8.2 高级配电自动化通信协议

一个典型的电力系统是连接发电、输电及配电部分的互联网络。理想情况下，这一网络的所有部分都能相互通信，共享信息。然而实际上，由于信道的限制，以及数据容量和数据安全的考虑，只能针对电力网络的某一个子系统设计数据共享和通信。在典型的电力系统中，存在几种标准的通信协议，每一种协议都负责特定的领域和数据。图 8-3 给出了一些常用的通信协议。

图8-3电力系统典型通信协议

8.2.1开放式系统互联模型标准OSI

为了保证不同计算机系统之间能够相互通信和交换信息，国际标准化组织定义了一个开放式系统互联模型标准OSI。该模型包含了七层协议，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每一层都强调特殊的网络功能，其模型如图8-4所示。任何一层只向它的上一层提供服务，并接受下一层的服务申请，每一层只与其对应的层进行通信。

一般来说，物理层、数据链路层和网络层定义机器与机器之间的通信:传输层定义端口与端口之间的通信;会话层、表示层和应用层定义面向用户的通信功能。下面简要介绍一下各层的含义。

(1)物理层。提供两个通信实体之间的数据传输路径，它负责在连接两个相邻的节点之间的各种媒介上透明地传输任意位流。该层定义物理网络结构、所使用的媒介的机械和电气特性，以及传输编码和计时时间等。   

图8-4ISO-OSI 参考模型

(2)数据链路层。该层是将物理层的“位”组成“帧”，定义网路逻辑拓扑结构、媒介访问策略、物理寻址、寻址方式、并提供连接服务。

(3)网络层。其作用是将数据转移到一个特定的网络位置，并且确保正确数据经过路由选择发送到由不同网络组成的网际网，即提供连接服务。

(4)传输层。该层提供端到端的数据报文传输，它将下层的信息组成段，并将这些段提交给会话层或者更上层的协议处理;它使用网络层的路由服务，并提供连接服务。

(5)会话层。该层实现服务请求者和提供者之间的通信。通信会话被用来建立、维护、同步和管理通信实体之间的对话机制。通常，本层协议也帮助较高层协议识别和连接到网络上提供的各种服务。

(6)表示层。该层能把数据转换成一种能被各计算机及运行的应用程序相互理解的约定格式(即传输语法)，主要作用是翻译和加密。

(7)应用层。该层包含了针对每一项网络服务的所有问题和功能。换句话说，上面6层协议包含了通常支持网络服务的任务和技术，而应用层则提供了完成指定网络服务功能所需的协议。应用层所支持的服务包括文件、打印、消息、应用和数据库服务，另外还提供服务通告和服务使用。

8.2.2 IEC 61850

通过对高级配电自动化设备功能的抽象，IEC 61850在第7-4部分中定义了13类共88个兼容逻辑节点(Compatible Logical Node)。利用兼容逻辑节点，可建立一个高级配电自动化设备的对象模型。高级配电自动化设备中所需交换的数据类型可以应用IC61850第7-3部分定义的7大类共29个公共数据类(Common Data Class,CDC)来扩展实现，通过对配电系统的IEC61850建模，实现配电网络的无缝通信。

IEC 61850 是由IEC 推荐的用于变电站自动化的标准通信协议。其将变电站通信划分为三个层次:

(1)过程层。主要用于I/O装置，智能传感器和执行机构。

(2)间隔层。包括保护和控制IED装置。

(3)站控层。包括操作员工作站、站计算机以及与站外接口等。

图8-5基于IEC61850的变电站自动化

IEC 61850 协议主要有如下三个特征:

(1)面向对象的建模(OOM))。IEC 61850将代表具体功能的逻辑节点称作兼容逻辑节点，它们是逻辑节点的子类。利用兼容逻辑节点，可建立一个设备的对象模型。兼容逻辑节点类包括属性和操作，其操作表示该逻辑节点所能提供的功能与服务，其属性表示它可以与其他逻辑节点交换的数据。

(2)抽象通信服务(ACSI)。IEC61850-7-2定义了通信服务模型，抽象通信服务接口(Abstract Communication Service Interface)明确了访问特定对象元素的服务，独立于具体的通信技术，可以适应通信技术的快速发展。IEC 61850-8定义了具体的特殊通信服务映射。例如IEC61850-8-1定义了到MMS(制造报文规范)的通信服务映射，如图8-6所示。

图8-6IEC61850特殊通信服务映射

(3)变电站配置语言(SCL)。用来描述通信相关的IED配置和参数、通信系统配置、变电站系统结构及它们之间的关系。主要目的在于在不同厂家的IED配置工具和系统配置工具之间提供一种可兼容的方式，实现可共同使用的通信系统配置数据的交换。IEC 61850-6 定义了4种SCL文件，即ICD(IED Capability Description)、SSD(SystemSpecification Description)、SCD(Substation ConfigurationDescription)和 CID(Configured IED Description)。

8.2.3 IEC 60870-5

我国变电站自动化系统与调度主站的通信，都是通过专用远动通道，采用标准的通信规约实现的。国际电工委员会于1995年发布的IEC 60870-5-101(我国行业标准DL/T634.5101-2002《远动设备及系统第5101部分:传输规约基本远动任务配套标准》)标准规约已经在我国普遍使用。近年来，调度主站与变电站RTU通信越来越多地采用以太网,国际电工委员会TC57的第3工作组(WG03)于1998年8月制定了IEC60870-5-104《用标准传送文件集的IEC60870-5-101网络访问》。此规约是将IC60870-5-101 标准用于TCP/IP 网络。如果调度主站与变电站连接采用以太数据网，变电站RTU与调度主站的通信应采用IEC60870-5-104我国行业标准DL/T634.5104-2009《远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输协议集的IEC60870-5-101网络访问》)标准。

IEC 60870-5 系列标准包括基本标准和配套标准两部分内容。

基本标准分5篇，IEC60870-5-1~IEC60870-5-5分别规定了传输帧格式、链路传输规则、应用数据的一般结构、应用数据的定义和编码、基本应用功能等内容。

配套标准是在基本标准的基础上,根据不同应用情况的要求而制定的,分别是:

(1)IEC 60870-5-101 基本远动任务配套标准(1995年);

(2)IEC 60870-5-102 电力系统中传输电能脉冲计数量配套标准(1996年);

(3)IEC 60870-5-103继电保护设备信息接口配套标准(1997年);

(4)IEC 60870-5-104 采用标准传输文件集的 IEC 60870-5-101 网络访问(2000年)。

配套标准是对基本标准中的信息体规定特殊用途，或定义另外的信息体、服务规则和基本标准参数。配套标准采用ISO/OSI七层协议简化后的三层增强功能模型(物理层、链路层、应用层)，提供了比完整七层模型更快的响应速度。

IEC 60870-5系列配套标准与传统的通信协议相比有很多优点，例如:在信息体的语意方面增加了品质描述，可以实现重要信息的优先传送和简单的在线自诊断功能;支持非平衡式和平衡式两种传输模式，适用于多种网络拓扑结构等。因此，我国各制造商及用户都在积极贯彻执行IEC60870-5系列通信标准。

8.2.4 TASE.2

远动应用服务元素(Telecontrol ApplicationService Elernent no.2，TASE.2)是IEC-TC57负责制定的。它可使一个电网控制中心与同一企业的其他电网控制中心、其他电力企业、联营电网、区域控制中心、独立发电厂等通过广域网(WAN)进行数据交换。交换的信息由电力系统监视和控制用的实时数据和历史数据组成，包括测量数据、计划数据、电能量结算数据及操作消息。TASE.2 由三个文件组成:①IEC 60870-6-503 规定了 TAsE.2 应用建模和服务定义:②IEC 60870-6-702 规定了使用TASE.2 的应用简表;③IEC 60870-6-802 规定了一组 TASE.2 所支持的标准对象模型定义。TASE.2是基于制造报文规范(Manufacturing Message SPeeification,MMS)标准子集的协议。MMS是ISO/IEC9506 标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议，它是在开放系统互联(OSI)七层模型基础上，定义了网络环境下计算机或智能电子设备之间交换实时数据和监控信息的国际标准报文规范。MMS使用应用控制服务元素(ssociation Control ServiceElement, ACSE)来建立和管理站点间的连接。