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摘要：基于IEC61850标准，根据智能变电站通信网络的性能要求，分析了基于IEC61850标准的智能变电站信息模型的构建，并介绍了采样传输和通用变电站事件两类重要的通信服务模型。基于IEC61850的变电站通信网络的特点，提出对实时性改进措施。
关键词：IED; IEC61850; 通信网络; 智能变电站
中图分类号：TM63 文献标识码：A
随着变电站综合自动化技术和网络通信技术的发展，变电站设备之间的通信将是数字化变电站系统的全面实现。配置将更加灵活，功能扩展会更方便。然而，各种智能电子设备（IED）提供的数据格式，结果导致了大量的“信息孤岛”。这不仅造成软件和硬件系统的重复建设，但同时也增加了系统的运行和维护成本。从另一个角度来看，系统的复杂性使得网络连接和信息交换更困难。这就需要建立一个统一的、标准的、开放的，能够满足各站之间的互连设备沟通的平台。因此，研究和实践基于IEC 61850标准的变电站通信网络对合理应用现有设备，开发新设备都具有重要的现实意义。
1 IEC61850 的介绍
IEC61850 是国际电工委员会 TC57 工作组制定的《变电站通信网络和系统》新的国际标准，其目标是实现不同厂家IED 之間的互操作。IEC61850 标准制定了变电站内部通信网络与系统。由十大部分，十四个分册组成，规范了数据的命名、定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口。
基于 IEC61850 的变电站通信网络主要有以下特点：
1) 三层结构网络协议划分，完成了控制、监视和继电保护三大功能;
2) 采用面向对象的建模技术，定义了基于客户/服务器结构数据模型;
3) 完善的自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明;
4) 采用抽象通信服务接口 ACSI，从而网络独立;
5) 智能化的一次设备的应用;
6) 采用 XML 配置技术作为配置描述语言信息的交换格式等。
2 变电站信息模型的构建
信息模型是 IEC61850 的核心，它将实际的自动化功能虚拟成抽象的通信服务。在 IEC61850 定义的各类信息模型里，采样值传输模型和通用变电站事件模型( GSE) 是最为重要的两类模型。
2. 1 采样值传输模型
采样值与采样频率直接相关，故采样值传输模型的主要影响因素是时间约束条件。 该模型通过采用有组织的时间控制方式完成对数据报文的采取，因此这类模型在使用中的抖动最小，受影响最小，能够保持高保真的样本值，采样的次数和顺序也比较恒定。
2. 2 通用变电站事件模型(GSE)
GSE 模型基于分层分布的理论，通过多播或组播服务向几个不同的物理设备发送相同的变电站事件信息。该模型可以快速、可靠地传输那些实时性要求高的事件。GSE 模型规定了2个控制类及与之相对应的2类报文，即面向通用对象变电站事件( GOOSE) 和通用变电站的状态事件( GSSE) 。
1) GOOSE 模型。 该模型的传送机制不是基于TCP/IP 协议的，而是对等传送方式( peer to peer) ，使用物理网卡地址(MAC地址)。工程中 I/O 的网络接口被设计成 1 个网络地址（组播地址），GOOSE 报文直接发送到该网络地址． 通过支持优先级控制的以太网交换机，优先级高的报文可抢先到达目标地址，这从根本上改变了变电站监控系统的实时性。 当装置刚被激活时(合上电源和重新服务) ，将用初始的 GOOSE报文发送当前状态。即使没有发生状态变化，装置仍连续循环地发送报文，从而保证全部已激活的装置知道它们对等设备的当前状态。
GSSE 模型。该模型和GOOSE 模型相似，上面描述的基本概念也适用于GSSE 模型，主要区别是信息交换的种类不同。 GOOSE可灵活地规定交换的是哪种信息，而 GSSE 仅提供状态信息简表。
3 智能变电站通信网络
3. 1 光纤以太网技术
在现代的变电站通信网络中，比较典型的通信方式有: 采用传统的 RS -232/485 实现低速总线网络、采用现场总线技术实现中等速度的连接网络、采用局域网络技术实现高速的通信网络以及利用以太网组网的通信体系等。其中光纤以太网技术是更能满足变电站通信要求的一种通信技术。以太网以其丰富的拓扑结构(总线型、环形和星型)、高度灵活性，相对简单，易于实现的特点受到越来越多的欢迎，特别是快速和交换式以太网的出现更是提高了以太网的性能。而光纤的通信容量大、中继距离长、信号干扰小、抗电磁干扰、适应性强、寿命长的等优点得到更多的关注。
3. 2 网络拓扑结构和组网方式
根据前面所述结合IEC61850 对变电站通信结构体系的划分，可以得出整个变电站通信网络的结构图，如图1所示。整个变电站的通信网络由变电站层网络和过程层网络构成。两个通信网络层在业务和功能上不同，受到技术条件的限制，加之过程层对实时性和安全性的要求更加严格，所以两层之间是物理分离。在具体的应用中一般综合采用网络冗余技术，即双网同时运行，互为备用。两层之间的信息通信则需要 10M 级以上的高速双网以太网构建连接。
图 1 变电站通信网络结构
1) 网络拓扑结构。变电站层网络的结构和功能的实现与传统的变电站计算机监控系统网络基本相似，全站信息的汇总功能可依靠 MMS/GOOSE网络来实现。而在具体的网络拓扑结构选取的时候，主要环形和星形拓扑结构，总线型扑结构由于其可靠性较差很少采用。而环形和星形拓扑结构相比，环形网络可用率较高( 单故障时两者均不损失功能，少数的复故障环形网络可以保留更多的设备通信) ，但是支持环网的交换机与普通星形交换机相比，没有价格优势。根据目前国内多年技术经验的积累，综合电压等级和性价比等因素综合考虑，装置普遍具有 2 ～3 个独立以太网口，即双环形和双星形拓扑结构。
2) GOOSE 网络的组网方式。国内 GOOSE 信息传输网络的组网方式主要有两种，一种是间隔内采用点对点方式，跨间隔(如: 主变、母差、录波等)采用星形以太网组网方式; 另一种是全站 GOOSE网络均采用星形以太网方式组网。两种方案现在均有采用。
4 网络的实时性改进措施
网络的实时性由网络带宽、介质访问控制方法、优先级策略以及网络结构等因素共同决定。为了满足变电站通信网络的实时性要求，应该尽量避免数据的冲突，保证实时数据的优先传输。主要有以下几种方法: ①采用基于虚拟局域网(VLAN) 的节点划分及优先级标签; ②改进介质访问控制方法; ③实时调度协议; ④采用质量服务( Quality of Service，QoS) 机制; ⑤采用传输整形、通信平滑和实时控制层等节点传输控制措施; ⑥简化协议栈; ⑦建立实时通信模型; ⑧采用工业以太网协议; ⑨优化网络拓扑结构。分析上述各项改善措施的实施机制和特点可以得出结论: 第①、⑥、⑦、⑨项措施主要是针对变电站的通信网络而言的; 第⑤项是针对变电站中的 IED 设备类节点而言的，用来避免故障录波等数据传送对网络实时性的影响; 此外第①项还可用来区分报文的重要性，同时提高传输的实时性及可靠性。 其他项不具有广泛的通用性和兼容性，暂不适用于基于 IEC61850 的通信网络。
5 结 论
智能变电站中的数据和控制指令的绝大部分都是通过网络发送的，因此，稳定、可靠的通信网络是保证变电站的高效运行的前提。为了避免变电站过程层信息的增加所造成的网络拥塞，全双工以太网交换，根据不同的时间，不同的VLAN子网的功能划分，以及消息传输优先级标签为基础的网络是最佳的方案。该方案可以有效地减少了数据传输过程中的冲突的概率，提高了系统的实时性和可靠性，同时变电站通信网络不需要在终端设备太多的变化，并与标准的以太网兼容，是对传统的以太网技术的创新，为变电站通信网络进行了更合理的规划设计。
参考文献
［1］殷志良，刘万顺，杨奇逊，等．基于IEC 61850 标准的过程总线通信研究与实现［J］，中国电机工程学报，2005，25(8) ：84-89．
［2］彭瑜．工业以太网及以太网向现场层延伸的若干问题思考［J］． 自动化博览，2004，(1) ：10 -18．
关键词：IED; IEC61850; 通信网络; 智能变电站
中图分类号：TM63 文献标识码：A
随着变电站综合自动化技术和网络通信技术的发展，变电站设备之间的通信将是数字化变电站系统的全面实现。配置将更加灵活，功能扩展会更方便。然而，各种智能电子设备（IED）提供的数据格式，结果导致了大量的“信息孤岛”。这不仅造成软件和硬件系统的重复建设，但同时也增加了系统的运行和维护成本。从另一个角度来看，系统的复杂性使得网络连接和信息交换更困难。这就需要建立一个统一的、标准的、开放的，能够满足各站之间的互连设备沟通的平台。因此，研究和实践基于IEC 61850标准的变电站通信网络对合理应用现有设备，开发新设备都具有重要的现实意义。
1 IEC61850 的介绍
IEC61850 是国际电工委员会 TC57 工作组制定的《变电站通信网络和系统》新的国际标准，其目标是实现不同厂家IED 之間的互操作。IEC61850 标准制定了变电站内部通信网络与系统。由十大部分，十四个分册组成，规范了数据的命名、定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口。
基于 IEC61850 的变电站通信网络主要有以下特点：
1) 三层结构网络协议划分，完成了控制、监视和继电保护三大功能;
2) 采用面向对象的建模技术，定义了基于客户/服务器结构数据模型;
3) 完善的自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明;
4) 采用抽象通信服务接口 ACSI，从而网络独立;
5) 智能化的一次设备的应用;
6) 采用 XML 配置技术作为配置描述语言信息的交换格式等。
2 变电站信息模型的构建
信息模型是 IEC61850 的核心，它将实际的自动化功能虚拟成抽象的通信服务。在 IEC61850 定义的各类信息模型里，采样值传输模型和通用变电站事件模型( GSE) 是最为重要的两类模型。
2. 1 采样值传输模型
采样值与采样频率直接相关，故采样值传输模型的主要影响因素是时间约束条件。 该模型通过采用有组织的时间控制方式完成对数据报文的采取，因此这类模型在使用中的抖动最小，受影响最小，能够保持高保真的样本值，采样的次数和顺序也比较恒定。
2. 2 通用变电站事件模型(GSE)
GSE 模型基于分层分布的理论，通过多播或组播服务向几个不同的物理设备发送相同的变电站事件信息。该模型可以快速、可靠地传输那些实时性要求高的事件。GSE 模型规定了2个控制类及与之相对应的2类报文，即面向通用对象变电站事件( GOOSE) 和通用变电站的状态事件( GSSE) 。
1) GOOSE 模型。 该模型的传送机制不是基于TCP/IP 协议的，而是对等传送方式( peer to peer) ，使用物理网卡地址(MAC地址)。工程中 I/O 的网络接口被设计成 1 个网络地址（组播地址），GOOSE 报文直接发送到该网络地址． 通过支持优先级控制的以太网交换机，优先级高的报文可抢先到达目标地址，这从根本上改变了变电站监控系统的实时性。 当装置刚被激活时(合上电源和重新服务) ，将用初始的 GOOSE报文发送当前状态。即使没有发生状态变化，装置仍连续循环地发送报文，从而保证全部已激活的装置知道它们对等设备的当前状态。
GSSE 模型。该模型和GOOSE 模型相似，上面描述的基本概念也适用于GSSE 模型，主要区别是信息交换的种类不同。 GOOSE可灵活地规定交换的是哪种信息，而 GSSE 仅提供状态信息简表。
3 智能变电站通信网络
3. 1 光纤以太网技术
在现代的变电站通信网络中，比较典型的通信方式有: 采用传统的 RS -232/485 实现低速总线网络、采用现场总线技术实现中等速度的连接网络、采用局域网络技术实现高速的通信网络以及利用以太网组网的通信体系等。其中光纤以太网技术是更能满足变电站通信要求的一种通信技术。以太网以其丰富的拓扑结构(总线型、环形和星型)、高度灵活性，相对简单，易于实现的特点受到越来越多的欢迎，特别是快速和交换式以太网的出现更是提高了以太网的性能。而光纤的通信容量大、中继距离长、信号干扰小、抗电磁干扰、适应性强、寿命长的等优点得到更多的关注。
3. 2 网络拓扑结构和组网方式
根据前面所述结合IEC61850 对变电站通信结构体系的划分，可以得出整个变电站通信网络的结构图，如图1所示。整个变电站的通信网络由变电站层网络和过程层网络构成。两个通信网络层在业务和功能上不同，受到技术条件的限制，加之过程层对实时性和安全性的要求更加严格，所以两层之间是物理分离。在具体的应用中一般综合采用网络冗余技术，即双网同时运行，互为备用。两层之间的信息通信则需要 10M 级以上的高速双网以太网构建连接。
图 1 变电站通信网络结构
1) 网络拓扑结构。变电站层网络的结构和功能的实现与传统的变电站计算机监控系统网络基本相似，全站信息的汇总功能可依靠 MMS/GOOSE网络来实现。而在具体的网络拓扑结构选取的时候，主要环形和星形拓扑结构，总线型扑结构由于其可靠性较差很少采用。而环形和星形拓扑结构相比，环形网络可用率较高( 单故障时两者均不损失功能，少数的复故障环形网络可以保留更多的设备通信) ，但是支持环网的交换机与普通星形交换机相比，没有价格优势。根据目前国内多年技术经验的积累，综合电压等级和性价比等因素综合考虑，装置普遍具有 2 ～3 个独立以太网口，即双环形和双星形拓扑结构。
2) GOOSE 网络的组网方式。国内 GOOSE 信息传输网络的组网方式主要有两种，一种是间隔内采用点对点方式，跨间隔(如: 主变、母差、录波等)采用星形以太网组网方式; 另一种是全站 GOOSE网络均采用星形以太网方式组网。两种方案现在均有采用。
4 网络的实时性改进措施
网络的实时性由网络带宽、介质访问控制方法、优先级策略以及网络结构等因素共同决定。为了满足变电站通信网络的实时性要求，应该尽量避免数据的冲突，保证实时数据的优先传输。主要有以下几种方法: ①采用基于虚拟局域网(VLAN) 的节点划分及优先级标签; ②改进介质访问控制方法; ③实时调度协议; ④采用质量服务( Quality of Service，QoS) 机制; ⑤采用传输整形、通信平滑和实时控制层等节点传输控制措施; ⑥简化协议栈; ⑦建立实时通信模型; ⑧采用工业以太网协议; ⑨优化网络拓扑结构。分析上述各项改善措施的实施机制和特点可以得出结论: 第①、⑥、⑦、⑨项措施主要是针对变电站的通信网络而言的; 第⑤项是针对变电站中的 IED 设备类节点而言的，用来避免故障录波等数据传送对网络实时性的影响; 此外第①项还可用来区分报文的重要性，同时提高传输的实时性及可靠性。 其他项不具有广泛的通用性和兼容性，暂不适用于基于 IEC61850 的通信网络。
5 结 论
智能变电站中的数据和控制指令的绝大部分都是通过网络发送的，因此，稳定、可靠的通信网络是保证变电站的高效运行的前提。为了避免变电站过程层信息的增加所造成的网络拥塞，全双工以太网交换，根据不同的时间，不同的VLAN子网的功能划分，以及消息传输优先级标签为基础的网络是最佳的方案。该方案可以有效地减少了数据传输过程中的冲突的概率，提高了系统的实时性和可靠性，同时变电站通信网络不需要在终端设备太多的变化，并与标准的以太网兼容，是对传统的以太网技术的创新，为变电站通信网络进行了更合理的规划设计。
参考文献
［1］殷志良，刘万顺，杨奇逊，等．基于IEC 61850 标准的过程总线通信研究与实现［J］，中国电机工程学报，2005，25(8) ：84-89．
［2］彭瑜．工业以太网及以太网向现场层延伸的若干问题思考［J］． 自动化博览，2004，(1) ：10 -18．