IEC 61850 標準的技術(shù)及應用研究

　　IEC 61850 是國際電工委員會(huì )負責電力系統控制及其通信的相關(guān)標準的第57 技術(shù)委員會(huì )( IEC TC57)制定的關(guān)于變電站自動(dòng)化系統結構和數據通信的一個(gè)國際標準， 目的是使變電站內不同廠(chǎng)家的智能電子設備( IED) 之間通過(guò)一種標準協(xié)議實(shí)現互操作和信息共享，實(shí)現 一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標準。

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

　　1 IEC 61850 的內涵分析

　　1. 1 IEC61850 技術(shù)特點(diǎn)分析

　　IEC 61850 規約體系完善， 相對于基于報文結構的傳統規約， 應用面向對象技術(shù)的IEC 61850 有明顯的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢。

　　( 1)系統分層技術(shù): IEC 61850 明確了變電站自動(dòng)化系統的三層結構: 變電站層、間隔層和過(guò)程層以及各層之間的接口意義。將由一次設備組成的過(guò)程層納入統一結構中， 這是基于一次設備如傳感器、執行器的智能化和網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展 。

　　( 2) 面向對象的建模技術(shù): 為了實(shí)現互操作性， IEC61850 標準采用面向對象技術(shù)， 建立統一的設備和系統模型， 采用基于XML 的SCL 變電站設備通信配置語(yǔ)言來(lái)全面的描述設備和系統， 提出設備必須具有自描述功能。自描述、自診斷和即插即用的特性， 極大方便了系統的集成， 降低了變電站自動(dòng)化系統的工程費用。

　　( 3) 抽象服務(wù)通信接口技術(shù): IEC 61850 為實(shí)現無(wú)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)獨立于具體的網(wǎng)絡(luò )應用層協(xié)議， 與采用何種網(wǎng)絡(luò )無(wú)關(guān)， 可充分適應TCP/ IP 以及現場(chǎng)總線(xiàn)等各類(lèi)通信體系， 而且客戶(hù)只需改動(dòng)特定通信服務(wù)映射( SCSM) ， 即可完成網(wǎng)絡(luò )轉換， 從而適應了電力系統網(wǎng)絡(luò )復雜多樣的特點(diǎn)。

　　1. 2 IEC 61850 標準的本質(zhì)內涵

　　作為下一代變電站的無(wú)縫通信標準， IEC 61850 充分借鑒了變電站通信、計算機、工業(yè)控制等領(lǐng)域的長(cháng)期經(jīng)驗[ 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準的實(shí)質(zhì)性差別， 而理解IEC 61850 的本質(zhì)是應用IEC 61850 的基礎。

　　IEC 61850 是變電站自動(dòng)化通信標準， 通信標準的本質(zhì)目標是實(shí)現雙方快速準確的理解相互傳達與接收到的邏輯信息命令， 并正確執行命令。由于各設備生產(chǎn)商生產(chǎn)的智能電子設備， 可能采用不同的芯片、不同的硬件架構、不同的嵌入式系統， 它們組成了一個(gè)復雜的異構環(huán)境系統， 所以變電站中設備之間的通信是一個(gè)復雜的分布式信息交互問(wèn)題。變電站設備要實(shí)現互操作實(shí)際就是解決如何在異構環(huán)境下實(shí)現數據交換的問(wèn)題。

　　IEC 61850 標準制定的思路與以往IEC 60870 等標準在解決信息表達與傳輸問(wèn)題方面相比上存在著(zhù)根本的區別， 主要是借鑒了近些年來(lái)計算機解決異構環(huán)境領(lǐng)域的常用的ASN. 1， XML 等技術(shù)來(lái)解決變電站中的信息交互問(wèn)題， 因此IEC 61850 標準的本質(zhì)可以理解為是解決變電站中異構環(huán)境下數據交換問(wèn)題的一個(gè)實(shí)現方案。

　　IEC 61850 標準充分綜合了ASN. 1 與XML 兩種技術(shù)的各自?xún)?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(guān)與帶自描述特性在XML 1. 0 版本的基礎上推出了變電站配置語(yǔ)言SCL， 用于描述變電站系統的結構與智能電子設備的能力及定義通信參數等。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(lái)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 標準中的異構信息集成技術(shù)

　　2 IEC 61850 中XML 配置的運用

　　2. 1 基于XML 的變電站配置

　　變電站配置描述語(yǔ)言( SubSTat io n CONf igurat ionDescript. ion Lang uage， SCL) 是IEC 61850 規定的基于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與網(wǎng)絡(luò )通信拓撲結構描述的語(yǔ)言。IEC 61850..6 部分規范了SCL 語(yǔ)言規范了裝置所含有的邏輯節點(diǎn)、數據集、報告控制塊、站內連接方式、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(kāi)發(fā)人員可以方便的處理XML 文檔， 對XML 的處理獨立于操作系統平臺、編程語(yǔ)言等等。因此采用SCL 語(yǔ)言描述以后使得變電站系統集成變得更為簡(jiǎn)單， 各廠(chǎng)商一致采用IEC 61850..6 與IEC 61850..7 對變電站的抽象模型框架提供的IED 就可以通過(guò)各自的IED 配置工具和系統配置工具通過(guò)對XML 文檔的解析、讀取數據， 進(jìn)行配置信息的交互。各廠(chǎng)商對配置文件實(shí)現解析與處理過(guò)程可能不同， 但采用了相同的變電站描述結構和相同的參數， 最終就能相互理解， 這是IEC 61850 互操作性體現之一。

　　圖2 為一個(gè)變電站系統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、修改的時(shí)間、修改的原因、何人最終修改等
。

圖2系統配置文件的基本結構圖。

　　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(guò)程主要分為四步， 首先是廠(chǎng)家提供的IED 配置器工具將產(chǎn)生IED設備的ICD 能力描述文件， 然后傳遞到系統的子站端，根據系統的集成規范SSD 以及系統端的配置器， 生成系統端的描述文件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， 在系統所處的位置的描述， 相關(guān)的鏈接通信節點(diǎn)， 以及報告節點(diǎn)、數據集設置等相關(guān)約定， 同時(shí)ACSI 到MMS 映射的實(shí)現、MMS 通信服務(wù)過(guò)程中需要借助CID 配置文件， 解析出其中相應的數據信息作為參數， 比如GOOSE 報文的接收端MAC 地址。

圖3 配置流程圖。

　　通過(guò)采用XML 的配置可以實(shí)現裝置的功能自動(dòng)組合， 裝置內的程序可以通過(guò)直接修改配置文件而動(dòng)態(tài)的改變裝置所具有的功能， 比如修改邏輯節點(diǎn)或者數據集等， 從而實(shí)現裝置側的程序通用， 對于廠(chǎng)家而言， 可以實(shí)現一個(gè)通用的通信程序， 然后根據具體特定裝置功能需求， 設計配置不同的XML 文件即可實(shí)現不同裝置的通信。最理想的IEC 61850 通信程序( 見(jiàn)圖4) 的明顯優(yōu)勢在于: 程序一次編譯完成， 可以只需要簡(jiǎn)單的修改配置文件就可以應用到各個(gè)裝置設備中， 綜合自動(dòng)化后臺通過(guò)讀取裝置配置文件就可以自動(dòng)創(chuàng )建數據庫實(shí)現裝置接入與生成。

圖4理想的IEC 61850 通信程序。

　　3 IEC 61850 應用安全問(wèn)題

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

　　因此， 當前電力系統在解決了信息異構集成問(wèn)題后， 突出面臨的一個(gè)問(wèn)題就是如何構造一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò )通信系統， WG15 已經(jīng)開(kāi)始專(zhuān)注于電力數據和通信安全領(lǐng)域， 來(lái)保證電網(wǎng)的安全運行。

　　電力系統安全防護重點(diǎn)在控制系統， IEC61850 標準在變電站分層中提出了過(guò)程層， 并在這一層也采用以太網(wǎng)通信完全替代原來(lái)傳統的硬接線(xiàn)方式。

　　由于在過(guò)程層中諸如跳閘的GOOSE 報文要求在4 ms內到達通信接收的另一端， 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， 如何保障變電站內過(guò)程層網(wǎng)絡(luò )的安全性問(wèn)題比以往顯得更為突出和重要。從應用安全的角度出發(fā)， 基于IEC 61850 的變電站通信系統應具備以下防御措施:

　　( 1) 采用V PN 技術(shù)解決端到端的數據安全問(wèn)題。

　　主要采用隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)、使用者與設備身份認證技術(shù)等四項技術(shù)來(lái)保證安全。通過(guò)安全策略和安全規則的制定， 把網(wǎng)絡(luò )劃分成不同的安全區域， 控制VPN 通道內不同的安全區域之間的訪(fǎng)問(wèn)， 可以進(jìn)一步減少了內部竊聽(tīng)的風(fēng)險和不安全因素， 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)， 對變電站通信系統中面向連接通信機制的服務(wù)器，連接進(jìn)行授權驗證， 在對象建模中對不同用戶(hù)加入訪(fǎng)問(wèn)權限限制， 并報告試圖進(jìn)行未授權下的訪(fǎng)問(wèn)操作。

　　( 3) 采用SNMP( 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議) 來(lái)管理變電站通信網(wǎng)絡(luò )， 定期建立數據備份與實(shí)施冗余機制。

　　( 4) 建立入侵監測防御措施， 建立控制中心安全策略應對措施， 基于IEC 61850 的變電站通信系統控制中心應采取多層安全機制保證， 當受到攻擊時(shí)可以降低使用情況而不至于系統癱瘓。

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

　　4 結 語(yǔ)

　　IEC 61850 標準作為未來(lái)國際變電站的統一標準，已經(jīng)在逐步走向成熟。本文為了IEC 61850 具體應用中IED 設備開(kāi)發(fā)的目的， 對IEC 61850 的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結， 首次提出IEC 61850 標準是對異構信息進(jìn)行集成的實(shí)質(zhì)內涵， 應用XML 技術(shù)具體對IEC 61850 中變電站的配置進(jìn)行了研究和設計， 包括系統配置文件的結構、配置的流程， 得到了理想的IEC 61850 通信程序模型; 針對應用IEC 61850 標準電力網(wǎng)絡(luò )通信的安全問(wèn)題提出了建議和策略。研究為開(kāi)發(fā)符合IEC 61850 標準的變電站通信系統提供了依據。在中高壓綜合自動(dòng)化系統中， IEC 61850 的性能與優(yōu)勢能得到更多的體現。IEC 61850 標準可以有效地解決變電站內設備的互操作問(wèn)題， 作為一致公推的變電站標準必將給變電站自動(dòng)化系統帶來(lái)深遠的影響。