電力系統(tǒng)自動化AUTOMATION OF ELECTRIC
POWER SYSTEMS
2000 Vol.24 No.8 P.62-64
IEC 61850通信協(xié)議體系介紹和分析
任雁銘 秦立軍 楊奇遜
關(guān)鍵詞： 變電站； 自動化系統(tǒng)； 通信協(xié)議； 互操作性
中圖分類號： TM 73； TM 764
STUDY ON IEC 61850 COMMUNICATION PROTOCOL ARCHITECTURE
Ren Yanming, Qin Lijun, Yang Qixun
(North China Electric Power University, Beijing 100085, China)
Keywords: substation; automation system; communication protocol; interoperation
0 引言
變電站自動化技術(shù)發(fā)展很快，國內(nèi)外廠商相繼推出了多種變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)品。為使不同廠商的產(chǎn)品具有互操作性（interoperation），IEC已制定關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850。盡管IEC 61850現(xiàn)在只擬出了委員會草案，還沒有公布正式版本，但研究和分析其特點(diǎn)，對于我們了解變電站自動化技術(shù)發(fā)展的國際大趨勢和設(shè)計新系統(tǒng)還是很有益處的。本文將對IEC 61850通信體系做簡要的分析和介紹。
1 IEC 61850的歷史背景和組成
為適應(yīng)變電站自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，1995年國際電工委員會第57技術(shù)委員會（IEC TC57）為此成立了3個工作組10，11，12（WG10/11/12），負(fù)責(zé)制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。工作組成員分別來自歐洲、北美和亞洲國家，他們有電力調(diào)度、繼電保護(hù)、電廠、操作運(yùn)行及電力企業(yè)的技術(shù)背景，其中有些成員參加過北美及歐洲一些標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。3個工作組有明確的分工：第10工作組負(fù)責(zé)變電站數(shù)據(jù)通信協(xié)議的整體描述和總體功能要求；第11工作組負(fù)責(zé)站級數(shù)據(jù)通信總線的定義；第12工作組負(fù)責(zé)過程級數(shù)據(jù)通信協(xié)議的定義。這3個工作組參考和吸收了已有的許多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中主要有：①IEC 870—5—101遠(yuǎn)動通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［1］；②IEC 870—5—103繼電保護(hù)信息接口標(biāo)準(zhǔn)［2］；③UCA 2.0［3］（utility communication architecture 2.0)，由美國電科院制定的變電站和饋線設(shè)備通信協(xié)議體系；④ISO/IEC 9506制造商信息規(guī)范MMS［4］（manufacture message specification）。
1999年3月，3個工作組提出了IEC 61850 委員會草案版本［5］。從該版本看，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)共分為10個部分：
a. IEC 61850—1 基本原則，包括IEC 61850的介紹和概貌。
b. IEC 61850—2 術(shù)語。
c. IEC 61850—3 一般要求，包括質(zhì)量要求（可靠性、可維護(hù)性、系統(tǒng)可用性、輕便性、安全性），環(huán)境條件，輔助服務(wù)，其他標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
d. IEC 61850—4 系統(tǒng)和工程管理，包括工程要求（參數(shù)分類、工程工具、文件），系統(tǒng)使用周期（產(chǎn)品版本、工程交接、工程交接后的支持），質(zhì)量保證（責(zé)任、測試設(shè)備、典型測試、系統(tǒng)測試、工廠驗收、現(xiàn)場驗收）。
e. IEC 61850—5 功能和裝置模型的通信要求，包括邏輯節(jié)點(diǎn)的途徑（access of logical nodes)，邏輯通信鏈路，通信信息片PICOM（piece of information for communication）的概念，功能的定義。
f. IEC 61850—6 變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)語言，包括裝置和系統(tǒng)屬性的形式語言描述。
g. IEC 61850—7—1 變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)——原理和模式。
h. IEC 61850—7—2 變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)——抽象通信服務(wù)接口ACSI（abstract communication service interface），包括抽象通信服務(wù)接口的描述，抽象通信服務(wù)的規(guī)范，服務(wù)數(shù)據(jù)庫的模型。
i. IEC 61850—7—3 變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)——公共數(shù)據(jù)級別和屬性，包括抽象公共數(shù)據(jù)級別和屬性的定義。
j. IEC 61850—7—4 變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)——兼容的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對象DO (data object)尋址，包括邏輯節(jié)點(diǎn)的定義，數(shù)據(jù)對象及其邏輯尋址。
k. IEC 61850—8 特殊通信服務(wù)映射SCSM（special communication service mapping），到變電站和間隔層內(nèi)以及變電站層和間隔層之間通信映射。
l. IEC 61850—9 特殊通信服務(wù)映射SCSM，即間隔層和過程層內(nèi)以及間隔層和過程層之間通信的映射。
m. IEC 61850—10 一致性測試。
從IEC 61850通信協(xié)議體系的組成可以看出，這一體系對變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)做出了全面、詳細(xì)的描述和規(guī)范。
2 IEC 61850的特點(diǎn)
IEC 61850是關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的第1個完整的通信標(biāo)準(zhǔn)體系。與傳統(tǒng)的通信協(xié)議體系相比，在技術(shù)上IEC 61850有如下突出特點(diǎn)：①使用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)；②使用分布、分層體系；③使用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）、特殊通信服務(wù)映射SCSM技術(shù)；④使用MMS技術(shù)；⑤具有互操作性；⑥具有面向未來的、開放的體系結(jié)構(gòu)。
3 變電站自動化系統(tǒng)接口模型
IEC 61850按照變電站自動化系統(tǒng)所要完成的控制、監(jiān)視和繼電保護(hù)三大功能從邏輯上將系統(tǒng)分為3層，即變電站層、間隔層和過程層，并定義了3層間的9種邏輯接口。IEC 61850給出的變電站自動化系統(tǒng)接口模型如圖1所示。過程層主要完成開關(guān)量I/O、模擬量采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能。過程層通過邏輯接口④和接口⑤與間隔層通信。間隔層的功能是利用本間隔的數(shù)據(jù)對本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用，如線路保護(hù)設(shè)備或間隔單元控制設(shè)備就屬于這一層。間隔層通過邏輯接口④和接口⑤與過程層通信，通過邏輯接口③完成間隔層內(nèi)部的通信功能。變電站層的功能分為2類：一是與過程相關(guān)的功能，主要指利用各個間隔或全站的信息對多個間隔或全站的一次設(shè)備發(fā)生作用的功能，如母線保護(hù)或全站范圍內(nèi)的閉鎖等，變電站層通過邏輯接口⑧完成通信功能；二是與接口相關(guān)的功能，主要指與遠(yuǎn)方控制中心、工程師站及人機(jī)界面的通信，通過邏輯接口①，⑥，⑦完成通信功能。
圖1 變電站自動化系統(tǒng)接口模型
Fig.1 The interface model of substation
automation system
IEC 61850的分層模式與現(xiàn)有大多數(shù)變電站自動化系統(tǒng)不同，在現(xiàn)有系統(tǒng)中過程層的功能都是在間隔層設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的，于是就沒有獨(dú)立的邏輯接口④和接口⑤了。隨著光電流、電壓互感器的使用，現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層中去。可見，IEC 61850是個面向未來的開放的標(biāo)準(zhǔn)。
4 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖2所示，IEC 61850描述的通信體系從上到下由如下部分組成。
圖2 IEC 61850通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
Fig.2 The general architecture of communication
system in IEC 61850
a. IEC 61850—5。這部分使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對變電站自動化系統(tǒng)的功能、子功能進(jìn)行了分類和定義，并引入了邏輯節(jié)點(diǎn)的概念，這些對于分布式系統(tǒng)的設(shè)計及互操作性有重要作用。
b. IEC 61850—7—4。邏輯節(jié)點(diǎn)LN（logical nodes）是構(gòu)成系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，IEC 61850—7—4定義了基本邏輯節(jié)點(diǎn)類及其數(shù)據(jù)對象。圖3示意了數(shù)據(jù)模型的層次結(jié)構(gòu)，圖中最高層是標(biāo)準(zhǔn)化了的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對象。
圖3 數(shù)據(jù)模型層次
Fig.3 The levels of data model
c. IEC 61850—7—3。這部分定義了邏輯節(jié)點(diǎn)所使用的基本數(shù)據(jù)類型。
d. IEC 61850—7—2。這部分定義了抽象通信服務(wù)接口（ACSI）。ACSI定義了與實(shí)際所用的通信協(xié)議無關(guān)的應(yīng)用，它定義了相關(guān)通信服務(wù)、通信對象及參數(shù)。ACSI提供如下6種服務(wù)模型：連接服務(wù)模型；變量訪問服務(wù)模型；數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)模型；設(shè)備控制服務(wù)模型；文件傳輸服務(wù)模型；時鐘同步服務(wù)模型。這些服務(wù)模型定義了通信對象以及如何對這些對象進(jìn)行訪問。這些定義由各種各樣的請求、響應(yīng)及服務(wù)過程組成。服務(wù)過程描述了某個具體服務(wù)請求如何被服務(wù)器所響應(yīng)以及采取什么動作在什么時候以什么方式響應(yīng)。ACSI定義的服務(wù)、對象和參數(shù)通過特殊通信服務(wù)映射（SCSM）映射到下層應(yīng)用程序。
e. IEC 61850—8—X/—9—X?？紤]到TCP/IP、OSI、現(xiàn)場總線等各種各樣的通信系統(tǒng)已建立起來，IEC 61850引入了特殊通信服務(wù)映射（SCSM）。如圖4所示，SCSM將抽象通信服務(wù)對象和參數(shù)映射到MMS，F(xiàn)MS，DNP或IEC 870—5等應(yīng)用層。實(shí)際上這種映射的復(fù)雜性與通信網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，某些ACSI服務(wù)也可能不被所使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所支持。
圖4 ACSI映射到通信協(xié)議示意圖
Fig.4 The mapping between ACSI and
communication protocol
IEC 61850—8—1定義了ACSI到ISO/IEC 9506即MMS之間的映射。圖5給出了示意圖。
圖5 ACSI到MMS之間的映射
Fig.5 The mapping between ACSI and MMS
IEC 61850—8—2定義了ACSI到Profibus FMS（fieldbus message specification）之間的映射。
IEC 61850—9—X定義了過程總線一級的SCSM。
5 與其他標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系
IEC 61850的制定者來自不同地區(qū)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和跨國公司，他們參考和吸收了大量已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)的技術(shù)特點(diǎn)也反映在IEC 61850中，這些都決定了IEC 61850與已有標(biāo)準(zhǔn)具有天然的聯(lián)系。IEC 61850參考、吸收并發(fā)展了IEC 870—5—103［2］，使得IEC 61850—7—2成為IEC 870—5—103的超集。IEC 61850中大量使用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，IEC 61850—8—1定義了ACSI到MMS的SCSM映射，這些顯然是受到了美國電力科學(xué)研究院UCA通信協(xié)議體系［3］的影響，也可以說是參與制定IEC 61850的美國專家將UCA這種地區(qū)性協(xié)議體系推向國際化的結(jié)果。IEC 61850—8—2中給出了ACSI到Profibus FMS的映射，這是受歐洲國家影響的結(jié)果。在歐洲的變電站自動化系統(tǒng)中Profibus FMS應(yīng)用很廣，因此制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)時歐洲國家代表要盡量保護(hù)他們的利益。
6 結(jié)語
IEC 61850涉及多種新技術(shù)和學(xué)科，是個龐大、復(fù)雜的體系，本文介紹、分析了IEC 61850通信協(xié)議體系。IEC 61850對于現(xiàn)在和將來變電站自動化技術(shù)發(fā)展方向都將產(chǎn)生重大的影響，因此有必要繼續(xù)對它進(jìn)行深入分析和研究。
任雁銘，男，博士研究生，主要從事變電站自動化系統(tǒng)的研究。
秦立軍，男，碩士，教授，主要從事電力系統(tǒng)仿真、變電站自動化系統(tǒng)的研究。
楊奇遜，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，主要從事微機(jī)繼電保護(hù)、變電站自動化系統(tǒng)的研究。
任雁銘（華北電力大學(xué)四方研究所， 北京 100085）
秦立軍（華北電力大學(xué)四方研究所， 北京 100085）
楊奇遜（華北電力大學(xué)四方研究所， 北京 100085）
參 考 文 獻(xiàn)
1，IEC 870-5-101.Telecontrol Equipment and Systems——Companion Standard for Basic Telecontrol Tasks. 1995
2，IEC 870-5-103.Telecontrol Equipment and Systems——Companion Standard for the Informative Interface of Protection Equipment. 1997
3，UCA 2.0. Utility Communication Architecture. 1998
4，ISO/IEC 9506. Industrial Automation Systems——Manufacturing Message Specification. 1990
5，IEC 61850 (Committee Draft). Communication Networks and Systems in Substations. 1999
收稿日期： 1999-11-03； 修回日期： 2000-01-17
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