IEC61850对变电站自动化系统报文性能的要求
徐立子（中国电力科学研究院，北京100085）摘要：阐述了IEC61850对逻辑节点、通信信息片、事件时间、传输时间、报文的类型和性能级的定义。并指出了变电站自动化系统中报文的性能要求，IED同步标准及电力系统有关参量的指标（如电压、电流对不同级别的精确度、谐波、分辨度和采样率）等。
关键词：变电站自动化系统；逻辑节点；通信信息片；报文；智能电子设备1引言
IEC61850-5（57/526/CDV2001）对变电站自动化系统中逻辑节点间的通信进行了详尽的描述。对事件时间、传输时间、报文的类型和性能级均给予了定义，并规定了变电站内IED的同步标准以及电力系统有关值的指标，包括电流电压所要求的精确度、谐波次数、采样速率，以及同步精度、功角测量精度、故障测距精度等。因此，这对变电站自动化系统的设计，IED性能的研制和生产均有指导性作用，应予以充分重视和执行。
2有关术语
2.1逻辑节点
逻辑节点（LogicalNode，LN）是功能的最小组成部分。功能间可相互交换数据。逻辑节点（LN）代表物理设备内部执行功能的某些操作。逻辑节点（LN）是一个由数据和方法组成的对象。与主要设备相关的逻辑节点不是主要设备本身，而是它的智能部分或者次级系统的映象。
逻辑节点是一个虚拟设备。以通信的观点来看，逻辑节点是同其它特殊的逻辑实体相互交换数据的最小逻辑实体。因而，1个逻辑节点是一最小可被调用的子功能，其数据必须标准化，以便实现互操作。子功能的多少（即1个功能被分成多少个逻辑节点），取决于变电站自动化系统的智能电子装置（IED）内的划分。
2.2通信信息片（PICOM）
PICOM（PieceofInformationforCOMmunica-tion）是对在2个逻辑节点之间通过确定的逻辑路径进行传输，且带有确定的通信属性的交换数据的描述。由上述定义可知，一个物理设备（即IED）可完成多个功能，可分解为多个逻辑节点。各个逻辑节点间的通信可用上千个PICOM(通信信息片)来描述。PICOM可分为7种报文类型，它们的属性范围由性能级构成。
3基本的时间要求
由多个厂家生产的与IEC61850兼容的设备，不仅分布在变电站中，而且遍布于电力系统。这些设备的时间标志应使用通用格式。时间模型和格式的规定如下，精确度要求取决于各种具体应用。①时间标记应基于已有的时间标准（如世界时（UTC）已为大家所接收的基本时间标准）；②时间模型应能按秒跳跃，并提供足够的信息，使用户对穿过跳跃秒边界的事件能完成delta时间计算；③时间标记模型应含有足够的信息，使用户在计算日期和时间时毋需附加信息（如由时间开始后的跳跃秒数目）；④时间标记应很容易由商用的时间源导出；⑤总时间模型应包括能计算当地时间的信息；⑥时间模型应对当地时间有若干小时的偏移；⑦时间模型应表示夏时制是否适用；⑧格式应至少持续100a；⑨时间标记格式应为紧凑式，且易于用机器处理。
4事件时间的定义
有3种不同类型的事件，因而需要一专用的时间定位进程：①如果一事件定义为计算的结果（内部或计算事件），则时间定位（时间标记）应立即在时钟的时间分辨度内完成，毋需特殊测量；②如果一事件定义为二进制输入的变化，则必须考虑输入接点防抖动进程的延迟，事件时间应在当地校正；③如果一事件定义为一模拟量的变化，则必须考虑输入电路滤波进程的延迟，事件时间应在当地校正。这种事件时间定义就要求传输二进制或模拟事件/值的时间标记应尽可能准确，使接收端不需要校正。
5传输时间的定义
总传输时间，即为报文的全部传输时间，包括2端所需的处理时间。时间由发送端将数据内容放到传输栈顶部的瞬间开始计数，直到接收端由传输栈取出数据的瞬间为止。
图1表示全部传输链路的时间需求。在物理设备PD1中功能f1将数据发送到位于物理设备PD2的另一功能f2上。总传输时间由各个通信处理器的时间和网络传输时间，包括等待时间、路由器所用时间和整个网络具有的其它设备所用的时间。任何测试和全部传输时间的检验应在现场验收试验（SiteAcceptanceTest，SAT）时完成。物理设备和网络设备可由不同厂家提供。6报文类型的定义和使用
按逻辑节点间PICOM的通信要求可得到，在变电站自动化系统内的各种通信链接。这种链接是为了传输各种复杂的报文，并考虑其内容、长度、最坏情况的允许传输时间和安全性等建立的。从一瞬间到另一瞬间所传送的报文类型取决于变电站和系统的实际情况。
涉及信息传输的PICOMs，它严格地以一个单一的专门功能为基础，并包括源和洞。报文类型取决于与PICOM属性有关的性能组，因而它决定了所支持的性能要求。由于性能要求决定了每个报文，所以它们与变电站的大小无关。
7性能级的定义和使用
考虑到变电站的不同需求，某些报文类型还可再分为2组性能级：1组为控制和保护，另1组为测量仪表和电能计量。由于性能级由所需功能决定，因而它们与变电站的大小无关。
在指定的变电站内所有通信链路未必一定需要支持同一性能级。站级总线和过程总线可彼此独立选择。在过程总线结构内不同性能级可用在不同的间隔上，这取决于每个间隔所安装设备的数目和传输率。
（1）控制和保护性能级P1一般用在分布式间隔上或另外接收低要求的间隔上；性能级P2一般用在传输间隔上或用户无另外规定之处；性能级P3一般用在具有高性能同步特性的传输间隔上和断路器差动上。
（2）测量仪表和电能计量性能级M1指的是具有精确度级为0.5（IEC60687）和0.2（IEC60044）以及最多5次谐波的测量仪表的性能级；性能级M2指的是具有精确度级为0.2（IEC60687）和0.1（IEC60044）以及最多13次谐波的测量仪表的性能级；性能级M3指的是直到40次谐波的测量仪表的性能级。
8报文类型和性能级
8.1类型1——快速报文
这类报文典型地包含数据、命令或单一报文的简单二进制代码。例如，“跳闸”、“合闸”，重合命令，“启动”、“停止”、“闭锁”和“解锁”，触发、释放、状态改变，也可能是某功能的状态。接收的IED通常在收到这类报文后立即动作。
（1）类型1A——“跳闸”变电站中跳闸是最重要的快速报文。因此此报文比其它所有快速报文要求更高。①对性能级P1，总传输时间应为半个周期序列，因此定为10ms；②对性能级P2/3，总传输时间应小于1/4周期序列，因此定为3ms。
（2）类型1B——“其它”这类对过程自动化系统相互作用的所有其它快速报文是重要的。但和跳闸相比要求要差一些。①对性能级P1，总传输时间应小于或等于100ms；②对性能级P2/3，总传输时间应为1个周期，因此定为20ms。
8.2类型2——中速报文
按第8.1节定义的报文，若它发生的时间是重要的，但传输时间却无关紧要，则希望此种IEDs有自己的时钟。报文应含有发送机设定的时标，接收机将在一定的内部时间延迟后正常反应，然后按时间标志给出的时间来进行计算。通常的状态信息属于此类报文。
这类报文亦可含有单一测量值，如由类型4信号计算出的有效值。总传输时间应小于100ms。
8.3类型3——低速报文
此类报文含有复杂的报文，可能需要时间标志。这种类型报文一般用于低速自动控制功能、事件记录传输、读或改变设定点值和通常的系统数据描述等。不管时间标记需要（正常）还是不需要（例外），都应由实际应用所决定。对正常警报/事件的处理，警报和事件应标有时间标记。非电量测量（如温度）也属于此类型。但某些自动装置和数值（如压力）需要类型2的报文。
总传输时间应小于500ms。
8.4类型4——生数据报文
此类报文如数字式变送器和数字式仪用互感器的输出数据。此数据包括每个IED输出的连续同步数据流，并交叉有其它IED的数据。8.5类型5——文件传输功能
此类报文用来传送大型记录数据文件、信息目的和整定等。数据应分为有限长度的块，以便为其它通信网络的应用所使用。文件类型PICOMs的长度一般等于或大于512bit。
传输时间是不重要的，没有规定限制。时间要求一般等于或大于1000ms。
对远方访问，文件传输请求应有访问控制，即需要某些授权才能进行访问（见类型7报文）因此，此请求报文应为类型7。
8.6类型6——时间同步报文
这类报文用以同步变电站自动化系统中IED的内部时钟。按照用途（事件时间标记或生数据的采样精度）需要不同级的时间同步。
如果IEDs内的时钟时间同步比功能要求好一个数量级，则能实现这些功能要求。8.7具有访问控制的命令报文
这类报文用来传送控制命令。此命令可由当地或远方人机会话接口（HMI）发出。这需要有较高的安全性。所有报文应包含访问控制。此类报文是基于类型3的报文，必须带有附加的口令和/或查证过程。
在某些控制层传播的命令报文可由操作员下传至开关装置或某些其它控制对象，它们可变换为至少在过程总线上请求类型1报文特性的报文。
这些报文为操作员通过当地或远方人机接口HMI所使用。参考文献[1]57/526/VDV．IEC61850-5Communicationnetworkandsystemsinsubstations，Part5-12：Messageperformancerequirements[S]．2001．