篤 峻 ，李 皓 ，胡紹謙

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

IEC 61850標準正在逐漸成為變電站通信網(wǎng)絡的一個重要標準，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。標準詳細描述了變電站內(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接口（ACSI）到不同的特殊服務通信映射（SCSM）來實現(xiàn)通信協(xié)議與應用及通信介質(zhì)的分離，解決了標準的穩(wěn)定性與未來通信技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，使標準更能適應未來通信技術(shù)的發(fā)展需求[1]。也正是因為標準試圖保證其未來發(fā)展的穩(wěn)定性，而沒有對具體的通信實現(xiàn)進行詳細的規(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)絡架構(gòu)，由于標準未對站控層如何實現(xiàn)雙網(wǎng)通信進行明確規(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標準在國內(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標準帶來的問題，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，但在實際的推廣過程中卻并未能真正實現(xiàn)這一目標。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效率，整個變電站的自動化系統(tǒng)只能通過盡量采購同一廠家產(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術(shù)討論的層面上。

但隨著IEC 61850標準時代的到來，互操作已經(jīng)成為IEC61850標準的最重要的特點和目標。用戶從標準推出之初就對互操作寄予了厚望，希望IEC61850標準的推出能夠結(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標準的發(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準進行了多次討論和互操作試驗，對標準中的諸多實現(xiàn)細節(jié)都進行了明確的規(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標準報告介紹

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標準中的一個重要概念——報告。報告提供了一種從服務器（保護裝置、測控裝置、故錄裝置等）向客戶端（監(jiān)控后臺、遠動裝置、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，同時服務器支持對報告進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（1～n）來區(qū)分每一個實例名。某客戶端要想接收到服務器發(fā)送的報告，必須先使能服務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)絡流量限制或連接斷開等原因不能發(fā)送報告，服務器會等通信恢復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、保護動作等信號。非緩存報告控制塊（URCB），當發(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，即使通信恢復服務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識符（EntryID）。EntryID用于標識緩存報告的順序事件的條目。在緩存報告控制塊中設置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。當客戶端與服務器的通信連接斷開又重新建立后，客戶端將設置緩存報告控制塊中EntryID的值為最后接收到的值，當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，當客戶端通過一定手段（如在限定時間內(nèi)沒有收到服務器發(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)，雙方恢復通信。“冷備用雙網(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)絡的報告控制塊實例。對于服務器而言，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)絡還是分別來自不同的客戶端，因此統(tǒng)統(tǒng)認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用來抉擇。通常的做法是，客戶端需要緩存收到的報告，當后續(xù)報告到達時，需要根據(jù)一定的準則（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，與緩存的報告進行比較，確定沒有收到過才能送往應用處理（如發(fā)往告警模塊進行告警），否則丟棄報告。當系統(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，這就與服務器的對時是否準確密切相關(guān)。如果服務器曾經(jīng)上送過一個錯誤時間戳的報告（如報告時間為2010年），當服務器恢復正確對時后，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、主備遠動機、主備保信子站等，一共12個客戶端就需要服務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)，仍然通過綁定服務器IP地址的前兩位來實現(xiàn)，規(guī)定站控層網(wǎng)絡的子網(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)。站控層設備雙網(wǎng)的地址分別為198.120.X.X和198.121.X.X，這樣服務器通過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用于標識緩存報告的順序事件的條目，自然可以被用來標識報告的惟一性。客戶端從雙網(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標準中規(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，有人認為標準既然沒有規(guī)定EntryID的統(tǒng)一格式，服務器就有任意使用EntryID的自由，客戶端不應該試圖去理解EntryID。但既然標準沒有規(guī)定EntryID的格式，那么將EntryID統(tǒng)一為一種格式也并不違背標準的精神，完全可在工程實施規(guī)范層面進行統(tǒng)一的約定。雙網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，當其中一個網(wǎng)發(fā)生通信故障時，服務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2個網(wǎng)均發(fā)生通信故障時，服務器才與客戶端斷開，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、保護測量量等，與URCB傳輸?shù)拈_關(guān)變位、保護動作等信號不同，模擬量、保護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)，后到達的一個網(wǎng)的數(shù)據(jù)直接覆蓋先到達的另一個網(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標準中最重要的一個服務，提供了一種從服務器向客戶端傳輸數(shù)據(jù)的手段，以上重點闡述了報告在服務器與客戶端之間的雙網(wǎng)傳輸方案，那么對于其他的服務，如控制、寫值等服務又該如何處理？這些服務由客戶端發(fā)起，服務器接收后執(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)絡狀態(tài)，挑選一個通信狀態(tài)良好的網(wǎng)絡發(fā)送遙控、修改定值等命令，而另一個網(wǎng)絡起到備用作用，僅在第一個網(wǎng)絡命令發(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確性，不會出現(xiàn)重復接收報告現(xiàn)象。雙網(wǎng)共用一個報告控制塊實例，服務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)范在不違背標準精神的前提下對標準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)合變電站應用實踐，針對61850變電站基于雙星形網(wǎng)絡架構(gòu)的站控層網(wǎng)絡，詳細介紹了幾種雙網(wǎng)通信方案技術(shù)細節(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格式等問題達成統(tǒng)一的認識，并作為工程實施規(guī)范補充到標準中去，那么使能用一報告控制塊實例的熱備用雙網(wǎng)應該是一種較為完善的雙網(wǎng)通信方案。同時也建議IEC 61850標準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.