IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)及應(yīng)用研究

　　IEC 61850 是國際電工委員會(huì)負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)控制及其通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的第57 技術(shù)委員會(huì)( IEC TC57)制定的關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)， 目的是使變電站內(nèi)不同廠家的智能電子設(shè)備( IED) 之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)互操作和信息共享，實(shí)現(xiàn) 一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　在制定IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的過程中， 美、德、荷蘭等國都建有示范工程， 而應(yīng)用IEC 61850 的數(shù)字化變電站技術(shù)是我國十一五重點(diǎn)研究課題， 目的在標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品研發(fā)方面追趕國際先進(jìn)水平。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的正在我國電力系統(tǒng)普及發(fā)展， 而符合IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的開發(fā)， 需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的深刻理解與掌握， 本文對(duì)IEC61850 的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究與討論。

　　1 IEC 61850 的內(nèi)涵分析

　　1. 1 IEC61850 技術(shù)特點(diǎn)分析

　　IEC 61850 規(guī)約體系完善， 相對(duì)于基于報(bào)文結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)規(guī)約， 應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的IEC 61850 有明顯的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢。

　　( 1)系統(tǒng)分層技術(shù): IEC 61850 明確了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu): 變電站層、間隔層和過程層以及各層之間的接口意義。將由一次設(shè)備組成的過程層納入統(tǒng)一結(jié)構(gòu)中， 這是基于一次設(shè)備如傳感器、執(zhí)行器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 。

　　( 2) 面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù): 為了實(shí)現(xiàn)互操作性， IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)， 建立統(tǒng)一的設(shè)備和系統(tǒng)模型， 采用基于XML 的SCL 變電站設(shè)備通信配置語言來全面的描述設(shè)備和系統(tǒng)， 提出設(shè)備必須具有自描述功能。自描述、自診斷和即插即用的特性， 極大方便了系統(tǒng)的集成， 降低了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。

　　( 3) 抽象服務(wù)通信接口技術(shù): IEC 61850 為實(shí)現(xiàn)無縫的通信網(wǎng)絡(luò)， 提出抽象通信服務(wù)接口( ACSI) [ 4] ， 接口技術(shù)獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議， 與采用何種網(wǎng)絡(luò)無關(guān)， 可充分適應(yīng)TCP/ IP 以及現(xiàn)場總線等各類通信體系， 而且客戶只需改動(dòng)特定通信服務(wù)映射( SCSM) ， 即可完成網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換， 從而適應(yīng)了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。

　　1. 2 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)內(nèi)涵

　　作為下一代變電站的無縫通信標(biāo)準(zhǔn)， IEC 61850 充分借鑒了變電站通信、計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制等領(lǐng)域的長期經(jīng)驗(yàn)[ 5] 。在IEC 61850 鮮明技術(shù)特點(diǎn)的背后， 是IEC61850 與以往變電站通信標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)性差別， 而理解IEC 61850 的本質(zhì)是應(yīng)用IEC 61850 的基礎(chǔ)。

　　IEC 61850 是變電站自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)， 通信標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙方快速準(zhǔn)確的理解相互傳達(dá)與接收到的邏輯信息命令， 并正確執(zhí)行命令。由于各設(shè)備生產(chǎn)商生產(chǎn)的智能電子設(shè)備， 可能采用不同的芯片、不同的硬件架構(gòu)、不同的嵌入式系統(tǒng)， 它們組成了一個(gè)復(fù)雜的異構(gòu)環(huán)境系統(tǒng)， 所以變電站中設(shè)備之間的通信是一個(gè)復(fù)雜的分布式信息交互問題。變電站設(shè)備要實(shí)現(xiàn)互操作實(shí)際就是解決如何在異構(gòu)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的問題。

　　IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)制定的思路與以往IEC 60870 等標(biāo)準(zhǔn)在解決信息表達(dá)與傳輸問題方面相比上存在著根本的區(qū)別， 主要是借鑒了近些年來計(jì)算機(jī)解決異構(gòu)環(huán)境領(lǐng)域的常用的ASN. 1， XML 等技術(shù)來解決變電站中的信息交互問題， 因此IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)可以理解為是解決變電站中異構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)交換問題的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案。

　　IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)充分綜合了ASN. 1 與XML 兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢， 利用A SN. 1 的二進(jìn)制編碼信息傳輸效率優(yōu)勢， 用它作為主要的實(shí)時(shí)信息交互通信方式， 利用XML 直觀與帶自描述特性在XML 1. 0 版本的基礎(chǔ)上推出了變電站配置語言SCL， 用于描述變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與智能電子設(shè)備的能力及定義通信參數(shù)等。如圖1 所示。W2G 組織提出了要將MMS 映射到XML，采用XML 技術(shù)來代替MMS 協(xié)議中的ASN. 1 編碼，所以ASN. 1 與XML 兩者正在不斷的相互借鑒發(fā)展。

圖1 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中的異構(gòu)信息集成技術(shù)

　　2 IEC 61850 中XML 配置的運(yùn)用

　　2. 1 基于XML 的變電站配置

　　變電站配置描述語言( SubSTat io n CONf igurat ionDescript. ion Lang uage， SCL) 是IEC 61850 規(guī)定的基于XML 1. 0， 利用其自描述特性主要用于智能電子裝置能力描述和變電站系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述的語言。IEC 61850..6 部分規(guī)范了SCL 語言規(guī)范了裝置所含有的邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集、報(bào)告控制塊、站內(nèi)連接方式、I P 地址等通信配置等。由于XML 技術(shù)已經(jīng)受到眾多軟件集成商如微軟、IBM， SU N 等的支持， 開發(fā)人員可以方便的處理XML 文檔， 對(duì)XML 的處理獨(dú)立于操作系統(tǒng)平臺(tái)、編程語言等等。因此采用SCL 語言描述以后使得變電站系統(tǒng)集成變得更為簡單， 各廠商一致采用IEC 61850..6 與IEC 61850..7 對(duì)變電站的抽象模型框架提供的IED 就可以通過各自的IED 配置工具和系統(tǒng)配置工具通過對(duì)XML 文檔的解析、讀取數(shù)據(jù)， 進(jìn)行配置信息的交互。各廠商對(duì)配置文件實(shí)現(xiàn)解析與處理過程可能不同， 但采用了相同的變電站描述結(jié)構(gòu)和相同的參數(shù)， 最終就能相互理解， 這是IEC 61850 互操作性體現(xiàn)之一。

　　圖2 為一個(gè)變電站系統(tǒng)配置的最基本描述情況，SCL 至少有以下幾個(gè)元素， Header， Substat io n， Communicat ion， IED， DataT ypeT emplates。Header 元素定義了SCL 配置文件的修改歷史記錄版本號(hào)、修改的時(shí)間、修改的原因、何人最終修改等
。

圖2系統(tǒng)配置文件的基本結(jié)構(gòu)圖。

　　2. 2 變電站配置的流程與技術(shù)

　　配置的主要流程如圖3 所示， 配置的過程主要分為四步， 首先是廠家提供的IED 配置器工具將產(chǎn)生IED設(shè)備的ICD 能力描述文件， 然后傳遞到系統(tǒng)的子站端，根據(jù)系統(tǒng)的集成規(guī)范SSD 以及系統(tǒng)端的配置器， 生成系統(tǒng)端的描述文件SCD， 再將SCD 發(fā)送回IED 的配置器， 最終獲得IED 的配置文件CID。配置文件主要包含如何進(jìn)行通信， 在系統(tǒng)所處的位置的描述， 相關(guān)的鏈接通信節(jié)點(diǎn)， 以及報(bào)告節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集設(shè)置等相關(guān)約定， 同時(shí)ACSI 到MMS 映射的實(shí)現(xiàn)、MMS 通信服務(wù)過程中需要借助CID 配置文件， 解析出其中相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息作為參數(shù)， 比如GOOSE 報(bào)文的接收端MAC 地址。

圖3 配置流程圖。

　　通過采用XML 的配置可以實(shí)現(xiàn)裝置的功能自動(dòng)組合， 裝置內(nèi)的程序可以通過直接修改配置文件而動(dòng)態(tài)的改變裝置所具有的功能， 比如修改邏輯節(jié)點(diǎn)或者數(shù)據(jù)集等， 從而實(shí)現(xiàn)裝置側(cè)的程序通用， 對(duì)于廠家而言， 可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的通信程序， 然后根據(jù)具體特定裝置功能需求， 設(shè)計(jì)配置不同的XML 文件即可實(shí)現(xiàn)不同裝置的通信。最理想的IEC 61850 通信程序( 見圖4) 的明顯優(yōu)勢在于: 程序一次編譯完成， 可以只需要簡單的修改配置文件就可以應(yīng)用到各個(gè)裝置設(shè)備中， 綜合自動(dòng)化后臺(tái)通過讀取裝置配置文件就可以自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)裝置接入與生成。

圖4理想的IEC 61850 通信程序。

　　3 IEC 61850 應(yīng)用安全問題

　　IEC 61850 的應(yīng)用依賴于一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　因此， 當(dāng)前電力系統(tǒng)在解決了信息異構(gòu)集成問題后， 突出面臨的一個(gè)問題就是如何構(gòu)造一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)， WG15 已經(jīng)開始專注于電力數(shù)據(jù)和通信安全領(lǐng)域， 來保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

　　電力系統(tǒng)安全防護(hù)重點(diǎn)在控制系統(tǒng)， IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)在變電站分層中提出了過程層， 并在這一層也采用以太網(wǎng)通信完全替代原來傳統(tǒng)的硬接線方式。

　　由于在過程層中諸如跳閘的GOOSE 報(bào)文要求在4 ms內(nèi)到達(dá)通信接收的另一端， 與以太網(wǎng)在變電站層和間隔層相比需要保障更高的安全可靠性， 因此， 如何保障變電站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)的安全性問題比以往顯得更為突出和重要。從應(yīng)用安全的角度出發(fā)， 基于IEC 61850 的變電站通信系統(tǒng)應(yīng)具備以下防御措施:

　　( 1) 采用V PN 技術(shù)解決端到端的數(shù)據(jù)安全問題。

　　主要采用隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)、使用者與設(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)等四項(xiàng)技術(shù)來保證安全。通過安全策略和安全規(guī)則的制定， 把網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的安全區(qū)域， 控制VPN 通道內(nèi)不同的安全區(qū)域之間的訪問， 可以進(jìn)一步減少了內(nèi)部竊聽的風(fēng)險(xiǎn)和不安全因素， 使網(wǎng)絡(luò)的安全性得到進(jìn)一步的提升。

　　( 2) 采用SSL/ TLS 加密技術(shù)， 對(duì)變電站通信系統(tǒng)中面向連接通信機(jī)制的服務(wù)器，連接進(jìn)行授權(quán)驗(yàn)證， 在對(duì)象建模中對(duì)不同用戶加入訪問權(quán)限限制， 并報(bào)告試圖進(jìn)行未授權(quán)下的訪問操作。

　　( 3) 采用SNMP( 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議) 來管理變電站通信網(wǎng)絡(luò)， 定期建立數(shù)據(jù)備份與實(shí)施冗余機(jī)制。

　　( 4) 建立入侵監(jiān)測防御措施， 建立控制中心安全策略應(yīng)對(duì)措施， 基于IEC 61850 的變電站通信系統(tǒng)控制中心應(yīng)采取多層安全機(jī)制保證， 當(dāng)受到攻擊時(shí)可以降低使用情況而不至于系統(tǒng)癱瘓。

　　除了以上從技術(shù)的角度應(yīng)對(duì)電網(wǎng)安全問題外， 還應(yīng)注意人員的管理與安全意識(shí)、工程施工等與電網(wǎng)安全運(yùn)行密切相關(guān)的因素。

　　4 結(jié) 語

　　IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)作為未來國際變電站的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在逐步走向成熟。本文為了IEC 61850 具體應(yīng)用中IED 設(shè)備開發(fā)的目的， 對(duì)IEC 61850 的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)， 首次提出IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)異構(gòu)信息進(jìn)行集成的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵， 應(yīng)用XML 技術(shù)具體對(duì)IEC 61850 中變電站的配置進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)， 包括系統(tǒng)配置文件的結(jié)構(gòu)、配置的流程， 得到了理想的IEC 61850 通信程序模型; 針對(duì)應(yīng)用IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)電力網(wǎng)絡(luò)通信的安全問題提出了建議和策略。研究為開發(fā)符合IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信系統(tǒng)提供了依據(jù)。在中高壓綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中， IEC 61850 的性能與優(yōu)勢能得到更多的體現(xiàn)。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)可以有效地解決變電站內(nèi)設(shè)備的互操作問題， 作為一致公推的變電站標(biāo)準(zhǔn)必將給變電站自動(dòng)化系統(tǒng)帶來深遠(yuǎn)的影響。