从2004年IEC61850Ed1.0发布后，IEC61850就开始在变电站自动化系统中应用，到目前为止已有10多年的成功应用经验。由于IEC61850技术架构的开放性和适应性，被IEC选为智能电网的核心通信标准。IEC提出了一个由三大块构成的智能电网信息交换标准规划：
①控制中心标准IEC61970/IEC61968；②子站端（控制中心之外都被看作子站）标准IEC61850；③信息安全标准IEC62351。按照此架构，IEC61850的应用范围突破了变电站自动化系统，面向广阔的智能电网领域，其中就包括配电自动化系统。将IEC61850应用于配电自动化系统可以使用户和行业获得很多收益，例如直接继承在变电站自动化系统应用所积累的经验等。但配电自动化系统毕竟有其特殊性，应用IEC61850时需要解决很多新的问题，只有将这些问题解决好，IEC61850才能在配电自动化系统中应用好，才能给用户带来价值并推动行业的技术进步。本文对IEC61850的发展过程和最新成果进行简述；其次对IEC61850应用于配电自动化系统的收益进行讨论；最后着重分析IEC61850应用于配电自动化系统时需要解决的8个关键技术问题，并给出解决思路或方向。
1、 IEC61850的发展过程
为解决变电站自动化系统中不同厂家智能电子设备（IED）之间无法互操作的问题，IECTC57用了10年时间（1995–2004年），制定了IEC61850标准。IEC61850标准最早于2004年发布第1版IEC61850Ed1.0，名称为《变电站通信网络和系统》。此后IECTC57WG10就开始IEC61850Ed2.0的制订工作。IEC61850Ed2.0突破变电站自动化应用领域，面向智能电网应用，目标是解决智能电网中不同IED之间的互操作问题，名称改为《电力系统通信网络和系统》。如图1所示，目前IEC61850标准已经形成了一个丰富的体系，相关文件以国际标准（IS）和技术报告（TR）形式发布。这些文件内容涵盖四大领域：①可再生能源领域；②设备领域；③智能用电领域；④配电领域。这些文件对智能电网的建设将发挥重要作用。
图1IEC61850标准架构
2、 IEC61850应用于配电自动化系统的收益
配电自动化系统是智能电网的重要组成部分，从传统配电网发展为主动配电网，涉及可再生能源与微电网的接入、智能用电、储能、配电一次设备的状态监测等内容。配电自动化系统在物理上具有点多面广的特点，通信方式灵活多样。配电自动化系统还需要与变电站自动化系统、电网控制中心等智能电网其他部分交互。这些特点使得配电自动化系统的网络与系统变得非常复杂，需要从智能电网的整体进行选择和规划［4］。由于IEC61850Ed2.0考虑了智能电网的应用需求，所以在配电自动化中应用IEC61850可以比较方便地满足上述要求。
2.1 信息模型
现代配电网已经进入主动配电网时代，其中包含了可再生能源及微电网的接入、电动汽车充放电、配电网一次设备的状态监测与资产管理等诸多方面。此外，还要考虑与变电站自动化系统的配合等问题。
在配电自动化系统中采用IEC61850系列标准，可以继承IEC61850在可再生能源、微电网、输变电状态监测等领域已有的丰富信息模型，避免重新定义有关信息模型。可使配电自动化系统的信息方便、高效地与智能电网其他部分进行集成，避免形成信息孤岛。
2.2 通信服务
IEC61850标准定义了60多种抽象通信服务接口（ACSI），这为配电自动化系统的应用提供了良好通信服务支持。为解决底层通信技术快速发展与上层服务相对稳定的问题，IEC61850采用了上层通信服务，即抽象通信服务接口（ACSI），与底层具体通信协议相分离的技术策略。在ACSI不变的情况下，针对不同的底层通信技术与协议，制定不同的特定通信服务映射（SCSM）。配电自动化系统点多面广，IEC61850完备的ACSI、丰富的底层协议映射及开放的通信服务架构为配电自动化系统提供了良好的通信服务支持。
2.3 已有经验的继承
从2004年IEC61850Ed1.0发布至今，IEC61850已经有10多年的应用历史。在变电站自动化领域已经积累了大量工程应用经验。各设备供应商积累了丰富的产品和系统研发经验。第三方检测机构也积累了丰富的检测经验。广大电力公司用户对IEC61850的产品与系统也比较熟悉积累了应用经验。因此，在配电自动化系统中应用IEC61850可以继承已有的宝贵经验。
延伸阅读：配电自动化数据治理解决方案
3、 关键技术研究
IEC61850应用于配电自动化系统还面临很多关键技术需要解决，主要涉及8个方面：①信息模型；②特定通信服务映射（SCSM）；③信息安全；④架构描述；⑤系统集成；⑥设备的即插即用；⑦与控制中心模型的协调；⑧通信一致性测试。
3.1 信息模型
IEC61850-7-4Ed2.0定义了170多种逻辑节点，IEC61850的其他技术报告中又新增了一些逻辑节点，例如针对输变电设备状态监测新增的逻辑节点、分布式能源相关的逻辑节点。可以直接应用这些已有的逻辑节点对配电自动化系统进行信息建模。但配电自动化系统毕竟有其特殊性，当现有逻辑节点不能满足需求时，需要新增逻辑节点或对现有逻辑节点进行必要扩展。例如，为描述配电网中广泛使用的故障指示器，需要增加一些故障指示逻辑节点。为此，正在起草中的技术报告IEC61850-90-6增加了SCPI（电流指示逻辑节点）、SVPI（电压指示逻辑节点）和SFPI（故障指示逻辑节点）。
目前各方都在积极探索智能电网的大数据应用技术，配电自动化系统是智能电网的重要组成部分。配电自动化系统的数据是智能电网重要的基础数据。因此，建立和维护好配电自动化系统的信息模型，将为智能电网的大数据应用开发打下良好基础。
3.2 通信服务
IEC61850所定义的通信服务由两部分构成：位于上层的ACSI独立于底层的具体通信技术和协议，比较稳定，基本不发生变化；位于底层的SCSM则呈现多元化，随着底层使用的通信技术或协议的不同而不同。目前在变电站自动化系统中主要使用由IEC61850-8-1、IEC61850-9-2所定义的SCSM，将ACSI映射到MMS或以太网的数据链路层。经过多年实践，证明这些SCSM对于变电站自动化系统是适用的。
与变电站自动化系统不同，配电自动化系统的终端差异较大，对通信有不同的需求。因此，在配电自动化系统中，除了映射到MMS之外，ACSI还可映射到IEC60870-5-104、WebService、XMPP、DNP3.0、Modbus等协议。实际上，IEC61850应用于风电场监控系统时，为满足风电场的通信需求，已将ACSI映射到除MMS之外的其他协议（IEC60870-5-104，DNP3.0，WebService，OPC），详情参见IEC61400-25。需要注意的是，不同的底层协议对IEC61850所定义的60多种ACSI支持是有差异的，MMS、WebService、XMPP对ACSI的服务全部支持，但IEC60870-5-104、DNP3.0等只支持一部分ACSI通信服务，对于GetServerDirectory等服务不支持。此外，不同SCSM的实现对设备的软硬件平台要求也有差异。在选择通信服务时，需要综合考虑各种因素。
3.3 信息安全
目前国内变电站自动化系统采取“横向隔离，纵向认证”的技术策略，变电站内部按照安全重要性对设备进行安全分区，不同区域间进行横向隔离，变电站与远方控制中心间的通信采用纵向认证。在变电站内部，尤其在同一安全区域内部没有采取进一步措施。因此，当前变电站自动化系统采取的信息安全防护属于边界防护策略。
配电自动化系统范围广、节点多、通信方式多样，可能使用无线公网，与变电站中主要应用光纤局域网差异很大。不能照搬变电站现有的信息安全防护措施，需要根据实际情况研究新措施。
IEC关于智能电网信息安全技术要求主要体现在IEC62351中，目前该标准的第2版已在发布中了。可以结合IEC62351的最新成果，在配电自动化系统中除了边界防御外，对装置采用加密、认证等多种安全措施，确保配电自动化系统的信息安全。采取信息安全措施后，会增加工程调试的复杂度和运行维护管理难度。例如，采用静态密钥还是动态密钥，如果采用动态密钥，密钥如何发放与更新等问题都需要认真考虑与规划，需要在技术、经济、管理之间寻求一个平衡。
3.4 架构
对变电站自动化系统中各IED的角色进行深入分析后，IEC61850将变电站自动化系统的各类设备从网络通信角度，抽象为3层架构模型，即站控层、间隔层、过程层。实践证明，IEC61850所提出的3层架构模型很好地满足了变电站自动化系统描述的需要，为工程实践和产品开发提供了良好的支持。
配电自动化系统点多面广，需要考虑可再生能源接入、分布式能源（DER）、微电网等问题，情况较变电站自动化系统复杂得多。因此，在配电自动化系统中，不能照搬IEC61850现有的针对变电站自动化系统的3层架构，而是需要根据配电自动化系统的实际情况，设计出合适的架构。目前，国内外都在做相关工作。IECTC57WG17正在起草技术报告IEC61850-90-15《采用IEC61850的分布式能源集成》，该报告为DER和电网运营商间的相互作用提供了通用信息模型。该报告提出了图2所示的DER集成5层设备架构，从下向上分别为过程层、现场层、站控层、运行层、企业层。通过这5层架构，并引入DER单元、DER单元控制器、DER系统、企业DER管理系统等概念，将DER接入配电自动化系统的架构描述得非常清楚。
图2IEC61850-90-15提出的DER集成架构
延伸阅读：配电自动化数据治理解决方案
3.5 系统集成过程
IEC61850-6设计了基于SCL语言的变电站自动化系统集成过程。变电站自动化系统是基于SCL语言所规范的模型文件实现系统集成的，其系统集成过程往往一次性完成。配电自动化系统的集成往往是分多次进行的，与变电站自动化系统的集成过程差异较大。因此，配电自动化系统的集成过程可参考但不能照搬变电站自动化系统的做法。
根据配电自动化系统工程配置特点，可对IEC61850-6Ed2.0提出的集成过程进行调整，使之适应配电自动化系统分次集成的需求。需要对IEC61850-6所定义的SCL文件内容与格式进行修订，使之满足配电自动化系统的需求。
IEC61850-6Ed2.0基于变电站自动化系统的特点，设计了文件格式与模板（Schema），这些文件格式与模板不能直接应用于配电自动化系统。例如：IEC61850-6Ed2.0所定义的SSD文件格式，用于描述变电站的主接线，包括了电压等级、变压器联结关系、每个电压等级的间隔划分、每个间隔内IED的配置等信息，并提供了模板。显然，这是按照变电站内的3层架构设计的，这种内容与层次结构不适合配电自动化系统，有必要根据配电自动化系统的架构重新定义SSD的内容与模板。
此外，SCD文件是基于变电站的间隔进行信息组织，不适合配电自动化系统，需要修改为以馈线为单位。
3.6 终端设备即插即用
在配电自动化系统中，自动化终端数量巨大，物理分布呈现点多面广的特点。为使工程实施与运行维护简化，减轻电力公司的人力成本和工作量，配电自动化系统的终端设备需要支持即插即用功能。为实现即插即用功能，可基于IEC61850的ACSI服务，对终端设备的数据模型进行补充和丰富，使终端与主站间能够形成合理的应答与识别机制，从而实现终端设备的即插即用功能。
例如：①终端设备调试后，将数据模型和标识主动上送主站，主站根据收到的信息识别已投入的终端设备；②主站将网络拓扑关系下发给各终端装置，各终端据此了解与之相关联的终端情况，从而实现分布式控制。
3.7 与控制中心模型的交互和协调
控制中心是基于IEC61970/IEC61968建立的模型，而终端设备是基于IEC61850建立的模型。因此，终端设备的IEC61850模型与控制中心的IEC61970/IEC61968模型之间需要转化与协调。IEC61850侧重二次设备状态和被监测设备（如变压器、开关等）的详细信息，IEC61970/IEC61968侧重电网状态和一次设备信息。尽管它们都是采用了面向对象建模思想，但在具体内容方面两者存在一定差异。通常的处理方式是在控制中心部署一个IEC61850/CIM翻译器，实现2种模型的相互转化。
3.8 通信一致性测试
一致性测试是设备实现互操作的必要条件，对实现IEC61850的设备进行的一致性测试所需要的环境搭建、测试案例（testcase）等内容，IEC61850-10Ed2.0都进行了规定。与IEC61850-10Ed1.0相比，IEC61850-10Ed2.0有了很大进步，新增了很多测试案例，增加了包括客户端稳定性的测试内容。但这些还是主要围绕变电站自动化系统的需求设计的，现有的一致性测试案例不满足配电自动化系统主站、终端的测试需求，需要针对配电自动化系统的特点，对有关内容进行补充与修订，例如新增模型的检测、新的即插即用通信模式的检测、SCL文件格式的检测等。为此，需要补充和完善新的测试案例，各检测中心现有的检测平台需要进行功能升级。
4、 结语
IEC61850的应用领域已经突破了最初的变电站自动化系统而面向更加广阔的智能电网应用领域。将IEC61850应用于配电自动化系统能够给各方带来诸多益处，是大势所趋，符合智能电网发展的技术方向。IEC61850应用于配电自动化系统时，还需要解决一系列关键技术问题，本文就其中的8个关键技术问题给出了技术分析及解决思路或方向，以期为IEC61850应用于配电自动化系统提供技术参考。
延伸阅读：配电自动化数据治理解决方案
原标题：任雁铭：IEC 61850在配电自动化应用中的关键技术研究
