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摘 要：变电站自动化建设是我国电力系统近年来重点建设项目，由此各种新技术和方法在智能变电站中得以广泛应用。文章对基于合并电源60044－7/8与61850－9－2传输协议在智能变电站中应用进行了探讨，分析其应用情况，这对提高智能变电站建设水平有着重要的现实意义。
关键词：智能变电站；传输协议；60044－7/8与61850－9－2
中图分类号：TM45 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）33－0069－02
1 概述
随着科技的进步和社会经济的发展，我国电力系统智能变电站建设取得了长足的进展。基于合并电源60044－7/8与61850－9－2传输协议在智能变电站中应用一直是业界人士研究的热点问题。合并单元（MU）是电子式互感器的重要组成部分，它通过过程层采样值通信，实现了电子式互感器与二次设备的接口。在目前的数字化变电站工程中，采用基于FT3通信的IEC 600447/8、IEC 61850－9－2传输采样值的方案都得到了一些应用。全数字化通信、全站数据共享和装置的可互操作性是目前数字化变电站的主要特征。本文从数字化变电站的采样传输方式、可互操作性和数据共享等方面对基于FT3传输的IEC 60044－7/8和IEC 61850－9－2进行详细分析，指出它们各自的优缺点，为在数字化变电站建设中提供参考依据。
2 技术特征分析
合并单元是由IEC 60044－8为规范电子式互感器的数字化输出而首次定义的，且在IEC 61850中也引用了这一概念。IEC61850规定了合并单元输入电压与电流的采样数据，以及输出应按照以太网的方式向外发送数据，并且还规定了IEC61850－9－1和IEC 61850－9－2两种数据的帧格式。其中IEC 61850－9－2特定通信服务映射通过ISO/IEC 8802－3来传输采样值。IEC 61850－9－2中所规范的过程总线已是网络的概念，它能更加彻底地实施变电站过程总线的数字化，它要求将合并单元装置、数字化测控、保护装置包含于同一个交换式以太网上，这就对网络交换机及合并单元装置、数字化测控、保护装置的网络性能提出了很高的要求。
按照IEC 60044的意图，电子式互感器和合并单元是紧密联系在一起的，应该由同一个厂家提供。但在实际应用中，合并单元多由二次设备厂家提供，且一个合并单元可能连接多个厂家的电子式互感器。然而，目前还没有在电子式互感器和合并单元的信息交换方面给出规定。这给电子式互感器和合并单元之间的互联造成了不确定性，增加了双方的工作量。
3 60044－7/8与61850－9－2传输协议在智能变电站中的应用
3.1 采样传输方式
在数字化变电站中，基于FT3传输的IEC 60044－8协议最早得到了试用。它采用FT3格式的曼彻斯特编码方式实现MU与二次设备之间的串行通信，通信带宽为2.5 Mbps。通常这种传输方式由现场可编程门阵列（field－programmable gatearray, FPGA）等硬件直接驱动报文的发送或接收，其报文延迟稳定。该方式传输速率有限，不能传输采样率高于4 000点/s的采样值数据，但4 000点/s的采样率已能够满足包括计量在内的各种变电站设备的采样需求。
IEC 61850－9－2采用ISO/IEC 8002－3帧格式，通过交换以太网通信，实现IEC61850采样值传输的特定通信服务映射（specific communication service mapping, SCSM），其传输速率可达100 Mbps或者更高。在数字化变电站中用来组网的交换机通常可达到100 Mbps全线速交换，传输延迟非常短，可有效支持IEC 61850－9－2在变电站的应用。网络传输方式受其实现方式的影响，并不能准确保证采样值传输具有确定的传输延迟。目前支持IEC 61850－9－2的MU，不同厂家采用的驱动网络报文发送的方式不同，包括硬件驱动、软件驱动和使用操作系统驱动等方式。另外，为了避免网络风暴时网络中断处理太频繁而造成装置资源枯竭，大多采用查询式接收网络报文，这种方式本身也造成报文接收延迟的不确定性。
3.2 同步方式的比较
插值法由于不需要外接时钟源即可实现变电站采样值同步，是理想的数字化采样值同步方式。基于FT3的IEC 60044－8采样值传输服务使用的是点对点的串行数据传输方式，虽然传输速率较低，但延迟稳定，非常适合插值同步方式。该采样值传输方式已在一些变电站中得到了应用。
IEC 61850－9－2采用以太网方式传输采样值，传输速率高，但传输延迟不稳定，一般只能采用时钟同步方式来实现MU之间的采样值同步。采用IEC 61850－9－2的点对点方式传输，其网络延迟也不能保证稳定，可能会达到100μs；而采用组网方式传输采样值，随着网络冲撞的加剧，采样值传输抖动也会随之增加，甚至可能出现丢包现象。随着交换机技术的发展和变电站组网技术的进步，虽然能够降低组网方案下采样报文延迟的抖动，但是不能从根本上解决组网方式必须采用时间同步法进行采样同步带来的不足。
3.3 可互操作性与数据共享
装置间的可互操作性与变电站信息的共享是数字化变电站的一个重要特征。数字化变电站通常使用IEC61850实现装置间的互操作性，通过组网方式实现变电站信息共享。
基于FT3的IEC 60044－8只支持点对点传输，不能实现变电站数据共享，同时该协议也不是IEC 61850的一部分，不能满足互操作的要求。FT3传输标注的传输格式具有一个特性：每16个字节进行一次数据校验，不足16位时需进行字节填充。
而IEC 60044－8的报文长度并不刚好是16字节的整倍数，标准也没有对FT3传输时如何进行字节填充作出说明，这部分内容多由厂家自行定义，不能满足互操作的要求。IEC 61850－9－2都是IEC 61850的一部分，可满足互操作的要求，而且两者都可以进行组网传输，实现数字化变电站的信息共享。IEC 61850－9－2属于组播组网通信，也可以实现点对点通信。在通信本质上两者并没有区别，都可以通过以太网交换机、集线器、点对点等各种方式实现拓扑连接。因此在变电站信息共享方面，IEC 61850－9－2优于基于FT3的IEC 60044－8。
3.4 合并单元与间隔层的通信
采用IEC 61850－9－2，它强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及可扩展性，可实现间隔层设备和站级设备对过程层信息的共享。但是由于IEC 61850－9－2部分所定义的标准相当灵活，所以实现起来有一定难度。为此，IEC委员会专门出版了针对IEC 61850－9－2的Light Edition（简称9－2LE），对IEC 61850－9－2的应用提供指导，并对一些参数进行固化。
根据IEC 61850－9－2规定，合并单元需要将各路采集信息封装为以太网多播帧格式发送至网络。二次设备单元必须加入相应的多播地址或VLAN才能接收到所订阅的网络报文。其中采样测量值（SMV）和跳闸命令（GOOSE）是过程总线最为重要的数据，对实时性要求非常高。SMV与GOOSE的不同在于它的传输量大且是周期性的。在实际应用中，如果采用网管型工业以太网交换机将不存在上述问题，因为它提供了IGMP Snooping服务，允许网络主机加入或离开多个多播组，防止了多播帧被发往那些未请求这些帧的主机。另一种方法是采用VLAN技术根据继电保护和控制域划分虚拟子网，将不同业务功能的节点群进行安全隔离，以避免“广播风暴”的发生。
4 结束语
在智能变电站建设过程中，不断有新技术的应用和尝试，这要求我们有与时俱进的观念，一分为二地看待新技术和新方法的应用。利用其优点，避开缺点，从而最大可能提高在电力系统应用中的实时性和可靠性，以促进变电站自动化的发展。
参考文献
1 高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008
2 魏勇军.IEC61850标准对国内变电站自动化系统的影响［J］.广东电力，2010（6）
Research on the Transport Protocol Based on Combined Power
60044－7/8 and 61850－9－2’s Application in Intelligent Substation
Deng Bo, Li Yilong
Abstract: The substation automation construction is China’s key construction project in electric power system in recent years, so a variety of new technologies and methods are widely used in intelligent substation. The article discusses on transport protocol based on combined power 60044－7/8 and 61850－9－2’s application in intelligent substation, and analyzes their application status, which has important practical significance in improving the intelligent substation construction level.
Key words: intelligent substation; transfer protocol; 60044－7/8 and 61850－9－2
关键词：智能变电站；传输协议；60044－7/8与61850－9－2
中图分类号：TM45 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）33－0069－02
1 概述
随着科技的进步和社会经济的发展，我国电力系统智能变电站建设取得了长足的进展。基于合并电源60044－7/8与61850－9－2传输协议在智能变电站中应用一直是业界人士研究的热点问题。合并单元（MU）是电子式互感器的重要组成部分，它通过过程层采样值通信，实现了电子式互感器与二次设备的接口。在目前的数字化变电站工程中，采用基于FT3通信的IEC 600447/8、IEC 61850－9－2传输采样值的方案都得到了一些应用。全数字化通信、全站数据共享和装置的可互操作性是目前数字化变电站的主要特征。本文从数字化变电站的采样传输方式、可互操作性和数据共享等方面对基于FT3传输的IEC 60044－7/8和IEC 61850－9－2进行详细分析，指出它们各自的优缺点，为在数字化变电站建设中提供参考依据。
2 技术特征分析
合并单元是由IEC 60044－8为规范电子式互感器的数字化输出而首次定义的，且在IEC 61850中也引用了这一概念。IEC61850规定了合并单元输入电压与电流的采样数据，以及输出应按照以太网的方式向外发送数据，并且还规定了IEC61850－9－1和IEC 61850－9－2两种数据的帧格式。其中IEC 61850－9－2特定通信服务映射通过ISO/IEC 8802－3来传输采样值。IEC 61850－9－2中所规范的过程总线已是网络的概念，它能更加彻底地实施变电站过程总线的数字化，它要求将合并单元装置、数字化测控、保护装置包含于同一个交换式以太网上，这就对网络交换机及合并单元装置、数字化测控、保护装置的网络性能提出了很高的要求。
按照IEC 60044的意图，电子式互感器和合并单元是紧密联系在一起的，应该由同一个厂家提供。但在实际应用中，合并单元多由二次设备厂家提供，且一个合并单元可能连接多个厂家的电子式互感器。然而，目前还没有在电子式互感器和合并单元的信息交换方面给出规定。这给电子式互感器和合并单元之间的互联造成了不确定性，增加了双方的工作量。
3 60044－7/8与61850－9－2传输协议在智能变电站中的应用
3.1 采样传输方式
在数字化变电站中，基于FT3传输的IEC 60044－8协议最早得到了试用。它采用FT3格式的曼彻斯特编码方式实现MU与二次设备之间的串行通信，通信带宽为2.5 Mbps。通常这种传输方式由现场可编程门阵列（field－programmable gatearray, FPGA）等硬件直接驱动报文的发送或接收，其报文延迟稳定。该方式传输速率有限，不能传输采样率高于4 000点/s的采样值数据，但4 000点/s的采样率已能够满足包括计量在内的各种变电站设备的采样需求。
IEC 61850－9－2采用ISO/IEC 8002－3帧格式，通过交换以太网通信，实现IEC61850采样值传输的特定通信服务映射（specific communication service mapping, SCSM），其传输速率可达100 Mbps或者更高。在数字化变电站中用来组网的交换机通常可达到100 Mbps全线速交换，传输延迟非常短，可有效支持IEC 61850－9－2在变电站的应用。网络传输方式受其实现方式的影响，并不能准确保证采样值传输具有确定的传输延迟。目前支持IEC 61850－9－2的MU，不同厂家采用的驱动网络报文发送的方式不同，包括硬件驱动、软件驱动和使用操作系统驱动等方式。另外，为了避免网络风暴时网络中断处理太频繁而造成装置资源枯竭，大多采用查询式接收网络报文，这种方式本身也造成报文接收延迟的不确定性。
3.2 同步方式的比较
插值法由于不需要外接时钟源即可实现变电站采样值同步，是理想的数字化采样值同步方式。基于FT3的IEC 60044－8采样值传输服务使用的是点对点的串行数据传输方式，虽然传输速率较低，但延迟稳定，非常适合插值同步方式。该采样值传输方式已在一些变电站中得到了应用。
IEC 61850－9－2采用以太网方式传输采样值，传输速率高，但传输延迟不稳定，一般只能采用时钟同步方式来实现MU之间的采样值同步。采用IEC 61850－9－2的点对点方式传输，其网络延迟也不能保证稳定，可能会达到100μs；而采用组网方式传输采样值，随着网络冲撞的加剧，采样值传输抖动也会随之增加，甚至可能出现丢包现象。随着交换机技术的发展和变电站组网技术的进步，虽然能够降低组网方案下采样报文延迟的抖动，但是不能从根本上解决组网方式必须采用时间同步法进行采样同步带来的不足。
3.3 可互操作性与数据共享
装置间的可互操作性与变电站信息的共享是数字化变电站的一个重要特征。数字化变电站通常使用IEC61850实现装置间的互操作性，通过组网方式实现变电站信息共享。
基于FT3的IEC 60044－8只支持点对点传输，不能实现变电站数据共享，同时该协议也不是IEC 61850的一部分，不能满足互操作的要求。FT3传输标注的传输格式具有一个特性：每16个字节进行一次数据校验，不足16位时需进行字节填充。
而IEC 60044－8的报文长度并不刚好是16字节的整倍数，标准也没有对FT3传输时如何进行字节填充作出说明，这部分内容多由厂家自行定义，不能满足互操作的要求。IEC 61850－9－2都是IEC 61850的一部分，可满足互操作的要求，而且两者都可以进行组网传输，实现数字化变电站的信息共享。IEC 61850－9－2属于组播组网通信，也可以实现点对点通信。在通信本质上两者并没有区别，都可以通过以太网交换机、集线器、点对点等各种方式实现拓扑连接。因此在变电站信息共享方面，IEC 61850－9－2优于基于FT3的IEC 60044－8。
3.4 合并单元与间隔层的通信
采用IEC 61850－9－2，它强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及可扩展性，可实现间隔层设备和站级设备对过程层信息的共享。但是由于IEC 61850－9－2部分所定义的标准相当灵活，所以实现起来有一定难度。为此，IEC委员会专门出版了针对IEC 61850－9－2的Light Edition（简称9－2LE），对IEC 61850－9－2的应用提供指导，并对一些参数进行固化。
根据IEC 61850－9－2规定，合并单元需要将各路采集信息封装为以太网多播帧格式发送至网络。二次设备单元必须加入相应的多播地址或VLAN才能接收到所订阅的网络报文。其中采样测量值（SMV）和跳闸命令（GOOSE）是过程总线最为重要的数据，对实时性要求非常高。SMV与GOOSE的不同在于它的传输量大且是周期性的。在实际应用中，如果采用网管型工业以太网交换机将不存在上述问题，因为它提供了IGMP Snooping服务，允许网络主机加入或离开多个多播组，防止了多播帧被发往那些未请求这些帧的主机。另一种方法是采用VLAN技术根据继电保护和控制域划分虚拟子网，将不同业务功能的节点群进行安全隔离，以避免“广播风暴”的发生。
4 结束语
在智能变电站建设过程中，不断有新技术的应用和尝试，这要求我们有与时俱进的观念，一分为二地看待新技术和新方法的应用。利用其优点，避开缺点，从而最大可能提高在电力系统应用中的实时性和可靠性，以促进变电站自动化的发展。
参考文献
1 高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008
2 魏勇军.IEC61850标准对国内变电站自动化系统的影响［J］.广东电力，2010（6）
Research on the Transport Protocol Based on Combined Power
60044－7/8 and 61850－9－2’s Application in Intelligent Substation
Deng Bo, Li Yilong
Abstract: The substation automation construction is China’s key construction project in electric power system in recent years, so a variety of new technologies and methods are widely used in intelligent substation. The article discusses on transport protocol based on combined power 60044－7/8 and 61850－9－2’s application in intelligent substation, and analyzes their application status, which has important practical significance in improving the intelligent substation construction level.
Key words: intelligent substation; transfer protocol; 60044－7/8 and 61850－9－2