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)的通信機制，探討了在變電站自動化系統(tǒng)中引入RTPS模型的設(shè)計方法。 關(guān)鍵詞：IEC61850; 以太網(wǎng); RTPS 1 引言 　　變電站自動化系統(tǒng)功能的擴展和規(guī)模的擴大加速了工業(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)具有的實時性、穩(wěn)定性、通用性和開放性的特點和高傳輸率、大容量的優(yōu)勢是Lon Works現(xiàn)場總線和CAN總線技術(shù)無法比擬的。變電站自動化系統(tǒng)功能的擴展和規(guī)模的擴大以及變電站自動化技術(shù)向高壓、超高壓變電站系統(tǒng)發(fā)展的趨勢大大加速了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用。IEC 61850協(xié)議是國際電工委員會提出的未來變電站自動化系統(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)用研究將對變電站自動化水平的進一步提高產(chǎn)生深遠意義。 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，對變電站自動化系統(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隨機性問題已淡化[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、最后隨機重發(fā)”的特點，于是曾有觀點認為因以太網(wǎng)對“實時”信息傳輸造成延遲的隨機性無法預(yù)測，不能滿足實時系統(tǒng)的需要。為此，美國電力科學(xué)院（EPRI）對以太網(wǎng)和12M令牌傳遞Profibus網(wǎng)絡(luò)做了性能比較測試，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化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信 “實時”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方式進行，以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問方式保證站內(nèi)IED具有良好的互操作性。這樣，監(jiān)控主站或遠方調(diào)度中心采用 TCP/IP協(xié)議就可以通過廣域網(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 　　IEC 61850協(xié)議是未來無縫遠動通信體系的基礎(chǔ)，更是未來變電站自動化系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，具有突出的優(yōu)點：（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）抽象建模與具體實現(xiàn)的獨立性，服務(wù)與通信網(wǎng)絡(luò)獨立，適用于TCP.和OSI等多種傳送協(xié)議;（5）可以實現(xiàn)智能電子設(shè)備間的互操作性;（6）基于XML技術(shù)實現(xiàn)變電站配置描述語言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)的擴展。 　　3.2 工作原理 　　IEC 61850基于客戶/服務(wù)器模式工作。將實際設(shè)備按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模為數(shù)據(jù)對象和服務(wù)，以ACSI體現(xiàn)出來?？蛻舳税l(fā)出服務(wù)請求，接收已在服務(wù)器中處理過的服務(wù)確認;客戶端也可從服務(wù)器接收報告，全部服務(wù)請求和響應(yīng)由通信協(xié)議棧進行通信[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制：推入機制和查詢機制。設(shè)定值或操作采用“推入機制”，在增強模型的情況下采用事件主動報告方式，用名字從一個或多個數(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)的單個計算機和任何設(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)模型對變電站內(nèi)各IED建模[3]。每個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器本身又包含一個或多個邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象。邏輯節(jié)點是一個由數(shù)據(jù)和方法組成的對象，是一最小可被調(diào)用的子功能，是同其它特殊的邏輯實體相互交換數(shù)據(jù)的最小邏輯實體。數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實例。從通信角度而言IED同時也扮演客戶端的角色，任何一個客戶端可通過 ACSI和服務(wù)器通信可訪問數(shù)據(jù)對象，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)對象和服務(wù)對象，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和服務(wù)獨立的建模方式，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)點模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型。客戶端通過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)生變化時只需改動SCSM。 4 IEC 61850報文性能要求 　　PICOM （Piece of Information for Communication）是對在2個邏輯節(jié)點之間通過確定的邏輯路徑進行傳輸，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種報文類型，它們的屬性范圍由性能級構(gòu)成 。 　　總傳輸時間，即為報文的全部傳輸時間，包括兩端所需的處理時間。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。 　　快速報文：這類報文典型地包含數(shù)據(jù)、命令或單一報文的簡單二進制代碼。例如，“跳 閘”、“合閘”，重合命令，“啟動”、“停止”、“閉鎖”和“解鎖”等。其中“跳閘”是最重要的快速報文，對性能級Pl，總傳輸時間應(yīng)為半個周期序列，定為10ms;對性能級P2/3， 　　總傳輸時間應(yīng)小于1/4周期序列，定為3ms。，其它快速報文對性能級P1，總傳輸時間應(yīng)小于或等于100ms;對性能級P2/3，總傳輸 時間應(yīng)為1個周期，定為20ms。 　　中速報文：發(fā)生時間重要，但傳輸時間卻無關(guān)緊要。這類報文有自己的時鐘，含有發(fā)送機設(shè)定的時標(biāo)，接收機將在一定的內(nèi)部時間延遲后正常反應(yīng)，然后按時標(biāo)給出的時間來進行計算，總傳輸時間應(yīng)小于100ms。通常的狀態(tài)信息屬于此類報文。 　　低速報文：可能需要時間標(biāo)志，一般用于低速自動控制、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間應(yīng)小于500ms。 　　生數(shù)據(jù)報文：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)。總傳輸時間控制在10ms內(nèi)。 　　文件傳輸報文：此類報文用來傳輸大型記錄數(shù)據(jù)文件，一般應(yīng)分為有限長度的報文塊，以便網(wǎng)絡(luò)傳輸和使用。文件類型PICOM一般大于或等于512bit，傳輸時間沒有規(guī)定限制一般要求大于或等于1000ms。 　　時間同步報文：同步于IED的內(nèi)部時鐘，按照用途如事件時間標(biāo)記或生數(shù)據(jù)的采樣精度等需要不同級的時間同步。 　　具有訪問控制的命令報文：此命令可由當(dāng)?shù)鼗蜻h方的人機會話借口HMI發(fā)出，需要較高的安全性，必須帶有口令和查證過程。 5 RTPS模型設(shè)計 　　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)備地址無關(guān)、點對多點傳輸和事件驅(qū)動傳輸?shù)奶攸c[5]。實時分布式控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的傳輸時間有一個定量的要求，即所傳數(shù)據(jù)必須在規(guī)定的時間內(nèi)傳送到目的地，否則就會造成系統(tǒng)出錯和功能失敗.另外，無連接模式可靠性不強，有必要在數(shù)據(jù)流中引入控制機制，以確保數(shù)據(jù)可靠傳輸.RTPS模型（實時Publisher/Subscriber模型）由此產(chǎn)生，見圖3。 [align=center] 圖3 RTPS模型[/align] 　　RTPS模型運行在支持多線程優(yōu)先級處理的實時操作系統(tǒng)下。Publisher輸出端引入｛SqNum，hTime，RtNum｝三個參數(shù)，分別表示數(shù)據(jù)序列號、數(shù)據(jù)存活時間和重傳計數(shù)器;Subscriber輸入端引入超時時間TimeOut和數(shù)據(jù)序列號檢驗。Publisher發(fā)布信息后信息重傳間隔時間為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)，直到時間t大于hTime，同時，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)序列號混亂或出錯，則立即啟動查詢功能，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RTPS模型時必須注意以下幾點： 　?。?）利用多線程機制處理好線程優(yōu)先級和共享數(shù)據(jù)的訪問，提高系統(tǒng)本身的性能和服務(wù)的實時響應(yīng)性能; 　?。?）合理設(shè)計和管理緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸入和輸出流緩沖區(qū)的兩個緩沖通道并行運作且互不影響; 　?。?）根據(jù)系統(tǒng)要求和實際內(nèi)存大小合理分配記錄緩沖區(qū)空間; 　?。?）科學(xué)設(shè)計事件驅(qū)動模塊，實現(xiàn)及時有效地收集和發(fā)布數(shù)據(jù); 　　（5）不斷優(yōu)化模型設(shè)計，實現(xiàn)內(nèi)存、CPU資源的最佳利用。 6 結(jié)束語： 　　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以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。 參考文獻： 　　[1] 吳在軍,胡敏強. 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)研究. 電網(wǎng)技術(shù)[J]. 2003（10）. 　　[2] 茹鋒,夏成軍,許揚. 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