IEC60870_5_103规约与IEC61850标准的分析和比较.pdf

1、250* 作者简介 : 贾旭东 ， 男 ， 华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生 ; 北京市电力公司变电公司 ， 助理工程师 。IEC60870 5 103 规约与 IEC61850 标准的分析和比较贾旭东* 1， 2( 1. 华北电力大学电气与电子工程学院 ， 北京 102206; 2. 北京市电力公司变电公司 ， 北京 100054)摘 要 : 本文从变电站自动化系统结构 、通信结构模型 、信息模型 、传输规则 、存在的问题各方面分别对IEC60870 5 103 规约与 IEC61850 标准进行了分析和探讨 ， 从而对 IEC60870 5 103 规约与 IEC61850 标准进

2、行比较 。关键词 : IEC61850 标准 ; IEC60870 5 103; 通信规约 ; 变电站自动化系统变电站自动化监控系统是变电站内的重要系统之一 ， 对于变电站内电力设备的测量 、监视 、控制等都起到了很重要的作用 。而通讯规约是实现变电站内继电保护装置 、自动化设备 、监控系统之间能够可靠 、快速 、准确通信的重要保障 。目前变电站自动化监控系统通信主要存在下述问题 : 通信介质的不统一和通信协议的不统一 。所以通信差异对自动化集成度有很大的影响 。目前 IEC60870 5 103 规约在变电站自动化监控系统中得到了广泛的应用 ， 这也使得在变电站中不同继电保护设备 ( 或间隔

3、单元 ) 和控制系统之间达到互换的目的 。尽管如此 ， IEC60870 5 系列标准也暴露出一定的问题 ， 并不能很好地满足当今日益增长的变电站自动化技术的要求 。因此 ， IEC TC 57 技术委员会制定了更具广泛适应性且功能强大的变电站通信协议 IEC61850 协议体系标准 。该标准是基于通用网络平台的变电站自动化系统的唯一国际标准 ， 更具开放性和标准性 。虽然 103 规约仍广泛应用在变电站自动化监控系统中 ， 并且通过使用也总结出很多很好的经验 ， 但新一代变电站通信协议 IEC61850 协议体系标准具有其独特的优越性 。IEC61850 标准能够达到以下目的 : 实现不同设

4、备 的 互 操 作 性 ， 建立系统的自由结构 。而 且IEC61850 标准具有面向未来的开放性特性 ， 能够满足不断发展的通信技术与变电站自动化系统的需求 。这些都是其他以往的通讯规约所无法比拟的 。本文将针对 103 规约和 IEC61850 标准两者分别进行分析 、比较 ， 从而更加清晰地体现 IEC61850 标准强大的功能和其明显的优势 ， 期望该标准能进一步得到广泛应用 。一 、103 规约和 IEC61850 标准介绍和比较1. 103 规约103 规约是 IEC TC 57 技术委员会在 IEC60870 5系列标准的基础上 ， 根据各种应用情况下的不同要求而制定的配套标准

5、。103 规约采用 FT1. 2 帧格式 ， 对物理层 、链路层 、应用层 、用户进程作了大量具体的规定和定义 ， 规约采用非平衡式传输 ， 控制系统组成主站 ， 间隔单元为子站 。103 规约属于问答式规约 。103 规约的应用使得变电站内一个控制系统的不同继电保护设备和各种装置达到互换 ， 提高了继电保护设备的安全性 。该协议定义了变电站系统与保护设备之间相互通信的配套标准 ， 可以满足变电站传输保护和监控信息的要求 。( 1) 采用 103 规约的变电站自动化系统结构 。目前变电站自动化系统结构一般采用分层分布式的系统机构 。图 1 是采用 103 规约的变电站比较典型的自动化系统结构

6、。图 1 采用 103 规约的典型的自动化系统结构从图 1 中可以看出 ， 系统分为站控层 、通信层和间隔层三层 ， 其中通信管理机对信息传输起到上传下达的作用 。其中 103 规约一般是用于通信管理机与微机保护测控装置之间的通信 ， 采用主从一对多方式 ， 通信管理机为主站 ， 微机保护测控装置为从站 。( 2) 103 规约的信息交换方法 、通信结构模型及帧格式 。IEC 60870 5 103 规约描述了两种信息交换的方法 :中国电力教育 2010 年管理论丛与技术研究专刊251第一种方法是基于严格规定的应用服务数据单元( ASDUs) 和 “标准化 ”提出报文的传输应用过程 、方法 ，

7、 可以用来实现标准化报文的传输 。第二种方法则是使用通用分类服务 ， 它可以传输几乎所有可能的信息 。通用分类服务是采用间隔层各个单元不同设备自我描述和自定义的方法来定义要求传输的信息 。信息可以自描述 ， 具有开放性 。103 规约中通用分类服务的传输服务项目如表 1 所示 。表 1 103 规约中通用传输服务项目组号 功能 组号 功能00H 系统类 09H 通信类01H 系统类 0AH 电量类02H 定值类 0BH 控开关类03H 定值类 0CH 遥控分头类04H 事件类 0DH 遥调类05H 事件类 0EH 遥控压板类06H 系统类0FH调试及操作07H 遥测类 信息类08H 遥测类 1

8、8H 带时标的遥信类103 规约是一种简化的通讯协议 ， 基于三层参考模型的 “增强性能结构 ”EPA， 如表 2 所示 。表 2 EPA 网络模型应用层 ( Application Layer)数据链路层 ( Date Link Layer)物理层 ( Physical Layer)1) 物理层 : 物理层传输有两种传输方式 :一是采用光纤传输方式 ， 在间隔单元上兼容接口必须是光纤连接器 ， 在监视方向上和控制方向上需要采用两条光纤电缆 。此方式抗干扰能力较强 。二是采用基于铜线的 RS 485 总线系统 ， 此方式应符合 EIA RS 485 标准 。在一个物理线路上最多能连接32 个单

9、元 。标准的传输速率为 9. 6 或 19. 2kb/s。此方式较之基于光纤的传输系统容易受到电磁干扰的影响 。2) 数据链路层 : 103 规约采用非平衡传输 。控制系统是始发站 ( 启动站 ) ， 各间隔单元是从动站 。传输过程是由控制系统主站启动 ， 即轮询问答过程 : 由启动站向从动站触发一次传输服务 ， 结果可能是成功完成 ，也可能是报告差错 ， 然后才能开始下一轮的传输服务 。启动站的链路层在前一次所接受的报文传输请求或者成功完成或者带差错指示地结束 ， 才能够接收一个新的报文传输的请求 。103 规约采用的链路服务级别为三级 ，其链路服务级别及功能如表 3 所示 。其中 ， 发送

10、 /确认 、请求 /响应传输服务在传输过程中受到干扰 ， 则用等待 超时 重发的方式发送下一桢 。表 3 链路服务级别及功能链路服务级别 帧类型 功能S1 发送 /无问答 发送广播命令S2 发送 /确认 设置参数等S3 请求 /响应 召唤数据或事件103 规约采用 FT 1. 2 异步式字节传输的帧格式 ， 该格式有固定帧长和可变帧长两种 ， 也可采用单个控制字符 E5H， 如表 4、表 5 所示 。表 4 固定帧长帧格式 表 5 可变帧长帧格式启动字符 ( 10H)控制域 ( C)链路地址域 ( A)帧校验和 ( CS)结束字符 ( 16H)启动字符 ( 68H)报文长度 LL 重复启动字符

11、 ( 68H)控制域 ( C)链路地址域 ( A)链路用户数据帧校验和 ( CS)结束字符 ( 16H)其中可变帧长帧格式主要用于控制系统与继电保护设备传输数据之用 。而固定帧长帧格式主要用于继电保护设备与控制系统之间传输的确认帧 ， 询问帧和忙帧之用 。3) 应用层 : 应用层为用户提供服务 ， 将服务直接提供给应用进程 。应用层包含一系列的应用功能 。应用数据的一般结构 : 103 规约定义了本配套标准中的应用服务数据单元 ( ASDU) 。一个应用服务数据单元的结构如图 2 所示 。从图中可以看出 : 应用服务数据单元由一个数据单元标识符和唯一的一个信息体组成 。其中数据单元标识符由 4

12、 个字节组成 ， 分别是类型标识 、可变图 2 一个应用服务数据单元的结构IEC60870 5 103 规约与 IEC61850 标准的分析和比较252结构限定词 、传送原因和应用服务数据单元公共地址 。信息体由信息体标识符和一组信息元素集组成 ， 可以选择带有时标信息 。在应用层对应用数据单元进行解析 ，得到数据内容 ， 并进行相应的处理 。应用功能的基本功能主要有 : 站启动 、总查询 /总召唤 、时钟同步 、命令传输 、测试模式 、监控方向的闭锁 、扰动数据传输 、通用分类服务等 。( 3) 103 规约的信息体 。信息体是报文中非常重要的部分 。信息体由信息体标识符 、信息元素集和信息

13、体时标 ( 任选 ) 三部分组成 。其中 ， 信息体标识符由功能类型和信息序号组成 。各种不同的基本类型数据都对应有不同的功能类型和信息序号 。因此在任何一帧数据报文中 ， 只要从信息体标识就可以判断出该数据报文传递数据的基本类型 ， 如遥信信息 、遥测信息 、电度信息 、遥控点的数据信息等 。( 4) 103 规约的传输规则 。103 规约采用的是窗口尺寸为 1 的非平衡方式传输规则 。链路传输的过程简要如下 : 由控制系统使用应用服务数据单元发向某一间隔单元 ， 可以对其发送指令 ， 由间隔单元对这个收到的指令做出确认 。控制系统向间隔单元所触发的一次传输服务 ， 要么成功完成要么差错指示

14、 ， 然后方能开始下一次传输服务 。( 5) 目前存在的问题和需注意的问题 。103 规约仅仅提供了一个大的框架 ， 不同的厂家对它的理解会存在一定的差异性 ， 不同厂家生产的设备可能虽同样使用103 规约 ， 但不能完全接口 。因此这就要求管理部门明确 103 规约标准 ， 附上更为详尽的解释和规范 ， 并且促进 103 国标标准规约的大力推广使用 ， 才能够更好地实现设备之间更好的相互通讯 。2. IEC61850 标准为适应变电站自动化技术的迅速发展 ， 1995 年 IECTC57 WG10、11、12 工作组开始为变电站自动化系统的网络和系统制定国际统一的标准 。1999 年提出了I

15、EC61850 委员会草案版本 。到 2005 年为止 ， IEC TC57已经将 IEC 61850 系列的 14 个分册正式发布 ， IEC61850 已经成为了正式的国际标准 。中国电力系统标委会将 IEC61850 等同采用为电力行业标准 DL/T860 系列 ， 现已正式发布 。IEC61850 是一种新的变电站自动化的方法 ， 该通信协议体系对变电站自动化系统的网络和系统做出了全面 、详细的描述和规范 。IEC61850 采用面向对象的建模技术 ， 面向未来通讯的可扩展架构 ， 其要实现的目标是 “一个世界 ， 一个技术 ， 一个标准 ”。( 1) 采用 IEC61850 标准的智

16、能变电站系统结构 。采用 IEC61850 标准的智能变电站系统结构有多种形式 。图 3 所示为一种常见的系统结构 。由图 3 中可以看出 ，该系统结构具有以下几方面特征 : 三层结构 ( 变电站层 、间隔层 、过程层 ) ; 使用了电子互感器 ， 模拟量通过通信方式上送间隔层保护 、测控装置 ; 通过为传统开关配智能操作箱实现状态量采集与控制的数字化 ; 间隔图 3 采用 IEC61850 标准的变电站自动化系统结构图之一层设备通过网络通信方式从过程层获得模拟量 、状态量并进行控制 ; 不同厂家的装置都遵循 IEC61850 标准 ，通信上实现了互连互通 ， 取消了保护管理机 ; 间隔层保护

17、 、测控等装置支持 IEC61850， 直接通过网络与变电站层监控等相连 。( 2 ) 采 用 IEC61850 标准的通信结构模型 。IEC61850 的网络结构如图 4 所示 。IEC61850 为智能变电站提供了全面的网络通信解决方案 ， 提出了变电站层 、间隔层和过程层的三层架构 。从图 4 中也可以看出 IEC61850 为智能变电站提供了以下逻辑接口 : IF1， 间隔层和变电站层之间交换保护数据 ; IF2， 间隔层和远方保护之间交换保护数据 ;IF3， 间隔层之间交换数据如保护和控制设备间 ; IF4，间隔层和过程层之间交换采样数据 ; IF5， 间隔层和过程层之间交换控制数据

18、 ; IF6， 间隔层和变电站层之间交换控制数据 ; IF7， 变电站层和远方工程师之间交换数据 ; IF8， 间隔层相互之间直接进行快速交换数据 ， 如图 4 IEC61850 的网络结构图IEC60870 5 103 规约与 IEC61850 标准的分析和比较253联锁 ; IF9， 变电站层之间交换数据 ; IF10， 变电站层和远方控制中心之间交换数据 。( 3) IEC61850 标准的信息模型 。IEC61850 标准采用面向对象建模技术 ， 从而具有非常强大的互操作性和可扩展性 。该标准定义很多公共数据类 ( CDC) 、逻辑节点 ( LN) 和 ACSI。对于每种具体的智能电子

19、设备( IED) ， 需要根据其对外信息表现 ， 利用 IEC61850 所定义的 LN、CDC 和 ACSI 为其建立通信数据模型 。这种模型从逻辑上是一种树状的和立体的 ， 并且可以表达数据间的关联性 。这种立体化的模型是 IEC61850 具有互操作性的重要原因之一 。而传统的通信协议一般都是面向信号的 ， 对 IED 的信息描述都是用信号点表形式 。这种模型从逻辑上是一种线性和平面的结构 ， 无法表达数据间的关联性 。因此这些平面化的信息点表形式模型是原有协议不具有互操作性的重要原因之一 。( 4) IEC61850 标准的通信服务 。IEC61850 标准中的报文定义了通用变电站事件

20、 ( GSE) 模型 。GSE 分为两种不同的控制类和报文结构 :1) 通用变电站状态事件 ( GSSE) 。该报文主要用于传输状态位变位信息 ， 如传输保护跳闸 、闭锁等状态变化的信息 ， 其传输内容比较单一 。从实时性来看 :GSSE 报文的传输服务映射于 OSI 的 7 层协议堆栈中 ，这就存在协议堆栈的传输延时 ， 而且它仍是基于传统的以太网实现的 ， 因此当网络负荷比较重 、传输数据较多时 ， 很难保证报文的实时性 。2) 面向通用对象的变电站事件 ( GOOSE) 。该报文支持由数据集组织的公共数据交换 ， 用户可以灵活 、自由地进行定义 。GOOSE 不仅可以传输状态信息 ， 而

21、且可以传输模拟量信息 ， 甚至实现同步信息等 ， 可见GOOSE 报文其应用范围更加广泛 。从实时性来看 :GOOSE 报文的传输服务是应用层到表示层后 ， 直接映射到底层 ( 数据链路层和物理层 ) ， 不经网络层和传输层 ， 并且采用了较先进的交换式以太网各种技术 ， 如VLAN、优先级 、多播等 ， 因此该报文传输的实时性得到了很好的保证 。( 5) IEC61850 推广应用应注意的问题 。1) 数据通信安全问题 。采用 IEC61850 标准后 ， 开放式的变电站自动化系统基于开放的 、标准的网络技术上 ， 协议的开放性和标准性带来了网络的安全性问题 。IEC61850 定义了两种通

22、信服务模式 : 一种是客户端 /服务器模式 ; 另一种是发布 /订阅的对等通信模式 。尽管目前变电站采用 “横向隔离 ， 纵向认证 ”的安全措施后数据通信安全得到很大的提高 ， 但仍存在一定的数据通信安全问题 。对于电力系统这样一个要求高可靠性和安全稳定性的部门而言 ， 安全性问题已成为新标准应用及推广的重要问题这一 。目前国内电力系统对该课题的研究还不够深入 ， 仍处于探索阶段 。2) IEC61850 的检查 、评估和技术管理 。为了保证基于 IEC61850 标准的产品在应用中的安全性 、可靠性和功能满足要求 ， 需要加强对 IEC61850 产品和设备的检测 。同时这也对调试和运行检测

23、提出了新的要求 。由于 IEC61850 的使用要求原有的检测调试手段也要随之变化 ， 需要尽快研究新的试验方式 、手段 ， 并制定相关的试验及检测标准等 。当然这也需要经过一定的总结和积累 ， 总结出一些较好的适合 IEC61850 标准的方法 、手段 、检测方法和经验 。并且针对 IEC61850 的特点和需求及时修改 、补充和完善现有的工作流程 、规章制度 ， 使之能适应新系统的需要 。以上这一问题也是 IEC61850 应用目前急需研究和解决的问题之一 ， 目的是通过采用有效的管理手段和技术手段 ， 在确保安全生产的前提下积极推动 IEC61850标准的推广应用 。二 、结语通过上述分

24、别对 103 规约和 IEC61850 标准的分析和比较 ， 可以清楚看出 IEC61850 标准具有更大的优越性和先进性 。尽管 103 规约在目前仍然被广泛应用 ， 但是作为未来智能电网领域的主要标准 IEC61850 标准 ， 其采用面向对象建模技术 、分层分布技术 ， 具有开放性 、先进性和完整性的特点 ， 有更好的互操作性和面向未来的特性 ， 能够满足不断发展的通信技术和变电站自动化系统的需求 ， 其必将成为今后变电站自动化系统的统一标准 ， 也必将得到更为广泛的应用 。参考文献 : 1 徐立子 变电站自动化系统 IEC 60870 5 103 和IEC 60870 5 104 协议的分析和实施 J 电网技术 ， 2002，26( 4) : 62 65. 2 谭文恕 变电站通信网络和系统协议 IEC 61850 介绍 J 电网技术 ， 2001， 25( 9) 3 任雁铭 ， 秦立军 ， 杨奇逊 IEC 61850 通信协议体系介绍和分析 J 电力系统自动化 ， 2000， 24( 8) .IEC60870 5 103 规约与 IEC61850 标准的分析和比较