摘  要： 針對廣域保護系統對信息交換類型和交換方式的不同要求，討論了基于IEC61850的廣域保護系統通信服務模型，主要解決通信一致性和不同裝置之間的互操作性問題，并從上層確保數據通信延時和可靠性滿足廣域保護系統的要求。介紹了通用變電站事件GSE的報文結構和通信機制，提出用GSE中的GSSE傳輸狀態量信號、用采樣測量值傳輸類模型傳輸模擬量的觀點和一般方法。
關鍵詞： 廣域保護系統；IEC61850；通信；服務模型

    近幾年來，廣域保護系統逐漸成為新的研究方向和熱點。盡管目前國內外許多學者對廣域保護系統的功能、結構等問題存在不同的理解，但有一點是一致的，那就是需要借助通信系統獲取電網的廣域信息。根據廣域保護系統所完成功能的不同，對通信系統性能的要求也不一樣，例如，除對動作延時和可靠性有嚴格要求的繼電保護功能和控制功能外，對通信系統的快速性和可靠性也有嚴格的要求，而對動作延時要求稍低的某些控制功能，相應的對通信系統要求也稍低。這樣就需要構建一套能滿足各種功能要求的通信系統為各種信息的交換提供平臺。這里所說的通信系統不僅指物理上可見的通信設備和通信網絡，還包括該網絡所采用的通信協議、網絡所能提供的通信服務等上層內容。但是，在目前的電力通信系統中還沒有一個統一的數據交換模型，并且所使用的大部分通信規約在快速性和可靠性方面往往也難以滿足更高的要求。在通信層也采用一般的點到點通信模式和傳統的局域網通信技術，無法保證廣域同步信息傳輸的快速性和可靠性。
    本文對基于IEC61850(變電站通信網絡和系統系列標準)的廣域保護系統通信服務模型進行分析和研究，研究了變電站通用事件GSE(Generic Substation Event)的報文結構、信息交換方式、提供的服務模型等內容，重點研究利用GSE中的通用變電站狀態事件GSSE(Generic Substation Status Event)傳輸狀態量信號，利用采樣測量值傳輸模型、傳輸模擬量采樣信號的方法。
1 通用變電站事件GSE
    對于廣域保護系統來說，無論是同一廠家、型號相同的裝置，還是不同廠家，型號不同的裝置，IED之間能夠快速可靠地交換信息，既要滿足應用數據的互用性要求，又要保證數據傳輸的快速性和可靠性。這就需要建立一種高效、通用的數據對象模型，并對其進行標準的語義定義。在IEC61850中定義了一種數據通信模型，稱為通用變電站事件GSE。該模型基于自動分布的概念，提供了在全系統范圍內快速可靠地傳輸輸入輸出數據值的功能。這種模型完全支持TCP(UDP)/IP協議，支持局域網和廣域網通信，并采用了組播(Multicast)技術，便于向多個物理設備同時傳輸一個GSE信息。此外，IEC61850還對GSE報文的通信性能要求進行了嚴格的規定，從上層確保了用于IED之間的工業級信號的傳輸延時不超過4 ms，這些標準能夠達到廣域保護系統對通信性能的技術要求[1-2]。
    根據應用特點的不同，GSE又分為兩種不同的控制類和報文結構。一種是面向變電站事件的通用對象GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)，它支持由數據集(DATA-SET)組織的公共數據的交換。另一種是通用變電站狀態事件GSSE，它用于傳輸狀態變位信息(雙比特)。GSE用于數據屬性(Data Attribute)集合值的交換，在IEC61850中對數據屬性和數據集都有標準的語義和語法的定義，對GOOSE/GSSE報文也進行了標準的定義。IED根據這些標準定義構建數據對象，并采用標準的GOOSE/GSSE報文傳輸數據對象，就可以達到不同IED之間應用數據的互用性，并從上層對通信質量提供保證[3-4]。
    IEC61850不是通信協議，也不對通信協議中的細節進行定義，它只是一種體系標準，該標準獨立于具體的通信網絡和通信協議。IEC61850定義了通信數據模型、通信服務模型等上層內容，它是一個框架而不是具體的內容，用戶可以根據需要定義、擴展具體的內容。
    圖1是GSE報文的結構，它只列出了報文的基本構成而不對報文的具體內容進行定義。不同原理的保護可以根據不同的功能需要對數據屬性進行定義和擴展，定義和擴展的方法要按照IEC61850的標準進行，使不同保護裝置之間的數據可以相互理解。

    GSE報文有如下的特點：
    (1)在GSE報文中必須包含一些信息以便讓接收裝置知道報文已經丟失、數據狀態發生變化以及上次數據狀態發生變化的時間。
    (2)一個新激活的設備(上電或重新服務)將發送當前數據值當作初始GOOSE/GSSE報文。如果數據值沒有發生變化，該設備將循環發送初始報文，這樣可以保證所有激活的設備知道其對等設備的當前狀態。
    (3)GSE報文采用組播方式發送，發送后不返回確認信息。但是，如果IED發送的是一些和繼電保護相關的信號(如斷路器跳閘信號、失靈保護啟動信號等)，它們的重要級別是非常高的，為了保證重要信號傳輸的可靠性，只要信息狀態在維持期間就不斷重復發送報文。
2 發布/訂閱機制
    GSE信息交換的是采用發布/訂閱服務機制[5-6]。在這種服務中，希望獲取數據的一方充當客戶的角色，提供數據的一方充當服務器的角色。同一臺物理設備既可以是服務器，也可以是客戶。發布/訂閱服務機制支持本設備主動向其他設備傳送數據，這一特性對繼電保護功能和快速控制功能十分重要。在發布/訂閱服務機制中，一旦有數據產生即可按照事先確定好的訂閱路徑主動傳送，無需外界的任何干預，有利于保證通信的快速性。發布/訂閱模型如圖2所示。

    如果客戶(訂閱者)希望服務器(發布者)的數據對象中某項數據屬性在狀態變動時得到通知，客戶就可以向服務器發出訂閱請求，并附上對要訂閱對象的說明。訂閱可以是基于主題的，也可以是基于內容的。服務器若接受訂閱，則返回確認命令并主動傳送對象的當前數據，以后每當訂閱的數據對象屬性發生變動時，服務器都會主動向訂閱者傳送數據。如果客戶在訂閱之后希望取消訂閱，則發出取消訂閱的請求，服務器收到后就會停止向客戶傳送數據。
    發布/訂閱機制尤其適合分布式結構的廣域保護系統。故障發生后某些IED的信息需要同時發送給其他多個相關IED，也會接收來自其他若干IED的信息，此時IED不僅擔任著服務器的角色(發送數據)，還充當了客戶的角色(接收數據)，并且數據的發送方式是組播的形式，因此采用發布/訂閱服務機制是非常適合的。發送信息的IED發布客戶(其他IED)所需要的數據值，其他任何需要該信息的IED都可以訂閱該信息的GOOSE/GSSE報文。
3 通用對象GOOSE和通用變電站狀態事件GSSE
3.1面向變電站的通用對象GOOSE
    GOOSE支持由DATA-SET組織的公共數據的交換，每次由DATA-SET引用的一個或多個成員值改變，就發送GOOSE報文。抽象的GOOSE報文格式規定了包含在GOOSE報文的信息，GOOSE報文結構如表1所示。

    參數類型依賴IEC61850定義的公共數據類，參數取自GOOSE控制GOOSE作為GSE的一種，也采用發布/訂閱服務機制交換信息，其通信服務模型如圖3所示。

    如果發布方數據集中的一個或多個數據對象的屬性值發生變化，由發布方的“發布”服務刷新發布方緩沖區，同時將變化的數據值寫入發送側的當地緩沖區，并用GOOSE報文傳送這些值，報文的交換采用組播技術。訂閱方從接收側的當地緩沖區讀取該數據值。通信網絡的通信服務映射將刷新訂閱方緩沖區的內容，并將接收的新數據通知應用。發布方的GOOSE控制類GoCB(GOOSE-Control-Block)用于控制整個過程。
3.2 通用變電站狀態事件GSSE
    GSSE只用來傳輸雙比特的狀態變化信息，某些保護判斷信息、跳合閘操作信息等都是狀態量信息。GSSE報文結構如表2所示。

    如同GOOSE一樣，GSSE也采用發布/訂閱服務機制交換信息，它們的通信服務模型是類似的，所不同的是，在GOOSE中發送的是DATA-SET成員值，而在GSSE中發送的是雙比特的狀態信息；在GOOSE通信模型中，用GOOSE控制塊類GoCB來控制發布/訂閱的過程，而在GSSE中用GSSE控制塊類GsCB來控制整個過程。GoCB中的定義和描述同樣適合GsCB。
    在IEC61850中定義的這種通信服務模型是抽象的，它完全獨立于具體的通信網絡和通信協議，要想在以太網或其他網絡上采用GSE模型，必須通過特定通信服務映射SCSM(Specific Communication Service Mapping)將其映射到具體的通信協議棧中，信息傳輸的可靠性和通信具體延時取決于所采用的特定通信服務映射SCSM以及具體的通信協議棧。
4 采樣測量值傳輸類模型[7]
    在廣域保護系統中，有時需要交換各測量點的模擬量采樣值。GSSE報文交換的是雙比特狀態位信息，GOOSE則支持由數據集(DATA-SET)組織的公共數據的交換，理論上可以用來傳輸模擬量采樣值信息。但如果對采樣值的傳輸延時和可靠性有特別的要求，則應該與變電站自動化系統中一般測量值的傳輸區別開來。在IEC61850中專門定義的采樣測量值傳輸類模型提供了以有組織的和時間上受控的方式報告采樣測量值的方法，采樣抖動最小，傳輸時間快并且能夠保持采樣的次數和順序恒定，適合在極短延時內可靠交換采樣信息。
采樣測量值傳輸類模型屬于GOOSE中的一類，因此也用于交換數據集(DATA-SET)的值。在IEC61850中定義了多種有關變電站應用的公共數據類，主要包括六大類：狀態信息的公共數據類、測量值信息的公共數據類、可控狀態信息的公共數據類、可控模擬設定值信息的公共數據類、狀態定值的公共數據類和模擬定值的公共數據類。
    其中采樣測量值傳輸類模型采用的是測量值信息的公共數據類中的采樣值SAV(IEC61850中第7-4部分)。采樣測量值的交換也是基于發布/訂閱機制，發布方的采樣測量值控制(SVC)用來控制整個過程，這與GOOSE是一致的，通信服務模型也是一樣的。與交換其他公共數據類不同，交換模擬量采樣值還有其自身的特點，主要包括：
    (1)在一個發布方和一個或多個用戶之間交換采樣測量值有兩種方法：一種是采用多路廣播應用關聯Multicast-Application-Association(在通信服務模型中采用多路廣播應用關聯控制塊MsvCB)；另一種方法是采用雙邊應用關聯Two-Party-Application-Association(在通信服務模型中采用單路采樣測量值控制塊UsvCB)。
雙邊應用類模型TPAA(Two-Party-Application-Association)提供了雙向的面向連接的信息交換，應用關聯是可靠的，信息流是端－端控制的。這里的“可靠”是指應用關聯的連接依賴于所提供的措施，在適當的時候報告信息沒有交付的原因；端－端信息流控制是指信息源不會發送多于目的地可能存儲的信息。雙邊應用關聯類的關聯、數據交換和關聯釋放如圖4所示。

    多路廣播(組播)應用關聯MCAA(Multicast-Application-Association)則提供單方向的信息交換。在一個源(發布者)和一個或多個目的地(用戶)之間提供了多路數據交換。單方向的信息交換為接收方提供了足夠的信息，以便接收方唯一的解釋所交換和要處理的上下文。用戶方能夠檢出接收信息的丟失或重復，接收方可向它的用戶提示信息的丟失，舍棄重復的信息。多路廣播應用關聯原理如圖5所示。

    廣域保護系統中IED信息的交換不再是點對點，而是一點對多點，快速的數據交換可能不帶確認，即單方向進行，因此應該采用MCAA模型。
    (2)需要規定系統的采樣頻率，按規定的采樣率對輸入信號進行采樣。在IEC61850中，無論是組播MsvCB類還是單路傳輸UsvCB類中均定義了參數“SmpRate”，其屬性值就是用來定義系統采樣速率的。
    (3)廣域保護系統可能要求對模擬量進行同步采樣。在采樣測量值控制(SVC)類中定義了任選參數(OptFlds)，OptFlds屬性規定包含在由MsvCB發出采樣值報文中的任選域，其中一個參數SmpSynch就是用來說明采樣是否由系統時鐘進行同步。
    (4)GSSE報文發送的是雙比特狀態量信息，最多只能表達四種不同的狀態(二進制00～11)，而采樣測量值傳輸報文要發送經過采樣的模擬量信息。采樣值數據為公共數據類SAV，IEC61850的7-3部分定義了測量值信息的公共數據類規范以及SAV的具體規范。
    本文針對廣域保護系統對信息交換類型和交換方式的不同要求，討論了基于IEC61850的廣域保護系統通信服務模型。通信服務模型和通信網絡都是通信系統不可缺少的部分，前者主要解決通信一致性和不同裝置之間的互操作性問題，并從上層確保數據通信延時和可靠性滿足廣域保護系統的要求；后者從物理上提供措施確保通信性能滿足要求。介紹了通用變電站事件GSE的報文結構和通信機制，提出用GSE中的GSSE傳輸狀態量信號、用采樣測量值傳輸類模型傳輸模擬量的觀點和一般方法。
參考文獻
[1]  IEC 61850. Communication networks and systems in substations[S]．
[2] 高湛軍，潘貞存，卞鵬，等．基于IEC61850標準的微機保護數據通信模型[J]．電力系統自動化，2003，27(18)：43-46．
[3] 彭暉，金午橋，成海彥，等．廣域網中TASE.2協議的實現及現場應用[J]．電網技術，2003，27(5)：43-46．
[4] 徐立子．IEC 61850對變電站自動化系統報文性能的要求[J]．電網技術，2002，26(11)：1-2．
[5] 孫軍平，盛萬興，王孫安．基于以太網的實時發布者/訂閱者模型研究與實現[J]．西安交通大學學報，2002，36(12)：1299-1302．
[6] 薛濤，馮博琴．內容發布訂閱系統路由算法和自配置策略研究[J]．軟件學報，2005，16(2)：251-259．
[7] 殷志良，劉萬順，楊奇遜，等．基于IEC 61850標準的采樣值傳輸模型構建及映射實現[J]．電力系統自動化，2004，28(21)：38-42．