摘 要：基于工業以太網技術分析，本文闡述了IEC 61850協議的工作原理、建模方法和報文性能需求，介紹了在工業以太網中應用IEC 61850標準的通信機制，探討了在變電站自動化系統中引入RTPS模型的設計方法。 關鍵詞：IEC61850; 以太網; RTPS 1 引言 　　變電站自動化系統功能的擴展和規模的擴大加速了工業以太網技術在電力通信中的應用。基于TCP/IP技術改造后的工業以太網技術具有的實時性、穩定性、通用性和開放性的特點和高傳輸率、大容量的優勢是Lon Works現場總線和CAN總線技術無法比擬的。變電站自動化系統功能的擴展和規模的擴大以及變電站自動化技術向高壓、超高壓變電站系統發展的趨勢大大加速了工業以太網技術在電力通信中的應用。IEC 61850協議是國際電工委員會提出的未來變電站自動化系統唯一的通信標準體系，它在工業以太網技術中的應用研究將對變電站自動化水平的進一步提高產生深遠意義。 2 基于TCP/IP協議的工業以太網技術分析 　　2.1 物理層和數據鏈路層 　　以太網在技術和市場上已處于主流地位，而且隨著快速以太網、G比特以太網技術的逐步成熟，對變電站自動化系統應用而言，網絡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]。工業以太網是基于IEEE 802.3標準的交換式局域網，它使用CAMA/CD協議作為介質訪問控制MAC和物理層的規范。數據傳輸具有“先偵聽、后檢測、最后隨機重發”的特點，于是曾有觀點認為因以太網對“實時”信息傳輸造成延遲的隨機性無法預測，不能滿足實時系統的需要。為此，美國電力科學院（EPRI）對以太網和12M令牌傳遞Profibus網絡做了性能比較測試，研究結果表明l0M交換式以太網完全能夠滿足變電站自動化系統網絡通信 “實時”性的要求，并且快于12M令牌傳遞Profibus網絡。 　　2.2 網絡層和傳輸層 　　選擇事實標準的TCP/IP協議作為站內智能電子設備（IED Intelligent Equipment Device）的高層接口，使站內IED的數據收發都能以TCP/IP方式進行，以標準的數據訪問方式保證站內IED具有良好的互操作性。這樣，監控主站或遠方調度中心采用 TCP/IP協議就可以通過廣域網，甚至Internet獲得變電站內的數據。 3 IEC 61850的工作原理 　　3.1 IEC 61850協議的優點 　　IEC 61850協議是未來無縫遠動通信體系的基礎，更是未來變電站自動化系統的唯一國際標準，具有突出的優點：（1）使用面向對象的UML統一建模技術;（2）采用分布、分層的結構體系;（3）使用抽象通信服務接口（ACSI Abstract Communication Service Interface）和特殊通信服務映射SCSM（Specific Communication Service Mapping）技術，把通信服務要求和具體的通信協議分離開，有利于適應通信技術的不斷發展;（4）抽象建模與具體實現的獨立性，服務與通信網絡獨立，適用于TCP.和OSI等多種傳送協議;（5）可以實現智能電子設備間的互操作性;（6）基于XML技術實現變電站配置描述語言SCL （Substation Configuration description Language）;（7）數據和服務具有自描述性，便于系統的擴展。 　　3.2 工作原理 　　IEC 61850基于客戶/服務器模式工作。將實際設備按照IEC 61850標準建模為數據對象和服務，以ACSI體現出來。客戶端發出服務請求，接收已在服務器中處理過的服務確認;客戶端也可從服務器接收報告，全部服務請求和響應由通信協議棧進行通信[2]。工作原理框圖見圖1 [align=center] 圖1 應用層信息交互原理框圖[/align] 　　IEC 61850在設備間交換信息有兩種機制：推入機制和查詢機制。設定值或操作采用“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據中選擇“讀”值。通信系統提供手段防止在網絡內的單個計算機和任何設備連接以及觀察和修改任何設備的全部信息。有多種訪問方式限制設備或設備特定數據的“可視性”，操作員不得改變特定的設置。 　　3.3 基于IEC 61850協議的數據和服務建模 　　IEC 61850標準采用面向對象建模技術基于客戶/服務器結構數據模型對變電站內各IED建模[3]。每個IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據對象。邏輯節點是一個由數據和方法組成的對象，是一最小可被調用的子功能，是同其它特殊的邏輯實體相互交換數據的最小邏輯實體。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類的命名實例。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和服務器通信可訪問數據對象，如圖2所示。 [align=center] 圖2 數據模型分層結構[/align] 　　ACSI提供了系統數據對象和服務對象，實現了數據和服務獨立的建模方式，建立了標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型，包括服務器模型、邏輯設備模型、邏輯節點模型、數據模型和數據集模型。客戶端通過ACSI，由專用通信服務映射SCSM映射到所采用的具體通信協議棧，如制造報文規范（MMS Manufacturing Message Specification）等，較好地解決了標準的穩定性與未來網絡技術發展之間的矛盾，即當網絡技術發生變化時只需改動SCSM。 4 IEC 61850報文性能要求 　　PICOM （Piece of Information for Communication）是對在2個邏輯節點之間通過確定的邏輯路徑進行傳輸，且帶有確定的通信屬性的交換數據的描述[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。由發送端將數據內容放到傳輸棧頂部的瞬間開始計數，直到接收端由傳輸棧取出數據的瞬間為止。 　　快速報文：這類報文典型地包含數據、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，總傳輸時間應為半個周期序列，定為10ms;對性能級P2/3， 　　總傳輸時間應小于1/4周期序列，定為3ms。，其它快速報文對性能級P1，總傳輸時間應小于或等于100ms;對性能級P2/3，總傳輸 時間應為1個周期，定為20ms。 　　中速報文：發生時間重要，但傳輸時間卻無關緊要。這類報文有自己的時鐘，含有發送機設定的時標，接收機將在一定的內部時間延遲后正常反應，然后按時標給出的時間來進行計算，總傳輸時間應小于100ms。通常的狀態信息屬于此類報文。 　　低速報文：可能需要時間標志，一般用于低速自動控制、事件記錄傳輸、讀寫設定值和系統數據描述等。總傳輸時間應小于500ms。 　　生數據報文：如數字式變送器和數字式儀用互感器的輸出數據。它包括IED輸出的連續同步數據流，并交叉有其它IED的數據。總傳輸時間控制在10ms內。 　　文件傳輸報文：此類報文用來傳輸大型記錄數據文件，一般應分為有限長度的報文塊，以便網絡傳輸和使用。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的內部時鐘，按照用途如事件時間標記或生數據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：此命令可由當地或遠方的人機會話借口HMI發出，需要較高的安全性，必須帶有口令和查證過程。 5 RTPS模型設計 　　Publisher/Subscriber模型是一種網絡數據分布式模型，現已經在分布式系統中得到了廣泛應用，如Web數據發布、網絡管理等，具有信息與設備地址無關、點對多點傳輸和事件驅動傳輸的特點[5]。實時分布式控制系統對數據的傳輸時間有一個定量的要求，即所傳數據必須在規定的時間內傳送到目的地，否則就會造成系統出錯和功能失敗.另外，無連接模式可靠性不強，有必要在數據流中引入控制機制，以確保數據可靠傳輸.RTPS模型（實時Publisher/Subscriber模型）由此產生，見圖3。 [align=center] 圖3 RTPS模型[/align] 　　RTPS模型運行在支持多線程優先級處理的實時操作系統下。Publisher輸出端引入｛SqNum，hTime，RtNum｝三個參數，分別表示數據序列號、數據存活時間和重傳計數器;Subscriber輸入端引入超時時間TimeOut和數據序列號檢驗。Publisher發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。按遞減頻率重發數據，直到時間t大于hTime，同時，Subscriber按順序接收緩沖區的數據，如果發現數據序列號混亂或出錯，則立即啟動查詢功能，并向Publisher端查詢未收到的數據序列，并返回響應。 　　具體設計RTPS模型時必須注意以下幾點： 　　（1）利用多線程機制處理好線程優先級和共享數據的訪問，提高系統本身的性能和服務的實時響應性能; 　　（2）合理設計和管理緩沖區結構，實現輸入和輸出流緩沖區的兩個緩沖通道并行運作且互不影響; 　　（3）根據系統要求和實際內存大小合理分配記錄緩沖區空間; 　　（4）科學設計事件驅動模塊，實現及時有效地收集和發布數據; 　　（5）不斷優化模型設計，實現內存、CPU資源的最佳利用。 6 結束語： 　　工業以太網已經成為控制系統網絡發展的主要方向，我們應充分利用信息網絡新老技術完善以太網的功能。IEC61850是變電站自動化通信網絡協議應用研究的主要方向，它在工業以太網中的深入應用研究必將大大推動以太網技術的發展。 參考文獻： 　　[1] 吳在軍,胡敏強. 基于IEC 61850標準的變電站自動化系統研究. 電網技術[J]. 2003（10）. 　　[2] 茹鋒,夏成軍,許揚. IEC 61850標準在變電站自動化系統中的應用探討[J]. 江蘇電機工程.2004（3）. 　　[3] 全國電力系統控制及其通信標準化技術委員會. IEC 61850變電站通信網絡和系統系列標準（譯文匯編）. 2002年11月. 　　[4] 徐立子. IEC 61850對變電站自動化系統報文性能的要求. 電網技術[J], 2002（11）. 　　[5] 孫軍平,盛萬興,王孫安. 基于以太網的實時發布者/訂閱者模型研究與實現[J]. 西安交通大學學報. 2002（12）.