摘 要： 针对广域保护系统对信息交换类型和交换方式的不同要求，讨论了基于IEC61850的广域保护系统通信服务模型，主要解决通信一致性和不同装置之间的互操作性问题，并从上层确保数据通信延时和可靠性满足广域保护系统的要求。介绍了通用变电站事件GSE的报文结构和通信机制，提出用GSE中的GSSE传输状态量信号、用采样测量值传输类模型传输模拟量的观点和一般方法。
关键词： 广域保护系统；IEC61850；通信；服务模型
近几年来，广域保护系统逐渐成为新的研究方向和热点。尽管目前国内外许多学者对广域保护系统的功能、结构等问题存在不同的理解，但有一点是一致的，那就是需要借助通信系统获取电网的广域信息。根据广域保护系统所完成功能的不同，对通信系统性能的要求也不一样，例如，除对动作延时和可靠性有严格要求的继电保护功能和控制功能外，对通信系统的快速性和可靠性也有严格的要求，而对动作延时要求稍低的某些控制功能，相应的对通信系统要求也稍低。这样就需要构建一套能满足各种功能要求的通信系统为各种信息的交换提供平台。这里所说的通信系统不仅指物理上可见的通信设备和通信网络，还包括该网络所采用的通信协议、网络所能提供的通信服务等上层内容。但是，在目前的电力通信系统中还没有一个统一的数据交换模型，并且所使用的大部分通信规约在快速性和可靠性方面往往也难以满足更高的要求。在通信层也采用一般的点到点通信模式和传统的局域网通信技术，无法保证广域同步信息传输的快速性和可靠性。
本文对基于IEC61850(变电站通信网络和系统系列标准)的广域保护系统通信服务模型进行分析和研究，研究了变电站通用事件GSE(Generic Substation Event)的报文结构、信息交换方式、提供的服务模型等内容，重点研究利用GSE中的通用变电站状态事件GSSE(Generic Substation Status Event)传输状态量信号，利用采样测量值传输模型、传输模拟量采样信号的方法。
1 通用变电站事件GSE
对于广域保护系统来说，无论是同一厂家、型号相同的装置，还是不同厂家，型号不同的装置，IED之间能够快速可靠地交换信息，既要满足应用数据的互用性要求，又要保证数据传输的快速性和可靠性。这就需要建立一种高效、通用的数据对象模型，并对其进行标准的语义定义。在IEC61850中定义了一种数据通信模型，称为通用变电站事件GSE。该模型基于自动分布的概念，提供了在全系统范围内快速可靠地传输输入输出数据值的功能。这种模型完全支持TCP(UDP)/IP协议，支持局域网和广域网通信，并采用了组播(Multicast)技术，便于向多个物理设备同时传输一个GSE信息。此外，IEC61850还对GSE报文的通信性能要求进行了严格的规定，从上层确保了用于IED之间的工业级信号的传输延时不超过4 ms，这些标准能够达到广域保护系统对通信性能的技术要求[1-2]。
根据应用特点的不同，GSE又分为两种不同的控制类和报文结构。一种是面向变电站事件的通用对象GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)，它支持由数据集(DATA-SET)组织的公共数据的交换。另一种是通用变电站状态事件GSSE，它用于传输状态变位信息(双比特)。GSE用于数据属性(Data Attribute)集合值的交换，在IEC61850中对数据属性和数据集都有标准的语义和语法的定义，对GOOSE/GSSE报文也进行了标准的定义。IED根据这些标准定义构建数据对象，并采用标准的GOOSE/GSSE报文传输数据对象，就可以达到不同IED之间应用数据的互用性，并从上层对通信质量提供保证[3-4]。
IEC61850不是通信协议，也不对通信协议中的细节进行定义，它只是一种体系标准，该标准独立于具体的通信网络和通信协议。IEC61850定义了通信数据模型、通信服务模型等上层内容，它是一个框架而不是具体的内容，用户可以根据需要定义、扩展具体的内容。
图1是GSE报文的结构，它只列出了报文的基本构成而不对报文的具体内容进行定义。不同原理的保护可以根据不同的功能需要对数据属性进行定义和扩展，定义和扩展的方法要按照IEC61850的标准进行，使不同保护装置之间的数据可以相互理解。
GSE报文有如下的特点：
(1)在GSE报文中必须包含一些信息以便让接收装置知道报文已经丢失、数据状态发生变化以及上次数据状态发生变化的时间。
(2)一个新激活的设备(上电或重新服务)将发送当前数据值当作初始GOOSE/GSSE报文。如果数据值没有发生变化，该设备将循环发送初始报文，这样可以保证所有激活的设备知道其对等设备的当前状态。
(3)GSE报文采用组播方式发送，发送后不返回确认信息。但是，如果IED发送的是一些和继电保护相关的信号(如断路器跳闸信号、失灵保护启动信号等)，它们的重要级别是非常高的，为了保证重要信号传输的可靠性，只要信息状态在维持期间就不断重复发送报文。
2 发布/订阅机制
GSE信息交换的是采用发布/订阅服务机制[5-6]。在这种服务中，希望获取数据的一方充当客户的角色，提供数据的一方充当服务器的角色。同一台物理设备既可以是服务器，也可以是客户。发布/订阅服务机制支持本设备主动向其他设备传送数据，这一特性对继电保护功能和快速控制功能十分重要。在发布/订阅服务机制中，一旦有数据产生即可按照事先确定好的订阅路径主动传送，无需外界的任何干预，有利于保证通信的快速性。发布/订阅模型如图2所示。
如果客户(订阅者)希望服务器(发布者)的数据对象中某项数据属性在状态变动时得到通知，客户就可以向服务器发出订阅请求，并附上对要订阅对象的说明。订阅可以是基于主题的，也可以是基于内容的。服务器若接受订阅，则返回确认命令并主动传送对象的当前数据，以后每当订阅的数据对象属性发生变动时，服务器都会主动向订阅者传送数据。如果客户在订阅之后希望取消订阅，则发出取消订阅的请求，服务器收到后就会停止向客户传送数据。
发布/订阅机制尤其适合分布式结构的广域保护系统。故障发生后某些IED的信息需要同时发送给其他多个相关IED，也会接收来自其他若干IED的信息，此时IED不仅担任着服务器的角色(发送数据)，还充当了客户的角色(接收数据)，并且数据的发送方式是组播的形式，因此采用发布/订阅服务机制是非常适合的。发送信息的IED发布客户(其他IED)所需要的数据值，其他任何需要该信息的IED都可以订阅该信息的GOOSE/GSSE报文。
3 通用对象GOOSE和通用变电站状态事件GSSE
3.1面向变电站的通用对象GOOSE
GOOSE支持由DATA-SET组织的公共数据的交换，每次由DATA-SET引用的一个或多个成员值改变，就发送GOOSE报文。抽象的GOOSE报文格式规定了包含在GOOSE报文的信息，GOOSE报文结构如表1所示。
参数类型依赖IEC61850定义的公共数据类，参数取自GOOSE控制GOOSE作为GSE的一种，也采用发布/订阅服务机制交换信息，其通信服务模型如图3所示。
如果发布方数据集中的一个或多个数据对象的属性值发生变化，由发布方的“发布”服务刷新发布方缓冲区，同时将变化的数据值写入发送侧的当地缓冲区，并用GOOSE报文传送这些值，报文的交换采用组播技术。订阅方从接收侧的当地缓冲区读取该数据值。通信网络的通信服务映射将刷新订阅方缓冲区的内容，并将接收的新数据通知应用。发布方的GOOSE控制类GoCB(GOOSE-Control-Block)用于控制整个过程。
3.2 通用变电站状态事件GSSE
GSSE只用来传输双比特的状态变化信息，某些保护判断信息、跳合闸操作信息等都是状态量信息。GSSE报文结构如表2所示。
如同GOOSE一样，GSSE也采用发布/订阅服务机制交换信息，它们的通信服务模型是类似的，所不同的是，在GOOSE中发送的是DATA-SET成员值，而在GSSE中发送的是双比特的状态信息；在GOOSE通信模型中，用GOOSE控制块类GoCB来控制发布/订阅的过程，而在GSSE中用GSSE控制块类GsCB来控制整个过程。GoCB中的定义和描述同样适合GsCB。
在IEC61850中定义的这种通信服务模型是抽象的，它完全独立于具体的通信网络和通信协议，要想在以太网或其他网络上采用GSE模型，必须通过特定通信服务映射SCSM(Specific Communication Service Mapping)将其映射到具体的通信协议栈中，信息传输的可靠性和通信具体延时取决于所采用的特定通信服务映射SCSM以及具体的通信协议栈。
4 采样测量值传输类模型[7]
在广域保护系统中，有时需要交换各测量点的模拟量采样值。GSSE报文交换的是双比特状态位信息，GOOSE则支持由数据集(DATA-SET)组织的公共数据的交换，理论上可以用来传输模拟量采样值信息。但如果对采样值的传输延时和可靠性有特别的要求，则应该与变电站自动化系统中一般测量值的传输区别开来。在IEC61850中专门定义的采样测量值传输类模型提供了以有组织的和时间上受控的方式报告采样测量值的方法，采样抖动最小，传输时间快并且能够保持采样的次数和顺序恒定，适合在极短延时内可靠交换采样信息。
采样测量值传输类模型属于GOOSE中的一类，因此也用于交换数据集(DATA-SET)的值。在IEC61850中定义了多种有关变电站应用的公共数据类，主要包括六大类：状态信息的公共数据类、测量值信息的公共数据类、可控状态信息的公共数据类、可控模拟设定值信息的公共数据类、状态定值的公共数据类和模拟定值的公共数据类。
其中采样测量值传输类模型采用的是测量值信息的公共数据类中的采样值SAV(IEC61850中第7-4部分)。采样测量值的交换也是基于发布/订阅机制，发布方的采样测量值控制(SVC)用来控制整个过程，这与GOOSE是一致的，通信服务模型也是一样的。与交换其他公共数据类不同，交换模拟量采样值还有其自身的特点，主要包括：
(1)在一个发布方和一个或多个用户之间交换采样测量值有两种方法：一种是采用多路广播应用关联Multicast-Application-Association(在通信服务模型中采用多路广播应用关联控制块MsvCB)；另一种方法是采用双边应用关联Two-Party-Application-Association(在通信服务模型中采用单路采样测量值控制块UsvCB)。
双边应用类模型TPAA(Two-Party-Application-Association)提供了双向的面向连接的信息交换，应用关联是可靠的，信息流是端－端控制的。这里的“可靠”是指应用关联的连接依赖于所提供的措施，在适当的时候报告信息没有交付的原因；端－端信息流控制是指信息源不会发送多于目的地可能存储的信息。双边应用关联类的关联、数据交换和关联释放如图4所示。
多路广播(组播)应用关联MCAA(Multicast-Application-Association)则提供单方向的信息交换。在一个源(发布者)和一个或多个目的地(用户)之间提供了多路数据交换。单方向的信息交换为接收方提供了足够的信息，以便接收方唯一的解释所交换和要处理的上下文。用户方能够检出接收信息的丢失或重复，接收方可向它的用户提示信息的丢失，舍弃重复的信息。多路广播应用关联原理如图5所示。
广域保护系统中IED信息的交换不再是点对点，而是一点对多点，快速的数据交换可能不带确认，即单方向进行，因此应该采用MCAA模型。
(2)需要规定系统的采样频率，按规定的采样率对输入信号进行采样。在IEC61850中，无论是组播MsvCB类还是单路传输UsvCB类中均定义了参数“SmpRate”，其属性值就是用来定义系统采样速率的。
(3)广域保护系统可能要求对模拟量进行同步采样。在采样测量值控制(SVC)类中定义了任选参数(OptFlds)，OptFlds属性规定包含在由MsvCB发出采样值报文中的任选域，其中一个参数SmpSynch就是用来说明采样是否由系统时钟进行同步。
(4)GSSE报文发送的是双比特状态量信息，最多只能表达四种不同的状态(二进制00～11)，而采样测量值传输报文要发送经过采样的模拟量信息。采样值数据为公共数据类SAV，IEC61850的7-3部分定义了测量值信息的公共数据类规范以及SAV的具体规范。
本文针对广域保护系统对信息交换类型和交换方式的不同要求，讨论了基于IEC61850的广域保护系统通信服务模型。通信服务模型和通信网络都是通信系统不可缺少的部分，前者主要解决通信一致性和不同装置之间的互操作性问题，并从上层确保数据通信延时和可靠性满足广域保护系统的要求；后者从物理上提供措施确保通信性能满足要求。介绍了通用变电站事件GSE的报文结构和通信机制，提出用GSE中的GSSE传输状态量信号、用采样测量值传输类模型传输模拟量的观点和一般方法。
参考文献
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