摘  要： 針對廣域保護(hù)系統(tǒng)對信息交換類型和交換方式的不同要求，討論了基于IEC61850的廣域保護(hù)系統(tǒng)通信服務(wù)模型，主要解決通信一致性和不同裝置之間的互操作性問題，并從上層確保數(shù)據(jù)通信延時和可靠性滿足廣域保護(hù)系統(tǒng)的要求。介紹了通用變電站事件GSE的報文結(jié)構(gòu)和通信機(jī)制，提出用GSE中的GSSE傳輸狀態(tài)量信號、用采樣測量值傳輸類模型傳輸模擬量的觀點(diǎn)和一般方法。
關(guān)鍵詞： 廣域保護(hù)系統(tǒng)；IEC61850；通信；服務(wù)模型

    近幾年來，廣域保護(hù)系統(tǒng)逐漸成為新的研究方向和熱點(diǎn)。盡管目前國內(nèi)外許多學(xué)者對廣域保護(hù)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)等問題存在不同的理解，但有一點(diǎn)是一致的，那就是需要借助通信系統(tǒng)獲取電網(wǎng)的廣域信息。根據(jù)廣域保護(hù)系統(tǒng)所完成功能的不同，對通信系統(tǒng)性能的要求也不一樣，例如，除對動作延時和可靠性有嚴(yán)格要求的繼電保護(hù)功能和控制功能外，對通信系統(tǒng)的快速性和可靠性也有嚴(yán)格的要求，而對動作延時要求稍低的某些控制功能，相應(yīng)的對通信系統(tǒng)要求也稍低。這樣就需要構(gòu)建一套能滿足各種功能要求的通信系統(tǒng)為各種信息的交換提供平臺。這里所說的通信系統(tǒng)不僅指物理上可見的通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，還包括該網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)所能提供的通信服務(wù)等上層內(nèi)容。但是，在目前的電力通信系統(tǒng)中還沒有一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換模型，并且所使用的大部分通信規(guī)約在快速性和可靠性方面往往也難以滿足更高的要求。在通信層也采用一般的點(diǎn)到點(diǎn)通信模式和傳統(tǒng)的局域網(wǎng)通信技術(shù)，無法保證廣域同步信息傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃浴?br />     本文對基于IEC61850(變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn))的廣域保護(hù)系統(tǒng)通信服務(wù)模型進(jìn)行分析和研究，研究了變電站通用事件GSE(Generic Substation Event)的報文結(jié)構(gòu)、信息交換方式、提供的服務(wù)模型等內(nèi)容，重點(diǎn)研究利用GSE中的通用變電站狀態(tài)事件GSSE(Generic Substation Status Event)傳輸狀態(tài)量信號，利用采樣測量值傳輸模型、傳輸模擬量采樣信號的方法。
1 通用變電站事件GSE
    對于廣域保護(hù)系統(tǒng)來說，無論是同一廠家、型號相同的裝置，還是不同廠家，型號不同的裝置，IED之間能夠快速可靠地交換信息，既要滿足應(yīng)用數(shù)據(jù)的互用性要求，又要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃?。這就需要建立一種高效、通用的數(shù)據(jù)對象模型，并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的語義定義。在IEC61850中定義了一種數(shù)據(jù)通信模型，稱為通用變電站事件GSE。該模型基于自動分布的概念，提供了在全系統(tǒng)范圍內(nèi)快速可靠地傳輸輸入輸出數(shù)據(jù)值的功能。這種模型完全支持TCP(UDP)/IP協(xié)議，支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)通信，并采用了組播(Multicast)技術(shù)，便于向多個物理設(shè)備同時傳輸一個GSE信息。此外，IEC61850還對GSE報文的通信性能要求進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，從上層確保了用于IED之間的工業(yè)級信號的傳輸延時不超過4 ms，這些標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到廣域保護(hù)系統(tǒng)對通信性能的技術(shù)要求[1-2]。
    根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)的不同，GSE又分為兩種不同的控制類和報文結(jié)構(gòu)。一種是面向變電站事件的通用對象GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)，它支持由數(shù)據(jù)集(DATA-SET)組織的公共數(shù)據(jù)的交換。另一種是通用變電站狀態(tài)事件GSSE，它用于傳輸狀態(tài)變位信息(雙比特)。GSE用于數(shù)據(jù)屬性(Data Attribute)集合值的交換，在IEC61850中對數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)集都有標(biāo)準(zhǔn)的語義和語法的定義，對GOOSE/GSSE報文也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的定義。IED根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)定義構(gòu)建數(shù)據(jù)對象，并采用標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE/GSSE報文傳輸數(shù)據(jù)對象，就可以達(dá)到不同IED之間應(yīng)用數(shù)據(jù)的互用性，并從上層對通信質(zhì)量提供保證[3-4]。
    IEC61850不是通信協(xié)議，也不對通信協(xié)議中的細(xì)節(jié)進(jìn)行定義，它只是一種體系標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立于具體的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。IEC61850定義了通信數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)模型等上層內(nèi)容，它是一個框架而不是具體的內(nèi)容，用戶可以根據(jù)需要定義、擴(kuò)展具體的內(nèi)容。
    圖1是GSE報文的結(jié)構(gòu)，它只列出了報文的基本構(gòu)成而不對報文的具體內(nèi)容進(jìn)行定義。不同原理的保護(hù)可以根據(jù)不同的功能需要對數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行定義和擴(kuò)展，定義和擴(kuò)展的方法要按照IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使不同保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)可以相互理解。

    GSE報文有如下的特點(diǎn)：
    (1)在GSE報文中必須包含一些信息以便讓接收裝置知道報文已經(jīng)丟失、數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化以及上次數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化的時間。
    (2)一個新激活的設(shè)備(上電或重新服務(wù))將發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)值當(dāng)作初始GOOSE/GSSE報文。如果數(shù)據(jù)值沒有發(fā)生變化，該設(shè)備將循環(huán)發(fā)送初始報文，這樣可以保證所有激活的設(shè)備知道其對等設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。
    (3)GSE報文采用組播方式發(fā)送，發(fā)送后不返回確認(rèn)信息。但是，如果IED發(fā)送的是一些和繼電保護(hù)相關(guān)的信號(如斷路器跳閘信號、失靈保護(hù)啟動信號等)，它們的重要級別是非常高的，為了保證重要信號傳輸?shù)目煽啃?，只要信息狀態(tài)在維持期間就不斷重復(fù)發(fā)送報文。
2 發(fā)布/訂閱機(jī)制
    GSE信息交換的是采用發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制[5-6]。在這種服務(wù)中，希望獲取數(shù)據(jù)的一方充當(dāng)客戶的角色，提供數(shù)據(jù)的一方充當(dāng)服務(wù)器的角色。同一臺物理設(shè)備既可以是服務(wù)器，也可以是客戶。發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制支持本設(shè)備主動向其他設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，這一特性對繼電保護(hù)功能和快速控制功能十分重要。在發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制中，一旦有數(shù)據(jù)產(chǎn)生即可按照事先確定好的訂閱路徑主動傳送，無需外界的任何干預(yù)，有利于保證通信的快速性。發(fā)布/訂閱模型如圖2所示。

    如果客戶(訂閱者)希望服務(wù)器(發(fā)布者)的數(shù)據(jù)對象中某項(xiàng)數(shù)據(jù)屬性在狀態(tài)變動時得到通知，客戶就可以向服務(wù)器發(fā)出訂閱請求，并附上對要訂閱對象的說明。訂閱可以是基于主題的，也可以是基于內(nèi)容的。服務(wù)器若接受訂閱，則返回確認(rèn)命令并主動傳送對象的當(dāng)前數(shù)據(jù)，以后每當(dāng)訂閱的數(shù)據(jù)對象屬性發(fā)生變動時，服務(wù)器都會主動向訂閱者傳送數(shù)據(jù)。如果客戶在訂閱之后希望取消訂閱，則發(fā)出取消訂閱的請求，服務(wù)器收到后就會停止向客戶傳送數(shù)據(jù)。
    發(fā)布/訂閱機(jī)制尤其適合分布式結(jié)構(gòu)的廣域保護(hù)系統(tǒng)。故障發(fā)生后某些IED的信息需要同時發(fā)送給其他多個相關(guān)IED，也會接收來自其他若干IED的信息，此時IED不僅擔(dān)任著服務(wù)器的角色(發(fā)送數(shù)據(jù))，還充當(dāng)了客戶的角色(接收數(shù)據(jù))，并且數(shù)據(jù)的發(fā)送方式是組播的形式，因此采用發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制是非常適合的。發(fā)送信息的IED發(fā)布客戶(其他IED)所需要的數(shù)據(jù)值，其他任何需要該信息的IED都可以訂閱該信息的GOOSE/GSSE報文。
3 通用對象GOOSE和通用變電站狀態(tài)事件GSSE
3.1面向變電站的通用對象GOOSE
    GOOSE支持由DATA-SET組織的公共數(shù)據(jù)的交換，每次由DATA-SET引用的一個或多個成員值改變，就發(fā)送GOOSE報文。抽象的GOOSE報文格式規(guī)定了包含在GOOSE報文的信息，GOOSE報文結(jié)構(gòu)如表1所示。

    參數(shù)類型依賴IEC61850定義的公共數(shù)據(jù)類，參數(shù)取自GOOSE控制GOOSE作為GSE的一種，也采用發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制交換信息，其通信服務(wù)模型如圖3所示。

    如果發(fā)布方數(shù)據(jù)集中的一個或多個數(shù)據(jù)對象的屬性值發(fā)生變化，由發(fā)布方的“發(fā)布”服務(wù)刷新發(fā)布方緩沖區(qū)，同時將變化的數(shù)據(jù)值寫入發(fā)送側(cè)的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)，并用GOOSE報文傳送這些值，報文的交換采用組播技術(shù)。訂閱方從接收側(cè)的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)讀取該數(shù)據(jù)值。通信網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)映射將刷新訂閱方緩沖區(qū)的內(nèi)容，并將接收的新數(shù)據(jù)通知應(yīng)用。發(fā)布方的GOOSE控制類GoCB(GOOSE-Control-Block)用于控制整個過程。
3.2 通用變電站狀態(tài)事件GSSE
    GSSE只用來傳輸雙比特的狀態(tài)變化信息，某些保護(hù)判斷信息、跳合閘操作信息等都是狀態(tài)量信息。GSSE報文結(jié)構(gòu)如表2所示。

    如同GOOSE一樣，GSSE也采用發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制交換信息，它們的通信服務(wù)模型是類似的，所不同的是，在GOOSE中發(fā)送的是DATA-SET成員值，而在GSSE中發(fā)送的是雙比特的狀態(tài)信息；在GOOSE通信模型中，用GOOSE控制塊類GoCB來控制發(fā)布/訂閱的過程，而在GSSE中用GSSE控制塊類GsCB來控制整個過程。GoCB中的定義和描述同樣適合GsCB。
    在IEC61850中定義的這種通信服務(wù)模型是抽象的，它完全獨(dú)立于具體的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，要想在以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)上采用GSE模型，必須通過特定通信服務(wù)映射SCSM(Specific Communication Service Mapping)將其映射到具體的通信協(xié)議棧中，信息傳輸?shù)目煽啃院屯ㄐ啪唧w延時取決于所采用的特定通信服務(wù)映射SCSM以及具體的通信協(xié)議棧。
4 采樣測量值傳輸類模型[7]
    在廣域保護(hù)系統(tǒng)中，有時需要交換各測量點(diǎn)的模擬量采樣值。GSSE報文交換的是雙比特狀態(tài)位信息，GOOSE則支持由數(shù)據(jù)集(DATA-SET)組織的公共數(shù)據(jù)的交換，理論上可以用來傳輸模擬量采樣值信息。但如果對采樣值的傳輸延時和可靠性有特別的要求，則應(yīng)該與變電站自動化系統(tǒng)中一般測量值的傳輸區(qū)別開來。在IEC61850中專門定義的采樣測量值傳輸類模型提供了以有組織的和時間上受控的方式報告采樣測量值的方法，采樣抖動最小，傳輸時間快并且能夠保持采樣的次數(shù)和順序恒定，適合在極短延時內(nèi)可靠交換采樣信息。
采樣測量值傳輸類模型屬于GOOSE中的一類，因此也用于交換數(shù)據(jù)集(DATA-SET)的值。在IEC61850中定義了多種有關(guān)變電站應(yīng)用的公共數(shù)據(jù)類，主要包括六大類：狀態(tài)信息的公共數(shù)據(jù)類、測量值信息的公共數(shù)據(jù)類、可控狀態(tài)信息的公共數(shù)據(jù)類、可控模擬設(shè)定值信息的公共數(shù)據(jù)類、狀態(tài)定值的公共數(shù)據(jù)類和模擬定值的公共數(shù)據(jù)類。
    其中采樣測量值傳輸類模型采用的是測量值信息的公共數(shù)據(jù)類中的采樣值SAV(IEC61850中第7-4部分)。采樣測量值的交換也是基于發(fā)布/訂閱機(jī)制，發(fā)布方的采樣測量值控制(SVC)用來控制整個過程，這與GOOSE是一致的，通信服務(wù)模型也是一樣的。與交換其他公共數(shù)據(jù)類不同，交換模擬量采樣值還有其自身的特點(diǎn)，主要包括：
    (1)在一個發(fā)布方和一個或多個用戶之間交換采樣測量值有兩種方法：一種是采用多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)Multicast-Application-Association(在通信服務(wù)模型中采用多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)控制塊MsvCB)；另一種方法是采用雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)Two-Party-Application-Association(在通信服務(wù)模型中采用單路采樣測量值控制塊UsvCB)。
雙邊應(yīng)用類模型TPAA(Two-Party-Application-Association)提供了雙向的面向連接的信息交換，應(yīng)用關(guān)聯(lián)是可靠的，信息流是端－端控制的。這里的“可靠”是指應(yīng)用關(guān)聯(lián)的連接依賴于所提供的措施，在適當(dāng)?shù)臅r候報告信息沒有交付的原因；端－端信息流控制是指信息源不會發(fā)送多于目的地可能存儲的信息。雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)類的關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)交換和關(guān)聯(lián)釋放如圖4所示。

    多路廣播(組播)應(yīng)用關(guān)聯(lián)MCAA(Multicast-Application-Association)則提供單方向的信息交換。在一個源(發(fā)布者)和一個或多個目的地(用戶)之間提供了多路數(shù)據(jù)交換。單方向的信息交換為接收方提供了足夠的信息，以便接收方唯一的解釋所交換和要處理的上下文。用戶方能夠檢出接收信息的丟失或重復(fù)，接收方可向它的用戶提示信息的丟失，舍棄重復(fù)的信息。多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)原理如圖5所示。

    廣域保護(hù)系統(tǒng)中IED信息的交換不再是點(diǎn)對點(diǎn)，而是一點(diǎn)對多點(diǎn)，快速的數(shù)據(jù)交換可能不帶確認(rèn)，即單方向進(jìn)行，因此應(yīng)該采用MCAA模型。
    (2)需要規(guī)定系統(tǒng)的采樣頻率，按規(guī)定的采樣率對輸入信號進(jìn)行采樣。在IEC61850中，無論是組播MsvCB類還是單路傳輸U(kuò)svCB類中均定義了參數(shù)“SmpRate”，其屬性值就是用來定義系統(tǒng)采樣速率的。
    (3)廣域保護(hù)系統(tǒng)可能要求對模擬量進(jìn)行同步采樣。在采樣測量值控制(SVC)類中定義了任選參數(shù)(OptFlds)，OptFlds屬性規(guī)定包含在由MsvCB發(fā)出采樣值報文中的任選域，其中一個參數(shù)SmpSynch就是用來說明采樣是否由系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同步。
    (4)GSSE報文發(fā)送的是雙比特狀態(tài)量信息，最多只能表達(dá)四種不同的狀態(tài)(二進(jìn)制00～11)，而采樣測量值傳輸報文要發(fā)送經(jīng)過采樣的模擬量信息。采樣值數(shù)據(jù)為公共數(shù)據(jù)類SAV，IEC61850的7-3部分定義了測量值信息的公共數(shù)據(jù)類規(guī)范以及SAV的具體規(guī)范。
    本文針對廣域保護(hù)系統(tǒng)對信息交換類型和交換方式的不同要求，討論了基于IEC61850的廣域保護(hù)系統(tǒng)通信服務(wù)模型。通信服務(wù)模型和通信網(wǎng)絡(luò)都是通信系統(tǒng)不可缺少的部分，前者主要解決通信一致性和不同裝置之間的互操作性問題，并從上層確保數(shù)據(jù)通信延時和可靠性滿足廣域保護(hù)系統(tǒng)的要求；后者從物理上提供措施確保通信性能滿足要求。介紹了通用變電站事件GSE的報文結(jié)構(gòu)和通信機(jī)制，提出用GSE中的GSSE傳輸狀態(tài)量信號、用采樣測量值傳輸類模型傳輸模擬量的觀點(diǎn)和一般方法。
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