智能變電站PMU通信服務結構研究

朱　超，張兆君，倪玉玲，繆曉剛，吳興泉

（1.國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102；2.國網鹽城供電公司，江蘇鹽城224005）

智能變電站PMU通信服務結構研究

朱超1，張兆君1，倪玉玲2，繆曉剛1，吳興泉1

（1.國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102；2.國網鹽城供電公司，江蘇鹽城224005）

鑒于現有的同步相量測量單元（PMU）對象模型無法滿足其需要計算頻率變化率等測量值，無法提供可路由的安全通信協議，介紹了IEC 61850-90-5基本概念，并在分析IEC 61850-90-5和IEEE C 37.118兩者異同的基礎上，提出了基于IEC 61850-90-5的PMU信息模型，著重研究了按照IEC 61850-90-5的要求應用于同步相量交換的通信服務，并配置了新的傳輸和控制塊，改進了現有的PMU對象模型，提高了IEEE C 37.118信息IEC 61850-90-5轉變的能力，更好地表現了同步相量，并為PMU同主站之間建立統一通信模型打下了理論基礎。

同步相量測量裝置；對象模型；IEC 61850-90-5；通信服務結構

隨著智能電網技術不斷成熟，同步相量測量裝置開始應用于智能變電站中。考慮到智能電網是一個互操作的系統［1］，它要求同步相量測量單元（PMU）模型結構簡單、功能清晰［2，3］，IEC 61850標準的出現解決了這個問題［4］，并為智能一次設備的發展鋪平了道路。目前，需要研究的內容主要包括：基于IEC 61850標準的PMU建模、采樣值報文的解析、時間同步、多媒體消息服務（MMS）及信息共享的內容［5］。

在廣域測量應用中，PMU同主站的通信采用IEEEC37.118標準［6］。IEC 61850-90-5對C37.118發送內容與通信任務的傳輸方式進行了規范，這種傳輸方式能夠與IEC 61850兼容。通過分析IEEEC37.118的4類通信報文（命令、配置請求、文件頭信息和數據傳輸），IEC 61850-90-5給出了IEEE C37.118與IEC 61850數據模型之間的映射關系。這對于在基于PMU的廣域測量系統領域應用IEC 61850技術有重要參考價值［6］。

文中通過比較IEC 61850-90-5和IEEEC37.118兩者異同點，提出了一種基于IEC 61850-90-5的PMU對象模型，該模型在數據對象測量邏輯節點（MMXU）中添加了頻率變化率（HzRte），滿足了PMU需要計算頻率變化率測量量的要求，還提高了靈活性以適應更多應用功能的需要。同時還研究了IEC 61850-7-2中按照IEC 61850-90-5要求應用于同步相量交換的通信服務，并為了配置新的傳輸和控制塊，明確給出了具體的會話協議結構，使模型功能更加清晰。

1　 IEC 61850-90-5

IEC 61850-90-5是通過廣域網絡傳送數字化的系統狀態和時間同步的電流測量值的通信協議，通過這種信息發送方式就可以實現基于在變電站自動化中已經獲得普遍應用的IEC 61850協議的廣域測量、保護與控制（WAMPAC）系統［7］。

2003年，為了提高時間同步相量測量的準確度，IEEE開始了把IEEE 1344轉變為IEEEC37.118的工作。這一改進需求來自于對2003年北美大停電事故的事后分析。2009年，在提出雙徽標標準的要求時，對IEEEC37.118和IEC 61850標準進行了評估，兩者比較結果如表1所示。

表1　IEEE C37.118和IEC 61850兩者間的比較

在提出雙重徽標要求之前，北美同步相量項目計劃（NASPI）在工作中產生了許多對同步相量測量的要求，這些要求包括跨越整個北美大陸的同步相量安全、大規模、廣域傳輸的需要。IEC/IEEE聯合工作組制訂策略，把IEEEC37.118拆分為兩部分［8］，同時還要保持向基于IEC 61850技術的轉變，以滿足NASPI的要求。IEEEC37.118.1繼續作為定義同步相量測量技術的全球標準，而IEEEC37.118.2則是滿足當前系統要求的IEEE通信協議，使IEC 61850-90-5能夠成為可擴展性更強也更安全的協議來滿足NASPI的要求。

IEEEC37.118.1：提出了電力系統的同步相量測量。這個標準定義了在所有系統運行條件下的同步相量、頻率和頻率變化率。它規定了對這些測量量的評估方法并提出了在穩態和動態2種情況下都與標準相一致的要求，時標和同步要求也包括在其中。性能方面的要求通過一個參考模型進行了細化，表現地非常具體。這個文件對PMU進行了定義，既可以是一個單獨的物理裝置，也可以是另外物理裝置中的功能單元。該標準沒有規定硬件、軟件或者相量、頻率以及頻率變化率的計算方法。

IEEEC37.118.2：定義了電力系統設備之間實時交換同步相量測量數據的方法。它規定了在PMU、相量數據集中器和其他應用功能之間實時通信的報文發送方式，可以采用任何適當的通信協議實現。它還規定了報文的類型、內容和用途。對數據類型、內容和用途，對數據類型與格式也作了規定，對典型的測量系統以及通信選項及要求作出了描述。

IEC 61850-90-5主要參考了IEEE C37.118.1，作為同步相量的測量方法。IEC 61850-90-5的范圍是：（1）改進61850的對象模型，更好地表現同步相量；（2）提供可路由的安全通信協議，可以通過那些IEC 61850應用協議數據單元（ADPU）來傳送GOOSE報文或者采樣值；（3）提供從IEEEC37.118及其典型實施結構向IEC 61850-90-5轉變的能力。

圖1　PMU的邏輯節點功能分布

2　基于IEC 61850-90-5的PMU信息模型

2.1現有PMU信息模型結構的不足

IEC 61850將變電站自動化系統按照功能不同分為站控層、間隔層和過程層3層，同一功能可以分布在不同廠家提供的物理設備之間，且與物理設備無關。服務器用于提供數據，其他功能節點可訪問它的資源。邏輯設備用于聚集有關的邏輯節點和數據。邏輯節點是功能元件的容器，對功能元件進行描述。每個邏輯節點的輸出（狀態信息、測量值和計量值）、控制（開關量控制以及設定點控制）和設置在IEC 61850標準中定義為數據屬性及語義。邏輯節點之間交換的信息就是這些專門的數據屬性及其語義代表的。PMU的邏輯節點功能分布如圖1所示。

圖1中，邏輯節點MMXU和MSQI成對出現，用來計算三相系統的測量值。它們從位于過程層中的邏輯節點TVTR和TCTR獲取三相采樣值，計算出基波電流相量、基波電壓相量、系統功率等后，將這些計算結果作為站控層邏輯節點IHM I的數據源。邏輯節點LLN0含有邏輯設備PMU的相關數據，用于描述所有邏輯節點的公共行為。RDRE是擾動記錄邏輯節點，它接收間隔層邏輯節點TVTR、TCTR、GGIO發送來的數據，并根據相應的啟動判據，輸出符合“電力系統瞬態數據交換IEEE標準格式（COMTRADE）”的錄波文件［9］，進而為站控層的邏輯節點RDRS提供服務。

然而，IEC 61850-7-4標準中定義的MMXU和MSQI等兼容邏輯節點都不具備表示頻率變化率（HzRte）的數據成員，無法滿足PMU需要計算測量值的要求。若強行在邏輯節點中擴展HzRte數據將引入更多的邏輯節點，做法不規范［10］。這是現有模型最大的不足。

此外，把IEC 61850應用于變電站與變電站之間以及變電站與控制中心之間通信的工作，盡管要應用于新的通信體系結構/實施部署（IEC 61850-9-1/2），但是GOOSE技術仍然保持了不可路由狀態。也就是說，GOOSE報文必須直接映射到以太網［11］，保證傳輸報文信息要在4ms內完成［12］，由此可見其對時間要求非常嚴格。這樣導致加密和其他影響傳輸速度的安全措施都不能采用，使防護措施的選擇以及其研究方向變得很狹隘。

2.2引入IEC 61850-90-5后的PMU信息模型

在IEEEC37.118.1標準中，規定了測量電壓或者電流相量、頻率、以及頻率變化率等同步相量的方法，而且還將測量量分為保護類別（P類）和測量類別（M類）。在IEC 61850標準中，現有的MMXU定義了表示電壓/電流測量值和頻率的數據對象。而在IEC 61850-90-5中，利用測量邏輯節點（MMXU），對測量邏輯節點（MMXU）進行擴展，添加數據成員HzRte，來表示頻率變化率這一信息。

圖2為引入IEC 61850-90-5后的PMU信息模型。圖中PMU1為PMU所對應的邏輯設備的實例；MMXU表示運行時測量邏輯節點，邏輯節點的數據以電流/電壓相量、有功功率、無功功率和系統頻率為主，這里對其有功功率信息TotW詳細展開。MMXU. TotW作為數據對象，其數據屬性包括測量瞬時值（instMag）、死區值（mag）、品質（q）、單位（units）等。數據對象MMXU.HzRte屬于公共數據類測量值（MV）而不屬于基本數據類模擬值（Analogue Value），以保證MMXU的數據成員之間相統一。數據成員HzRte的成功添加使得PMU乃至監控系統不再是局限于電網某時刻的頻率值，而是能夠清晰地看出頻率變化趨勢，從而提供異常預警、狀態評估和決策支持［11］。

圖2　基于IEC 61850-90-5的PMU的信息模型

同步相量測量需要另一個重要信息是能夠知道采樣速率。在IEC 61850中，是通過合理配置之前已經存在的MMXU數據對象實現的，對計算方法（ClcM th）的例舉表進行了擴展，保護類和測量類都包含在內。

計算模式（ClcMod）：IEEEC37.118.1可以規定測量方法為周期性的。IEC 61850-7-4用于ClcMod的值確定為周期性（PERIOD）。

計算周期類型（ClcIntvTyp）：IEEE C37.118通常是以每秒為周期進行測量的。而IEC 61850-90-5具有更多的靈活性以適應其他應用功能的需要，增加了對毫秒（MS）、每周波（PER-CYCLE）和周波（CYCLE）周期類型的支持。要仿效IEEEC37.118功能，應該采用MS值。

計算間隔周期（ClcIntvPer）：按照ClcIntvPer的值設置。

IEEEC37.118也允許傳送離散的數字信息。這些語義/數據對象已經作為數據集的獨立構件存在于IEC 61850中。

圖3　IEC 61850-90-5的通信服務結構

3　基于IEC 61850-90-5的PMU通信模型

IEC 61850具有抽象通信服務接口（ACSI），對IEC 61850所支持的各種通信服務含義作出了規定。文中著重研究IEC 61850-7-2中按照IEC 61850-90-5的要求應用于同步相量交換的那些服務，具體如圖3所示。

MMXU邏輯節點用于表示按照IEEE C37.118.1規定生成的同步相量測量值。MMXU的信息被放入一個或者多個數據集，這些數據集的發送由恰當的控制塊控制，如GOOSE或者采樣值（SV）控制塊。值得注意的是，數據集可以包括除了同步相量測量量之外的其他信息。IEC 61850-90-5定義了新的控制塊來處理可路由的IEC 61850-90-5語義。RS控制塊用于控制可路由的SV數據，而RG控制塊用于控制可路由的GOOSE狀態信息。數據集和控制塊的組合確定了要使用哪種服務來交換數據集信息。根據控制塊的類型（RS或者RG類型），分別按照IEC 61850-9-2和IEC 61850-8-1中確定的規則生成應用報文并且對其編碼。應用報文裝入IEC 61850會話層，通過IEC 61850-90-5的特殊密鑰提供安全保障與管理。被封裝的應用報文通過UDP/IP組播服務發布，使用區分服務控制協議（DSCP）來提供IP優先級標識，這樣數據包就不容易由于路由器擁塞而丟失。

為了配置新的傳輸與控制塊，對IEC 61850-6的變電站配置語言（SCL）做了擴展。IEC 61850-90-5會話協議具有在單個會話協議數據單元（SPDU）中傳送GOOSE或者SV應用報文（APDU）組的能力。這個協議還能夠支持基于以太網的GOOSE和SV數據包安全安全傳輸隧道，以使現有的GOOSE和SV報文更容易在變電站和控制中心之間變換。具體的會話協議結構如圖4所示。

為了提供安全性，實施完美傳送（perfect-forward）的安全概念。這個安全方式設計目標是讓加密密鑰以某種特定的方式旋轉，要能給信息訂閱者一個警示信息，讓訂閱方知道下一次密鑰旋轉即將發生（TimeToNextKey）并檢查是否與當前的密鑰失去同步。IEC 61850-90-5安全規則強制在整個SPDU內容上使用識別標識，識別標識通過對稱密鑰實現，用對稱密鑰創建一個哈希運算消息認證碼（Hash-based Message Authentication Code-HMAC）。最后，IEC61850-90-5會話協議支持對SPDU有效信息內容進行加密。

SPDU是通過組播UDP/IP發送。過去，應用UDP/IP組播是有問題的，因為很難確定/配置數據包的傳輸路徑。許多的IP組播數據包是通過路由器所支持的各個路徑發送出去的。為了有助于控制和路徑選擇，IEC 61850-90-5明確提出了使用網絡組群管理協議第3版（IGMPV3∶RFC3376）。IGMPV3與之前版本IGMP的差別在于組播地址訂閱可以基于發布方的源IP地址進行過濾，即源地址過濾（Source Filtering）。通過源地址過濾，路由器就可以確定出合適的路徑，并通過這條路徑來發送組播數據，避免了把數據包通過所有可能路徑發送出去的現象。

密鑰管理和密鑰分配中心協議（KDC）是以組群解釋域（RFC3547-GDOI）為基礎的。組群解釋域具有密鑰分配中心安全交換密鑰的能力，或者是客戶請求密鑰，或者是密鑰分配中心把密鑰發送到適當的訂閱方。最初組群解釋域只允許把密鑰與IP地址聯系在一起，證明了這個安全模式/要求對IEC 61850-90-5而言是不夠的。所以對組群解釋域協議做了擴展，以提供基于目的地址尋址、服務和數據集定義的密鑰管理。這樣，即便目的地址和數據集內容相同，也能夠基于其發送服務（例如GOOSE或者SV）來分配和管理密鑰。

圖4　會話協議結構

4　新標準的關鍵技術轉變

IEC 61850-90-5包括了IEEE C37.118.2向IEC 61850轉變的多方面內容，向IEC 61850逐步轉變的關鍵技術包括：

（1）改變IEC 61850-6以支持通過變電站配置描述語言（SCL）來配置IEEEC37.118.2。

（2）在IEC 61850-90-5的環境中使用GOOSE或者SV而不需要明確的控制塊交互。這樣就可以利用SCL配置，并且用IEC 61850-90-5取代了IEEE C37.118.2，而不需要通過TCP/IP來支持完整的IEC 61850-8-1（如MMS）。

IEEEC37.118的應用促成了結構化部署的實體設備在現有系統中的運用，即所謂的相量數據集中器（PDC）。PDC的主要目的是提供擴展性更強的同步相量測量量發送功能，因為通常變電站的通信能力有限，而且一般都不能把測量量發送到在數量上能夠滿足要求的客戶端。PDC的另一個典型目的是提供不同的PMU測量量之間的時間匹配功能，這樣就不再要求數據客戶端具備這一功能了（如PDC作為客戶應用功能的延伸）。在IEC 61850-90-5的環境下，PDC需要依據IEC 61850和SCL的代理/建模能力來配置。IEC 61850-90-5包括了支持PDC概念的清晰而明確的建模方法。另一個得到解決的問題是實施協議，它清楚地確定了如何把IEEE C37.118.2的信息轉換到IEC 61850以及如何利用IEC 61850采樣值來可靠傳輸同步相量測量量。

5　結束語

為了使PMU裝置更好地應用到智能變電站中，文中提出了一種基于IEC 61850-90-5的同步相量測量裝置的對象模型，該模型不僅滿足了PMU需要計算頻率變化率測量量的要求，提高了靈活性以適應更多應用功能的需要。還著重研究了IEC 61850-7-2中按照IEC 61850-90-5要求的應用于同步相量交換的通信服務，同時對SCL做了擴展，給出了具體的會話協議結構，使模型功能更加清晰，更加明確。該對象模型為PMU同主站之間建立統一通信模型提供了理論支持，同時傳輸信息的防護措施不再受傳輸速度的限制，開拓了其發展領域。

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Research on Communication Service Structure of PMU in Intelligent Substation

ZHU Chao1，ZHANG Zhaojun1，NIYuling2，M IAO Xiaogang1，WU Xingquan1
（1.State Grid Jiangsu Electric PowerCompany Maintenance Branch，Nanjing 211102，China；2.StateGrid Yancheng PowerSupply Company，Yancheng 224005，China）

The existing objectmodel of PMU cannotmeet the requirement of computing the frequency variation or provide safe routable communication protocol.So in this paper，a PMU informationmodelbased on IEC 61850-90-5 isproposed after analyzing the sim ilarities and differences betw een IEC 61850-90-5 and IEEE C37.118.The communication service used for synchronousphasorexchange isstudied according to 90-5 protocol.And new transm ission and control blocksare configured to im prove the existing PMU objectmodel.Asa result，thismethod im proves transform ing ability from IEEE C37.118 to IEC 61850-90-5，and achieves better performance of synchronous measurement.It also lays the theoretical foundations for establishing a unified communicationmodelbetw een PMU andmaster station.

synchronized phasormeasurementunit（PMU）；objectmodel；IEC 61850-90-5；communication service structure

TM 76

A

1009-0665（2016）05-0048-05

朱超（1987），男，江蘇南京人，博士，從事變電站自動化與嵌入式系統設計研究工作；

張兆君（1977），男，江蘇金壇人，工程師，從事變電運行工作；

倪玉玲（1990），女，江蘇鹽城人，碩士，從事智能變電站自動化研究工作；

繆曉剛（1988），男，江蘇南通人，碩士，從事特高壓變電運行工作；

吳興泉（1989），男，廣東中山人，碩士，從事特高壓變電運行工作。

2016-04-15；

2016-06-08