[网络]基于工业以太网技术的IEC 61850协议应用分析

发布于 2010-01-31 12:25:36 浏览：4391 订阅该版

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### 摘 要
基于工业以太网技术分析，本文阐述了IEC 61850协议的工作原理、建模方法和报文性能需求，介绍了在工业以太网中应用IEC 61850标准的通信机制，探讨了在变电站自动化系统中引入RTPS模型的设计方法。

关键词：IEC61850; 以太网; RTPS

## 1 引言

变电站自动化系统功能的扩展和规模的扩大加速了工业以太网技术在电力通信中的应用。基于TCP/IP技术改造后的工业以太网技术具有的实时性、稳定性、通用性和开放性的特点和高传输率、大容量的优势是Lon Works现场总线和CAN总线技术无法比拟的。变电站自动化系统功能的扩展和规模的扩大以及变电站自动化技术向高压、超高压变电站系统发展的趋势大大加速了工业以太网技术在电力通信中的应用。IEC 61850协议是国际电工委员会提出的未来变电站自动化系统唯一的通信标准体系，它在工业以太网技术中的应用研究将对变电站自动化水平的进一步提高产生深远意义。

## 2 基于TCP/IP协议的工业以太网技术分析

### 2.1 物理层和数据链路层

以太网在技术和市场上已处于主流地位，而且随着快速以太网、G比特以太网技术的逐步成熟，对变电站自动化系统应用而言，网络带宽已不再是制约因素，由冲撞引起的传输延时随机性问题已淡化[1]。工业以太网是基于IEEE 802.3标准的交换式局域网，它使用CAMA/CD协议作为介质访问控制MAC 和物理层的规范。数据传输具有“先侦听、后检测、最后随机重发”的特点，于是曾有观点认为因以太网对“实时”信息传输造成延迟的随机性无法预测，不能满足实时系统的需要。为此，美国电力科学院（EPRI）对以太网和12M令牌传递Profibus网络做了性能比较测试，研究结果表明l0M交换式以太网完全能够满足变电站自动化系统网络通信 “实时”性的要求，并且快于12M令牌传递Profibus网络。

### 2.2 网络层和传输层

选择事实标准的TCP/IP协议作为站内智能电子设备（IED Intelligent Equipment Device）的高层接口，使站内 IED的数据收发都能以TCP/IP方式进行，以标准的数据访问方式保证站内IED具有良好的互操作性。这样，监控主站或远方调度中心采用 TCP/IP 协议就可以通过广域网，甚至Internet获得变电站内的数据。

## 3 IEC 61850的工作原理

### 3.1 IEC 61850协议的优点

IEC 61850协议是未来无缝远动通信体系的基础，更是未来变电站自动化系统的唯一国际标准，具有突出的优点：（1）使用面向对象的UML统一建模技术;（2）采用分布、分层的结构体系;（3）使用抽象通信服务接口（ACSI Abstract Communication Service Interface）和特殊通信服务映射 SCSM（Specific Communication Service Mapping）技术，把通信服务要求和具体的通信协议分离开，有利于适应通信技术的不断发展;（4）抽象建模与具体实现的独立性，服务与通信网络独立，适用于TCP.和OSI等多种传送协议;（5）可以实现智能电子设备间的互操作性;（6）基于XML技术实现变电站配置描述语言 SCL （Substation Configuration description Language）;（7）数据和服务具有自描述性，便于系统的扩展。

### 3.2 工作原理

IEC 61850基于客户/服务器模式工作。将实际设备按照IEC 61850标准建模为数据对象和服务，以ACSI体现出来。客户端发出服务请求，接收已在服务器中处理过的服务确认;客户端也可从服务器接收报告，全部服务请求和响应由通信协议栈进行通信[2]。工作原理框图见图1
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图1 应用层信息交互原理框图

IEC 61850在设备间交换信息有两种机制：推入机制和查询机制。设定值或操作采用“推入机制”，在增强模型的情况下采用事件主动报告方式，用名字从一个或多个数据中选择“读”值。通信系统提供手段防止在网络内的单个计算机和任何设备连接以及观察和修改任何设备的全部信息。有多种访问方式限制设备或设备特定数据的“可视性”，操作员不得改变特定的设置。

### 3.3 基于IEC 61850协议的数据和服务建模

IEC 61850标准采用面向对象建模技术基于客户/服务器结构数据模型对变电站内各IED建模[3]。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。逻辑节点是一个由数据和方法组成的对象，是一最小可被调用的子功能，是同其它特殊的逻辑实体相互交换数据的最小逻辑实体。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信角度而言IED同时也扮演客户端的角色，任何一个客户端可通过 ACSI和服务器通信可访问数据对象，如图2所示。

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图2 数据模型分层结构

ACSI提供了系统数据对象和服务对象，实现了数据和服务独立的建模方式，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。客户端通过ACSI，由专用通信服务映射SCSM映射到所采用的具体通信协议栈，如制造报文规范（MMS Manufacturing Message Specification）等，较好地解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发生变化时只需改动SCSM。

## 4 IEC 61850报文性能要求

PICOM （Piece of Information for Communication）是对在2个逻辑节点之间通过确定的逻辑路径进行传输，且带有确定的通信属性的交换数据的描述[4]。PICOM可分为7种报文类型，它们的属性范围由性能级构成 。

总传输时间，即为报文的全部传输时间，包括两端所需的处理时间。由发送端将数据内容放到传输栈顶部的瞬间开始计数，直到接收端由传输栈取出数据的瞬间为止。

快速报文：这类报文典型地包含数据、命令或单一报文的简单二进制代码。例如，“跳 闸”、“合闸”，重合命令，“启动”、“停止”、“闭锁”和“解锁”等。其中“跳闸”是最重要的快速报文，对性能级Pl，总传输时间应为半个周期序列，定为10ms;对性能级P2/3，

总传输时间应小于1/4周期序列，定为3ms。，其它快速报文对性能级P1，总传输时间应小于或等于100ms;对性能级P2/3，总传输 时间应为 1个周期，定为20ms。

中速报文：发生时间重要，但传输时间却无关紧要。这类报文有自己的时钟，含有发送机设定的时标，接收机将在一定的内部时间延迟后正常反应，然后按时标给出的时间来进行计算，总传输时间应小于100ms。通常的状态信息属于此类报文。

低速报文：可能需要时间标志，一般用于低速自动控制、事件记录传输、读写设定值和系统数据描述等。总传输时间应小于500ms。

生数据报文：如数字式变送器和数字式仪用互感器的输出数据。它包括IED输出的连续同步数据流，并交叉有其它IED的数据。总传输时间控制在10ms 内。

文件传输报文：此类报文用来传输大型记录数据文件，一般应分为有限长度的报文块，以便网络传输和使用。文件类型PICOM一般大于或等于 512bit，传输时间没有规定限制一般要求大于或等于1000ms。

时间同步报文：同步于IED的内部时钟，按照用途如事件时间标记或生数据的采样精度等需要不同级的时间同步。

具有访问控制的命令报文：此命令可由当地或远方的人机会话借口HMI发出，需要较高的安全性，必须带有口令和查证过程。

## 5 RTPS 模型设计

Publisher/Subscriber模型是一种网络数据分布式模型，现已经在分布式系统中得到了广泛应用，如Web数据发布、网络管理等，具有信息与设备地址无关、点对多点传输和事件驱动传输的特点[5]。实时分布式控制系统对数据的传输时间有一个定量的要求，即所传数据必须在规定的时间内传送到目的地，否则就会造成系统出错和功能失败.另外，无连接模式可靠性不强，有必要在数据流中引入控制机制，以确保数据可靠传输.RTPS模型（实时 Publisher/Subscriber模型）由此产生，见图3。

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图3 RTPS模型

RTPS模型运行在支持多线程优先级处理的实时操作系统下。Publisher输出端引入｛SqNum，hTime，RtNum｝三个参数，分别表示数据序列号、数据存活时间和重传计数器;Subscriber输入端引入超时时间TimeOut和数据序列号检验。Publisher发布信息后信息重传间隔时间为t=4+（1，n）R-1 2≤n≤9。式中R为重传次数。按递减频率重发数据，直到时间t大于hTime，同时，Subscriber按顺序接收缓冲区的数据，如果发现数据序列号混乱或出错，则立即启动查询功能，并向Publisher端查询未收到的数据序列，并返回响应。

具体设计RTPS模型时必须注意以下几点：

* （1）利用多线程机制处理好线程优先级和共享数据的访问，提高系统本身的性能和服务的实时响应性能;

* （2）合理设计和管理缓冲区结构，实现输入和输出流缓冲区的两个缓冲通道并行运作且互不影响;

* （3）根据系统要求和实际内存大小合理分配记录缓冲区空间;

* （4）科学设计事件驱动模块，实现及时有效地收集和发布数据;

* （5）不断优化模型设计，实现内存、CPU资源的最佳利用。

## 6 结束语：

工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，我们应充分利用信息网络新老技术完善以太网的功能。IEC61850是变电站自动化通信网络协议应用研究的主要方向，它在工业以太网中的深入应用研究必将大大推动以太网技术的发展。

### 参考文献：

* [1] 吴在军,胡敏强. 基于IEC 61850标准的变电站自动化系统研究. 电网技术[J]. 2003（10）.
* [2] 茹锋,夏成军,许扬. IEC 61850标准在变电站自动化系统中的应用探讨[J]. 江苏电机工程.2004（3）.
* [3] 全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会. IEC 61850变电站通信网络和系统系列标准（译文汇编）. 2002年11月.
* [4] 徐立子. IEC 61850对变电站自动化系统报文性能的要求. 电网技术[J], 2002（11）.
* [5] 孙军平,盛万兴,王孙安. 基于以太网的实时发布者/订阅者模型研究与实现[J]. 西安交通大学学报. 2002（12）.

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