基于IEC61850标准变电站的通信网络和系统协议

IEC在充分考虑变电站自动化系统的功能和要求，特别是互操作性要求的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信标准体系（IEC61850标准）。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了途径。

1IEC61850标准的主要特点

1.1信息分层

变电站通信网络和系统协议IEC61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口，如图1所示。

1.2面向对象的数据对象统一建模

IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。就通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口（ACSI）和服务器通信可访问数据对象。

1.3数据自描述

（1）IEC61850对象名称标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则。

（2）IEC61850通信服务标准采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务，如获取和设定对象值的通信服务、取得对象名列表的通信服务、获得数据对象值列表的服务等。

1.4抽象通信服务接口（ACSI）

IEC61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ACSI）。在IEC61850-7-2中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据集等模型。客户通过ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）映射到所采用的具体协议栈，如制造报文规范（MMS）等。IEC61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要修改ACSI。

2基于IEC61850标准的变电站内通信系统框架模型

作为变电站自动化通信网络和系统的标准，IEC61850主要强调面向对象的建模和对基于客户机/服务器结构的应用数据交换的定义。

2.1物理层/数据链路层

选择以太网作为通信系统的物理层和数据链路层的主要原因是以太网在技术和市场上已处于主流地位。另外，随着快速以太网、G-比特以太网技术逐步成熟，对变电站自动化应用而言，网络带宽已不再是制约因素，由冲撞引起的传输延时随机性问题已淡化。

为了定性地说明这一问题，美国电力研究院（EPRI）对此进行了研究，在特定的“最恶劣”情形下对比了以太网和12M令牌传递Profibus网的性能。研究结果表明，通过交换式HUB连接的10M以太网完全能够满足变电站自动化系统网络通信“实时”性的要求，并且以太网快于12M令牌传递Profibus网络[1]。

2.2网络层/传输层

选择事实标准的TCP/IP协议作为站内IED的高层接口，实现站内IED的Intranet/Internet化，使得站内IED的数据收发都能以TCP/IP方式进行。这样，监控主站或远方调度中心采用TCP/IP协议就可以通过广域网（WAN）甚至Internet获得变电站内的数据。同时，采用标准的数据访问方式可以保证站内IED具有良好的互操作性。

2.3应用层

选择制造报文规范（MMS）[2]作为应用层协议与变电站控制系统通信。所有IED中基于IEC61850建立的对象和服务模型都被映射成MMS中通用的对象和服务，如数据对象的读、写、定义和创建以及文件操作等。MMS对面向对象数据定义的支持，使该数据自描述成为可能，改变了传统的面向点的数据描述方法。因数据本身带有说明，故传输可不受预先定义的限制，简化了数据管理和维护工作。以太网通信标准和MMS结合，加之IEC61850的应用描述，是将变电站自动化系统变成开放系统的一可能实现的途径。

3IED软件系统设计

3.1IED功能模块的实现

实现IEC61850的重点、难点在于软件设计。它主要涉及两个方面的内容：在变电站层的监控主站系统上实现与IEC61850相关的功能；在间隔层IED上实现保护、控制，尤其是在间隔层的IED的通信模块中实现TCP/IP、MMS、XML等技术。

IED软件设计也是按功能划分进行模块化设计的，使得软件具有可裁剪性，也便于功能扩充。按功能划分主要可分为：数字信号处理、数据处理、继电保护、可编程的数字量I/O、事件捕获、人机接口和通信元件。

不同于以往一般的微机保护监控装置，IEC61850标准中为了实现互操作性和可扩展性，采用了面向对象的建模技术，定义了数据模型和设备模型以及描述数据对象的方法及一套面向对象的服务。所以，IED软件设计除了要实现测量、保护和控制功能外，还应充分考虑并遵循这些要求。按照IEC61850-5定义的逻辑节点模型，采用面向对象分层描述方法描述电流速断保护逻辑节点。

3.2基于标准的保护装置

智能电子装置IED是一个在一定范围内，接口限定的条件下，能够完成一个或多个指定逻辑节点任务的实体。逻辑节点是装置交换数据、执行任务的最小功能单元。在IEC61850中，保护整定值及其相关的动作信息是建模在各相关的逻辑节点中的。而逻辑节点包含着大量的数据信息和数据属性。过去传统的以单片机或小型微处理器为主的板硬件平台已经难以满足规约应用的需求。

因此必须为IEC61850装置提供高端的硬件支撑平台，包括扩展高性能的微处理芯片，并为其提供大量的存储FLASH和其他外围辅助设备。同时软件系统框架结构应该清晰，并具有较强的兼容性和可扩展性。

3.3基于IEC61850标准的测控装置

今后的测控装置除了要完成传统的“四遥”功能、定值组操作功能以外，还必须在间隔层实现全站的五防联闭锁功能。在IEC61850标准中，开关联闭锁功能直接在（一般性面向对象的变电站事件）机制中实现，其报文可以根据优先级别在间隔控制单元间传送。支持由数据集组织的公共数据的交换，每次由数据集引用的一个或多个成员值改变，就发送报文。抽象的报文格式规定了包含在报文的信息。

3.4过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分：电力运行实时的电气量检测；运行设备的状态参数检测；操作控制执行与驱动。

3.5IED通信模块的实现

IED应具有强大的网络通信功能，以实现符合IEC61850标准的通信系统框架，因而通信模块的实现显得尤为重要。在间隔层的IED中实现上节所述功能，同时在通信模块中实现TCP/IP、MMS、XML等技术，特别是在IED中的单片机或DSP上实现这些技术，是有相当难度的。尤其是TCP/IP协议的处理任务繁杂，并且还要求有很高的实时性。

嵌入式实时操作系统（RTOS）的出现，为此类任务的实现提供了便捷方法。因此，IED软件设计采用了Windriver公司的嵌入式实时操作系统VxWorks，利用RTOS提供的多任务机制以及任务之间的通信和互斥等机制来进行任务的管理和调度。同时，VxWorks还提供了与BSD4.4版本基本兼容而实时性方面有很大提高的TCP/IP协议栈。

所以，IED软件设计是由嵌入式RTOS及其上的TCP/IP软件模块以及应用程序模块构成，如图6所示。

上述变电站内通信网络模型中物理层和数据链路层功能由以太网收发器和集成在CPU中的以太网控制器实现。网络层TCP/IP协议的实现则须调用Vxworks中的TCP/IP协议栈。