IEC 61850在智能配電通信網中的應用綜述

盧　超，李　彬，孫　毅，祁　兵，韋　磊

(1．華北電力大學電氣與電子工程學院，北京　102206；2．國網南京供電公司，江蘇　南京　210019)

目前，在我國配電自動化系統(tǒng)中廣泛應用的通信規(guī)約有IEC 60870-5系列的101規(guī)約和104規(guī)約，以及DNP3.0規(guī)約。但這些規(guī)約在設備互通性方面的定義很寬泛，在實際運行時會表現出如下缺陷[1-2]：①信息共享困難，配電終端與控制中心之間互操作性差；②安裝調試、管理維護工作量大；③缺乏智能化的功能。因此，傳統(tǒng)的配電網通信規(guī)約已經不能適應智能配電網的發(fā)展。

IEC 61850是數字化變電站自動化系統(tǒng)的標準，用于指導變電站自動化的設計、開發(fā)、工程、維護等各個領域[3]。自國際電工委員會IEC于2004年發(fā)布IEC 61850 Ed 1.0以來，IEC 61850標準族不斷擴充、完善。從2009年開始陸續(xù)發(fā)布了子標準，構成了IEC 61850 Ed 2.0。Ed 2.0通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口(Abstract Communication Service Interface, ACSI)增強了設備之間的互操作性，可在不同型號的設備之間實現無縫連接，從而大大提高變電站自動化技術水平和安全穩(wěn)定運行水平，實現完全互操作[4]。美國國家標準與技術研究院在2009年就將IEC 61850確立為智能電網輸配電領域的標準[5]。

隨著智能配電業(yè)務建設與應用的深入，采用IEC 61850的配電設備的應用領域越來越廣[6-7]，尤其是IEC 61850標準從變電側向配電側擴展與延伸，使得配電業(yè)務網絡化、互動化、開放化的層次逐步提高。IEC 61850已經覆蓋了配電新能源網絡[8]、汽車充電站系統(tǒng)[9]、雙向交互系統(tǒng)[10]、配變實時監(jiān)測系統(tǒng)[11]、遠程視頻監(jiān)控等新型配電業(yè)務領域。2015年8月發(fā)布的IEC 61850-90-6[12]則針對配電自動化系統(tǒng)的數據模型、通信映射和工程配置等技術問題給出了解決方案，同時對IEC 61850在配電自動化系統(tǒng)中的應用給出了用例和建議。隨著智能電網工程建設的不斷推進，IEC 61850標準成為智能電網的配電網信息通信體系之核心的趨勢已經越來越明顯。近年來IEC 61850提出了該標準在配電自動化系統(tǒng)的應用架構草案，本文針對該框架性標準展開了進一步的應用研究。

本文綜述了IEC 61850在智能配電網中的應用，包括IEC 61850概況，變電站通信接口模型，配電自動化系統(tǒng)的體系結構，配網自動化通信架構，同時對IEC 61850在智能配電網中的應用前景做了展望。

1　IEC 61850在變電站通信的已有模型

IEC 61850在變電站自動化系統(tǒng)中已經得到了廣泛的應用，其功能可以分為控制、監(jiān)視和繼電保護，根據IEC 61850標準，將變電站自動化系統(tǒng)分為三層：變電站層、間隔層和過程層[13]，并定義了三層間的9種邏輯接口。

過程層實現所有與一次設備接口相關的功能，包括開入/開出，模擬量采樣設備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的發(fā)送等；間隔層設備對間隔層和過程層的數據信息進行匯總,完成各種保護、自動控制、邏輯控制功能的運算、判斷、命令發(fā)送，主要實現保護和監(jiān)控功能；變電站層完成對站內間隔層設備、一次設備的控制，以及遠方控制中心、工程師站、人機界面的通信功能。

IEC 61850定義的這三層結構是功能上的分層，即抽象的邏輯結構，標準本身并不規(guī)定通信拓撲。這樣的通信結構有利于變電站內設備以及變電站與控制中心構成統(tǒng)一的無縫連接網絡。

2　IEC 61850在配網的擴展需求分析

2.1　配電自動化系統(tǒng)的結構

配電自動化是一個龐大復雜的、綜合性很高的系統(tǒng)性工程，包含電力企業(yè)中與配電系統(tǒng)有關的全部功能數據流和控制流。文獻[14]將配電自動化系統(tǒng)的體系結構分為四層：主站層、子站層、終端層和過程層，如圖1所示。

圖1　配電自動化系統(tǒng)結構

主站層由服務器、工作站、網絡設備等硬件及配套軟件構成，負責接收、處理和分析配電子站匯集轉發(fā)的配電終端信息，從而對配電網進行實時操作調整[15-16]。主站層從宏觀上實現了配電網的FLISR功能，是配電網監(jiān)控和管理系統(tǒng)的核心。

饋線層由多條饋線和通信設備組成，從整體上實現了對一條饋線的邏輯處理功能。一方面保證通信的無縫連接，另一方面隔離了主干網絡和分支網絡，避免因分支網絡內的廣播信息進入主干網絡而造成主干網絡的擁塞[17]。

終端層是位于配電網線路上的自動化現場設備，包括柱上開關FTU、環(huán)網柜FTU、配變終端TTU、開閉所DTU等。柱上開關FTU可檢測短路或單相接地等故障，同時監(jiān)測電能質量；環(huán)網柜FTU用于配電網電纜線路中，起著分支、分段、聯(lián)絡的功能；配變終端TTU監(jiān)測并記錄配電變壓器的運行工況，記錄電壓和電流有效值、有功、無功等數據；開閉所DTU的主要功能是遙測、遙信和遙控。遙測采集所在線路的電氣參數，遙信監(jiān)測開關分合、接地、過流故障等狀態(tài)，遙控進行開關分/合控制。終端層的設備相互配合，完成故障隔離、負荷轉移，恢復非故障區(qū)段的供電，控制饋線上開關的分/合等任務。

過程層主要包括電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)、開關和控制傳動設備等。其中互感器利用電磁感應原理，將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈窐藴实牡碗妷汉托‰娏鳎诜奖銣y量的同時還能隔離高壓電路，保證操作的安全。過程層設備主要實現對原始數據的采集和對具體指令的響應，是配電網最基礎的組成部分。

2.2　IEC 61850在配網的應用場景

IEC 61850協(xié)議不僅統(tǒng)一了站內的通信，還擴展到了變電站與變電站之間，變電站與控制中心之間的通信。由IEC 61850協(xié)議構成的無縫通信體系結構如圖2所示。

圖 2　IEC 61850-90在配電網的應用場景

IEC 61850-90-1用于變電站之間的通信，控制中心與變電站之間采用61850-90-2通信協(xié)議，主要傳輸遠動信息、故障信息及PMU信息[13]；變電站內部的監(jiān)控與控制設備采用61850-8協(xié)議；控制設備與傳感設備采用61850-9協(xié)議；而變電站之間的控制設備則采用了61850-90-1協(xié)議。

最新發(fā)布的IEC 61850-90-6標準指出配電自動化系統(tǒng)或饋線自動化系統(tǒng)應具備以下功能。

a. 分布式數據獲取和監(jiān)測(D-SCADA)。此功能使操作員能夠遠程監(jiān)測和控制配電網絡，是配電自動化系統(tǒng)的基本功能。

b. 故障定位、隔離和業(yè)務恢復(FLISR)。在FLISR中有多種實現形式，包括安裝自動開關和自動分段斷路器，主站中心控制方案和分布式控制方案。在分布式控制方案中，智能電子設備通過端到端的通信網絡交換故障和控制信息。這些都是實現FLISR的典型方式，在實際部署時這3種方式可能會混合使用。

c. 電壓與無功控制(VVC)。VVC通過對LTC變電站變壓器、母線/饋線電壓調節(jié)器和開關并聯(lián)電容器進行相應的配置，以減少配電網中的電

能損耗，改善網絡中的潮流分布。更高級的VVC應用也可以使用分布式電源的有功、無功注入，以及分布式如柔性交流輸電系統(tǒng)設備，如配電網靜止同步補償器等。

d. 基于通信的抗孤島保護。一旦饋線斷路器打開，就可能產生電力孤島。考慮到操作員的安全、系統(tǒng)的穩(wěn)定和電能質量等因素，在此情況下孤島內所涉及的分布式電源將被迫停止向饋線供電。孤島感知運用了本地測量技術。

2.3　基于IEC 61850的配電網組成

IEC 61850針對配電網的現狀，提出了四部分的內容：設備信息模型，信息交換模型，通信服務映射，通信業(yè)務需求。這四部分所針對的對象或包含的內容如圖3所示。

為了實現不同IED的無縫通信，IEC 61850先對配電網中的設備如柱上開關、環(huán)網柜、配變終端等進行建模，抽象出各自的信息模型；根據不同配電業(yè)務的特點，選擇相應的信息交換模型來實現配電主站與配電終端之間或配電終端之間信息交互，如關聯(lián)模型用于通信鏈路的拆除，日歷服務模型將數據按照一定的順序存儲到服務器的日志中以待客戶查詢；為實現具體的通信傳輸，需要將通信服務映射為不同的通信協(xié)議，IEC 61850的服務映射有通用對象變電站事件(GOOSE)的IP映射，核心服務映射到MMS等。根據不同的業(yè)務類型，對數據流向、通信時延和業(yè)務并發(fā)數等通信需求進行分析測算，保證通信的順利進行。

3　基于IEC 61850的配網自動化通信模型

3.1　設備信息模型

IEC 61850采用了面向對象的建模方法，使傳輸到控制中心的數據可以得到很好的識別，簡化了現場驗證工作，減了維護數據庫的工作量[18]。IEC 61850提供了層次化的數據模型用于描述變電站的信息模型，這些數據模型將實際設備進行虛擬化，抽象成服務器、邏輯設備(LD)、邏輯節(jié)點(LN)，數據對象、數據屬性等。與變電站自動化系統(tǒng)不同、配電網中還需要考慮開閉所、配電所、環(huán)網柜、柱上開關、配變等設備的模型，并增加四遙服務。

圖3　基于IEC 61850的配電網組成

IEC 61850服務器描述了設備外部可見可訪問的特性。此設備擁有一個訪問接入點AP，向上與變電站層設備通信，向下與過程層設備通信。邏輯設備LD定義為具有特定應用功能和能使用信息的虛擬設備，由某些具有公用特性的邏輯節(jié)點和附加的功能服務聚合而成。邏輯節(jié)點LN是由數據和方法構成的對象，是具有數據通信功能的最小單元。Ed 2.0定義了170多種LN，基本覆蓋了配電自動化應用需求，其他未覆蓋的可依照標準對LN進行拓展[19]。數據對象包含了邏輯節(jié)點的所有信息，數據屬性則是模型中信息的最終承載者。

可以看出，IEC 61850在考慮配電網的升級版已經針對電力生產過程的特點，歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸服務，設計出抽象通信服務接口ACSI，其應用功能、對象、服務與具體的技術及實現方法無關。ACSI采用GOOSE模型，以事件觸發(fā)傳輸數據，適合快速可靠地在保護IED之間傳遞數據。Ed 2.0定義了60多種抽象通信服務(ACSI)，這些 ACSI 可以滿足配電自動化系統(tǒng)對于通信服務的需求。按照配電網運行控制技術導則中規(guī)范的正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、故障狀態(tài)下的運行控制以及分布式電源并網與運行控制的技術需求，可通過ACSI的高層接口屏蔽不同業(yè)務類別的細節(jié)。

在信息模型方面，IEC 61968已經定義了詳細的信息交換模型及數據交換規(guī)范，并具有一定的通用性。同時，該標準允許對操作接口進行自定義擴展。因此，采用協(xié)議層次方面與IEC 61850進行對接時，需要在信息模型層滿足其接口定義和信息組織方面的標準，并對操作接口做適當擴展。涉及到多方參與的信息交互時，可以通過協(xié)議接口適配器進行轉換。

圖4描述了智能配電網的信息模型的層次化結構，除了考慮配網饋線、環(huán)網柜、故障指示器、開閉所、配電終端等信息模型外，還需要考慮諸如饋線自動化設備FTU等配網的采集信息以及控制信息(D-SCADA、小電流接地檢測、電能質量檢測、故障錄波及故障報告等)。圖中空心菱形箭頭表示聚合關系，表示上一層的類由多個下一層的類聚合而成；實心箭頭表示數據流。信息模型是數據與功能服務的聚合，模型中的數據和功能服務相互對應，信息交換必須通過對應的功能服務來實現，數據與功能服務的緊密結合使之具備良好的穩(wěn)定性、可重構性和易維護性。在協(xié)議對接方面，充分發(fā)揮ACSI接口的適配作用，完成104規(guī)約、DNP3.0等協(xié)議向Web服務的映射。并將配網的遙測、遙信、遙控映射到IEC 61850的邏輯節(jié)點中。

圖4　信息模型層次化的結構

3.2　信息交互模型

IEC 61850在與已有IEC 61968系統(tǒng)對接時，可采用標準的請求/應答或者發(fā)布/訂閱方式實現信息的傳遞，所有消息的傳遞通常伴隨著事件的觸發(fā)。根據《電力信息交換總線技術導則》的規(guī)定，信息交換總線結構應當滿足SOA體系架構，并滿足IEC CIM的信息格式。信息模型適配器建立了用于數據交換的對象，信息交互模型則定義了獲取信息模型的方法，主要有以下幾種：①關聯(lián)模型，通信雙方或者多方廣播通信鏈路的建立和拆除；② C/S主從模型，是核心ACSI服務；③采樣值(Sampling Value, SV)模型，用于實現過程層的快速數據傳輸；④通用變電站事件GSE(Generic Substation Event)，包括面向通用對象的變電站事件GOOSE和通用變電站狀態(tài)事件 GSSE(Generic Substation Status Event)；⑤報告和日志等。

統(tǒng)一的信息模型和信息交互模型創(chuàng)建了一致、確定和可擴展的層次化語義空間，并成為IED之間信息交互的內容和方式的約定，有利于實現配電終端之間的互操作。IEC 61850的信息交換模型提供了信息對象的獲取、實時數據交換方式等，同樣適用于配網自動化主站與配電終端、配電終端與配電終端之間的信息交換。

3.3　通信服務映射

在最新的IEC 61850-90-6標準規(guī)范中，針對FLISR、VVC、D-SCADA、孤島保護等用例進行了業(yè)務流程分析，并完成了對應的邏輯節(jié)點的映射關系。ACSI的具體報文需要通過特定通信服務映射(Specific Communication Service Mapping，SCSM)映射到具體的實現方式上。這種上層的通信服務與下層的實現方式獨立的結構，保證了標準上層結構的穩(wěn)定性，即當有新的通信技術出現時，IEC 61850只需增加對應于此新技術的SCSM映射，而無需改變上層的通信服務和信息交換模型。圖5為通常的映射方式。

根據文獻[14]，文獻[20-21]，圖5給出了3種典型的映射方法，分別是C/S、GOOSE和SV模式下映射到以太網，其中第二部分的標號表示了在映射中所用到的標準，如9-1表示從SV映射到以太網使用了IEC 61850-9-1標準。C/S模式映射到以太網又有3種方式：映射到制造報文規(guī)范(Manufacturing Message Specification, MMS)、104規(guī)約和公共對象請求代理機構(Common Object Request Broker Architecture，CORBA)。

圖5　IEC 61850中通信服務映射方式

MMS和104規(guī)約的底層均采用了TCP/IP協(xié)議。MMS映射主要用于電力遠動通信，如主站和配電終端的通信。在現有的IEC 61850標準體系里，已經建立了與MMS對象、MMS實例、MMS服務的映射關系，在新制定的IEC 61850-80-1中也詳細地規(guī)范了IEC 61850信息模型向104規(guī)約的映射方法以及數據類型。為了減少配網FTU所用的LD，可以為FTU分配應用數據報文的公共地址，對于四遙信息可以從IEC 61850的邏輯節(jié)點中進行組合構建。MMS能夠支持所有的ACSI服務，但實現起來較復雜，對通信網絡的要求高。考慮到目前仍有相當數量的配電網通信采用的是104規(guī)約，將IEC 61850映射到104規(guī)約為一個好的選擇：既避免了資源的重復投資，實現了技術的平滑過渡，又能支持配電網監(jiān)控與保護控制服務。104規(guī)約可用于變電站與控制中心之間的通信，但與MMS相比，104規(guī)約并不支持所有ACSI服務。對于不支持的服務，目前最具前景的方法是使用Web Service映射，或對104規(guī)約進行擴展。在IEC 61850-90-6中也給出了MMS的Web映射方法，同時還定義了104規(guī)約，DNP3.0協(xié)議向IEC 61850-80-1的映射規(guī)則。CORBA[22]是對象管理組織提出的公用對象請求代理程序結構的技術規(guī)范，其目標是解決面向對象異構應用之間的互操作問題。在電力遠動系統(tǒng)網絡的點到點通信中，CORBA能夠起到代理機制的作用，它允許多個客戶同時訪問同一個對象。CORBA的終端設備一般采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，實現起來比較困難。

GOOSE是IEC 61850中用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速報文需求的機制，具有良好的實時性，可用于傳輸如跳閘/重合閘命令、閉鎖等高優(yōu)先級的信息[23-24]。在配網自動化系統(tǒng)中，故障通道指示與故障檢測保護與原有保護系統(tǒng)具有一些共同的特征。對于配網的故障指示器上報的信息，也可產生相同的操作信號并發(fā)送給對應的斷路器，并設定預置的操控邏輯，當所定義任何操作和跳閘信號瞬態(tài)故障清除時，所有狀態(tài)為將被重新設置。

GOOSE通信服務內容采用ASN.1進行編碼，在映射時跳過了傳輸層和網絡層而直接映射到數據鏈路層，避免了中間協(xié)議的編碼耗時，保障了數據傳輸的實時性。采樣值SV表示終端傳輸給變電站的數字化信號，此信號來自于由新型低耗能電壓和電流傳感器聚合的初級電力系統(tǒng)的信息[25]，已是過程層中最為重要的信息流。9-2標準SV采樣數據具有靈活可配置的優(yōu)點[26]，在工程實施中可以根據其規(guī)定的配置項對采樣數據集的內容進行設置，完成實際應用的需求。

3.4　配網自動化通信模型

配網自動化通信系統(tǒng)是連接控制中心主站系統(tǒng)和用于監(jiān)視配電網運行的各種自動化裝置的通信網絡和通信機制。文獻[14]提出了基于IEC 61850的配網自動化通信架構，如圖6所示。

圖6　基于IEC 61850的配網自動化通信架構

配網饋線終端的自動化設備采集配電網的工況信息,在服務器內對這些信息進行面向對象的建模得到3.1節(jié)所述的配網自動化信息模型，再定義抽象的信息交互模，最后將信息交換模型通過映射,映射到具體的通信協(xié)議如制造報文規(guī)范MMS和以太網等，并采用IP網絡傳輸數據。客戶機以相反的順序對信息進行處理后交由控制主站。

4　結束語

本文針對配電自動化系統(tǒng)的技術需求，結合IEC 61850-90的最新標準化進展，分析了IEC 61850-90系列標準在配網的擴展方式。目前，雖然IEC 61850已經針對饋線、環(huán)網柜進行了模型化的描述，但是在底層通信協(xié)議的高效利用上還存在很大的提升空間。此外，售電側放開后，配網將出現部分由信息化帶動的新型業(yè)務及與用戶的互動方式，未來該標準還需要完善擴充，以進一步滿足國內市場的應用需求。

參考文獻：

[1]袁新喜．IEC 61850在智能配電網中的應用及配電終端建模[D]．合肥：合肥工業(yè)大學，2013．

[2]陳愚．基于IEC 61850的數字化變電站技術綜述[J]．四川電力技術，2010，33(4)：21-23．

[3]戰(zhàn)一鳴．綜述智能配電網中的IEC 61850標準[J]．智慧工廠，2016(6)：55-57．

[4]任雁銘，操豐梅．IEC 61850新動向和新應用[J]．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(2)：1-6．

[5]苗新，張愷，田世明，等．支撐智能電網的信息通信體系[J]．電網技術，2009(17)：8-13．

[6]葉剛進．IEC 61850標準在智能化變電站工程化應用研究[D]．北京：華北電力大學，2012．

[7]韓國政，徐丙垠．基于IEC 61850標準的智能配電終端建模[J]．電力自動化設備，2011，31(2)：104-107．

[8]李國武，張雁忠，黃巍松，等．基于IEC 61850的分布式能源智能監(jiān)控終端通信模型[J]．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(10)：13-18．

[9]黎永昌，王鋼，梁遠升，等．基于IEC 61850的電動汽車充電站遠動通信建模[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2016，44(4)：137-142．

[10] 鄧衛(wèi)，裴瑋，齊智平．基于IEC 61850標準的微電網信

息交互[J]．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(3)：6-11．

[11]徐迅，梅軍，左帆，等．基于IEC 61850的配電終端在線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]．電工電氣，2015(11)：49-53．

[12]IEC TR 61850-90-6：Communication networks and systems for power utility automation-Part 90-6：Use of IEC 61850 for distribution automation systems[S]．2015-08．

[13]IEC/TR 61850-90-1：Communication networks and systems for power utility automation-Part 90-l：Use of IEC 61850 for the communication between substations[S]．2010-03．

[14]韓國政．基于IEC 61850的配網自動化開放式通信體系[D]．濟南：山東大學，2011．

[15]韓國政，徐丙垠，張海臺．IEC 61850在高級配網自動化中的應用[J]．電力自動化設備，2011，31(5)：99-102．

[16]孫毅，李世豪，李彬，等．基于IEC 61850的智能配電通信網絡仿真平臺設計[J]．電力建設，2016，37(2)：

118-124．

[17]陳志偉．基于IEC61850的配網自動化通信技術研究[D]．濟南：山東大學，2012．

[18]李建岐，趙勇，黃必堯．基于IEC 61850的智能配電網信息通信模型研究[J]．電氣應用，2015(S2)：708-713．

[19]任雁銘．IEC 61850用于配電自動化系統(tǒng)需要考慮的問題[J]．供用電，2014(1)：52-54．

[20]Mohagheghi S，Tournier J C，Stoupis J，et al．Applications of IEC 61850 in distribution automation[C]// Power Systems Conference and Exposition (PSCE)，2011 IEEE/PES．2011：1-9．

[21]顧建煒，張鐵峰，韓書娟．基于IEC 61850國際標準的配電自動化系統(tǒng)應用研究[J]．電力科學與工程，2012，28(1)：30-36．

[22]LotharRichter．Design and Practical Guidline to a CORBA-Based Communication Framework[J]． 2016.

[23]辛紅汪，丁巧林，李筱寧.基于GOOSE的配電自動化系統(tǒng)的研究[J]. 智能電網，2013，1(1)：93-97.

[24]歐郁強，林超雄．智能配電網GOOSE通信機制的研究與實現[J]．電氣應用，2016(10)：89-92.

[25]Mohagheghi S，Mousavi MStoupis J，et al. Modeling distribution automation system components using IEC 61850[C]//Power & Energy Society General Meeting，2009． PES 09．IEEE．IEEE， 2009．

[26]張雙悅，王紅，楊士元，等.IEC 61850服務映射中的矛盾及一種解決方案[J]．電力自動化設備，2013，33(3)：141-146．