摘  要： 針對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)對(duì)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(wèn)題，并從上層確保數(shù)據(jù)通信延時(shí)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(bào)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(hào)、用采樣測(cè)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(lái)，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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)等問(wèn)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(duì)通信系統(tǒng)性能的要求也不一樣，例如，除對(duì)動(dòng)作延時(shí)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(duì)通信系統(tǒng)的快速性和可靠性也有嚴(yán)格的要求，而對(duì)動(dòng)作延時(shí)要求稍低的某些控制功能，相應(yīng)的對(duì)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(tái)。這里所說(shuō)的通信系統(tǒng)不僅指物理上可見(jiàn)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(méi)有一個(gè)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(wú)法保證廣域同步信息傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃浴?br />     本文對(duì)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(bào)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(hào)，利用采樣測(cè)量值傳輸模型、傳輸模擬量采樣信號(hào)的方法。
1 通用變電站事件GSE
    對(duì)于廣域保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是同一廠家、型號(hào)相同的裝置，還是不同廠家，型號(hào)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)目焖傩院涂煽啃浴＿@就需要建立一種高效、通用的數(shù)據(jù)對(duì)象模型，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)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(dòng)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(gè)物理設(shè)備同時(shí)傳輸一個(gè)GSE信息。此外，IEC61850還對(duì)GSE報(bào)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(jí)信號(hào)的傳輸延時(shí)不超過(guò)4 ms，這些標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到廣域保護(hù)系統(tǒng)對(duì)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(bào)文結(jié)構(gòu)。一種是面向變電站事件的通用對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)集都有標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義和語(yǔ)法的定義，對(duì)GOOSE/GSSE報(bào)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(duì)象，并采用標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE/GSSE報(bào)文傳輸數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)通信質(zhì)量提供保證[3-4]。
    IEC61850不是通信協(xié)議，也不對(duì)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(gè)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(bào)文的結(jié)構(gòu)，它只列出了報(bào)文的基本構(gòu)成而不對(duì)報(bào)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(duì)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(bào)文有如下的特點(diǎn)：
    (1)在GSE報(bào)文中必須包含一些信息以便讓接收裝置知道報(bào)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(shí)間。
    (2)一個(gè)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(bào)文。如果數(shù)據(jù)值沒(méi)有發(fā)生變化，該設(shè)備將循環(huán)發(fā)送初始報(bào)文，這樣可以保證所有激活的設(shè)備知道其對(duì)等設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。
    (3)GSE報(bào)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(hào)(如斷路器跳閘信號(hào)、失靈保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)等)，它們的重要級(jí)別是非常高的，為了保證重要信號(hào)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(bào)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(tái)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(dòng)向其他設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，這一特性對(duì)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(dòng)傳送，無(wú)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(duì)象中某項(xiàng)數(shù)據(jù)屬性在狀態(tài)變動(dòng)時(shí)得到通知，客戶就可以向服務(wù)器發(fā)出訂閱請(qǐng)求，并附上對(duì)要訂閱對(duì)象的說(shuō)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(dòng)傳送對(duì)象的當(dāng)前數(shù)據(jù)，以后每當(dāng)訂閱的數(shù)據(jù)對(duì)象屬性發(fā)生變動(dòng)時(shí)，服務(wù)器都會(huì)主動(dòng)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(qǐng)求，服務(wù)器收到后就會(huì)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(shí)發(fā)送給其他多個(gè)相關(guān)IED，也會(huì)接收來(lái)自其他若干IED的信息，此時(shí)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(bào)文。
3 通用對(duì)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(duì)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(gè)或多個(gè)成員值改變，就發(fā)送GOOSE報(bào)文。抽象的GOOSE報(bào)文格式規(guī)定了包含在GOOSE報(bào)文的信息，GOOSE報(bào)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(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)將變化的數(shù)據(jù)值寫(xiě)入發(fā)送側(cè)的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)，并用GOOSE報(bào)文傳送這些值，報(bào)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(gè)過(guò)程。
3.2 通用變電站狀態(tài)事件GSSE
    GSSE只用來(lái)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(bào)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(lái)控制發(fā)布/訂閱的過(guò)程，而在GSSE中用GSSE控制塊類GsCB來(lái)控制整個(gè)過(guò)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(guò)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(shí)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(cè)量值傳輸類模型[7]
    在廣域保護(hù)系統(tǒng)中，有時(shí)需要交換各測(cè)量點(diǎn)的模擬量采樣值。GSSE報(bào)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(lái)傳輸模擬量采樣值信息。但如果對(duì)采樣值的傳輸延時(shí)和可靠性有特別的要求，則應(yīng)該與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中一般測(cè)量值的傳輸區(qū)別開(kāi)來(lái)。在IEC61850中專門定義的采樣測(cè)量值傳輸類模型提供了以有組織的和時(shí)間上受控的方式報(bào)告采樣測(cè)量值的方法，采樣抖動(dòng)最小，傳輸時(shí)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(shí)內(nèi)可靠交換采樣信息。
采樣測(cè)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(cè)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(cè)量值傳輸類模型采用的是測(cè)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(cè)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(cè)量值控制(SVC)用來(lái)控制整個(gè)過(guò)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(gè)發(fā)布方和一個(gè)或多個(gè)用戶之間交換采樣測(cè)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(cè)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(shí)候報(bào)告信息沒(méi)有交付的原因；端－端信息流控制是指信息源不會(huì)發(fā)送多于目的地可能存儲(chǔ)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(gè)源(發(fā)布者)和一個(gè)或多個(gè)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(duì)點(diǎn)，而是一點(diǎn)對(duì)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。在IEC61850中，無(wú)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(lái)定義系統(tǒng)采樣速率的。
    (3)廣域保護(hù)系統(tǒng)可能要求對(duì)模擬量進(jìn)行同步采樣。在采樣測(cè)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(bào)文中的任選域，其中一個(gè)參數(shù)SmpSynch就是用來(lái)說(shuō)明采樣是否由系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步。
    (4)GSSE報(bào)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(cè)量值傳輸報(bào)文要發(fā)送經(jīng)過(guò)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(cè)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(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)對(duì)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(wèn)題，并從上層確保數(shù)據(jù)通信延時(shí)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(bào)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(hào)、用采樣測(cè)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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