智能變電站過程采樣值傳輸協議的分析與程序實現

徐瑞林，高晉，楊洪濤，鐘加勇，張友強

(1.重慶市電力公司電力科學研究院，重慶401123；2.國網電力科學研究院，江蘇南京210003)

IEC61850系列標準的應用促進了常規變電站發展為智能變電站。智能變電站幾乎完全改變了常規變電站的通信方式，尤其對于過程層而言，智能變電站采用非常規互感器，互感器的輸出就已為數字量，只需通過網絡將互感器所采集到的數據發送給監控和保護裝置，便能完成其功能。這種由常規變電站到智能變電站的過程層變化，最大的優點是提高了互感器測量一次系統電壓和電流的準確度；其次簡化了過程層的接線，提高了變電站自動化系統的可靠性，智能變電站中只需要使用光纖或者網線將過程層裝置連接起來使之能通信即可，而常規變電站過程層中存在模擬量的傳輸，導致監控和保護裝置要接入許多導線。IEC61850標準第9部分（包括9-1和9-2）[1，2]以及IEC60044.8標準都規定了過程層合并單元傳輸采樣值時應采用的協議。合并單元將從非常規互感器獲取到的電壓和電流采樣值數據以上述3個標準中所定義的格式組裝出報文，便可以傳輸采樣值數據給支持上述標準的監控和保護裝置。

1 智能變電站過程層各種協議介紹

電壓和電流采樣值是監控和保護裝置的數據來源，通過對采樣值的分析和處理完成裝置自身的功能。采樣值傳輸的是電壓和電流的瞬時值，其特點是數據量巨大，目前常用的電壓和電流采樣率為每周波80點，因此每秒鐘就有4000 個電壓和電流采樣，若每個數據包中僅含有1個應用服務數據單元（ASDU），則合并單元每秒鐘便有4000 包數據發送給智能裝置。

1.1 IEC61850－9－1協議

IEC61850-9-1協議是基于以太網定義的，以MAC地址標識不同的裝置，為提高數據傳輸速率，其表示層、會話層、傳輸層和網絡層均為空[1]。詳細格式如圖1所示。

圖1 IEC61850-9-1協議格式

IEC61850-9-1協議格式總體上比較固定，由兩大部分組成。第一部分為標準的以太網協議頭，字節數恒定，共占26字節；第二部分為IEC61850-9-1協議的應用協議數據單元（APDU），字節數可變，且采用ASN.1編碼。

IEC61850-9-1協議的APDU部分采用ASN.1規則編碼，即編碼成TLV（Tag，Length，Value）3個部分：其Tag占1個字節，恒定為0x80；其Length字節數不定，取決于后面的ASN.1的Value部分的長度，一般占1～3字節，含義是Value部分的長度；其Value以Octet String（8位位組）格式編碼，包含ASDU數目和ASDU詳細列表，字節數不定。

IEC61850-9-1協議的APDU中包含的ASDU不再采用ASN.1規則編碼，格式一般采用基于IEC60044-8標準中定義的通用數據集，如圖2所示。

可見，IEC61850-9-1協議的ASDU格式固定，總共占有46字節，包含12個通道的數據（2組電流、1組電壓和其他電壓電流量）。ASDU狀態字會影響報文中的通道有效性和保護電流編碼值等等；采樣計數是報文的編號，表示眾多IEC61850-9-1報文的ASDU通道中電壓電流數據的相對序號，通常按順序遞增，同步時被清零。

IEC61850-9-1協議的ASDU可以采用其他用戶自定義的數據集，數據集中的各通道均可以完全由用戶自由定義，各不同的數據集是使用LNName，DataSetName，LDName這3個字段來區分。當使用自定義數據集時，采樣值通信雙方需要協商好自定義數據集中各通道所包含數據的物理意義。

1.2 IEC61850-9-2協議

IEC61850-9-2協議與IEC61850-9-1協議一樣是基于以太網定義的[2]，以MAC地址標識不同的裝置，其表示層、會話層、傳輸層和網絡層也為空。其協議格式的總體結構也一致，由以太網報文頭和APDU兩部分組成，如圖1所示。

IEC61850-9-2協議與IEC61850-9-1協議不同的是APDU部分的編碼。9-1協議中僅APDU是以ASN.1規則進行編碼，APDU中的ASDU部分（包括ASDU數目和ASDU列表）未采用ASN.1規則編碼，而全部以Octet String形式作為APDU的ASN.1編碼的Value；而9-2協議中APDU及其中包含的ASDU均以ASN.1規則編碼，且9-2協議的ASDU中包含智能裝置模型中采樣值控制塊的很多信息，如圖3所示。IEC61850-9-2協議中定義的ASDU相對9-1協議的ASDU而言非常復雜，不僅包含的信息量比9-1協議大，而且9-2協議的ASDU中每一個字段都采用ASN.1規則編碼[3]。

IEC61850-9-2協議APDU中存在一些可選的字段，這些字段可以根據實際應用情況在報文中存在或者不存在。字段的存在與否可以通過在解析9-2報文時，讀取每個字段的Tag值來判定。

圖3 IEC61850－9－2協議的APDU格式

1.3 IEC60044－8 FT3協議

IEC60044-8標準中基于FT3傳輸幀格式定義了過程層采樣值傳輸的報文格式[4]，FT3傳輸幀格式如圖4所示。其格式比較簡單，由一個2字節起始符和后續數目不定的有效數據及其校驗碼組成。

圖4 FT3傳輸幀格式

IEC60044-8標準中定義的采樣值傳輸協議基于FT3傳輸幀格式定義，其中的通用數據集包含了3組有效數據，具體組成參照圖2所示為：ASDU報頭包含在數據1中，共占14個字節，后面接2個字節的數據1校驗碼；ASDU通道1～通道8，共占16字節包含在數據2中，后面接2個字節的數據2校驗碼；ASDU通道9～通道12以及ASDU配置，共占16字節包含在數據3中，后面接2個字節的數據3校驗碼。

有效數據后面的校驗碼是根據有效數據塊中的部分字節求和計算得出的，可參考IEC60044-8標準中的計算公式。

FT3傳輸幀格式僅是一種報文格式定義，至于其中傳輸的數據，FT3傳輸幀格式并沒有進行定義。因此，用戶可以基于FT3傳輸幀格式定義其中傳輸的具體通道數目及各通道物理量，從而形成各種采用FT3傳輸幀格式的不同的采樣值傳輸協議。

2 智能變電站過程層協議的分析

（1）協議格式復雜度。IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議相對IEC61850-9-2協議相比簡單許多。前2個協議報文中所含字節數相對恒定，報文中包含的信息比9-2協議少且編碼簡單，而9-2協議中所有信息均采用ASN.1規則編碼。通常情況下，在傳遞相同通道數目的采樣值時，IEC61850-9-2協議格式的報文比另2種報文長。

（2）靈活性。IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議雖然也能對報文中所含的采樣值的數目進行配置，但在標準中只定義了通用數據集，該數據集僅包含12個通道的采樣值，IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議報文中一般采用該通用數據集。而IEC61850-9-2協議在傳輸采樣值時，其報文中所傳輸的數據與智能裝置模型中定義的數據集相對應，因此其通道數與裝置模型中數據集中所包含的數據對象個數一致。由此可知，IEC61850-9-2協議比另2個協議更加靈活，其傳輸的采樣值來源于裝置模型中的數據集，隨著數據集定義的不同，IEC61850-9-2協議便能傳輸不同的采樣值。而IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議所傳輸的數據則比較固定，通常傳輸IEC60044-8標準中所定義的通用數據集。

（3）實現難度。由于IEC61850-9-2協議中所包含的各字段的起始偏移及長度是不定的，在實現IEC61850-9-2協議時必須要按照字段的順序，先組裝前面的字段，對前面字段的修改都會影響到后面的所有字段的偏移，并且IEC61850-9-2中各字段都要按照ASN.1規則編碼成TLV 3個部分。而IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議由于其各字段的偏移及長度是固定的，其報文中前面字段的組裝不會影響到后面字段，對前面字段進行修改時只需修改該字段的值，對后續字段沒有任何影響。因此IEC61850-9-2協議的實現，需要考慮更多的問題，比另2個協議的實現難度大。

（4）實時性。由于IEC61850-9-2協議中各字段的偏移和長度的不定性，在組裝和解析IEC61850-9-2協議的報文時，需要首先找到所關心字段的起始位置，才能讀取到該字段的值。而IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議中各字段的偏移固定，在組裝和解析它們的報文時，直接從偏移位置寫入和讀出該字段的值即可。因此組裝和解析IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議比組裝和解析IEC61850-9-2協議的效率更高。

（5）可靠性。IEC60044-8協議不是基于以太網的，采用此協議的裝置之間通過光纖直連，而IEC61850-9-1協議和IEC61850-9-2協議則是基于以太網組播的，通常接入交換機多個裝置可以同時接收到。可見，IEC61850-9-1協議和IEC61850-9-2協議的可靠性往往受到交換機的影響，當交換機上的通信負荷較大時，會出現采樣值傳輸報文丟失等情況，而IEC60044-8由于是與保護和監控裝置直連，具有很高的可靠性。

綜上所述，IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議的特性類似，而IEC61850-9-2協議則更復雜、更靈活，但較難實現，且實時性不如IEC61850-9-1協議和IEC60044-8協議，在可靠性方面，IEC60044-8協議優于其他協議。

3 智能變電站過程層協議的編程實現

3.1 IEC61850-9-1協議的編程實現

IEC61850-9-1協議的組裝過程如圖5所示。IEC61850-9-1協議是基于以太網的，其報文前部分是以太網協議頭，格式如圖1所示。以太網協議頭的組裝比較簡單，因其所包含的各字段長度固定，此時只需要定義一個struct結構，再定義相關函數用來對該struct中各字段進行填寫和讀取即可。

APDU的組裝與以太網頭的組裝相比較復雜，APDU以ASN.1規則編碼，如圖1所示：Tag為0x60；Length為后續Value的長度；Value包含ASDU的數目及ASDU列表，它們以Octet String類型直接編碼。組裝APDU的核心是組裝ASDU，雖然ASDU中包含多個字段，但ASDU中各字段的長度均固定，因此組裝ASDU和組裝以太網頭一樣簡單，只要定義相應ASDU的struct即可，然后編寫相關函數對該struct中各字段進行讀寫即可。

將組裝好的ASDU、ASDU數目、APDU的Tag和Length拼起來便構成了APDU。再將組裝好的以太網協議頭和APDU連接起來，便組裝出了IEC61850-9-1協議報文。

圖5 IEC61850-9-1協議組裝過程

3.2 IEC61850-9-2協議的編程實現

與IEC61850-9-1協議類似，IEC61850-9-2協議也是基于以太網的，因此也需要首先組裝以太網頭，而IEC61850-9-2的APDU組裝相對比較復雜，因其每個字段都采用ASN.1規則編碼。IEC61850-9-2協議的組裝過程如下圖6所示。

IEC61850-9-2協議組裝過程中的難點在于組裝ASDU主體，其包含多達8個字段，每個字段都采用ASN.1規則編碼。ASDU主體與ASDU數目合成便組成APDU的Value，再與APDU的Tag和Length合并即得到APDU的編碼，最后與以太網協議頭合并記得到IEC61850-9-2協議的報文。

3.3 IEC60044-8協議的編程實現

IEC60044-8協議的報文通常采用通用數據集，基于FT3傳輸幀格式。該協議中各字段長度固定，因此組裝該協議非常簡單，只需依照該協議的報文格式定義一個struct，再定義與之對應的讀寫struct中各成員的函數即可。該變量所占據的內存塊即是IEC60044-8協議的報文。

圖6 IEC61850-9-1協議組裝過程

4 結束語

智能變電站中過程層廣泛使用了3種采樣值傳輸協議，分別是：IEC61850-9-1協議、IEC61850-9-2協議和IEC60044-8協議。在復雜度、靈活性、實現難度和實時性4個方面對其進行了比較，指出了各自的優缺點，并給出了這3種協議編程實現的方法。過程層采樣值傳輸給保護裝置提供了數據源，是保護裝置完成一切功能的基礎，因此采樣值的正確快速傳輸具有非常重要的意義。本文的研究可以對智能變電站建設中如何合理的選擇過程層采樣值傳輸協議提供一定的參考。

[1] DL/T860.91—2006/IEC61850-9-1，變電站通信網絡和系統第9-1部分：特定通信服務映射（SCSM）單向多路點對點串行通信鏈路上的采樣值[S].

[2] DL/T860.92—2006/IEC61850-9-2，變電站通信網絡和系統第9-2部分：特定通信服務映射（SCSM）映射到ISO/IEC8802-3的采樣值[S].

[3] GB/T16263—1996/ISO8825，信息處理系統開放系統互連抽象語法標記-（ASN.1）基本編碼規則規范[S].

[4] GB/T20840.8—2007，互感器第8部分：電子式電流互感器[S].