摘 要：變電站自動(dòng)化系統在實(shí)現控制、監視和保護功能的同時(shí)，為了實(shí)現不同廠(chǎng)家的設備達到信息共享，使變電站自動(dòng)化系統成為開(kāi)放系統，還應具有互操作性。為此，國際電工委員會(huì )（IEC）制定了變電站內通信網(wǎng)絡(luò )和系統標準體系-IEC 61850。文章在分析IEC 61850標準的信息分層、面向對象的數據對象統一建模、數據自描述和抽象通信服務(wù)映射等概念的基礎上，提出了一種符合IEC 61850標準的變電站內通信系統的框架模型。同時(shí)，遵循面向對象建模和抽象服務(wù)映射的思想，對變電站內智能電子設備（IED）統一硬件平臺設計和軟件系統的實(shí)現方法以及應該注意的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了詳細討論，為變電站自動(dòng)化系統的互操作性、可擴展性和高可靠性要求的實(shí)現提供了依據。
關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化系統；通信系統；IEC 61850通信標準；互操作性；面向對象建模；智能電子設備
引言
變電站自動(dòng)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(dòng)化系統的維護功能，即系統組態(tài)、通信管理和軟件管理等功能[1]。
采用變電站自動(dòng)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適的形式進(jìn)行集成，由少量多功能智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）組成自動(dòng)化系統，通過(guò)站內的通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現信息共享，可使信號電纜大為減少，系統結構簡(jiǎn)化。這樣既提高了系統的經(jīng)濟性，又改善了可靠性。因此，變電站集成和自動(dòng)化已成為電力行業(yè)降低安裝、維護和運行成本的有效途徑。
在變電站自動(dòng)化系統集成過(guò)程中面臨的最大障礙是不同廠(chǎng)家的IED，甚至同一廠(chǎng)家不同型號的IED所采用的通信協(xié)議和用戶(hù)界面的不相同，因而難以實(shí)現無(wú)縫集成和互操作。因為需要額外的硬件（如規約轉換器）和軟件來(lái)實(shí)現IED互聯(lián)，還要對用戶(hù)進(jìn)行培訓，這在很大程度上削弱了變電站實(shí)現自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)和意義。因此變電站自動(dòng)化系統在實(shí)現功能之外，還應具備互操作性、可擴展性和高可靠性等性能。這在以往系統分析和設計過(guò)程中通常是被忽視的。
互操作性，即同一廠(chǎng)家或不同廠(chǎng)家的多個(gè)IED要具有交換信息并使用這些信息進(jìn)行協(xié)同操作的能力。設備的互操作性可以最大限度地保護用戶(hù)原來(lái)的軟硬件投資，實(shí)現不同廠(chǎng)家產(chǎn)品集成。
可擴展性，這就要求系統在設計時(shí)，軟件系統和硬件系統都盡可能采用模塊化設計方法，方便未來(lái)的系統擴展，同時(shí)要求通信接口標準化，系統具有開(kāi)放性。
高可靠性，系統應具有冗余結構，特別是作為系統數據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冗余配置。在故障情況下，冗余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(jìn)行熱切換，以保證系統執行相應的保護和自動(dòng)控制任務(wù)。
IEC在充分考慮上述變電站自動(dòng)化系統的功能和要求，特別是互操作性要求的基礎上，制定了變電站內通信網(wǎng)絡(luò )與系統的通信標準體系??IEC 61850標準。它采用分層分布式體系、面向對象的建模技術(shù)，使得數據對象的自描述成為可能，為不同廠(chǎng)商的IED實(shí)現互操作和系統無(wú)縫集成提供了途徑。
2 IEC 61850 標準簡(jiǎn)介
2.1 IEC 61850標準的主要內容
在20世紀90年代初，歐洲和美國同時(shí)開(kāi)展了這方面的研究工作，并制定了相應標準[2,3]。為了避免兩個(gè)標準沖突，在IEEE和IEC的共同協(xié)調下，IEC決定以UCA 2.0 數據模型和服務(wù)為基礎，將UCA的研究結果納入IEC標準，建立世界范圍的統一標準??IEC 61850，并于1999年3月提出了委員會(huì )草案版本。IEC 61850標準草案主要包括的系列文檔如圖1所示。
就概念而言，IEC 61850標準草案主要圍繞以下4個(gè)方面展開(kāi)：
（1）功能建模 從變電站自動(dòng)化通信系統的通信性能（PICOM）要求出發(fā)，定義了變電站自動(dòng)化系統的功能模型（Part 5）。
（2）數據建模 采用面向對象的方法，定義了基于客戶(hù)機/服務(wù)器結構的數據模型（Part 7-3/4）。
（3）通信協(xié)議 定義了數據訪(fǎng)問(wèn)機制（通信服務(wù)）和向通信協(xié)議棧的映射，如在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò )采用抽象通信服務(wù)接口映射到MMS（IEC 61850-8-1）。在間隔層和過(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò )映射成串行單向多點(diǎn)或點(diǎn)對點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò )（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3標準的過(guò)程總線(xiàn)（IEC 61850-9-2）（Part 7-2，Part 8/9）。
（4）變電站自動(dòng)化系統工程和一致性測試 定義了基于XML（Extensible Make up Language）的結構化語(yǔ)言（Part 6），描述變電站和自動(dòng)化系統的拓撲以及IED結構化數據。為了驗證互操作性，Part 10描述了IEC 61850標準一致性測試。
2.2 IEC 61850標準的主要特點(diǎn)
2.2.1 信息分層
變電站通信網(wǎng)絡(luò )和系統協(xié)議IEC 61850標準草案提出了變電站內信息分層的概念，無(wú)論從邏輯概念上還是從物理概念上，都將變電站的通信體系分為3個(gè)層次，即變電站層、間隔層和過(guò)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 面向對象的數據對象統一建模
IEC 61850標準采用面向對象的建模技術(shù)，定義了基于客戶(hù)機/服務(wù)器結構數據模型。每個(gè)IED包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器本身又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節點(diǎn)，邏輯節點(diǎn)包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類(lèi)的命名實(shí)例。從通信而言，IED同時(shí)也扮演客戶(hù)的角色。任何一個(gè)客戶(hù)可通過(guò)抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和服務(wù)器通信可訪(fǎng)問(wèn)數據對象，如圖3所示。
2.2.3 數據自描述
與IEC 60870-5系列標準采用面向點(diǎn)的數據描述方法不同，IEC 61850標準對于信息均采用面向對象的自描述。
采用“面向點(diǎn)”的數據描述方法，在信息傳輸時(shí)數據收發(fā)雙方必須事先對數據庫進(jìn)行約定，并一一對應，這樣才能正確反應現場(chǎng)設備的狀態(tài)。協(xié)議一旦確立以后，如果要增加或刪除某些信息就必須對協(xié)議進(jìn)行修改，這是一項耗費資金和時(shí)間的工作。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展、電力市場(chǎng)的建立和變電站自動(dòng)化水平的提高，變電站內需要傳輸的新信息不斷增加，這種數據描述方法已不大適應，因而使新功能的應用受到限制。
面向對象的數據自描述在數據源就對數據本身進(jìn)行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說(shuō)明，不需要再對數據進(jìn)行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說(shuō)明，所以傳輸時(shí)可以不受預先定義限制，簡(jiǎn)化了對數據的管理和維護工作。為此，IEC 61850標準提供了一整套面向對象的數據自描述方法。
（1）IEC 61850 對象名稱(chēng) 標準定義了采用設備名、邏輯節點(diǎn)名、實(shí)例編號和數據類(lèi)名建立對象名的命名規則。
（2）IEC 61850通信服務(wù) 標準采用面向對象的方法，定義了對象之間的通信服務(wù)，比如，獲取和設定對象值的通信服務(wù)，取得對象名列表的通信服務(wù)，獲得數據對象值列表的服務(wù)等。
2.2.4 抽象通信服務(wù)接口（ACSI）
IEC 61850標準總結了變電站內信息傳輸所必需的通信服務(wù)，設計了獨立于所采用網(wǎng)絡(luò )和應用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口（Abstract Communi-cation Service Interface，ACSI）。在IEC 61850-7-2中，建立了標準兼容服務(wù)器所必須提供的通信服務(wù)的模型，包括服務(wù)器模型、邏輯設備模型、邏輯節點(diǎn)模型、數據模型和數據集模型?？蛻?hù)通過(guò) ACSI，由專(zhuān)用通信服務(wù)映射（Specific Communi-cation Service Map，SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，如制造報文規范（Manufacturing Message Specification，MMS）等。IEC 61850標準使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標準的穩定性與未來(lái)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，即當網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展時(shí)只要改動(dòng)SCSM，而不需要修改 ACSI。
3 基于IEC 61850標準的變電站內通信系統框架模型
作為變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò )和系統的標準，IEC 61850主要強調面向對象的建模和對基于客戶(hù)機/服務(wù)器結構的應用數據交換的定義。一典型變電站自動(dòng)化系統的通信系統框架模型如圖4所示。
（1）物理層/數據鏈路層
選擇以太網(wǎng)作為通信系統的物理層和數據鏈路層的主要原因是以太網(wǎng)在技術(shù)和市場(chǎng)上已處于主流地位。另外，隨著(zhù)快速以太網(wǎng)、G-比特以太網(wǎng)技術(shù)逐步成熟，對變電站自動(dòng)化應用而言，網(wǎng)絡(luò )帶寬已不再是制約因素，由沖撞引起的傳輸延時(shí)隨機性問(wèn)題已淡化。
曾有一種觀(guān)點(diǎn)，認為因以太網(wǎng)具有載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)（CSMA/CD）的本質(zhì)，其對“實(shí)時(shí)”信息傳輸造成延遲的隨機性無(wú)法預測，因而不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統的需要。因為兩個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)節點(diǎn)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)共享的傳輸介質(zhì)局域網(wǎng)（LAN）時(shí)會(huì )造成數據沖突，此時(shí)所有沖突的節點(diǎn)會(huì )按退避算法（backoff algorithm）隨機延遲一定的時(shí)間，然后試圖重新訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)，以獲得介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)權。這樣就無(wú)法確切地估計沖突節點(diǎn)所需的隨機等待時(shí)間，因而有可能造成 “實(shí)時(shí)”信息傳輸無(wú)效。
為了定性地說(shuō)明這一問(wèn)題，美國電力研究院（EPRI）對此進(jìn)行了研究，在特定的“最?lèi)毫?#8221;情形下對比了以太網(wǎng)和12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)的性能。研究結果表明，通過(guò)交換式HUB連接的10M以太網(wǎng)完全能夠滿(mǎn)足變電站自動(dòng)化系統網(wǎng)絡(luò )通信“實(shí)時(shí)”性的要求，并且以太網(wǎng)快于12M令牌傳遞 Profibus網(wǎng)絡(luò )[4]。
（2）網(wǎng)絡(luò )層/傳輸層
選擇事實(shí)標準的TCP/IP協(xié)議作為站內IED的高層接口，實(shí)現站內IED的Intranet/Internet化，使得站內IED的數據收發(fā)都能以 TCP/IP方式進(jìn)行。這樣，監控主站或遠方調度中心采用TCP/IP協(xié)議就可以通過(guò)廣域網(wǎng)（WAN）甚至Internet獲得變電站內的數據。同時(shí)，采用標準的數據訪(fǎng)問(wèn)方式可以保證站內IED具有良好的互操作性。
（3）應用層
選擇制造報文規范（MMS）[5]作為應用層協(xié)議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(wù)模型都被映射成MMS中通用的對象和服務(wù)，如數據對象的讀、寫(xiě)、定義和創(chuàng )建以及文件操作等。MMS對面向對象數據定義的支持，使該數據自描述成為可能，改變了傳統的面向點(diǎn)的數據描述方法。因數據本身帶有說(shuō)明，故傳輸可不受預先定義的限制，簡(jiǎn)化了數據管理和維護工作。
以太網(wǎng)通信標準和MMS結合，加之IEC 61850的應用描述，是將變電站自動(dòng)化系統變成開(kāi)放系統的一可能實(shí)現的途徑[6]。
4 IED統一硬件平臺設計
考慮IED本身的功能，以及可擴展性和可靠性的要求，IED硬件設計采用可組態(tài)的模塊化設計方法，按功能劃分各個(gè)模塊，主要包括模擬量輸入輸出模塊，開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊，人機接口模塊（MMI），通信模塊（COM）和主控模塊（CPU），如圖5所示。
模塊和模塊之間的數據通信通過(guò)內部高速總線(xiàn)實(shí)現。由于各模塊都具有一定的智能化處理能力，可以對信號的輸入輸出進(jìn)行一定的預處理，減輕主控模塊的負擔，使其專(zhuān)注于數據處理、故障判斷和任務(wù)調度。同時(shí)，采用這種模塊化的設計方法，使得IED具有可擴展性，可以根據客戶(hù)的需要添加相應模塊，為IED的高可靠性提供了可能。而且這種模塊化的設計方法可以隨技術(shù)的發(fā)展而更換相應模塊，最大限度地保護了用戶(hù)已有的投資，迅速實(shí)現產(chǎn)品的升級換代。
在該平臺上直接與IEC 61850標準相關(guān)的模塊主要是負責信息處理和網(wǎng)絡(luò )通信的模塊，即通信模塊。此通信模塊設計時(shí)必須處理好CPU處理速度、RAM的容量和ROM的容量等。
在實(shí)際設計過(guò)程中，將主控模塊和通信模塊合二為一，選用Motorola公司集成了以太網(wǎng)控制器的32位高性能芯片MPC 860。通信模塊中MAC層和LLC層功能由MPC 860中的以太網(wǎng)控制器實(shí)現，而10/100M自適應以太網(wǎng)收發(fā)器芯片LXT 970則實(shí)現與通信介質(zhì)接口和驅動(dòng)等功能。在通信模塊中實(shí)現龐大的TCP/IP協(xié)議棧和MMS，需要較大的存貯空間，因此，程序存儲器和數據存儲器分別采用大容量的Flash 29F040和SRAM KM416S1020B以適應應用的需要。主控模塊和通信模塊的硬件結構如圖6所示。
5 IED軟件系統設計
5.1 IED功能模塊的實(shí)現
實(shí)現IEC 61850的重點(diǎn)、難點(diǎn)在于軟件設計。它主要涉及兩個(gè)方面的內容：在變電站層的監控主站系統上實(shí)現與IEC 61850相關(guān)的功能；在間隔層IED上實(shí)現保護、控制，尤其是在間隔層的IED的通信模塊中實(shí)現TCP/IP、MMS、XML等技術(shù)。本文主要討論 IED中軟件系統的實(shí)現。
IED軟件設計也是按功能劃分進(jìn)行模塊化設計的，使得軟件具有可裁剪性，也便于功能擴充。按功能劃分主要可分為：數字信號處理元件、數據處理元件、繼電保護元件、可編程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標準中為了實(shí)現互操作性和可擴展性，采用了面向對象的建模技術(shù)，定義了數據模型和設備模型以及描述數據對象的方法及一套面向對象的服務(wù)。所以， IED軟件設計除了要實(shí)現測量、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(diǎn)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(diǎn)，如圖7所示。
5.2 IED通信模塊的實(shí)現
IED應具有強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能，以實(shí)現符合IEC 61850標準的通信系統框架，因而通信模塊的實(shí)現顯得尤為重要。在間隔層的IED中實(shí)現上節所述功能，同時(shí)在通信模塊中實(shí)現TCP/IP、MMS、 XML等技術(shù)，特別是在IED中的單片機或DSP上實(shí)現這些技術(shù)，是有相當難度的。尤其是TCP/IP協(xié)議的處理任務(wù)繁雜，并且還要求有很高的實(shí)時(shí)性。
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）的出現，為此類(lèi)任務(wù)的實(shí)現提供了便捷方法。因此，IED軟件設計采用了Windriver公司的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）VxWorks，利用RTOS提供的多任務(wù)機制以及任務(wù)之間的通信和互斥等機制來(lái)進(jìn)行任務(wù)的管理和調度。同時(shí)，VxWorks還提供了與 BSD 4.4版本基本兼容而實(shí)時(shí)性方面有很大提高的TCP/IP協(xié)議棧。
所以，IED軟件設計是由嵌入式RTOS及其上的TCP/IP軟件模塊以及應用程序模塊構成，如圖8所示。
上述變電站內通信網(wǎng)絡(luò )模型中物理層和數據鏈路層功能由以太網(wǎng)收發(fā)器和集成在CPU中的以太網(wǎng)控制器實(shí)現。網(wǎng)絡(luò )層TCP/IP協(xié)議的實(shí)現則須調用Vxworks中的TCP/IP協(xié)議棧。
6 結束語(yǔ)
文章在分析了IEC 61850標準的信息分層、面向對象的數據對象統一建模、數據自描述和抽象通信服務(wù)映射等概念的基礎上，提出了變電站自動(dòng)化通信系統框架模型，同時(shí)遵循 IEC 61850標準，對IED硬件系統和軟件系統具體實(shí)現方法及應該注意的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，為變電站自動(dòng)化系統互操作性、可擴展性和高可靠性的實(shí)現提供了可行依據。
但由于受到目前技術(shù)條件的限制，本文對IED硬件平臺中通信模塊10M/100M的自適應、雙網(wǎng)冗余設計及其切換策略，以及倍受關(guān)注的變電站中過(guò)程層自動(dòng)化實(shí)現的軟、硬件方案等均未涉及，這也是今后需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。
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