基于IEC 61850标準的變電站自動化系統研究

基于IEC 61850标準的變電站自動化系統研究

吳在軍，胡敏強

（東南大學電氣工程系，江蘇省 南京市 210096）

    摘  要：變電站自動化系統在實作控制、監視和保護功能的同時，為了實作不同廠家的裝置達到資訊共享，使變電站自動化系統成為開放系統，還應具有互操作性。為此，國際電工委員會（IEC）制定了變電站内通信網絡和系統标準體系-IEC 61850。文章在分析IEC 61850标準的資訊分層、面向對象的資料對象統一模組化、資料自描述和抽象通信服務映射等概念的基礎上，提出了一種符合IEC 61850标準的變電站内通信系統的架構模型。同時，遵循面向對象模組化和抽象服務映射的思想，對變電站内智能電子裝置（IED）統一硬體平台設計和軟體系統的實作方法以及應該注意的相關問題進行了詳細讨論，為變電站自動化系統的互操作性、可擴充性和高可靠性要求的實作提供了依據。

    關鍵詞：變電站自動化系統；通信系統；IEC 61850通信标準；互操作性；面向對象模組化；智能電子裝置

 引言

    變電站自動化系統的功能除控制、監視和保護3大功能外，還包括變電站自動化系統的維護功能，即系統組态、通信管理和軟體管理等功能[1]。

    采用變電站自動化系統可以把原本分隔的控制、保護、監視、通信和測量等裝置以合适的形式進行內建，由少量多功能智能電子裝置（Intelligent Electronic Device，IED）組成自動化系統，通過站内的通信網絡實作資訊共享，可使信号電纜大為減少，系統結構簡化。這樣既提高了系統的經濟性，又改善了可靠性。是以，變電站內建和自動化已成為電力行業降低安裝、維護和運作成本的有效途徑。

    在變電站自動化系統內建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号的IED所采用的通信協定和使用者界面的不相同，因而難以實作無縫內建和互操作。因為需要額外的硬體（如規約轉換器）和軟體來實作IED互聯，還要對使用者進行教育訓練，這在很大程度上削弱了變電站實作自動化的優點和意義。是以變電站自動化系統在實作功能之外，還應具備互操作性、可擴充性和高可靠性等性能。這在以往系統分析和設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要具有交換資訊并使用這些資訊進行協同操作的能力。裝置的互操作性可以最大限度地保護使用者原來的軟硬體投資，實作不同廠家産品內建。

    可擴充性，這就要求系統在設計時，軟體系統和硬體系統都盡可能采用子產品化設計方法，友善未來的系統擴充，同時要求通信接口标準化，系統具有開放性。

    高可靠性，系統應具有備援結構，特别是作為系統資料通道的通信系統和人機界面的監控主站應具有互相獨立的備援配置。在故障情況下，備援的通信系統和監控主站應該可以在系統不停止工作的情況下進行熱切換，以保證系統執行相應的保護和自動控制任務。

    IEC在充分考慮上述變電站自動化系統的功能和要求，特别是互操作性要求的基礎上，制定了變電站内通信網絡與系統的通信标準體系??IEC 61850标準。它采用分層分布式體系、面向對象的模組化技術，使得資料對象的自描述成為可能，為不同廠商的IED實作互操作和系統無縫內建提供了途徑。

2  IEC 61850 标準簡介

2.1  IEC 61850标準的主要内容

    在20世紀90年代初，歐洲和美國同時開展了這方面的研究工作，并制定了相應标準[2,3]。為了避免兩個标準沖突，在IEEE和IEC的共同協調下，IEC決定以UCA 2.0 資料模型和服務為基礎，将UCA的研究結果納入IEC标準，建立世界範圍的統一标準??IEC 61850，并于1999年3月提出了委員會草案版本。IEC 61850标準草案主要包括的系列文檔如圖1所示。

    就概念而言，IEC 61850标準草案主要圍繞以下4個方面展開：   

    （1）功能模組化  從變電站自動化通信系統的通信性能（PICOM）要求出發，定義了變電站自動化系統的功能模型（Part 5）。

    （2）資料模組化  采用面向對象的方法，定義了基于客戶機/伺服器結構的資料模型（Part 7-3/4）。

    （3）通信協定  定義了資料通路機制（通信服務）和向通信協定棧的映射，如在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到MMS（IEC 61850-8-1）。在間隔層和過程層之間的網絡映射成串行單向多點或點對點傳輸網絡（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3标準的過程總線（IEC 61850-9-2）（Part 7-2，Part 8/9）。

    （4）變電站自動化系統工程和一緻性測試 定義了基于XML（Extensible Make up Language）的結構化語言（Part 6），描述變電站和自動化系統的拓撲以及IED結構化資料。為了驗證互操作性，Part 10描述了IEC 61850标準一緻性測試。

2.2  IEC 61850标準的主要特點

2.2.1  資訊分層

    變電站通信網絡和系統協定IEC 61850标準草案提出了變電站内資訊分層的概念，無論從邏輯概念上還是從實體概念上，都将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   面向對象的資料對象統一模組化

    IEC 61850标準采用面向對象的模組化技術，定義了基于客戶機/伺服器結構資料模型。每個IED包含一個或多個伺服器，每個伺服器本身又包含一個或多個邏輯裝置。邏輯裝置包含邏輯節點，邏輯節點包含資料對象。資料對象則是由資料屬性構成的公用資料類的命名執行個體。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接口（ACSI）和伺服器通信可通路資料對象，如圖3所示。

2.2.3  資料自描述

    與IEC 60870-5系列标準采用面向點的資料描述方法不同，IEC 61850标準對于資訊均采用面向對象的自描述。

    采用“面向點”的資料描述方法，在資訊傳輸時資料收發雙方必須事先對資料庫進行約定，并一一對應，這樣才能正确反應現場裝置的狀态。協定一旦确立以後，如果要增加或删除某些資訊就必須對協定進行修改，這是一項耗費資金和時間的工作。随着技術發展、電力市場的建立和變電站自動化水準的提高，變電站内需要傳輸的新資訊不斷增加，這種資料描述方法已不大适應，因而使新功能的應用受到限制。

    面向對象的資料自描述在資料源就對資料本身進行自我描述，傳輸到接收方的資料都帶有自我說明，不需要再對資料進行工程實體量對應、标度轉換等工作。由于資料本身帶有說明，是以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對資料的管理和維護工作。為此，IEC 61850标準提供了一整套面向對象的資料自描述方法。

    （1）IEC 61850 對象名稱  标準定義了采用裝置名、邏輯節點名、執行個體編号和資料類名建立對象名的命名規則。

    （2）IEC 61850通信服務  标準采用面向對象的方法，定義了對象之間的通信服務，比如，擷取和設定對象值的通信服務，取得對象名清單的通信服務，獲得資料對象值清單的服務等。

2.2.4  抽象通信服務接口（ACSI）

    IEC 61850标準總結了變電站内資訊傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協定的抽象通信服務接口（Abstract Communi-cation Service Interface，ACSI）。在IEC 61850-7-2中，建立了标準相容伺服器所必須提供的通信服務的模型，包括伺服器模型、邏輯裝置模型、邏輯節點模型、資料模型和資料集模型。客戶通過 ACSI，由專用通信服務映射（Specific Communi-cation Service Map，SCSM）映射到所采用的具體協定棧，如制造封包規範（Manufacturing Message Specification，MMS）等。IEC 61850标準使用ACSI和SCSM技術，解決了标準的穩定性與未來網絡技術發展之間的沖突，即當網絡技術發展時隻要改動SCSM，而不需要修改 ACSI。

3 基于IEC 61850标準的變電站内通信系統架構模型

    作為變電站自動化通信網絡和系統的标準，IEC 61850主要強調面向對象的模組化和對基于客戶機/伺服器結構的應用資料交換的定義。一典型變電站自動化系統的通信系統架構模型如圖4所示。

    （1）實體層/資料鍊路層

    選擇以太網作為通信系統的實體層和資料鍊路層的主要原因是以太網在技術和市場上已處于主流地位。另外，随着快速以太網、G-比特以太網技術逐漸成熟，對變電站自動化應用而言，網絡帶寬已不再是制約因素，由沖撞引起的傳輸延時随機性問題已淡化。

    曾有一種觀點，認為因以太網具有載波偵聽多路通路（CSMA/CD）的本質，其對“實時”資訊傳輸造成延遲的随機性無法預測，因而不能滿足實時系統的需要。因為兩個或多個以太網節點同時通路共享的傳輸媒體區域網路（LAN）時會造成資料沖突，此時所有沖突的節點會按退避算法（backoff algorithm）随機延遲一定的時間，然後試圖重新通路媒體，以獲得媒體的通路權。這樣就無法确切地估計沖突節點所需的随機等待時間，因而有可能造成 “實時”資訊傳輸無效。

    為了定性地說明這一問題，美國電力研究院（EPRI）對此進行了研究，在特定的“最惡劣”情形下對比了以太網和12M令牌傳遞Profibus網的性能。研究結果表明，通過交換式HUB連接配接的10M以太網完全能夠滿足變電站自動化系統網絡通信“實時”性的要求，并且以太網快于12M令牌傳遞 Profibus網絡[4]。

    （2）網絡層/傳輸層

    選擇事實标準的TCP/IP協定作為站内IED的高層接口，實作站内IED的Intranet/Internet化，使得站内IED的資料收發都能以 TCP/IP方式進行。這樣，監控主站或遠方排程中心采用TCP/IP協定就可以通過廣域網（WAN）甚至Internet獲得變電站内的資料。同時，采用标準的資料通路方式可以保證站内IED具有良好的互操作性。

    （3）應用層

    選擇制造封包規範（MMS）[5]作為應用層協定與變電站控制系統通信。所有IED中基于IEC 61850建立的對象和服務模型都被映射成MMS中通用的對象和服務，如資料對象的讀、寫、定義和建立以及檔案操作等。MMS對面向對象資料定義的支援，使該資料自描述成為可能，改變了傳統的面向點的資料描述方法。因資料本身帶有說明，故傳輸可不受預先定義的限制，簡化了資料管理和維護工作。

    以太網通信标準和MMS結合，加之IEC 61850的應用描述，是将變電站自動化系統變成開放系統的一可能實作的途徑[6]。

4  IED統一硬體平台設計

    考慮IED本身的功能，以及可擴充性和可靠性的要求，IED硬體設計采用可組态的子產品化設計方法，按功能劃分各個子產品，主要包括模拟量輸入輸出子產品，開關量輸入輸出子產品，人機接口子產品（MMI），通信子產品（COM）和主要子產品（CPU），如圖5所示。

    子產品和子產品之間的資料通信通過内部高速總線實作。由于各子產品都具有一定的智能化處理能力，可以對信号的輸入輸出進行一定的預處理，減輕主要子產品的負擔，使其專注于資料處理、故障判斷和任務排程。同時，采用這種子產品化的設計方法，使得IED具有可擴充性，可以根據客戶的需要添加相應子產品，為IED的高可靠性提供了可能。而且這種子產品化的設計方法可以随技術的發展而更換相應子產品，最大限度地保護了使用者已有的投資，迅速實作産品的更新換代。

    在該平台上直接與IEC 61850标準相關的子產品主要是負責資訊處理和網絡通信的子產品，即通信子產品。此通信子產品設計時必須處理好CPU處理速度、RAM的容量和ROM的容量等。

    在實際設計過程中，将主要子產品和通信子產品合二為一，選用Motorola公司內建了以太網控制器的32位高性能晶片MPC 860。通信子產品中MAC層和LLC層功能由MPC 860中的以太網控制器實作，而10/100M自适應以太網收發器晶片LXT 970則實作與通信媒體接口和驅動等功能。在通信子產品中實作龐大的TCP/IP協定棧和MMS，需要較大的存貯空間，是以，程式存儲器和資料存儲器分别采用大容量的Flash 29F040和SRAM KM416S1020B以适應應用的需要。主要子產品和通信子產品的硬體結構如圖6所示。

5  IED軟體系統設計

5.1  IED功能子產品的實作

    實作IEC 61850的重點、難點在于軟體設計。它主要涉及兩個方面的内容：在變電站層的監控主站系統上實作與IEC 61850相關的功能；在間隔層IED上實作保護、控制，尤其是在間隔層的IED的通信子產品中實作TCP/IP、MMS、XML等技術。本文主要讨論 IED中軟體系統的實作。

    IED軟體設計也是按功能劃分進行子產品化設計的，使得軟體具有可裁剪性，也便于功能擴充。按功能劃分主要可分為：數字信号處理元件、資料處理元件、繼電保護元件、可程式設計的數字量輸入輸出元件、事件捕獲元件、人機接口元件和通信元件。

    不同于以往一般的微機保護監控裝置，IEC 61850标準中為了實作互操作性和可擴充性，采用了面向對象的模組化技術，定義了資料模型和裝置模型以及描述資料對象的方法及一套面向對象的服務。是以， IED軟體設計除了要實作測量、保護和控制功能外，還應充分考慮并遵循這些要求。按照IEC 61850-5定義的邏輯節點模型，采用面向對象分層描述方法描述電流速斷保護邏輯節點，如圖7所示。

5.2  IED通信子產品的實作

    IED應具有強大的網絡通信功能，以實作符合IEC 61850标準的通信系統架構，因而通信子產品的實作顯得尤為重要。在間隔層的IED中實作上節所述功能，同時在通信子產品中實作TCP/IP、MMS、 XML等技術，特别是在IED中的單片機或DSP上實作這些技術，是有相當難度的。尤其是TCP/IP協定的處理任務繁雜，并且還要求有很高的實時性。

    嵌入式實時作業系統（RTOS）的出現，為此類任務的實作提供了便捷方法。是以，IED軟體設計采用了Windriver公司的嵌入式實時作業系統（RTOS）VxWorks，利用RTOS提供的多任務機制以及任務之間的通信和互斥等機制來進行任務的管理和排程。同時，VxWorks還提供了與 BSD 4.4版本基本相容而實時性方面有很大提高的TCP/IP協定棧。

    是以，IED軟體設計是由嵌入式RTOS及其上的TCP/IP軟體子產品以及應用程式子產品構成，如圖8所示。

    上述變電站内通信網絡模型中實體層和資料鍊路層功能由以太網收發器和內建在CPU中的以太網控制器實作。網絡層TCP/IP協定的實作則須調用Vxworks中的TCP/IP協定棧。

6  結束語

    文章在分析了IEC 61850标準的資訊分層、面向對象的資料對象統一模組化、資料自描述和抽象通信服務映射等概念的基礎上，提出了變電站自動化通信系統架構模型，同時遵循 IEC 61850标準，對IED硬體系統和軟體系統具體實作方法及應該注意的相關問題進行了讨論，為變電站自動化系統互操作性、可擴充性和高可靠性的實作提供了可行依據。

    但由于受到目前技術條件的限制，本文對IED硬體平台中通信子產品10M/100M的自适應、雙網備援設計及其切換政策，以及倍受關注的變電站中過程層自動化實作的軟、硬體方案等均未涉及，這也是今後需要進一步研究的重點。

參考文獻

[1]  IEC 61850：Communication networks and system in substations，part 5 [S]．1999．

[2]  IEC 61850：Communication networks and system in substations，part 1 to part 10 [S]．1999．

[3]  UCA 2.0 Standard Document．UCA? profiles；draft 1.1，copyright electric power research institute (EPRI)[S]．1998．

[4]  Haud J，Janz A，Rudolph T et al．A pilot project for testing the standard drafts for open communication in substations–First experiences with the future standard IEC 61850[DB/OL]．http://www.tde.alstom.com/p-c/ftp/docs/papers/PO005TRE pdf．

[5]  ISO/IEC 9506．Industrial automation systems manufacturing message specification[S]．

[6]  沈國榮，黃鍵（Shen Guorong，Huang Jian）．2000年國際大電網會議系列報道??通信技術是變電站自動化的關鍵（A review of cigre’2000 on substation automation）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2001，25(10)：1-5．