IEC61850對變電站自動化系統報文性能的要求
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中報文的性能要求，IED同步標準及電力系統有關參量的指標（如電壓、電流對不同級別的精確度、諧波、分辨度和采樣率）等。
關鍵詞：變電站自動化系統；邏輯節點；通信信息片；報文；智能電子設備1引言
IEC61850-5（57/526/CDV2001）對變電站自動化系統中邏輯節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，并規定了變電站內IED的同步標準以及電力系統有關值的指標，包括電流電壓所要求的精確度、諧波次數、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的設計，IED性能的研制和生產均有指導性作用，應予以充分重視和執行。
2有關術語
2.1邏輯節點
邏輯節點（LogicalNode，LN）是功能的最小組成部分。功能間可相互交換數據。邏輯節點（LN）代表物理設備內部執行功能的某些操作。邏輯節點（LN）是一個由數據和方法組成的對象。與主要設備相關的邏輯節點不是主要設備本身，而是它的智能部分或者次級系統的映象。
邏輯節點是一個虛擬設備。以通信的觀點來看，邏輯節點是同其它特殊的邏輯實體相互交換數據的最小邏輯實體。因而，1個邏輯節點是一最小可被調用的子功能，其數據必須標準化，以便實現互操作。子功能的多少（即1個功能被分成多少個邏輯節點），取決于變電站自動化系統的智能電子裝置（IED）內的劃分。
2.2通信信息片（PICOM）
PICOM（PieceofInformationforCOMmunica-tion）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。由上述定義可知，一個物理設備（即IED）可完成多個功能，可分解為多個邏輯節點。各個邏輯節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成。
3基本的時間要求
由多個廠家生產的與IEC61850兼容的設備，不僅分布在變電站中，而且遍布于電力系統。這些設備的時間標志應使用通用格式。時間模型和格式的規定如下，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地時間的信息；⑥時間模型應對當地時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果（內部或計算事件），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，事件時間應在當地校正；③如果一事件定義為一模擬量的變化，則必須考慮輸入電路濾波進程的延遲，事件時間應在當地校正。這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。
圖1表示全部傳輸鏈路的時間需求。在物理設備PD1中功能f1將數據發送到位于物理設備PD2的另一功能f2上?？倐鬏敃r間由各個通信處理器的時間和網絡傳輸時間，包括等待時間、路由器所用時間和整個網絡具有的其它設備所用的時間。任何測試和全部傳輸時間的檢驗應在現場驗收試驗（SiteAcceptanceTest，SAT）時完成。物理設備和網絡設備可由不同廠家提供。6報文類型的定義和使用
按邏輯節點間PICOM的通信要求可得到，在變電站自動化系統內的各種通信鏈接。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的實際情況。
涉及信息傳輸的PICOMs，它嚴格地以一個單一的專門功能為基礎，并包括源和洞。報文類型取決于與PICOM屬性有關的性能組，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。
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。
在指定的變電站內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。在過程總線結構內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備的數目和傳輸率。
（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”，觸發、釋放、狀態改變，也可能是某功能的狀態。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節定義的報文，若它發生的時間是重要的，但傳輸時間卻無關緊要，則希望此種IEDs有自己的時鐘。報文應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，然后按時間標志給出的時間來進行計算。通常的狀態信息屬于此類報文。
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?？倐鬏敃r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、讀或改變設定點值和通常的系統數據描述等。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——生數據報文
此類報文如數字式變送器和數字式儀用互感器的輸出數據。此數據包括每個IED輸出的連續同步數據流，并交叉有其它IED的數據。8.5類型5——文件傳輸功能
此類報文用來傳送大型記錄數據文件、信息目的和整定等。數據應分為有限長度的塊，以便為其它通信網絡的應用所使用。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中IED的內部時鐘。按照用途（事件時間標記或生數據的采樣精度）需要不同級的時間同步。
如果IEDs內的時鐘時間同步比功能要求好一個數量級，則能實現這些功能要求。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。此命令可由當地或遠方人機會話接口（HMI）發出。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地或遠方人機接口HMI所使用。參考文獻[1]57/526/VDV．IEC61850-5Communicationnetworkandsystemsinsubstations，Part5-12：Messageperformancerequirements[S]．2001．