应用IEC 61850实现配电网IED(智能电子设备)与自动化系统的互联、互通、互操作以及IED的即插即用，是智能配电网通信技术的发展方向。文章介绍了IEC(国际电工委员会)TC57技术委员会WG17工作组及其TF90-6工作小组的工作进展情况，阐述了TC57 WG17针对IEC 61850用于配电网提出的信息模型与通信映射方法的解决方案，给出了实现IED实时数据快速传输与即插即用的方法，分析了IEC 61850用于配电网在系统配置时需要解决的特殊问题，可为IEC 61850用于配电网的研究和实践提供参考。
引言
分布式电源、电动车充电设施的大量接入以及对供电质量、运行效率要求的不断提高，使得配电技术正在经历着一场深刻的变化。为此，人们提出了智能配电网、主动配电系统、配电网信息物理系统等概念，以描述未来配电网发展的技术形态与特征。尽管这些概念(定义)强调的功能特征有所不同，但其实质都是将二次信息系统与一次配电系统高度集成与融合，实现配电网的信息化并在此基础上实现自动化、互动化与智能化。配电网实现信息化的基础是其信息模型与信息交换方法。现有的电力系统通信协议如IEC 60870-5-101/104，DNP3.0等采用信息点表的方式组织数据，缺少对数据的来源以及与其他数据的关系的描述，无法实现智能电子设备与自动化系统之间的互联、互通、互操作与即插即用(plug in and play)，安装调试工作量大。为解决这些问题，IEC(国际电工委员会)TC57技术委员会正在推动电网信息模型与信息交换方法的标准化工作，IEC 61970与IEC 61968定义能量管理系统主站与配电管理系统主站的信息模型与应用程序接口，而IEC 61850则定义现场智能电子设备(IED)的信息模型与信息交换的方法。应用IEC 61850实现配电网IED的开放式通信，是智能配电网通信技术的发展方向，也是建设智能配电网、主动配电系统、配电网信息物理系统乃至能源互联网的关键支撑技术。
1 智能配电网体系结构
根据系统物理结构及其功能，智能配电网可分为一次配用电设备、传(互)感器、信息系统与智能化高级应用软件4个层次上的内容，如图1所示。信息系统完成配电网运行数据的采集、交换、存储与管理，同时为各种智能化应用软件提供数据与支撑平台。
图1 智能配电网体系架构
智能配电网信息系统的物理构成如图2所示，包括IED、广域通信网络(WAN)以及运行监控与管理主站系统(如能量管理系统、配电管理系统、分布式电源管理系统)等。与常规的配电自动化系统相比，智能配电网中的IED除具有常规的“四遥”功能外，还可与局域内(如一条馈线范围内)其他IED对等交换实时测控信息;具有开放式应用程序接口，支持基于本站点测量信息的就地控制应用以及基于局域测量信息的分布式控制应用。
图2 智能配电网信息系统的构成
智能配电网的信息系统应具有良好的开放性，采用IEC 61970/61968/61850系列标准定义的信息模型与信息交换方法，支持来自不同厂家的IED、自动化系统以及应用软件的互联、互通、互操作与即插即用，其中主站之间的信息共享采用IEC 61970与IEC 61968，而智能终端与主站之间以及IED之间的通信则采用IEC 61850。
2 IEC TC57 WG17工作组
IEC TC57在2004发布了IEC 61850 Ed1.0标准后，启动了IEC 61850 Ed2.0标准的制定工作[8]，决定将IEC 61850的覆盖范围扩展至变电站以外的所有公用电力应用领域，并于2004年成立了WG17工作组负责制定IEC 61850在分布式电源(DER)与配电自动化通信中应用的有关标准。目前，WG17已发布了分布式电源通信系统标准IEC 61850-7-420 、逆变器应用IEC 61850对象模型技术文件IEC 61850-90-7，以及电动车IEC 61850对象模型技术文件IEC 61850-90-8。
正在制定的标准文件为：
1)IEC 61850-90-6《IEC 61850在配电自动化系统中的应用》。
2)IEC 61850-90-9《电力储能系统IEC 61850对象模型》。
3)IEC 61850-90-10《IEC 61850中的调度模型》。
4)IEC 61850-90-15《基于IEC 61850的DER并网集成》。
5)IEC 61850-8-2《通信服务(SCSM)对XMPP(可扩展通信和表示协议)的映射》。
3 IEC 61850-90-6
2010年TC 57 WG17成立了90-6工作小组(TF 90-6)制定IEC 61850-90-6 《IEC 61850在配电自动化系统中的应用》，原定的内容覆盖范围包括馈线自动化、需求侧响应与可调度的分布式发电的控制。为加快文件的制定速度，以尽早为配电自动化工程应用IEC 61850的工作提供权威的技术指导文件，WG17在2013年2月的丹麦腓特烈西亚(Fredericia)会议上决定将内容集中在馈线自动化上。我国山东理工大学、北京四方继保自动化股份有限公司、上海交通大学与中国电力科学研究院的专家参与了该文件的制定工作。
IEC 61850-90-6的主要内容为：
1)配电自动化用例(use cases)：描述配电自动化的主要功能、实现过程及其对信息交换的需求，包括故障指示、就地式FLISR(故障定位、隔离与恢复供电)、集中式FLISR、分布式FLISR、集中电压控制(VVC)、基于通信的反孤岛保护、线路开关备自投控制、能量流监视、配电网环境感知与系统配置方面共20个用例。
2)信息模型：针对用例描述配电自动化功能，给出其通信需求对LN(逻辑节点)的映射关系(所需要的LN)，甄别出需要扩展或新定义的LN，并提出已有LN扩展与新LN定义的方案。
3)通信需求：分析配电自动化通信对通道带宽、数据传输的实时性以及通信服务映射、信息安全的需求，提出配电网终端即插即用的解决方案。
4)配置需求：分析配电自动化系统配置的需求，提出解决方案。
目前，IEC 61850-90-6已完成配电自动化用例部分并发布了第一个征求意见稿(DC1)，并根据各个国家委员会反馈的意见对用例进行了修改、完善，目前正在写作信息模型部分，并计划于2016年底发布第二个征求意见稿(DC2)。预计于2017年底完成整个文件的制定。
4 信息模型
IEC 61850用于配电网通信，一部分功能(如电压与电流测量、开关控制等)完全可以使用为变电站自动化系统定义的LN，而也有一部分功能如分布式电源监控、故障指示、FLISR等，需要扩展已有的LN或定义新的LN。目前，WG17已发布了分布式电源、逆变器、电动车应用的LN，其他如配电自动化、储能应用的LN正在制定之中。
下面以配电自动化终端(故障指示器)的故障指示功能为例，介绍需要扩展或新定义的LN。终端在检测到过流现象后如果再检测到电压或电流消失，说明配电网发生了导致断路器跳闸的故障，给出故障指示，据此画出故障指示信息交互需求对LN的映射关系，如图3所示，所需的LN的名称、功能及其是否为已有LN的情况如表1所示。
图3 故障指示信息交互需求对LN的映射关系
电流指示LN SCPI与电压指示LN SVPI数据对象定义如表2和表3所示。其中SCPI. Prs由PTOC.Op置位，由PTOC.Str复归，SCPI. Abs由PTUC.Op置位，由PTUC.Str复归;SVPI. Prs由PTOV.Op置位，由PTOV.Str复归，SVPI. Abs由PTUV.Op置位，由PTUV.Str复归。
表1故障指示功能信息交换所需的LN
表2电流指示LN SCPI
表3电压指示LN SVPI
SFPI根据PTOC以及SVPI与SCPI的输出指示是否有故障电流出现，其数据对象的定义如表4所示。
表4故障指示LN SFPI
5 通信服务对XMPP的映射
目前变电站自动化系统中的通信服务主要采用IEC 61850-8-1定义的对MMS(制造报文规范)的映射。MMS是一种为局域网定义的传输协议，若用于配电网通信中，则存在数据处理负担重、硬件资源消耗大、软件实现复杂等缺点。IEC 61850-80-1定义了公共数据类模型对IEC 60870-5-101/104的映射，可用于配电网IED远动数据的传输，但这种映射方式不支持对象模型描述数据的传输，无法实现即插即用。IEC 61400-25-4提出了用于广域网中的Web Services映射方案，由于没有解决好信息安全问题，未得到业内的广泛认可。为此，TC 57 WG17正在制定IEC 61850-8-2，定义对XMPP的映射。目前，IEC 61850-8-2已进入最后的修订阶段，预计在2016年底即可正式发布。
XMPP是一种基于XML(可扩展标记语言)的开源网络即时通信协议，常用的社交通信工具QQ、微信就使用了该协议。XMPP定义了服务器(Server)、客户端(Client)、网关(Gateway)3个角色。服务器承担了客户端信息记录、连接管理与信息路由的功能。客户端与服务器连接，能够充分利用由服务器提供的应用功能。网关承担着与异构即时通信系统的互联互通功能，如SMS(短信)等，完成不同系统之间的消息转换。它是一种特殊服务器，主要功能是将XMPP翻译成外部消息系统所使用的协议，也可将返回的数据翻译回XMPP。
IEC 61850-8-2给出的采用XMPP映射的IEC 61850通信系统架构如图4所示。它首先将IEC 61850-7-2定义的数据模型与通信服务依据ISO 9506-1与ISO 9506-2映射为MMS格式的消息，这一部分内容实际上与IEC 61850-8-1的定义是一样的。MMS消息和依据IEC 62351-4形成的端对端安全加密信息组合，形成应用层协议消息。将应用层消息按照ITU X.693(XER)编码形成用XML表示的IEC 61850-8-2的协议数据单元(PDU)。PDU附加上会话层的关联信息后，送入XMPP传输层。采用简单授权与安全层(SASL)协议和传输层安全(TLS)协议来保证信息传输的安全。
配电网中应用XMPP映射，需要单独架设XMPP Server，如图5所示，其中主站和IED都属于XMPP Client。因此，在XMPP通信系统中，IED与主站之间以及IED之间的通信信息，都要经过XMPP Server转发。
图4 IEC61850 模型映射到XMPP的结构
图5 配电网通信应用XMPP的架构
XMPP完全可以取代MMS，实现基于客户/服务器的报文的传输。XMPP系统中端对端之间的连接是通过XMPP Server建立的，而在XMPP Server上可以实现复杂的身份认证与消息加密，因此具有良好的安全性。由于有大量的开源软件资源可供使用，因此其还具有开发周期短、成本低的优点。据报道，法国配电公司ERDF拟在其配电自动化系统中使用XMPP映射，由中国电力科学研究院牵头承担的国家电网公司总部科技项目“IEC 61850在配电自动化系统中的应用”也在研究使用XMPP映射。
由于端对端的通信需要通过XMPP Server的转发，因此XMPP通信速度较慢，不宜用于快速报文的传输。
6 实时控制数据的快速传输
未来智能配电网支持基于终端之间对等通信的分布式控制。为保证控制响应速度，分布式控制数据的传输延时应小于10ms。实测结果表明，在光纤通信网络中，在通信流量小于90%的情况下，采用UPD协议传输实时控制报文(GOOSE)，即采用GOOSE Over UDP的传输方式，能够满足配电网分布式控制对实时测控数据传输实时性的要求。
UDP是TCP/IP协议栈中的无连接的传输层协议，由于不需要建立连接，因而具有资源消耗小、处理速度快的优点。根据服务等级和业务类型分别设置报文传输的优先级，可使GOOSE报文优先通过交换机和路由器。
UDP协议不提供可靠的传输服务，需要采用GOOSE重发机制来保证报文传输的可靠性。如果重发报文次数过多，就会造成网络通信负荷过重，采用与数字化变电站类似的做法，通过报文重发和重发时间间隔逐渐增大的机制来避免这一问题。GOOSE报文的传输对信息安全性要求很高。TC57发布的技术报告IEC 61850-90-5《IEC在同步相量传输中的应用》，也是采用GOOSE over UDP的方式传输实时同步相量测量数据，其中提出了基于IEC 62351的GOOSE over UDP信息安全解决方案，适合在现场IED中实现，也可以用于解决智能配电网应用中GOOSE报文传输的安全问题。
7 即插即用
智能配电网中包含成千上万个IED，采用传统的通信协议，需要人工配置并核对信息点表，安装调试与维护的工作量非常大，因此迫切需要解决IED的即插即用问题。所谓IED的即插即用就是在IED接入通信网络后，能够被主站(或者分布式控制中主控IED)自动发现，然后由主站自动接收IED上传的数据模型配置信息，并根据配置信息自动配置主站数据库里IED测控信息;或者主站在发现IED接入后，自动生成IED数据模型配置文件并将其下发。
要实现IED的即插即用，必须在信息模型、信息交换模型、传输协议标准化的基础上，采用统一的配置描述语言，实现IED功能与模型信息的自描述，此外，还有解决IED的自动注册、主站自动发现IED的问题。在变电站自动化系统中，IED的配置都是由变电站的设计者预先设计的，可以进行统一的配置，因此，现有的IEC 61850标准还没有解决IED的自动注册与自动发现问题。而智能配电网中的IED量大面广，难以实现统一的自上而下的配置，因此需要解决IED的自动发现问题。
自动发现机制包括自动注册(Register)和自动发现(Discover)两种机制。
1)注册。新的IED接入网络中并上电后，主动向主站发送Register信息，主站接收IED的Register信息后，查询IED的通信与配置、通信地址等相关信息。如果终端已配置好IED实例配置文件(CID)，则召唤IED的CID文件，根据上传的CID文件配置主站数据库的IED信息。如果终端没有配置IED文件，主站则将CID文件下载给IED，IED根据CID文件组织测控信息。
当在现场更新IED的配置信息后，也是采用Register的机制主动通知主站。
2)发现。主站发送Discover命令，新接入的IED在接到Discover命令后发送Register信息，然后根据其自身是否已配置CID文件向主站发送或从主站接收CID文件;对于已安装的IED则向主站发送配置版本信息，主站根据接收到的配置版本信息，判断IED的CID文件是否已更新，如果已更新，则召唤更新后的CID文件。IED自动发现/注册的过程如图6所示。
图6 IED发现/注册机制
8 系统配置问题
IEC 61850-90-6对IEC 61850用于配电网需要解决的特殊问题进行了分析，包括配置对象、配置内容与配置模式三个方面。
8.1 配置对象
变电站自动化系统的IED集中布置在站内，一般是把整个变电站作为一个工程项目(Project)进行配置。而配电网中包含成千上万的IED，点多面广，而且经常有新的IED接入，同时因配电网结构或应用系统功能发生变化而需要更新IED的配置，因此，不宜把整个配电网作为一个工程项目进行配置。
配电网的规划设计一般以单条馈线为单位。根据IEC 61968对馈线(feeder)的定义，它是以变电站为起点，以联络开关(正常运行时处于分位)或负荷、分布式电源等为终点的一段配电线路。根据其接线方式，馈线可分为放射式馈线以及环型馈线两类。环型馈线与其他馈线有联络关系，几条有联络关系的馈线构成一个环网，图7给出了一个由4条馈线构成的架空环网。除电源点外，放射式馈线与其他馈线没有连接关系;环网中的馈线与本环网外的其他馈线也没有连接关系。因此，在对配电网终端进行配置时，应该把一条放射式馈线或一个环网作为一个独立的工程项目对待。
图7 由4条馈线构成的架空环网
配电网包含若干个独立的供电区域，一个供电区域又包含若干个变电站、馈线或馈线环网。馈线配置文件中包含系统描述文件SCD与系统交换信息描述SED文件，通过这两个文件可以获取一个独立供电区域内的所有配置信息。
8.2 配置内容
智能配电网中IED具有分布式控制功能，而IED完成分布式控制功能需要知道其控制域内的配电网拓扑信息。IED可以通过由主站下发、人工配置以及逐级查询的方式获取其控制域内的拓扑信息，而后两种方式，都需要为IED配置拓扑信息。因此在配置配电网中具有分布式控制功能的IED时，除逻辑节点、通信参数外，还有必要为其配置有关的配电网拓扑信息，而在变电站自动化系统中则没有这种需求。
用于IED配置的拓扑信息有两种描述方式。一种是采用变电站配置(SCL)语言描述，将SCD文件中的拓扑信息下发至IED中。另外一种方式是采用逻辑节点描述网络拓扑信息。目前发布的IEC 61850标准还没有定义描述网络拓扑信息的LN。
8.3 配置模式
变电站自动化系统的工程建设以站为单位，建设周期确定，连接关系基本固定，适宜采用静态配置文件一次性完成全站的配置，然后分割成各IED的实例化配置文件，“由总到分”地完成配置过程。
配电自动化系统的建设往往是分区、分期进行，馈线拓扑的变动，终端的插入、删除和升级等工程场景频繁发生，配置与维护工作量很大，需分区分次进行。当新建一条馈线或一个环网时，可以像配置变电站自动化系统那样“由总到分”地完成配置;但如果只涉及馈线局部的变动，如新建一条支线，则没有必要对馈线整体的配置进行操作，可以修改局部配置后再反馈给整体配置。
此外，IED既可能在现场配置，也可能在控制中心通过主站配置。在现场配置时，配置工具将配置文件直接下载到IED里，而IED接入通信网络后，将配置文件上传至主站。如果通过主站配置，则IED只需配置通信参数，在IED接入通信网络后，主站将配置文件发送给IED。
9 结语
配电网的智能化建立在信息化基础上，而IEC 61850在实现配电网IED信息模型以及信息交换方法标准化的同时，也规范了配电网运行信息采集与交换系统的功能、体系结构与实现方法。应用IEC 61850是配电网IED通信的发展方向。
相对传统的通信协议，IEC 61850内容丰富，涉及许多新概念、新方法、新技术。对于习惯于传统通信协议的工程技术人员来讲，需要花费较多的时间来熟悉、掌握。因此，有人认为配电网通信应用IEC 61850是人为地将问题复杂化了。然而，要建设智能配电网必须首先建设一个开放的通信系统，实现配电网运行信息的无缝交换，否则，会形成一个一个的信息孤岛，根本无法实现配电网智能化的目标。IEC 61850实际上为复杂的配电网通信问题提供了一个有效的解决方案，是智能配电网通信技术发展的必由之路。
IEC TC57致力于IEC 61850在配电网中的应用，为此专门成立了WG17工作组。目前，WG17已发布了有关分布式电源、电动车的信息模型的文件，正在编写配电自动化、储能系统的信息模型文件;适合配电网通信的XMPP映射文件也将于近期发布。我国电力学者与研究机构在IEC 61850用于配电网方面也做了大量的研究工作，其中国家电网公司也在开展试点工作，探讨IEC 61850用于配电自动化系统通信的问题。
IEC 61850用于配电网通信是一项巨大的工程，还有大量的工作要做。目前国内外工作总体还处在标准文件制定、技术可行性探讨阶段。现有的研究成果与试点工程已经证明了IEC 61850在解决配电网通信开放性问题上的巨大优势，相信经过若干年的努力，IEC 61850必将在配电网中获得广泛的应用!
致谢：本文的写作得到济南网聪软件科技有限公司的李慧民博士、齐鲁工业大学韩国政教授、山东理工大学陈羽副教授的帮助，特此致谢!
延伸阅读：【深度】智能配电网的体系架构设计探讨
原标题：【特别策划】徐丙垠：IEC 61850在配电网通信中的应用
