變電站自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)草案，還沒有公布正式版本，但研究和分析其特點(diǎn)，對(duì)于我們了解變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的國際大趨勢和設(shè)計(jì)新系統(tǒng)還是很有益處的。本文將對(duì)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(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，1995年國際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)（IEC TC57）為此成立了3個(gè)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(gè)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(jí)數(shù)據(jù)通信總線的定義；第12工作組負(fù)責(zé)過程級(jí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的定義。這3個(gè)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(dòng)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(gè)工作組提出了IEC 61850 委員會(huì)草案版本［5］。從該版本看，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)共分為10個(gè)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(yàn)收、現(xiàn)場驗(yàn)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(dòng)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(jí)別和屬性，包括抽象公共數(shù)據(jù)級(jí)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(duì)象DO (data object)尋址，包括邏輯節(jié)點(diǎn)的定義，數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)變電站自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)的第1個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)接口模型
IEC 61850按照變電站自動(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)間隔或全站的信息對(duì)多個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)變電站自動(dòng)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(duì)于分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)鐘同步服務(wù)模型。這些服務(wù)模型定義了通信對(duì)象以及如何對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行訪問。這些定義由各種各樣的請(qǐng)求、響應(yīng)及服務(wù)過程組成。服務(wù)過程描述了某個(gè)具體服務(wù)請(qǐng)求如何被服務(wù)器所響應(yīng)以及采取什么動(dòng)作在什么時(shí)候以什么方式響應(yīng)。ACSI定義的服務(wù)、對(duì)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。考慮到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(duì)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。
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(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中Profibus FMS應(yīng)用很廣，因此制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(gè)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(duì)于現(xiàn)在和將來變電站自動(dòng)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(duì)它進(jìn)行深入分析和研究。
