IEC61850對變電站自動化系統(tǒng)報文性能的要求
徐立子（中國電力科學研究院，北京100085）摘要：闡述了IEC61850對邏輯節(jié)點、通信信息片、事件時間、傳輸時間、報文的類型和性能級的定義。并指出了變電站自動化系統(tǒng)中報文的性能要求，IED同步標準及電力系統(tǒng)有關(guān)參量的指標（如電壓、電流對不同級別的精確度、諧波、分辨度和采樣率）等。
關(guān)鍵詞：變電站自動化系統(tǒng)；邏輯節(jié)點；通信信息片；報文；智能電子設(shè)備1引言
IEC61850-5（57/526/CDV2001）對變電站自動化系統(tǒng)中邏輯節(jié)點間的通信進行了詳盡的描述。對事件時間、傳輸時間、報文的類型和性能級均給予了定義，并規(guī)定了變電站內(nèi)IED的同步標準以及電力系統(tǒng)有關(guān)值的指標，包括電流電壓所要求的精確度、諧波次數(shù)、采樣速率，以及同步精度、功角測量精度、故障測距精度等。因此，這對變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計，IED性能的研制和生產(chǎn)均有指導性作用，應予以充分重視和執(zhí)行。
2有關(guān)術(shù)語
2.1邏輯節(jié)點
邏輯節(jié)點（LogicalNode，LN）是功能的最小組成部分。功能間可相互交換數(shù)據(jù)。邏輯節(jié)點（LN）代表物理設(shè)備內(nèi)部執(zhí)行功能的某些操作。邏輯節(jié)點（LN）是一個由數(shù)據(jù)和方法組成的對象。與主要設(shè)備相關(guān)的邏輯節(jié)點不是主要設(shè)備本身，而是它的智能部分或者次級系統(tǒng)的映象。
邏輯節(jié)點是一個虛擬設(shè)備。以通信的觀點來看，邏輯節(jié)點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。因而，1個邏輯節(jié)點是一最小可被調(diào)用的子功能，其數(shù)據(jù)必須標準化，以便實現(xiàn)互操作。子功能的多少（即1個功能被分成多少個邏輯節(jié)點），取決于變電站自動化系統(tǒng)的智能電子裝置（IED）內(nèi)的劃分。
2.2通信信息片（PICOM）
PICOM（PieceofInformationforCOMmunica-tion）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。由上述定義可知，一個物理設(shè)備（即IED）可完成多個功能，可分解為多個邏輯節(jié)點。各個邏輯節(jié)點間的通信可用上千個PICOM(通信信息片)來描述。PICOM可分為7種報文類型，它們的屬性范圍由性能級構(gòu)成。
3基本的時間要求
由多個廠家生產(chǎn)的與IEC61850兼容的設(shè)備，不僅分布在變電站中，而且遍布于電力系統(tǒng)。這些設(shè)備的時間標志應使用通用格式。時間模型和格式的規(guī)定如下，精確度要求取決于各種具體應用。①時間標記應基于已有的時間標準（如世界時（UTC）已為大家所接收的基本時間標準）；②時間模型應能按秒跳躍，并提供足夠的信息，使用戶對穿過跳躍秒邊界的事件能完成delta時間計算；③時間標記模型應含有足夠的信息，使用戶在計算日期和時間時毋需附加信息（如由時間開始后的跳躍秒數(shù)目）；④時間標記應很容易由商用的時間源導出；⑤總時間模型應包括能計算當?shù)貢r間的信息；⑥時間模型應對當?shù)貢r間有若干小時的偏移；⑦時間模型應表示夏時制是否適用；⑧格式應至少持續(xù)100a；⑨時間標記格式應為緊湊式，且易于用機器處理。
4事件時間的定義
有3種不同類型的事件，因而需要一專用的時間定位進程：①如果一事件定義為計算的結(jié)果（內(nèi)部或計算事件），則時間定位（時間標記）應立即在時鐘的時間分辨度內(nèi)完成，毋需特殊測量；②如果一事件定義為二進制輸入的變化，則必須考慮輸入接點防抖動進程的延遲，事件時間應在當?shù)匦Ｕ虎廴绻皇录x為一模擬量的變化，則必須考慮輸入電路濾波進程的延遲，事件時間應在當?shù)匦Ｕ＿@種事件時間定義就要求傳輸二進制或模擬事件/值的時間標記應盡可能準確，使接收端不需要校正。
5傳輸時間的定義
總傳輸時間，即為報文的全部傳輸時間，包括2端所需的處理時間。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。
圖1表示全部傳輸鏈路的時間需求。在物理設(shè)備PD1中功能f1將數(shù)據(jù)發(fā)送到位于物理設(shè)備PD2的另一功能f2上。總傳輸時間由各個通信處理器的時間和網(wǎng)絡傳輸時間，包括等待時間、路由器所用時間和整個網(wǎng)絡具有的其它設(shè)備所用的時間。任何測試和全部傳輸時間的檢驗應在現(xiàn)場驗收試驗（SiteAcceptanceTest，SAT）時完成。物理設(shè)備和網(wǎng)絡設(shè)備可由不同廠家提供。6報文類型的定義和使用
按邏輯節(jié)點間PICOM的通信要求可得到，在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)的各種通信鏈接。這種鏈接是為了傳輸各種復雜的報文，并考慮其內(nèi)容、長度、最壞情況的允許傳輸時間和安全性等建立的。從一瞬間到另一瞬間所傳送的報文類型取決于變電站和系統(tǒng)的實際情況。
涉及信息傳輸?shù)腜ICOMs，它嚴格地以一個單一的專門功能為基礎(chǔ)，并包括源和洞。報文類型取決于與PICOM屬性有關(guān)的性能組，因而它決定了所支持的性能要求。由于性能要求決定了每個報文，所以它們與變電站的大小無關(guān)。
7性能級的定義和使用
考慮到變電站的不同需求，某些報文類型還可再分為2組性能級：1組為控制和保護，另1組為測量儀表和電能計量。由于性能級由所需功能決定，因而它們與變電站的大小無關(guān)。
在指定的變電站內(nèi)所有通信鏈路未必一定需要支持同一性能級。站級總線和過程總線可彼此獨立選擇。在過程總線結(jié)構(gòu)內(nèi)不同性能級可用在不同的間隔上，這取決于每個間隔所安裝設(shè)備的數(shù)目和傳輸率。
（1）控制和保護性能級P1一般用在分布式間隔上或另外接收低要求的間隔上；性能級P2一般用在傳輸間隔上或用戶無另外規(guī)定之處；性能級P3一般用在具有高性能同步特性的傳輸間隔上和斷路器差動上。
（2）測量儀表和電能計量性能級M1指的是具有精確度級為0.5（IEC60687）和0.2（IEC60044）以及最多5次諧波的測量儀表的性能級；性能級M2指的是具有精確度級為0.2（IEC60687）和0.1（IEC60044）以及最多13次諧波的測量儀表的性能級；性能級M3指的是直到40次諧波的測量儀表的性能級。
8報文類型和性能級
8.1類型1——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”，觸發(fā)、釋放、狀態(tài)改變，也可能是某功能的狀態(tài)。接收的IED通常在收到這類報文后立即動作。
（1）類型1A——“跳閘”變電站中跳閘是最重要的快速報文。因此此報文比其它所有快速報文要求更高。①對性能級P1，總傳輸時間應為半個周期序列，因此定為10ms；②對性能級P2/3，總傳輸時間應小于1/4周期序列，因此定為3ms。
（2）類型1B——“其它”這類對過程自動化系統(tǒng)相互作用的所有其它快速報文是重要的。但和跳閘相比要求要差一些。①對性能級P1，總傳輸時間應小于或等于100ms；②對性能級P2/3，總傳輸時間應為1個周期，因此定為20ms。
8.2類型2——中速報文
按第8.1節(jié)定義的報文，若它發(fā)生的時間是重要的，但傳輸時間卻無關(guān)緊要，則希望此種IEDs有自己的時鐘。報文應含有發(fā)送機設(shè)定的時標，接收機將在一定的內(nèi)部時間延遲后正常反應，然后按時間標志給出的時間來進行計算。通常的狀態(tài)信息屬于此類報文。
這類報文亦可含有單一測量值，如由類型4信號計算出的有效值。總傳輸時間應小于100ms。
8.3類型3——低速報文
此類報文含有復雜的報文，可能需要時間標志。這種類型報文一般用于低速自動控制功能、事件記錄傳輸、讀或改變設(shè)定點值和通常的系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述等。不管時間標記需要（正常）還是不需要（例外），都應由實際應用所決定。對正常警報/事件的處理，警報和事件應標有時間標記。非電量測量（如溫度）也屬于此類型。但某些自動裝置和數(shù)值（如壓力）需要類型2的報文。
總傳輸時間應小于500ms。
8.4類型4——生數(shù)據(jù)報文
此類報文如數(shù)字式變送器和數(shù)字式儀用互感器的輸出數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)包括每個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)。8.5類型5——文件傳輸功能
此類報文用來傳送大型記錄數(shù)據(jù)文件、信息目的和整定等。數(shù)據(jù)應分為有限長度的塊，以便為其它通信網(wǎng)絡的應用所使用。文件類型PICOMs的長度一般等于或大于512bit。
傳輸時間是不重要的，沒有規(guī)定限制。時間要求一般等于或大于1000ms。
對遠方訪問，文件傳輸請求應有訪問控制，即需要某些授權(quán)才能進行訪問（見類型7報文）因此，此請求報文應為類型7。
8.6類型6——時間同步報文
這類報文用以同步變電站自動化系統(tǒng)中IED的內(nèi)部時鐘。按照用途（事件時間標記或生數(shù)據(jù)的采樣精度）需要不同級的時間同步。
如果IEDs內(nèi)的時鐘時間同步比功能要求好一個數(shù)量級，則能實現(xiàn)這些功能要求。8.7具有訪問控制的命令報文
這類報文用來傳送控制命令。此命令可由當?shù)鼗蜻h方人機會話接口（HMI）發(fā)出。這需要有較高的安全性。所有報文應包含訪問控制。此類報文是基于類型3的報文，必須帶有附加的口令和/或查證過程。
在某些控制層傳播的命令報文可由操作員下傳至開關(guān)裝置或某些其它控制對象，它們可變換為至少在過程總線上請求類型1報文特性的報文。
這些報文為操作員通過當?shù)鼗蜻h方人機接口HMI所使用。參考文獻[1]57/526/VDV．IEC61850-5Communicationnetworkandsystemsinsubstations，Part5-12：Messageperformancerequirements[S]．2001．