篤 峻 ，李 皓 ，胡紹謙

（1.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211100；2.臺州宏遠(yuǎn)電力設(shè)計院，浙江臨海317000）

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)正在逐漸成為變電站通信網(wǎng)絡(luò)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)為變電站內(nèi)各廠家不同型號裝置之間的互連互通提供了一套全新的解決方案。標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)描述了變電站內(nèi)通信系統(tǒng)的框架模型，其主要特點是通過定義抽象通信服務(wù)接口（ACSI）到不同的特殊服務(wù)通信映射（SCSM）來實現(xiàn)通信協(xié)議與應(yīng)用及通信介質(zhì)的分離，解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來通信技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，使標(biāo)準(zhǔn)更能適應(yīng)未來通信技術(shù)的發(fā)展需求[1]。也正是因為標(biāo)準(zhǔn)試圖保證其未來發(fā)展的穩(wěn)定性，而沒有對具體的通信實現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)范。目前國內(nèi)的61850變電站工程，站控層普遍采用制造報文規(guī)范（MMS）+TCP/IP+以太網(wǎng)的通信服務(wù)映射模式，其中很多高電壓等級的變電站更是采用了雙星形的雙網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由于標(biāo)準(zhǔn)未對站控層如何實現(xiàn)雙網(wǎng)通信進(jìn)行明確規(guī)定，實際工程中各廠家亦采用了各種不同的雙網(wǎng)通信方案，各方案之間互不兼容給雙網(wǎng)條件下的互操作帶來了困難。因雙網(wǎng)通信的復(fù)雜性，使得在歷次用戶組織的互操作試驗中也都回避了這一問題[2]。隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)變電站工程中的推廣，站控層如何實現(xiàn)雙網(wǎng)通信將是一個不容忽視和回避的問題。

1 站控層雙網(wǎng)通信問題概述

其實站控層雙網(wǎng)通信問題并不是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)帶來的問題，早在103規(guī)約時代各廠家對站控層的雙網(wǎng)通信方案就存在爭議，其爭議的焦點集中在如何綁定雙網(wǎng)、如何收發(fā)數(shù)據(jù)及如何判定雙網(wǎng)數(shù)據(jù)的冗余性等問題上。各廠家都提出了各自的雙網(wǎng)通信方案，如南瑞繼保公司提供的解決方案就是通過裝置IP地址的前兩位來綁定雙網(wǎng)，規(guī)定站控層網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0，子網(wǎng)地址為198.120和198.121。站控層互聯(lián)設(shè)備之間采用雙發(fā)雙收機制，即發(fā)送方的報文在雙網(wǎng)上同時發(fā)送，接收方雙網(wǎng)接收后選取一個報文給上層的應(yīng)用。

至于接收方如何從雙網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)報文中選取一個報文，則通過對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行編號，接收方丟棄一個已經(jīng)收到過的相同編號的報文。各廠家的方案互不兼容，給雙網(wǎng)條件下的互操作帶來了困難。但在103規(guī)約時代，雙網(wǎng)通信問題還不是很突出。因為103規(guī)約剛推出之時雖然也提出了要統(tǒng)一變電站各廠家裝置的通信規(guī)約，實現(xiàn)互聯(lián)互通的目標(biāo)，但在實際的推廣過程中卻并未能真正實現(xiàn)這一目標(biāo)。各廠家的產(chǎn)品雖然都聲稱符合103規(guī)約，但在具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)上仍然存在差異，如果不做大量規(guī)約修改或轉(zhuǎn)換工作，很難實現(xiàn)互聯(lián)互通。

為了提高工程實施和運行維護(hù)效率，整個變電站的自動化系統(tǒng)只能通過盡量采購?fù)粡S家產(chǎn)品來搭建。對于不得不采用的其他廠家的產(chǎn)品，只能通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器接入自動化系統(tǒng)。大量采用了同一廠家產(chǎn)品的變電站，實際上也就不存在或存在很少的互操作已經(jīng)成為問題，那各廠家對于站控層雙網(wǎng)通信方案問題的爭論自然也僅停留在了學(xué)術(shù)討論的層面上。

但隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)時代的到來，互操作已經(jīng)成為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的最重要的特點和目標(biāo)。用戶從標(biāo)準(zhǔn)推出之初就對互操作寄予了厚望，希望IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推出能夠結(jié)束目前變電站內(nèi)各廠家裝置通信規(guī)約混亂，很難實現(xiàn)互聯(lián)互通的現(xiàn)狀。為了避免今后IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展再次陷入如今103規(guī)約所面臨的困境，用戶組織各廠家對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次討論和互操作試驗，對標(biāo)準(zhǔn)中的諸多實現(xiàn)細(xì)節(jié)都進(jìn)行了明確的規(guī)范，但因各廠家對雙網(wǎng)通信方案仍存在較多爭議，所以目前在各個版本的IEC 61850工程實施規(guī)范中都回避了該問題。這樣，站控層雙網(wǎng)通信問題又一次擺在了用戶和各廠家面前。

2 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)報告介紹

在介紹具體的雙網(wǎng)通信方案之前，有必要先簡單回顧一下IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的一個重要概念——報告。報告提供了一種從服務(wù)器（保護(hù)裝置、測控裝置、故錄裝置等）向客戶端（監(jiān)控后臺、遠(yuǎn)動裝置、保信子站等）傳輸數(shù)據(jù)的手段，滿足了事件驅(qū)動信息快速交換的要求。當(dāng)數(shù)據(jù)值或數(shù)據(jù)的某些屬性發(fā)生改變時，報告被及時觸發(fā)送往客戶端，同時服務(wù)器支持對報告進(jìn)行較低頻度的完整性掃描及客戶端啟動對報告的總召喚。報告控制塊（RCB）定義了報告發(fā)送的行為，控制了服務(wù)器向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)值的過程，如定義了報告發(fā)送的數(shù)據(jù)集名稱、發(fā)送周期、觸發(fā)條件、報告內(nèi)容等參數(shù)。服務(wù)器對每個報告控制塊可以定義若干個報告控制塊實例，可用附加下標(biāo)（1～n）來區(qū)分每一個實例名。某客戶端要想接收到服務(wù)器發(fā)送的報告，必須先使能服務(wù)器上的一個報告控制塊實例，該客戶端惟一“擁有”這個實例并從這個實例接收報告，而其他客戶端只有使能其他報告控制塊實例才能從服務(wù)器獲得報告。報告控制塊分2類，每一類的性能稍有不同。緩存報告控制塊（BRCB），當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)變化、品質(zhì)變化或數(shù)據(jù)刷新時，觸發(fā)報告立即發(fā)送，并緩存報告，如因網(wǎng)絡(luò)流量限制或連接斷開等原因不能發(fā)送報告，服務(wù)器會等通信恢復(fù)后再次向客戶端補送未能發(fā)送出去的報告，數(shù)據(jù)不會丟失。緩存報告控制塊因其高可靠性往往被用來傳輸一些重要的一級數(shù)據(jù)，如開關(guān)變位、保護(hù)動作等信號。非緩存報告控制塊（URCB），當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)變化、品質(zhì)變化或數(shù)據(jù)刷新時，觸發(fā)報告“盡最大努力”立即發(fā)送，不緩存報告，如因網(wǎng)絡(luò)流量限制或連接斷開等原因不能發(fā)送報告，即使通信恢復(fù)服務(wù)器也不會再次向客戶端補送未能發(fā)送出去的報告，數(shù)據(jù)會丟失。非緩存報告控制塊往往被用來傳輸一些相對不太重要的數(shù)據(jù)，如模擬量、保護(hù)測量量等。對于緩存報告控制塊還有個重要屬性稱為條目標(biāo)識符（EntryID）。EntryID用于標(biāo)識緩存報告的順序事件的條目。在緩存報告控制塊中設(shè)置EntryID的值后，緩存報告控制塊將在發(fā)送下一個報告中使用該EntryID值。當(dāng)客戶端與服務(wù)器的通信連接斷開又重新建立后，客戶端將設(shè)置緩存報告控制塊中EntryID的值為最后接收到的值，當(dāng)使能該緩存報告控制塊后，該報告控制塊將繼續(xù)發(fā)送EntryID值之后的報告[3]。

3 站控層雙網(wǎng)通信方案介紹

目前，主流的站控層雙網(wǎng)通信方案大致可以分為2類。一類稱為“冷備用雙網(wǎng)”，一類稱為“熱備用雙網(wǎng)”。而“熱備用雙網(wǎng)”又可細(xì)分為2類，一類稱為“使能不同報告控制塊實例的熱備用雙網(wǎng)”，另一類稱為“使能同一報告控制塊實例的熱備用雙網(wǎng)”。

3.1 冷備用雙網(wǎng)

“冷備用雙網(wǎng)”實現(xiàn)比較簡單，雙網(wǎng)同時保持連接，但客戶端只從一個網(wǎng)上（如A網(wǎng)）使能服務(wù)器上的報告控制塊實例，根據(jù)客戶端惟一“擁有”該報告控制塊實例并從這個實例接收報告的論述，通信雙方自然只能在A網(wǎng)上收發(fā)數(shù)據(jù)。若A網(wǎng)發(fā)生故障，當(dāng)客戶端通過一定手段（如在限定時間內(nèi)沒有收到服務(wù)器發(fā)送的報文）判斷出A網(wǎng)發(fā)生故障后，客戶端即從另一個網(wǎng)（如B網(wǎng)）再次使能報告控制塊實例，使能成功后通信即被切換到B網(wǎng)，雙方恢復(fù)通信?！袄鋫溆秒p網(wǎng)”的優(yōu)點是其實現(xiàn)簡單可靠，但同時其缺點明顯，A網(wǎng)發(fā)生故障后，客戶端要經(jīng)過一定時間才能判斷出A網(wǎng)發(fā)生故障，再才能從B網(wǎng)再次使能報告控制塊實例重新建立通信連接，通信恢復(fù)時間較長，不能做到雙網(wǎng)無縫切換。對較重要的變電站，需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸，不推薦使用該方案。

3.2 熱備用雙網(wǎng)

“熱備用雙網(wǎng)”較“冷備用雙網(wǎng)”實現(xiàn)復(fù)雜，雙網(wǎng)不僅要同時保持連接，還要同時收發(fā)數(shù)據(jù)，即所謂的“熱備用”，保證了網(wǎng)絡(luò)通信故障時能夠?qū)崿F(xiàn)雙網(wǎng)的無縫切換。根據(jù)采用方案不同，其運行性能也有差異。

3.2.1 使能不同報告控制塊實例

“使能不同報告控制塊的熱備用雙網(wǎng)”方案，即從雙網(wǎng)分別使能服務(wù)器上不同的兩個報告控制塊實例，客戶端在雙網(wǎng)上分別惟一“擁有”一個屬于各自網(wǎng)絡(luò)的報告控制塊實例。對于服務(wù)器而言，它并不清楚這兩個使能請求是來自同一個客戶端的兩個網(wǎng)絡(luò)還是分別來自不同的客戶端，因此統(tǒng)統(tǒng)認(rèn)為這是兩個獨立的客戶端，分別對等地發(fā)送報告。這樣，客戶端將從雙網(wǎng)先后收到兩份完全一模一樣的報告，如何取舍將由客戶端應(yīng)用來抉擇。通常的做法是，客戶端需要緩存收到的報告，當(dāng)后續(xù)報告到達(dá)時，需要根據(jù)一定的準(zhǔn)則（如收到報告的時間戳、報告事件的時間戳、報告事件的對象等）與緩存的報告進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)收到的是舊報告（時間戳早于已經(jīng)收到的相同事件對象報告的時間戳），將主動丟棄收到的后續(xù)報告。該方案實現(xiàn)相對簡單，不需要額外規(guī)定和約束通信雙方的行為，但對客戶端軟件的運行性能提出了較高的要求?？蛻舳塑浖仨毮軌蚓彺嬉欢〝?shù)量的報告作為后續(xù)比較的數(shù)據(jù)源，每收到一個報告都必須先層層解析出報告的內(nèi)容如收到報告的時間戳、報告事件的時間戳、報告事件的對象等，與緩存的報告進(jìn)行比較，確定沒有收到過才能送往應(yīng)用處理（如發(fā)往告警模塊進(jìn)行告警），否則丟棄報告。當(dāng)系統(tǒng)處于一些極限運行條件下（如雪崩試驗、大面積故障等），這種大批量數(shù)據(jù)的追溯比較對客戶端軟件的運行性能將是一個嚴(yán)峻的考驗，有可能會影響到系統(tǒng)的正常運行。另外，一般通過報告的時間戳來比較報告的新舊，這就與服務(wù)器的對時是否準(zhǔn)確密切相關(guān)。如果服務(wù)器曾經(jīng)上送過一個錯誤時間戳的報告（如報告時間為2010年），當(dāng)服務(wù)器恢復(fù)正確對時后，客戶端很可能會將收到的后續(xù)報告作為已經(jīng)接收過的舊報告丟棄，除非重新啟動客戶端軟件。還有，每一個網(wǎng)占用一個報告控制塊實例，在站內(nèi)客戶端足夠多的情況下，如主備后臺機、主備遠(yuǎn)動機、主備保信子站等，一共12個客戶端就需要服務(wù)器為每個報告控制塊提供至少12個報告控制塊實例，這對于很多廠家的裝置硬件都是一個挑戰(zhàn)。

該方案能夠有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障時的雙網(wǎng)無縫切換，因不用綁定雙網(wǎng)，也就不需要額外規(guī)定和約束通信雙方的行為。但實際運行時可能會存在上述問題，可以作為雙網(wǎng)通信的一種折中方案。

3.2.2 使能同一報告控制塊實例

“使能同一報告控制塊的熱備用雙網(wǎng)”較前兩種雙網(wǎng)通信方案實現(xiàn)更為復(fù)雜，但更為完善。該方案考慮了103規(guī)約時代廣受爭議的2個問題：如何綁定雙網(wǎng)及如何有效判定雙網(wǎng)數(shù)據(jù)的冗余性，采用了前述類似的解決方案，但同時具備了IEC6 1850的特點。針對如何綁定雙網(wǎng)，仍然通過綁定服務(wù)器IP地址的前兩位來實現(xiàn)，規(guī)定站控層網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0，子網(wǎng)地址為198.120和198.121，其中198.120子網(wǎng)簡稱為A網(wǎng)，198.121子網(wǎng)簡稱為B網(wǎng)。站控層設(shè)備雙網(wǎng)的地址分別為198.120.X.X和198.121.X.X，這樣服務(wù)器通過IP地址自然就能知道哪兩個網(wǎng)是來自于同一個客戶端。客戶端可以從任一網(wǎng)使能服務(wù)器上同一個報告控制塊實例，并惟一“擁有”這個報告控制塊實例。對于服務(wù)器而言，它將雙網(wǎng)綁定到同一個報告控制塊實例，在雙網(wǎng)上同時發(fā)送報告?？蛻舳藦碾p網(wǎng)先后接收到兩份完全一模一樣的報告后，同樣面臨如何有效判定雙網(wǎng)數(shù)據(jù)冗余性的問題。這將采用類似于前述給數(shù)據(jù)報文編號的方法來解決，只不過這里的數(shù)據(jù)報文編號換了一個名稱叫EntryID。EntryID用于標(biāo)識緩存報告的順序事件的條目，自然可以被用來標(biāo)識報告的惟一性?？蛻舳藦碾p網(wǎng)收到的同一個報告必然帶有相同的EntryID，客戶端可通過比較EntryID的大小來決定報告的取舍，其EntryID小于系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)收到的EntryID的報告將被丟棄。既然要比較EntryID大小，需對EntryID的格式作一定約束，如所占用字節(jié)的數(shù)目、位置及順序等。而IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定EntryID為任意的八位位組串，各廠家對EntryID的使用也很隨意，沒有統(tǒng)一的格式，這樣就給客戶端理解EntryID帶來了困難，需按照不同的規(guī)則來解析EntryID。這也是關(guān)于本方案爭論的一個焦點，有人認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)既然沒有規(guī)定EntryID的統(tǒng)一格式，服務(wù)器就有任意使用EntryID的自由，客戶端不應(yīng)該試圖去理解EntryID。但既然標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定EntryID的格式，那么將EntryID統(tǒng)一為一種格式也并不違背標(biāo)準(zhǔn)的精神，完全可在工程實施規(guī)范層面進(jìn)行統(tǒng)一的約定。雙網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)其中一個網(wǎng)發(fā)生通信故障時，服務(wù)器并不與該客戶端斷開連接，因為另一個網(wǎng)仍然在保持通信。只有當(dāng)2個網(wǎng)均發(fā)生通信故障時，服務(wù)器才與客戶端斷開，將該客戶端唯一“擁有”的報告控制塊實例釋放（將使能標(biāo)志置為FALSE），該報告控制塊實例重獲自由，等待新的客戶端來連接使能。以上闡述了帶EntryID的BRCB在服務(wù)器與客戶端之間的雙網(wǎng)傳輸方案，那么對于不帶EntryID的URCB又該如何進(jìn)行雙網(wǎng)傳輸呢？URCB往往被用來傳輸一些相對不太重要的數(shù)據(jù)，如模擬量、保護(hù)測量量等，與URCB傳輸?shù)拈_關(guān)變位、保護(hù)動作等信號不同，模擬量、保護(hù)測量量往往是周期循環(huán)上送，雙網(wǎng)雙發(fā)雙收，客戶端同等處理從雙網(wǎng)先后接收到的數(shù)據(jù)，后到達(dá)的一個網(wǎng)的數(shù)據(jù)直接覆蓋先到達(dá)的另一個網(wǎng)的數(shù)據(jù)即可，不需要通過對EntryID的比較來丟棄其中一個網(wǎng)的數(shù)據(jù)。報告是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中最重要的一個服務(wù)，提供了一種從服務(wù)器向客戶端傳輸數(shù)據(jù)的手段，以上重點闡述了報告在服務(wù)器與客戶端之間的雙網(wǎng)傳輸方案，那么對于其他的服務(wù)，如控制、寫值等服務(wù)又該如何處理？這些服務(wù)由客戶端發(fā)起，服務(wù)器接收后執(zhí)行相關(guān)操作。在雙網(wǎng)條件下，客戶端可先判定雙網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，挑選一個通信狀態(tài)良好的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送遙控、修改定值等命令，而另一個網(wǎng)絡(luò)起到備用作用，僅在第一個網(wǎng)絡(luò)命令發(fā)送失敗后投入使用。

綜上所述，該方案需綁定雙網(wǎng)，需額外規(guī)定和約束通信雙方行為，實現(xiàn)較為復(fù)雜。但該方案通過比較EntryID可直接判斷并丟棄收到的報告，這種比較不需BRCB，不依賴于報告時間戳準(zhǔn)確性，不會出現(xiàn)重復(fù)接收報告現(xiàn)象。雙網(wǎng)共用一個報告控制塊實例，服務(wù)器可減少一半處理報告控制塊實例的開銷，更加高效。關(guān)于本方案爭論焦點集中在對雙網(wǎng)綁定及EntryID格式的約定上。目前國內(nèi)很多地區(qū)的用戶都在制定適應(yīng)本地區(qū)需求的變電站IEC 61850工程實施規(guī)范，規(guī)范在不違背標(biāo)準(zhǔn)精神的前提下對標(biāo)準(zhǔn)的很多方面做了補充和約定。因此，如果要很好地實現(xiàn)雙網(wǎng)通信，該方案完全可以作為一種技術(shù)約定補充到工程實施規(guī)范中去。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，該方案可以作為站控層雙網(wǎng)通信的一種較為完善的方案。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合變電站應(yīng)用實踐，針對61850變電站基于雙星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的站控層網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)介紹了幾種雙網(wǎng)通信方案技術(shù)細(xì)節(jié)，比較與分析了各種方案的利弊，給出了各種方案適用條件，并提出了一種兼顧可靠性與運行性能、切實可行的站控層雙網(wǎng)通信方案。如果各廠家能就雙網(wǎng)綁定及EntryID格式等問題達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識，并作為工程實施規(guī)范補充到標(biāo)準(zhǔn)中去，那么使能用一報告控制塊實例的熱備用雙網(wǎng)應(yīng)該是一種較為完善的雙網(wǎng)通信方案。同時也建議IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的將來版本能夠明確規(guī)范雙網(wǎng)通信方案，以便更好地滿足互操作的需求。

[1]Communication Networks and Systems in Substations Part 8-1：Specific Communication Service Mapping（SCSM）-Mappings to MMS（ISO/IEC 9506 Part 1 and Part 2）and to ISO/IEC 8802-3[S].2003.

[2]胡道徐，李廣華.IEC 61850通信冗余實施方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（8）：100-103.

[3]Communication Networks and Systems in Substations Part 7-2：Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Abstract Communication Service Interface（ACSI）[S].2003.