīng)模塊，為IED的高可靠性提供了可能。而且這種模塊化的設(shè)計方法可以隨技術(shù)的發(fā)展而更換相應(yīng)模塊，最大限度地保護(hù)了用戶已有的投資，迅速實現(xiàn)產(chǎn)品的升級換代。
    在該平臺上直接與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的模塊主要是負(fù)責(zé)信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信的模塊，即通信模塊。此通信模塊設(shè)計時必須處理好CPU處理速度、RAM的容量和ROM的容量等。
    在實際設(shè)計過程中，將主控模塊和通信模塊合二為一，選用Motorola公司集成了以太網(wǎng)控制器的32位高性能芯片MPC 860。通信模塊中MAC層和LLC層功能由MPC 860中的以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)，而10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)收發(fā)器芯片LXT 970則實現(xiàn)與通信介質(zhì)接口和驅(qū)動等功能。在通信模塊中實現(xiàn)龐大的TCP/IP協(xié)議棧和MMS，需要較大的存貯空間，因此，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分別采用大容量的Flash 29F040和SRAM KM416S1020B以適應(yīng)應(yīng)用的需要。主控模塊和通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
 
5  IED軟件系統(tǒng)設(shè)計
5.1  IED功能模塊的實現(xiàn)
    實現(xiàn)IEC 61850的重點、難點在于軟件設(shè)計。它主要涉及兩個方面的內(nèi)容：在變電站層的監(jiān)控主站系統(tǒng)上實現(xiàn)與IEC 61850相關(guān)的功能；在間隔層IED上實現(xiàn)保護(hù)、控制，尤其是在間隔層的IED的通信模塊中實現(xiàn)TCP/IP、MMS、XML等技術(shù)。本文主要討論 IED中軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)。
    IED軟件設(shè)計也是按功能劃分進(jìn)行模塊化設(shè)計的，使得軟件具有可裁剪性，也便于功能擴(kuò)充。按功能劃分主要可分為：數(shù)字信號處理元件、數(shù)據(jù)處理元件、繼電保護(hù)元件、可編程的數(shù)字量輸入輸出元件、事件捕獲元件、人機(jī)接口元件和通信元件。
    不同于以往一般的微機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中為了實現(xiàn)互操作性和可擴(kuò)展性，采用了面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了數(shù)據(jù)模型和設(shè)備模型以及描述數(shù)據(jù)對象的方法及一套面向?qū)ο蟮姆⻊?wù)。所以， IED軟件設(shè)計除了要實現(xiàn)測量、保護(hù)和控制功能外，還應(yīng)充分考慮并遵循這些要求。按照IEC 61850-5定義的邏輯節(jié)點模型，采用面向?qū)ο蠓謱用枋龇椒枋鲭娏魉贁啾Ｗo(hù)邏輯節(jié)點，如圖7所示。
 
5.2  IED通信模塊的實現(xiàn)
    IED應(yīng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，以實現(xiàn)符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)框架，因而通信模塊的實現(xiàn)顯得尤為重要。在間隔層的IED中實現(xiàn)上節(jié)所述功能，同時在通信模塊中實現(xiàn)TCP/IP、MMS、 XML等技術(shù)，特別是在IED中的單片機(jī)或DSP上實現(xiàn)這些技術(shù)，是有相當(dāng)難度的。尤其是TCP/IP協(xié)議的處理任務(wù)繁雜，并且還要求有很高的實時性。
    嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）的出現(xiàn)，為此類任務(wù)的實現(xiàn)提供了便捷方法。因此，IED軟件設(shè)計采用了Windriver公司的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）VxWorks，利用RTOS提供的多任務(wù)機(jī)制以及任務(wù)之間的通信和互斥等機(jī)制來進(jìn)行任務(wù)的管理和調(diào)度。同時，VxWorks還提供了與 BSD 4.4版本基本兼容而實時性方面有很大提高的TCP/IP協(xié)議棧。
    所以，IED軟件設(shè)計是由嵌入式RTOS及其上的TCP/IP軟件模塊以及應(yīng)用程序模塊構(gòu)成，如圖8所示。
    上述變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能由以太網(wǎng)收發(fā)器和集成在CPU中的以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)則須調(diào)用Vxworks中的TCP/IP協(xié)議棧。
 
6  結(jié)束語
    文章在分析了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的信息分層、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)自描述和抽象通信服務(wù)映射等概念的基礎(chǔ)上，提出了變電站自動化通信系統(tǒng)框架模型，同時遵循 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對IED硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法及應(yīng)該注意的相關(guān)問題進(jìn)行了討論，為變電站自動化系統(tǒng)互操作性、可擴(kuò)展性和高可靠性的實現(xiàn)提供了可行依據(jù)。
    但由于受到目前技術(shù)條件的限制，本文對IED硬件平臺中通信模塊10M/100M的自適應(yīng)、雙網(wǎng)冗余設(shè)計及其切換策略，以及倍受關(guān)注的變電站中過程層自動化實現(xiàn)的軟、硬件方案等均未涉及，這也是今后需要進(jìn)一步研究的重點。
參考文獻(xiàn)
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[6]  沈國榮，黃鍵（Shen Guorong，Huang Jian）．2000年國際大電網(wǎng)會議系列報道??通信技術(shù)是變電站自動化的關(guān)鍵（A review of cigre’2000 on substation automation）[J]．電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2001，25(10)：1-5．
 

  本文關(guān)鍵詞：基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。