IEC 61850通信規約的特點及應用要點

譚偉林，葉常青，陳必巧

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

0 引 言

隨著配電網建設事業的快速發展，電網容量不斷擴大，使得實時信息傳遞量顯著增多，不僅對配電網通信系統提出了更高要求，同時也需要統一的電網通信規約來支撐電子設備間的交互操作和信息共享。在此基礎上，IEC 61850通信規約能夠有效連接不同廠家生產的電子設備，有助于為搭建智能化變電站信息管理系統提供幫助，并滿足電網管理人員對于電網基礎設備的數據通信需求，從而提升電網管理效率，確保電網運行安全。

1 IEC 61850通信規約的提出背景

在變電站自動化技術及網絡通信技術的發展背景下，電力通信領域針對IEC 61850通信規約的討論越來越多。其中，圍繞當前主流變電站自動化系統，廣泛采用由國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）于1997年頒布的繼電保護信息接口配套標準IEC 60870-5-103規約，但該規約制定時間較早，已經不再適用于當前的技術發展環境。一方面，IEC 60870-5-103規約沒有定義以太網的通信規范，且缺乏針對系統功能的標準要求，這使得該通信規約與當前的以太網建設環境不符[1,2]；另一方面，IEC 60870-5-103規約欠缺權威的統一性測試，且未針對元數據傳輸進行規定，導致在實際應用時容易出現各種標準性問題，給自動化系統的開發造成了影響。在此背景下，IEC 61850通信規約是一種基于現有IEC、電氣和電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）、國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）、開放式系統互聯（Open System Interconnection，OSI）通信標準提出的、能夠實現設備自我描述的、符合電力生產需求的通信規約，其能夠規范設備邏輯模型和通信接口，不僅可對變電站層次結構進行優化，同時也能作用于變電站數據管理，為提高數據傳輸效率和改善數據控制質量提供幫助[3]。

2 IEC 61850通信規約的基本內容

IEC 61850通信規約分為3層架構，分別為變電站層、間隔單元層以及過程層[4,5]。從概念上來講，IEC 61850通信規約主要圍繞功能建模、數據建模、通信服務、通信映射、一致性測試等5個方面展開。對于功能建模，在介紹通信規約基本術語的基礎上，以變電站自動化通信系統的通信性能要求為依托，建立自動化系統功能模型，這使得以往通信規約存在的功能模型缺失問題得到解決，能夠確保通信系統設計的可操作性和自定義性。對于數據建模，就數據對象、數據集、報告控制、登錄控制等對象以及取數、設定、報告、創建、刪除等服務進行定義，采用面向對象方法，能夠滿足用戶的個性化數據要求，包括質量要求、環境條件要求、服務要求以及其他標準規范要求等。對于通信服務，對Scada通信服務進行定義，并提出實時通信的概念。對于通信映射，一是定義通信服務映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）到會員管理系統（Membership Management System，MMS）和ISO/IEC 8802-3，二是定義SCSM通過單向多路點對點串行通信鏈路的采樣值，三是定義SCSM通過ISO/IEC 8802-3的采樣值，確保了自動化系統的兼容性和擴展性，能夠為用戶提供完善的數據支持。對于一致性測試，基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）結構化語言描述變電站設備與自動化系統的拓撲關系，從而為系統測試提供測試條件和測試準則。

3 IEC 61850通信服務

從實際應用來看，IEC 61850通信規約的服務實現主要體現在3個方面，即MMS服務、GOOSE服務以及SMV服務，其關系如圖1所示。

圖1 3種服務的關系

3.1 MMS服務

MMS即制造報文規范，是由IOS/IEC 9506標準所定義的一套用于工業控制系統的通信協議，由ISO TC184開發和維護的一套獨立國際標準報文規范，其定義了交換報文的格式以及結構化層次化的數據表示方法，能夠為用戶提供一個獨立的通用通信環境，滿足用戶針對數據對象的個性化操作需求。同時，MMS服務支持信號上送、測量上送、定值、控制以及故障報告等功能，不僅可使配電網自動化系統的智能管理水平顯著提高，同時也便于操作人員對系統及相關設備進行控制，有助于確保配電網通信系統的穩定安全運行[6]。

3.2 GOOSE服務

在IEC 61850通信規約中，定義面向通用對象的變電站事件GOOSE以實現以太網多播報文傳輸，其取代傳統智能電子設備（Intelligent Electronic Devices，IED）間硬接線的通用方式，為邏輯節點間的通信提供了有效方法，能夠顯著提升設備通信的可靠性和效率性。同時，GOOSE服務支持公共數據交換，可用于跳閘保護等情況，并滿足聯鎖信息等實時性要求較高數據的傳輸要求，且GOOSE服務的信息交換建立在發布、訂閱的基礎上，這使得同一GOOSE網中的IED設備均能既作為訂閱端接收數據，又能作為發布端為其他IED設備提供數據，以此有效實現了不同IED設備間的數據交換，提升了數據傳輸的效率[7]。此外，除收發功能外，GOOSE服務還提供報警功能和檢修功能，即可以針對數據傳輸過程中的異常情況進行監測，在及時發出預警的同時依托檢修裝置進行自我檢修，且不會對系統的正常運行造成影響，最大限度確保了通信服務的靈活性和可靠性。

3.3 SMV服務

在信息發布方和訂戶之間，存在兩種交互采樣值方法，一種為MULTICAST-APPLICATIONASSOCIATION（多路廣播應用關聯控制塊MSVCB），另一種為TWO-PARTY-APPLICATIONASSOCIATION（雙邊應用關聯即單路傳播采樣值控制塊USVCB），其均能夠依托固定的采樣率進行采樣，并將采樣存儲于傳輸緩沖區。其中，多點傳送采樣值服務的映射如表1所示。

表1 多點傳送采樣值服務的映射

4 IEC61850通信規約的技術特點

4.1 能夠減少二次回路圖紙設計與管理

相比于102規約和CDT規約，IEC 61850通信規約中各個IED設備的通信方式均是采用光纜或網線的一根通信線方式取代以往的空結點+開入方式，而由于只需要一根光纜便能夠支撐通信活動，且通過方式以統一的通信規約支持，使得線路設計和文件配置相對簡單，能夠實現數據傳輸的標準化和統一化，并減少不必要的數據核查環節。

4.2 能夠降低系統人力成本

通過應用IEC 61850通信規約，能夠實現針對變電站全站的實時數據共享，既有利于系統專家統一解決難題，又方便遠程專家對系統重點環節進行質量控制，有助于降低人力成本，提升系統的運行效率[8,9]。

4.3 能夠降低系統運行成本

在IEC 61850通信規約指導下，IED設備生產能夠明顯減少電流互感器（Current Transformer，CT）開路和電壓互感器（Potential transformer，PT）短路的風險，且由于使用光纜作為通信專線，不存在電磁干擾和熱效應問題，因此能夠有效降低系統的運行成本，提升變電站綜合管理水平。

5 IEC 61850通信規約的應用要點

變電站網絡結構一般包括單星形網、雙星形網、單環形網以及雙環形網4種，而基于IEC 61850通信規約的變電站網絡結構包含站控層、網絡層以及間隔層3個層次[10]。其中，站控層涉及全球定位系統（Global Positioning System，GPS）對時裝置、主機操作員站、維護工程師站、五防工作站、運動裝置、網絡打印機等設備，網絡層由兩條100M以太網和對時總線構成，間隔層涉及RCS-9700C測控裝置、RCS-9000C保護裝置、RCS-900保護裝置以及智能電子設備。在此基礎上，可構成支持電子式互感器與GOOSE服務的數字化變電站，其能夠實現變電站內智能設備依據變電站操作票執行順序的自動化管理，且借由智能設備取代操作人員，實現操作票的自動執行。而對于實際操作過程，操作人員只需要根據操作要求選擇一條程序化操作命令對操作票執行過程進行監督校驗即可。

6 結 語

IEC 61850通信規約是當前變電站通信系統建設的關鍵技術所在，其具有面向對象建模、采用分層結構體系、使用抽象通信服務接口和SCSM技術等優勢，能夠有效支撐變電站設備通信，確保通信質量，進一步推動變電站的自動化建設。