智能變電站過(guò)程采樣值傳輸協(xié)議的分析與程序?qū)崿F(xiàn)

徐瑞林，高晉，楊洪濤，鐘加勇，張友強(qiáng)

(1.重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003)

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用促進(jìn)了常規(guī)變電站發(fā)展為智能變電站。智能變電站幾乎完全改變了常規(guī)變電站的通信方式，尤其對(duì)于過(guò)程層而言，智能變電站采用非常規(guī)互感器，互感器的輸出就已為數(shù)字量，只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將互感器所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控和保護(hù)裝置，便能完成其功能。這種由常規(guī)變電站到智能變電站的過(guò)程層變化，最大的優(yōu)點(diǎn)是提高了互感器測(cè)量一次系統(tǒng)電壓和電流的準(zhǔn)確度；其次簡(jiǎn)化了過(guò)程層的接線，提高了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，智能變電站中只需要使用光纖或者網(wǎng)線將過(guò)程層裝置連接起來(lái)使之能通信即可，而常規(guī)變電站過(guò)程層中存在模擬量的傳輸，導(dǎo)致監(jiān)控和保護(hù)裝置要接入許多導(dǎo)線。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)第9部分（包括9-1和9-2）[1，2]以及IEC60044.8標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了過(guò)程層合并單元傳輸采樣值時(shí)應(yīng)采用的協(xié)議。合并單元將從非常規(guī)互感器獲取到的電壓和電流采樣值數(shù)據(jù)以上述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中所定義的格式組裝出報(bào)文，便可以傳輸采樣值數(shù)據(jù)給支持上述標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控和保護(hù)裝置。

1 智能變電站過(guò)程層各種協(xié)議介紹

電壓和電流采樣值是監(jiān)控和保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)對(duì)采樣值的分析和處理完成裝置自身的功能。采樣值傳輸?shù)氖请妷汉碗娏鞯乃矔r(shí)值，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量巨大，目前常用的電壓和電流采樣率為每周波80點(diǎn)，因此每秒鐘就有4000 個(gè)電壓和電流采樣，若每個(gè)數(shù)據(jù)包中僅含有1個(gè)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU），則合并單元每秒鐘便有4000 包數(shù)據(jù)發(fā)送給智能裝置。

1.1 IEC61850－9－1協(xié)議

IEC61850-9-1協(xié)議是基于以太網(wǎng)定義的，以MAC地址標(biāo)識(shí)不同的裝置，為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，其表示層、會(huì)話層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層均為空[1]。詳細(xì)格式如圖1所示。

圖1 IEC61850-9-1協(xié)議格式

IEC61850-9-1協(xié)議格式總體上比較固定，由兩大部分組成。第一部分為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議頭，字節(jié)數(shù)恒定，共占26字節(jié)；第二部分為IEC61850-9-1協(xié)議的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU），字節(jié)數(shù)可變，且采用ASN.1編碼。

IEC61850-9-1協(xié)議的APDU部分采用ASN.1規(guī)則編碼，即編碼成TLV（Tag，Length，Value）3個(gè)部分：其Tag占1個(gè)字節(jié)，恒定為0x80；其Length字節(jié)數(shù)不定，取決于后面的ASN.1的Value部分的長(zhǎng)度，一般占1～3字節(jié)，含義是Value部分的長(zhǎng)度；其Value以O(shè)ctet String（8位位組）格式編碼，包含ASDU數(shù)目和ASDU詳細(xì)列表，字節(jié)數(shù)不定。

IEC61850-9-1協(xié)議的APDU中包含的ASDU不再采用ASN.1規(guī)則編碼，格式一般采用基于IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中定義的通用數(shù)據(jù)集，如圖2所示。

可見，IEC61850-9-1協(xié)議的ASDU格式固定，總共占有46字節(jié)，包含12個(gè)通道的數(shù)據(jù)（2組電流、1組電壓和其他電壓電流量）。ASDU狀態(tài)字會(huì)影響報(bào)文中的通道有效性和保護(hù)電流編碼值等等；采樣計(jì)數(shù)是報(bào)文的編號(hào)，表示眾多IEC61850-9-1報(bào)文的ASDU通道中電壓電流數(shù)據(jù)的相對(duì)序號(hào)，通常按順序遞增，同步時(shí)被清零。

IEC61850-9-1協(xié)議的ASDU可以采用其他用戶自定義的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集中的各通道均可以完全由用戶自由定義，各不同的數(shù)據(jù)集是使用LNName，DataSetName，LDName這3個(gè)字段來(lái)區(qū)分。當(dāng)使用自定義數(shù)據(jù)集時(shí)，采樣值通信雙方需要協(xié)商好自定義數(shù)據(jù)集中各通道所包含數(shù)據(jù)的物理意義。

1.2 IEC61850-9-2協(xié)議

IEC61850-9-2協(xié)議與IEC61850-9-1協(xié)議一樣是基于以太網(wǎng)定義的[2]，以MAC地址標(biāo)識(shí)不同的裝置，其表示層、會(huì)話層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層也為空。其協(xié)議格式的總體結(jié)構(gòu)也一致，由以太網(wǎng)報(bào)文頭和APDU兩部分組成，如圖1所示。

IEC61850-9-2協(xié)議與IEC61850-9-1協(xié)議不同的是APDU部分的編碼。9-1協(xié)議中僅APDU是以ASN.1規(guī)則進(jìn)行編碼，APDU中的ASDU部分（包括ASDU數(shù)目和ASDU列表）未采用ASN.1規(guī)則編碼，而全部以O(shè)ctet String形式作為APDU的ASN.1編碼的Value；而9-2協(xié)議中APDU及其中包含的ASDU均以ASN.1規(guī)則編碼，且9-2協(xié)議的ASDU中包含智能裝置模型中采樣值控制塊的很多信息，如圖3所示。IEC61850-9-2協(xié)議中定義的ASDU相對(duì)9-1協(xié)議的ASDU而言非常復(fù)雜，不僅包含的信息量比9-1協(xié)議大，而且9-2協(xié)議的ASDU中每一個(gè)字段都采用ASN.1規(guī)則編碼[3]。

IEC61850-9-2協(xié)議APDU中存在一些可選的字段，這些字段可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況在報(bào)文中存在或者不存在。字段的存在與否可以通過(guò)在解析9-2報(bào)文時(shí)，讀取每個(gè)字段的Tag值來(lái)判定。

圖3 IEC61850－9－2協(xié)議的APDU格式

1.3 IEC60044－8 FT3協(xié)議

IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中基于FT3傳輸幀格式定義了過(guò)程層采樣值傳輸?shù)膱?bào)文格式[4]，F(xiàn)T3傳輸幀格式如圖4所示。其格式比較簡(jiǎn)單，由一個(gè)2字節(jié)起始符和后續(xù)數(shù)目不定的有效數(shù)據(jù)及其校驗(yàn)碼組成。

圖4 FT3傳輸幀格式

IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中定義的采樣值傳輸協(xié)議基于FT3傳輸幀格式定義，其中的通用數(shù)據(jù)集包含了3組有效數(shù)據(jù)，具體組成參照?qǐng)D2所示為：ASDU報(bào)頭包含在數(shù)據(jù)1中，共占14個(gè)字節(jié)，后面接2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)1校驗(yàn)碼；ASDU通道1～通道8，共占16字節(jié)包含在數(shù)據(jù)2中，后面接2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)2校驗(yàn)碼；ASDU通道9～通道12以及ASDU配置，共占16字節(jié)包含在數(shù)據(jù)3中，后面接2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)3校驗(yàn)碼。

有效數(shù)據(jù)后面的校驗(yàn)碼是根據(jù)有效數(shù)據(jù)塊中的部分字節(jié)求和計(jì)算得出的，可參考IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式。

FT3傳輸幀格式僅是一種報(bào)文格式定義，至于其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，F(xiàn)T3傳輸幀格式并沒有進(jìn)行定義。因此，用戶可以基于FT3傳輸幀格式定義其中傳輸?shù)木唧w通道數(shù)目及各通道物理量，從而形成各種采用FT3傳輸幀格式的不同的采樣值傳輸協(xié)議。

2 智能變電站過(guò)程層協(xié)議的分析

（1）協(xié)議格式復(fù)雜度。IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議相對(duì)IEC61850-9-2協(xié)議相比簡(jiǎn)單許多。前2個(gè)協(xié)議報(bào)文中所含字節(jié)數(shù)相對(duì)恒定，報(bào)文中包含的信息比9-2協(xié)議少且編碼簡(jiǎn)單，而9-2協(xié)議中所有信息均采用ASN.1規(guī)則編碼。通常情況下，在傳遞相同通道數(shù)目的采樣值時(shí)，IEC61850-9-2協(xié)議格式的報(bào)文比另2種報(bào)文長(zhǎng)。

（2）靈活性。IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議雖然也能對(duì)報(bào)文中所含的采樣值的數(shù)目進(jìn)行配置，但在標(biāo)準(zhǔn)中只定義了通用數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集僅包含12個(gè)通道的采樣值，IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議報(bào)文中一般采用該通用數(shù)據(jù)集。而IEC61850-9-2協(xié)議在傳輸采樣值時(shí)，其報(bào)文中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與智能裝置模型中定義的數(shù)據(jù)集相對(duì)應(yīng)，因此其通道數(shù)與裝置模型中數(shù)據(jù)集中所包含的數(shù)據(jù)對(duì)象個(gè)數(shù)一致。由此可知，IEC61850-9-2協(xié)議比另2個(gè)協(xié)議更加靈活，其傳輸?shù)牟蓸又祦?lái)源于裝置模型中的數(shù)據(jù)集，隨著數(shù)據(jù)集定義的不同，IEC61850-9-2協(xié)議便能傳輸不同的采樣值。而IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則比較固定，通常傳輸IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中所定義的通用數(shù)據(jù)集。

（3）實(shí)現(xiàn)難度。由于IEC61850-9-2協(xié)議中所包含的各字段的起始偏移及長(zhǎng)度是不定的，在實(shí)現(xiàn)IEC61850-9-2協(xié)議時(shí)必須要按照字段的順序，先組裝前面的字段，對(duì)前面字段的修改都會(huì)影響到后面的所有字段的偏移，并且IEC61850-9-2中各字段都要按照ASN.1規(guī)則編碼成TLV 3個(gè)部分。而IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議由于其各字段的偏移及長(zhǎng)度是固定的，其報(bào)文中前面字段的組裝不會(huì)影響到后面字段，對(duì)前面字段進(jìn)行修改時(shí)只需修改該字段的值，對(duì)后續(xù)字段沒有任何影響。因此IEC61850-9-2協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，需要考慮更多的問(wèn)題，比另2個(gè)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)難度大。

（4）實(shí)時(shí)性。由于IEC61850-9-2協(xié)議中各字段的偏移和長(zhǎng)度的不定性，在組裝和解析IEC61850-9-2協(xié)議的報(bào)文時(shí)，需要首先找到所關(guān)心字段的起始位置，才能讀取到該字段的值。而IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議中各字段的偏移固定，在組裝和解析它們的報(bào)文時(shí)，直接從偏移位置寫入和讀出該字段的值即可。因此組裝和解析IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議比組裝和解析IEC61850-9-2協(xié)議的效率更高。

（5）可靠性。IEC60044-8協(xié)議不是基于以太網(wǎng)的，采用此協(xié)議的裝置之間通過(guò)光纖直連，而IEC61850-9-1協(xié)議和IEC61850-9-2協(xié)議則是基于以太網(wǎng)組播的，通常接入交換機(jī)多個(gè)裝置可以同時(shí)接收到。可見，IEC61850-9-1協(xié)議和IEC61850-9-2協(xié)議的可靠性往往受到交換機(jī)的影響，當(dāng)交換機(jī)上的通信負(fù)荷較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)采樣值傳輸報(bào)文丟失等情況，而IEC60044-8由于是與保護(hù)和監(jiān)控裝置直連，具有很高的可靠性。

綜上所述，IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議的特性類似，而IEC61850-9-2協(xié)議則更復(fù)雜、更靈活，但較難實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時(shí)性不如IEC61850-9-1協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議，在可靠性方面，IEC60044-8協(xié)議優(yōu)于其他協(xié)議。

3 智能變電站過(guò)程層協(xié)議的編程實(shí)現(xiàn)

3.1 IEC61850-9-1協(xié)議的編程實(shí)現(xiàn)

IEC61850-9-1協(xié)議的組裝過(guò)程如圖5所示。IEC61850-9-1協(xié)議是基于以太網(wǎng)的，其報(bào)文前部分是以太網(wǎng)協(xié)議頭，格式如圖1所示。以太網(wǎng)協(xié)議頭的組裝比較簡(jiǎn)單，因其所包含的各字段長(zhǎng)度固定，此時(shí)只需要定義一個(gè)struct結(jié)構(gòu)，再定義相關(guān)函數(shù)用來(lái)對(duì)該struct中各字段進(jìn)行填寫和讀取即可。

APDU的組裝與以太網(wǎng)頭的組裝相比較復(fù)雜，APDU以ASN.1規(guī)則編碼，如圖1所示：Tag為0x60；Length為后續(xù)Value的長(zhǎng)度；Value包含ASDU的數(shù)目及ASDU列表，它們以O(shè)ctet String類型直接編碼。組裝APDU的核心是組裝ASDU，雖然ASDU中包含多個(gè)字段，但ASDU中各字段的長(zhǎng)度均固定，因此組裝ASDU和組裝以太網(wǎng)頭一樣簡(jiǎn)單，只要定義相應(yīng)ASDU的struct即可，然后編寫相關(guān)函數(shù)對(duì)該struct中各字段進(jìn)行讀寫即可。

將組裝好的ASDU、ASDU數(shù)目、APDU的Tag和Length拼起來(lái)便構(gòu)成了APDU。再將組裝好的以太網(wǎng)協(xié)議頭和APDU連接起來(lái)，便組裝出了IEC61850-9-1協(xié)議報(bào)文。

圖5 IEC61850-9-1協(xié)議組裝過(guò)程

3.2 IEC61850-9-2協(xié)議的編程實(shí)現(xiàn)

與IEC61850-9-1協(xié)議類似，IEC61850-9-2協(xié)議也是基于以太網(wǎng)的，因此也需要首先組裝以太網(wǎng)頭，而IEC61850-9-2的APDU組裝相對(duì)比較復(fù)雜，因其每個(gè)字段都采用ASN.1規(guī)則編碼。IEC61850-9-2協(xié)議的組裝過(guò)程如下圖6所示。

IEC61850-9-2協(xié)議組裝過(guò)程中的難點(diǎn)在于組裝ASDU主體，其包含多達(dá)8個(gè)字段，每個(gè)字段都采用ASN.1規(guī)則編碼。ASDU主體與ASDU數(shù)目合成便組成APDU的Value，再與APDU的Tag和Length合并即得到APDU的編碼，最后與以太網(wǎng)協(xié)議頭合并記得到IEC61850-9-2協(xié)議的報(bào)文。

3.3 IEC60044-8協(xié)議的編程實(shí)現(xiàn)

IEC60044-8協(xié)議的報(bào)文通常采用通用數(shù)據(jù)集，基于FT3傳輸幀格式。該協(xié)議中各字段長(zhǎng)度固定，因此組裝該協(xié)議非常簡(jiǎn)單，只需依照該協(xié)議的報(bào)文格式定義一個(gè)struct，再定義與之對(duì)應(yīng)的讀寫struct中各成員的函數(shù)即可。該變量所占據(jù)的內(nèi)存塊即是IEC60044-8協(xié)議的報(bào)文。

圖6 IEC61850-9-1協(xié)議組裝過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

智能變電站中過(guò)程層廣泛使用了3種采樣值傳輸協(xié)議，分別是：IEC61850-9-1協(xié)議、IEC61850-9-2協(xié)議和IEC60044-8協(xié)議。在復(fù)雜度、靈活性、實(shí)現(xiàn)難度和實(shí)時(shí)性4個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了比較，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了這3種協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)的方法。過(guò)程層采樣值傳輸給保護(hù)裝置提供了數(shù)據(jù)源，是保護(hù)裝置完成一切功能的基礎(chǔ)，因此采樣值的正確快速傳輸具有非常重要的意義。本文的研究可以對(duì)智能變電站建設(shè)中如何合理的選擇過(guò)程層采樣值傳輸協(xié)議提供一定的參考。

[1] DL/T860.91—2006/IEC61850-9-1，變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第9-1部分：特定通信服務(wù)映射（SCSM）單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路上的采樣值[S].

[2] DL/T860.92—2006/IEC61850-9-2，變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第9-2部分：特定通信服務(wù)映射（SCSM）映射到ISO/IEC8802-3的采樣值[S].

[3] GB/T16263—1996/ISO8825，信息處理系統(tǒng)開放系統(tǒng)互連抽象語(yǔ)法標(biāo)記-（ASN.1）基本編碼規(guī)則規(guī)范[S].

[4] GB/T20840.8—2007，互感器第8部分：電子式電流互感器[S].