通信协议体系介绍和分析

IEC 61850通信协议体系介绍和分析 任雁铭 秦立军 杨奇逊 关键词： 变电站； 自动化系统； 通信协议； 互操作性 中图分类号： 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 变电站自动化技术发展很快，国内外厂商相继推出了多种变电站自动化系统产品。为使不同厂商的产品具有互操作性（interoperation），IEC已制定关于变电站自动化系统的通信网络和系统的国际标准IEC 61850。尽管IEC 61850现在只拟出了委员会草案，还没有公布正式版本，但研究和分析其特点，对于我们了解变电站自动化技术发展的国际大趋势和设计新系统还是很有益处的。本文将对IEC 61850通信体系做简要的分析和介绍。

1 IEC 61850的历史背景和组成 为适应变电站自动化技术的迅速发展，1995年国际电工委员会第57技术委员会（IEC TC57）为此成立了3个工作组10，11，12（WG10/11/12），负责制定IEC 61850标准。工作组成员分别来自欧洲、北美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、电厂、操作运行及电力企业的技术背景，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。3个工作组有明确的分工：第10工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求；第11工作组负责站级数据通信总线的定义；第12工作组负责过程级数据通信协议的定义。这3个工作组参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要有：①IEC 870—5—101远动通信协议标准［1］；②IEC 870—5—103继电保护信息接口标准［2］；③UCA 2.0［3］（utility communication architecture 2.0)，由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系；④ISO/IEC 9506制造商信息规范MMS［4］（manufacture message specification）。 1999年3月，3个工作组提出了IEC 61850 委员会草案版本［5］。从该版本看，IEC 61850标准共分为10个部分： a. IEC 61850—1 基本原则，包括IEC 61850的介绍和概貌。 b. IEC 61850—2 术语。 c. IEC 61850—3 一般要求，包括质量要求（可靠性、可维护性、系统可用性、轻便性、安全性），环境条件，辅助服务，其他标准和规范。 d. IEC 61850—4 系统和工程管理，包括工程要求（参数分类、工程工具、文件），系统使用周期（产品版本、工程交接、工程交接后的支持），质量保证（责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场验收）。 e. IEC 61850—5 功能和装置模型的通信要求，包括逻辑节点的途径（access of logical nodes)，逻辑通信链路，通信信息片PICOM（piece of information for communication）的概念，功能的定义。 f. IEC 61850—6 变电站自动化系统结构语言，包括装置和系统属性的形式语言描述。 g. IEC 61850—7—1 变电站和馈线设备的基本通信结构——原理和模式。 h. IEC 61850—7—2 变电站和馈线设备的基本通信结构——抽象通信服务接口ACSI（abstract communication service interface），包括抽象通信服务接口的描述，抽象通信服务的规范，服务数据库的模型。 i. IEC 61850—7—3 变电站和馈线设备的基本通信结构——公共数据级别和属性，包括抽象公共数据级别和属性的定义。 j. IEC 61850—7—4 变电站和馈线设备的基本通信结构——兼容的逻辑节点和数据对象DO (data object)寻址，包括逻辑节点的定义，数据对象及其逻辑寻址。 k. IEC 61850—8 特殊通信服务映射SCSM（special communication service mapping），到变电站和间隔层内以及变电站层和间隔层之间通信映射。 l. IEC 61850—9 特殊通信服务映射SCSM，即间隔层和过程层内以及间隔层和过程层之间通信的映射。 m. IEC 61850—10 一致性测试。 从IEC 61850通信协议体系的组成可以看出，这一体系对变电站自动化系统的网络和系统做出了全面、详细的描述和规范。

2 IEC 61850的特点 IEC 61850是关于变电站自动化系统的第1个完整的通信标准体系。与传统的通信协议体系相比，在技术上IEC 61850有如下突出特点：①使用面向对象建模技术；②使用分布、分层体系；③使用抽象通信服务接口（ACSI）、特殊通信服务映射SCSM技术；④使用MMS技术；⑤具有互操作性；⑥具有面向未来的、开放的体系结构。 3 变电站自动化系统接口模型 IEC 61850按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三大功能从逻辑上将系统分为3层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了3层间的9种逻辑接口。IEC 61850给出的变电站自动化系统接口模型如图1所示。过程层主要完成开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。过程层通过逻辑接口④和接口⑤与间隔层通信。间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过逻辑接口④和接口⑤与过程层通信，通过逻辑接口③完成间隔层内部的通信功能。变电站层的功能分为2类：一是与过程相关的功能，主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次设备发生作用的功能，如母线保护或全站范围内的闭锁等，变电站层通过逻辑接口⑧完成通信功能；二是与接口相关的功能，主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信，通过逻辑接口①，⑥，⑦完成通信功能。

图1 变电站自动化系统接口模型 Fig.1 The interface model of substation automation system

IEC 61850的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同，在现有系统中过程层的功能都是在间隔层设备中实现的，于是就没有独立的逻辑接口④和接口⑤了。随着光电流、电压互感器的使用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去。可见，IEC 61850是个面向未来的开放的标准。

4 通信系统结构 如图2所示，IEC 61850描述的通信体系从上到下由如下部分组成。 图2 IEC 61850通信系统总体结构 Fig.2 The general architecture of communication system in IEC 61850

a. IEC 61850—5。这部分使用面向对象技术对变电站自动化系统的功能、子功能进行了分类和定义，并引入了逻辑节点的概念，这些对于分布式系统的设计及互操作性有重要作用。 b. IEC 61850—7—4。逻辑节点LN（logical nodes）是构成系统功能的基础，IEC 61850—7—4定义了基本逻辑节点类及其数据对象。图3示意了数据模型的层次结构，图中最高层是标准化了的逻辑节点和数据对象。

图3 数据模型层次 Fig.3 The levels of data model

c. IEC 61850—7—3。这部分定义了逻辑节点所使用的基本数据类型。 d. IEC 61850—7—2。这部分定义了抽象通信服务接口（ACSI）。ACSI定义了与实际所用的通信协议无关的应用，它定义了相关通信服务、通信对象及参数。ACSI提供如下6种服务模型：连接服务模型；变量访问服务模型；数据传输服务模型；设备控制服务模型；文件传输服务模型；时钟同步服务模型。这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问。这些定义由各种各样的请求、响应及服务过程组成。服务过程描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应以及采取什么动作在什么时候以什么方式响应。ACSI定义的服务、对象和参数通过特殊通信服务映射（SCSM）映射到下层应用程序。 e. IEC 61850—8—X/—9—X。考虑到TCP/IP、OSI、现场总线等各种各样的通信系统已建立起来，IEC 61850引入了特殊通信服务映射（SCSM）。如图4所示，SCSM将抽象通信服务对象和参数映射到MMS，FMS，DNP或IEC 870—5等应用层。实际上这种映射的复杂性与通信网络有关，某些ACSI服务也可能不被所使用的网络技术所支持。

图4 ACSI映射到通信协议示意图 Fig.4 The mapping between ACSI and communication protocol

IEC 61850—8—1定义了ACSI到ISO/IEC 9506即MMS之间的映射。图5给出了示意图。

图5 ACSI到MMS之间的映射 Fig.5 The mapping between ACSI and MMS

IEC 61850—8—2定义了ACSI到Profibus FMS（fieldbus message specification）之间的映射。 IEC 61850—9—X定义了过程总线一级的SCSM。

5 与其他标准的关系 IEC 61850的制定者来自不同地区的学术机构和跨国公司，他们参考和吸收了大量已有的相关标准，不同地区的技术特点也反映在IEC 61850中，这些都决定了IEC 61850与已有标准具有天然的联系。IEC 61850参考、吸收并发展了IEC 870—5—103［2］，使得IEC 61850—7—2成为IEC 870—5—103的超集。IEC 61850中大量使用面向对象建模技术，IEC 61850—8—1定义了ACSI到MMS的SCSM映射，这些显然是受到了美国电力科学研究院UCA通信协议体系［3］的影响，也可以说是参与制定IEC 61850的美国专家将UCA这种地区性协议体系推向国际化的结