摘 要：基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)分析，本文闡述了IEC 61850協(xié)議的工作原理、建模方法和報(bào)文性能需求，介紹了在工業(yè)以太網(wǎng)中應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的通信機(jī)制，探討了在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中引入RTPS模型的設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞：IEC61850; 以太網(wǎng); RTPS 1 引言 　　變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和規(guī)模的擴(kuò)大加速了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用?；赥CP/IP技術(shù)改造后的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、通用性和開放性的特點(diǎn)和高傳輸率、大容量的優(yōu)勢(shì)是Lon Works現(xiàn)場(chǎng)總線和CAN總線技術(shù)無(wú)法比擬的。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和規(guī)模的擴(kuò)大以及變電站自動(dòng)化技術(shù)向高壓、超高壓變電站系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)大大加速了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用。IEC 61850協(xié)議是國(guó)際電工委員會(huì)提出的未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的通信標(biāo)準(zhǔn)體系，它在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用研究將對(duì)變電站自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。 2 基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)分析 　　2.1 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 　　以太網(wǎng)在技術(shù)和市場(chǎng)上已處于主流地位，而且隨著快速以太網(wǎng)、G比特以太網(wǎng)技術(shù)的逐步成熟，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬已不再是制約因素，由沖撞引起的傳輸延時(shí)隨機(jī)性問(wèn)題已淡化[1]。工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的交換式局域網(wǎng)，它使用CAMA/CD協(xié)議作為介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC和物理層的規(guī)范。數(shù)據(jù)傳輸具有“先偵聽、后檢測(cè)、最后隨機(jī)重發(fā)”的特點(diǎn)，于是曾有觀點(diǎn)認(rèn)為因以太網(wǎng)對(duì)“實(shí)時(shí)”信息傳輸造成延遲的隨機(jī)性無(wú)法預(yù)測(cè)，不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需要。為此，美國(guó)電力科學(xué)院（EPRI）對(duì)以太網(wǎng)和12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)絡(luò)做了性能比較測(cè)試，研究結(jié)果表明l0M交換式以太網(wǎng)完全能夠滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信 “實(shí)時(shí)”性的要求，并且快于12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)絡(luò)。 　　2.2 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層 　　選擇事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議作為站內(nèi)智能電子設(shè)備（IED Intelligent Equipment Device）的高層接口，使站內(nèi)IED的數(shù)據(jù)收發(fā)都能以TCP/IP方式進(jìn)行，以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式保證站內(nèi)IED具有良好的互操作性。這樣，監(jiān)控主站或遠(yuǎn)方調(diào)度中心采用 TCP/IP協(xié)議就可以通過(guò)廣域網(wǎng)，甚至Internet獲得變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)。 3 IEC 61850的工作原理 　　3.1 IEC 61850協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) 　　IEC 61850協(xié)議是未來(lái)無(wú)縫遠(yuǎn)動(dòng)通信體系的基礎(chǔ)，更是未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）使用面向?qū)ο蟮腢ML統(tǒng)一建模技術(shù);（2）采用分布、分層的結(jié)構(gòu)體系;（3）使用抽象通信服務(wù)接口（ACSI Abstract Communication Service Interface）和特殊通信服務(wù)映射SCSM（Specific Communication Service Mapping）技術(shù)，把通信服務(wù)要求和具體的通信協(xié)議分離開，有利于適應(yīng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展;（4）抽象建模與具體實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立性，服務(wù)與通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，適用于TCP.和OSI等多種傳送協(xié)議;（5）可以實(shí)現(xiàn)智能電子設(shè)備間的互操作性;（6）基于XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站配置描述語(yǔ)言SCL （Substation Configuration description Language）;（7）數(shù)據(jù)和服務(wù)具有自描述性，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。 　　3.2 工作原理 　　IEC 61850基于客戶/服務(wù)器模式工作。將實(shí)際設(shè)備按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模為數(shù)據(jù)對(duì)象和服務(wù)，以ACSI體現(xiàn)出來(lái)?？蛻舳税l(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，接收已在服務(wù)器中處理過(guò)的服務(wù)確認(rèn);客戶端也可從服務(wù)器接收?qǐng)?bào)告，全部服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)由通信協(xié)議棧進(jìn)行通信[2]。工作原理框圖見圖1 [align=center] 圖1 應(yīng)用層信息交互原理框圖[/align] 　　IEC 61850在設(shè)備間交換信息有兩種機(jī)制：推入機(jī)制和查詢機(jī)制。設(shè)定值或操作采用“推入機(jī)制”，在增強(qiáng)模型的情況下采用事件主動(dòng)報(bào)告方式，用名字從一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中選擇“讀”值。通信系統(tǒng)提供手段防止在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的單個(gè)計(jì)算機(jī)和任何設(shè)備連接以及觀察和修改任何設(shè)備的全部信息。有多種訪問(wèn)方式限制設(shè)備或設(shè)備特定數(shù)據(jù)的“可視性”，操作員不得改變特定的設(shè)置。 　　3.3 基于IEC 61850協(xié)議的數(shù)據(jù)和服務(wù)建模 　　IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型對(duì)變電站內(nèi)各IED建模[3]。每個(gè)IED包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器本身又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)對(duì)象。邏輯節(jié)點(diǎn)是一個(gè)由數(shù)據(jù)和方法組成的對(duì)象，是一最小可被調(diào)用的子功能，是同其它特殊的邏輯實(shí)體相互交換數(shù)據(jù)的最小邏輯實(shí)體。數(shù)據(jù)對(duì)象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實(shí)例。從通信角度而言IED同時(shí)也扮演客戶端的角色，任何一個(gè)客戶端可通過(guò) ACSI和服務(wù)器通信可訪問(wèn)數(shù)據(jù)對(duì)象，如圖2所示。 [align=center] 圖2 數(shù)據(jù)模型分層結(jié)構(gòu)[/align] 　　ACSI提供了系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象和服務(wù)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和服務(wù)獨(dú)立的建模方式，建立了標(biāo)準(zhǔn)兼容服務(wù)器所必須提供的通信服務(wù)的模型，包括服務(wù)器模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點(diǎn)模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型。客戶端通過(guò)ACSI，由專用通信服務(wù)映射SCSM映射到所采用的具體通信協(xié)議棧，如制造報(bào)文規(guī)范（MMS Manufacturing Message Specification）等，較好地解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生變化時(shí)只需改動(dòng)SCSM。 4 IEC 61850報(bào)文性能要求 　　PICOM （Piece of Information for Communication）是對(duì)在2個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)確定的邏輯路徑進(jìn)行傳輸，且?guī)в写_定的通信屬性的交換數(shù)據(jù)的描述[4]。PICOM可分為7種報(bào)文類型，它們的屬性范圍由性能級(jí)構(gòu)成 。 　　總傳輸時(shí)間，即為報(bào)文的全部傳輸時(shí)間，包括兩端所需的處理時(shí)間。由發(fā)送端將數(shù)據(jù)內(nèi)容放到傳輸棧頂部的瞬間開始計(jì)數(shù)，直到接收端由傳輸棧取出數(shù)據(jù)的瞬間為止。 　　快速報(bào)文：這類報(bào)文典型地包含數(shù)據(jù)、命令或單一報(bào)文的簡(jiǎn)單二進(jìn)制代碼。例如，“跳 閘”、“合閘”，重合命令，“啟動(dòng)”、“停止”、“閉鎖”和“解鎖”等。其中“跳閘”是最重要的快速報(bào)文，對(duì)性能級(jí)Pl，總傳輸時(shí)間應(yīng)為半個(gè)周期序列，定為10ms;對(duì)性能級(jí)P2/3， 　　總傳輸時(shí)間應(yīng)小于1/4周期序列，定為3ms。，其它快速報(bào)文對(duì)性能級(jí)P1，總傳輸時(shí)間應(yīng)小于或等于100ms;對(duì)性能級(jí)P2/3，總傳輸 時(shí)間應(yīng)為1個(gè)周期，定為20ms。 　　中速報(bào)文：發(fā)生時(shí)間重要，但傳輸時(shí)間卻無(wú)關(guān)緊要。這類報(bào)文有自己的時(shí)鐘，含有發(fā)送機(jī)設(shè)定的時(shí)標(biāo)，接收機(jī)將在一定的內(nèi)部時(shí)間延遲后正常反應(yīng)，然后按時(shí)標(biāo)給出的時(shí)間來(lái)進(jìn)行計(jì)算，總傳輸時(shí)間應(yīng)小于100ms。通常的狀態(tài)信息屬于此類報(bào)文。 　　低速報(bào)文：可能需要時(shí)間標(biāo)志，一般用于低速自動(dòng)控制、事件記錄傳輸、讀寫設(shè)定值和系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述等?？倐鬏敃r(shí)間應(yīng)小于500ms。 　　生數(shù)據(jù)報(bào)文：如數(shù)字式變送器和數(shù)字式儀用互感器的輸出數(shù)據(jù)。它包括IED輸出的連續(xù)同步數(shù)據(jù)流，并交叉有其它IED的數(shù)據(jù)?？倐鬏敃r(shí)間控制在10ms內(nèi)。 　　文件傳輸報(bào)文：此類報(bào)文用來(lái)傳輸大型記錄數(shù)據(jù)文件，一般應(yīng)分為有限長(zhǎng)度的報(bào)文塊，以便網(wǎng)絡(luò)傳輸和使用。文件類型PICOM一般大于或等于512bit，傳輸時(shí)間沒(méi)有規(guī)定限制一般要求大于或等于1000ms。 　　時(shí)間同步報(bào)文：同步于IED的內(nèi)部時(shí)鐘，按照用途如事件時(shí)間標(biāo)記或生數(shù)據(jù)的采樣精度等需要不同級(jí)的時(shí)間同步。 　　具有訪問(wèn)控制的命令報(bào)文：此命令可由當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)方的人機(jī)會(huì)話借口HMI發(fā)出，需要較高的安全性，必須帶有口令和查證過(guò)程。 5 RTPS模型設(shè)計(jì) 　　Publisher/Subscriber模型是一種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布式模型，現(xiàn)已經(jīng)在分布式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如Web數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)管理等，具有信息與設(shè)備地址無(wú)關(guān)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸和事件驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[5]。實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間有一個(gè)定量的要求，即所傳數(shù)據(jù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傳送到目的地，否則就會(huì)造成系統(tǒng)出錯(cuò)和功能失敗.另外，無(wú)連接模式可靠性不強(qiáng)，有必要在數(shù)據(jù)流中引入控制機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸.RTPS模型（實(shí)時(shí)Publisher/Subscriber模型）由此產(chǎn)生，見圖3。 [align=center] 圖3 RTPS模型[/align] 　　RTPS模型運(yùn)行在支持多線程優(yōu)先級(jí)處理的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下。Publisher輸出端引入｛SqNum，hTime，RtNum｝三個(gè)參數(shù)，分別表示數(shù)據(jù)序列號(hào)、數(shù)據(jù)存活時(shí)間和重傳計(jì)數(shù)器;Subscriber輸入端引入超時(shí)時(shí)間TimeOut和數(shù)據(jù)序列號(hào)檢驗(yàn)。Publisher發(fā)布信息后信息重傳間隔時(shí)間為t=4+（1，n）R-1 2≤n≤9。式中R為重傳次數(shù)。按遞減頻率重發(fā)數(shù)據(jù)，直到時(shí)間t大于hTime，同時(shí)，Subscriber按順序接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序列號(hào)混亂或出錯(cuò)，則立即啟動(dòng)查詢功能，并向Publisher端查詢未收到的數(shù)據(jù)序列，并返回響應(yīng)。 　　具體設(shè)計(jì)RTPS模型時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)： 　?。?）利用多線程機(jī)制處理好線程優(yōu)先級(jí)和共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，提高系統(tǒng)本身的性能和服務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能; 　　（2）合理設(shè)計(jì)和管理緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出流緩沖區(qū)的兩個(gè)緩沖通道并行運(yùn)作且互不影響; 　?。?）根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際內(nèi)存大小合理分配記錄緩沖區(qū)空間; 　?。?）科學(xué)設(shè)計(jì)事件驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效地收集和發(fā)布數(shù)據(jù); 　　（5）不斷優(yōu)化模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存、CPU資源的最佳利用。 6 結(jié)束語(yǔ)： 　　工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，我們應(yīng)充分利用信息網(wǎng)絡(luò)新老技術(shù)完善以太網(wǎng)的功能。IEC61850是變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用研究的主要方向，它在工業(yè)以太網(wǎng)中的深入應(yīng)用研究必將大大推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 吳在軍,胡敏強(qiáng). 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究. 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