IEC 61850标准的技术分析研究

引言

　　IEC 61850 是国际电工委员会负责电力系统控制及其通信的相关标准的第57 技术委员会( IEC TC57)制定的关于变电站自动化系统结构和数据通信的一个国际标准， 目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备( IED) 之间通过一种标准协议实现互操作和信息共享，实现 一个世界、一种技术、一个标准。

　　在制定IEC 61850 标准的过程中， 美、德、荷兰等国都建有示范工程， 而应用IEC 61850 的数字化变电站技术是我国十一五重点研究课题， 目的在标准制定和产品研发方面追赶国际先进水平。IEC 61850 标准的正在我国电力系统普及发展， 而符合IEC 61850 标准的设备的开发， 需要对标准的深刻理解与掌握， 本文对IEC61850 的相关技术进行研究与讨论。

　　1 IEC 61850 的内涵分析

　　1. 1 IEC61850 技术特点分析

　　IEC 61850 规约体系完善， 相对于基于报文结构的传统规约， 应用面向对象技术的IEC 61850 有明显的技术特点和优势。

　　( 1) 系统分层技术: IEC 61850 明确了变电站自动化系统的三层结构: 变电站层、间隔层和过程层以及各层之间的接口意义。将由一次设备组成的过程层纳入统一结构中， 这是基于一次设备如传感器、执行器的智能化和网络化发展。

　　( 2) 面向对象的建模技术: 为了实现互操作性， IEC61850 标准采用面向对象技术， 建立统一的设备和系统模型， 采用基于XML 的SCL 变电站设备通信配置语言来全面的描述设备和系统， 提出设备必须具有自描述功能。自描述、自诊断和即插即用的特性， 极大方便了系统的集成， 降低了变电站自动化系统的工程费用。

　　( 3) 抽象服务通信接口技术: IEC 61850 为实现无缝的通信网络， 提出抽象通信服务接口( ACSI) [ 4] ， 接口技术独立于具体的网络应用层协议， 与采用何种网络无关， 可充分适应TCP/ IP 以及现场总线等各类通信体系， 而且客户只需改动特定通信服务映射( SCSM) ， 即可完成网络转换， 从而适应了电力系统网络复杂多样的特点。

　　1. 2 IEC 61850 标准的本质内涵

　　作为下一代变电站的无缝通信标准， IEC 61850 充分借鉴了变电站通信、计算机、工业控制等领域的长期经验[ 5] 。在IEC 61850 鲜明技术特点的背后， 是IEC61850 与以往变电站通信标准的实质性差别， 而理解IEC 61850 的本质是应用IEC 61850 的基础。

　　IEC 61850 是变电站自动化通信标准， 通信标准的本质目标是实现双方快速准确的理解相互传达与接收到的逻辑信息命令， 并正确执行命令。由于各设备生产商生产的智能电子设备， 可能采用不同的芯片、不同的硬件架构、不同的嵌入式系统， 它们组成了一个复杂的异构环境系统， 所以变电站中设备之间的通信是一个复杂的分布式信息交互问题。变电站设备要实现互操作实际就是解决如何在异构环境下实现数据交换的问题。

　　IEC 61850 标准制定的思路与以往IEC 60870 等标准在解决信息表达与传输问题方面相比上存在着根本的区别， 主要是借鉴了近些年来计算机解决异构环境领域的常用的ASN. 1， XML 等技术来解决变电站中的信息交互问题， 因此IEC 61850 标准的本质可以理解为是解决变电站中异构环境下数据交换问题的一个实现方案。

　　IEC 61850 标准充分综合了ASN. 1 与XML 两种技术的各自优势， 利用A SN. 1 的二进制编码信息传输效率优势， 用它作为主要的实时信息交互通信方式， 利用XML 直观与带自描述特性在XML 1. 0 版本的基础上推出了变电站配置语言SCL， 用于描述变电站系统的结构与智能电子设备的能力及定义通信参数等。如图1 所示。W2G 组织提出了要将MMS 映射到XML，采用XML 技术来代替MMS 协议中的ASN. 1 编码，所以ASN. 1 与XML 两者正在不断的相互借鉴发展。

 

 

图1  IEC 61850 标准中的异构信息集成技术

　　2 IEC 61850 中XML 配置的运用

　　2. 1 基于XML 的变电站配置

　　变电站配置描述语言( SubSTat io n CONf igurat ionDescript. ion Lang uage， SCL) 是IEC 61850 规定的基于XML 1. 0， 利用其自描述特性主要用于智能电子装置能力描述和变电站系统与网络通信拓扑结构描述的语言。IEC 61850..6 部分规范了SCL 语言规范了装置所含有的逻辑节点、数据集、报告控制块、站内连接方式、I P 地址等通信配置等。由于XML 技术已经受到众多软件集成商如微软、IBM， SU N 等的支持， 开发人员可以方便的处理XML 文档， 对XML 的处理独立于操作系统平台、编程语言等等。因此采用SCL 语言描述以后使得变电站系统集成变得更为简单， 各厂商一致采用IEC 61850..6 与IEC 61850..7 对变电站的抽象模型框架提供的IED 就可以通过各自的IED 配置工具和系统配置工具通过对XML 文档的解析、读取数据， 进行配置信息的交互。各厂商对配置文件实现解析与处理过程可能不同， 但采用了相同的变电站描述结构和相同的参数， 最终就能相互理解， 这是IEC 61850 互操作性体现之一。

　　图2 为一个变电站系统配置的最基本描述情况，SCL 至少有以下几个元素， Header， Substat io n， Communicat ion， IED， DataT ypeT emplates。Header 元素定义了SCL 配置文件的修改历史记录版本号、修改的时间、修改的原因、何人最终修改等。

 

图2系统配置文件的基本结构图。

　　2. 2 变电站配置的流程与技术

　　配置的主要流程如图3 所示， 配置的过程主要分为四步， 首先是厂家提供的IED 配置器工具将产生IED设备的ICD 能力描述文件， 然后传递到系统的子站端，根据系统的集成规范SSD 以及系统端的配置器， 生成系统端的描述文件SCD， 再将SCD 发送回IED 的配置器， 最终获得IED 的配置文件CID。配置文件主要包含如何进行通信， 在系统所处的位置的描述， 相关的链接通信节点， 以及报告节点、数据集设置等相关约定， 同时ACSI 到MMS 映射的实现、MMS 通信服务过程中需要借助CID 配置文件， 解析出其中相应的数据信息作为参数， 比如GOOSE 报文的接收端MAC 地址。

 

图3 配置流程图。

　　通过采用XML 的配置可以实现装置的功能自动组合， 装置内的程序可以通过直接修改配置文件而动态的改变装置所具有的功能， 比如修改逻辑节点或者数据集等， 从而实现装置侧的程序通用， 对于厂家而言， 可以实现一个通用的通信程序， 然后根据具体特定装置功能需求， 设计配置不同的XML 文件即可实现不同装置的通信。最理想的IEC 61850 通信程序( 见图4) 的明显优势在于: 程序一次编译完成， 可以只需要简单的修改配置文件就可以应用到各个装置设备中， 综合自动化后台通过读取装置配置文件就可以自动创建数据库实现装置接入与生成。

 

图4理想的IEC 61850 通信程序。

　　3 IEC 61850 应用安全问题

　　IEC 61850 的应用依赖于一个安全的网络环境。

　　因此， 当前电力系统在解决了信息异构集成问题后， 突出面临的一个问题就是如何构造一个安全的网络通信系统， WG15 已经开始专注于电力数据和通信安全领域， 来保证电网的安全运行。

　　电力系统安全防护重点在实时控制系统， IEC61850 标准在变电站分层中提出了过程层， 并在这一层也采用以太网通信完全替代原来传统的硬接线方式。

　　由于在过程层中诸如跳闸的GOOSE 报文要求在4 ms内到达通信接收的另一端， 与以太网在变电站层和间隔层相比需要保障更高的安全可靠性， 因此， 如何保障变电站内过程层网络的安全性问题比以往显得更为突出和重要。从应用安全的角度出发， 基于IEC 61850 的变电站通信系统应具备以下防御措施:

　　( 1) 采用V PN 技术解决端到端的数据安全问题。

　　主要采用隧道技术、加解密技术、密钥管理技术、使用者与设备身份认证技术等四项技术来保证安全。通过安全策略和安全规则的制定， 把网络划分成不同的安全区域， 控制VPN 通道内不同的安全区域之间的访问， 可以进一步减少了内部窃听的风险和不安全因素， 使网络的安全性得到进一步的提升。

　　( 2) 采用SSL/ TLS 加密技术， 对变电站通信系统中面向连接通信机制的服务器连接进行授权验证， 在对象建模中对不同用户加入访问权限限制， 并报告试图进行未授权下的访问操作。

　　( 3) 采用SNMP( 简单网络管理协议) 来管理变电站通信网络， 定期建立数据备份与实施冗余机制。

　　( 4) 建立入侵监测防御措施， 建立控制中心安全策略应对措施， 基于IEC 61850 的变电站通信系统控制中心应采取多层安全机制保证， 当受到攻击时可以降低使用情况而不至于系统瘫痪。

　　除了以上从技术的角度应对电网安全问题外， 还应注意人员的管理与安全意识、工程施工等与电网安全运行密切相关的因素。

　　4  结 语

　　IEC 61850 标准作为未来国际变电站的统一标准，已经在逐步走向成熟。本文为了IEC 61850 具体应用中IED 设备开发的目的， 对IEC 61850 的技术特点进行了总结， 首次提出IEC 61850 标准是对异构信息进行集成的实质内涵， 应用XML 技术具体对IEC 61850 中变电站的配置进行了研究和设计， 包括系统配置文件的结构、配置的流程， 得到了理想的IEC 61850 通信程序模型; 针对应用IEC 61850 标准电力网络通信的安全问题提出了建议和策略。研究为开发符合IEC 61850 标准的变电站通信系统提供了依据。在中高压综合自动化系统中， IEC 61850 的性能与优势能得到更多的体现。IEC 61850 标准可以有效地解决变电站内设备的互操作问题， 作为一致公推的变电站标准必将给变电站自动化系统带来深远的影响。