變電站自動化技術發展很快，國內外廠商相繼推出了多種變電站自動化系統產品。為使不同廠商的產品具有互操作性（interoperation），IEC已制定關于變電站自動化系統的通信網絡和系統的國際標準IEC 61850。盡管IEC 61850現在只擬出了委員會草案，還沒有公布正式版本，但研究和分析其特點，對于我們了解變電站自動化技術發展的國際大趨勢和設計新系統還是很有益處的。本文將對IEC 61850通信體系做簡要的分析和介紹。
1 IEC 61850的歷史背景和組成
為適應變電站自動化技術的迅速發展，1995年國際電工委員會第57技術委員會（IEC TC57）為此成立了3個工作組10，11，12（WG10/11/12），負責制定IEC 61850標準。工作組成員分別來自歐洲、北美和亞洲國家，他們有電力調度、繼電保護、電廠、操作運行及電力企業的技術背景，其中有些成員參加過北美及歐洲一些標準的制定工作。3個工作組有明確的分工：第10工作組負責變電站數據通信協議的整體描述和總體功能要求；第11工作組負責站級數據通信總線的定義；第12工作組負責過程級數據通信協議的定義。這3個工作組參考和吸收了已有的許多相關標準，其中主要有：①IEC 870—5—101遠動通信協議標準［1］；②IEC 870—5—103繼電保護信息接口標準［2］；③UCA 2.0［3］（utility communication architecture 2.0)，由美國電科院制定的變電站和饋線設備通信協議體系；④ISO/IEC 9506制造商信息規范MMS［4］（manufacture message specification）。
1999年3月，3個工作組提出了IEC 61850 委員會草案版本［5］。從該版本看，IEC 61850標準共分為10個部分：
a. IEC 61850—1 基本原則，包括IEC 61850的介紹和概貌。
b. IEC 61850—2 術語。
c. IEC 61850—3 一般要求，包括質量要求（可靠性、可維護性、系統可用性、輕便性、安全性），環境條件，輔助服務，其他標準和規范。
d. IEC 61850—4 系統和工程管理，包括工程要求（參數分類、工程工具、文件），系統使用周期（產品版本、工程交接、工程交接后的支持），質量保證（責任、測試設備、典型測試、系統測試、工廠驗收、現場驗收）。
e. IEC 61850—5 功能和裝置模型的通信要求，包括邏輯節點的途徑（access of logical nodes)，邏輯通信鏈路，通信信息片PICOM（piece of information for communication）的概念，功能的定義。
f. IEC 61850—6 變電站自動化系統結構語言，包括裝置和系統屬性的形式語言描述。
g. IEC 61850—7—1 變電站和饋線設備的基本通信結構——原理和模式。
h. IEC 61850—7—2 變電站和饋線設備的基本通信結構——抽象通信服務接口ACSI（abstract communication service interface），包括抽象通信服務接口的描述，抽象通信服務的規范，服務數據庫的模型。
i. IEC 61850—7—3 變電站和饋線設備的基本通信結構——公共數據級別和屬性，包括抽象公共數據級別和屬性的定義。
j. IEC 61850—7—4 變電站和饋線設備的基本通信結構——兼容的邏輯節點和數據對象DO (data object)尋址，包括邏輯節點的定義，數據對象及其邏輯尋址。
k. IEC 61850—8 特殊通信服務映射SCSM（special communication service mapping），到變電站和間隔層內以及變電站層和間隔層之間通信映射。
l. IEC 61850—9 特殊通信服務映射SCSM，即間隔層和過程層內以及間隔層和過程層之間通信的映射。
m. IEC 61850—10 一致性測試。
從IEC 61850通信協議體系的組成可以看出，這一體系對變電站自動化系統的網絡和系統做出了全面、詳細的描述和規范。
2 IEC 61850的特點
IEC 61850是關于變電站自動化系統的第1個完整的通信標準體系。與傳統的通信協議體系相比，在技術上IEC 61850有如下突出特點：①使用面向對象建模技術；②使用分布、分層體系；③使用抽象通信服務接口（ACSI）、特殊通信服務映射SCSM技術；④使用MMS技術；⑤具有互操作性；⑥具有面向未來的、開放的體系結構。
3 變電站自動化系統接口模型
IEC 61850按照變電站自動化系統所要完成的控制、監視和繼電保護三大功能從邏輯上將系統分為3層，即變電站層、間隔層和過程層，并定義了3層間的9種邏輯接口。IEC 61850給出的變電站自動化系統接口模型如圖1所示。過程層主要完成開關量I/O、模擬量采樣和控制命令的發送等與一次設備相關的功能。過程層通過邏輯接口④和接口⑤與間隔層通信。間隔層的功能是利用本間隔的數據對本間隔的一次設備產生作用，如線路保護設備或間隔單元控制設備就屬于這一層。間隔層通過邏輯接口④和接口⑤與過程層通信，通過邏輯接口③完成間隔層內部的通信功能。變電站層的功能分為2類：一是與過程相關的功能，主要指利用各個間隔或全站的信息對多個間隔或全站的一次設備發生作用的功能，如母線保護或全站范圍內的閉鎖等，變電站層通過邏輯接口⑧完成通信功能；二是與接口相關的功能，主要指與遠方控制中心、工程師站及人機界面的通信，通過邏輯接口①，⑥，⑦完成通信功能。
圖1 變電站自動化系統接口模型
Fig.1 The interface model of substation
automation system
IEC 61850的分層模式與現有大多數變電站自動化系統不同，在現有系統中過程層的功能都是在間隔層設備中實現的，于是就沒有獨立的邏輯接口④和接口⑤了。隨著光電流、電壓互感器的使用，現代電力技術的發展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層中去。可見，IEC 61850是個面向未來的開放的標準。
4 通信系統結構
如圖2所示，IEC 61850描述的通信體系從上到下由如下部分組成。
圖2 IEC 61850通信系統總體結構
Fig.2 The general architecture of communication
system in IEC 61850
a. IEC 61850—5。這部分使用面向對象技術對變電站自動化系統的功能、子功能進行了分類和定義，并引入了邏輯節點的概念，這些對于分布式系統的設計及互操作性有重要作用。
b. IEC 61850—7—4。邏輯節點LN（logical nodes）是構成系統功能的基礎，IEC 61850—7—4定義了基本邏輯節點類及其數據對象。圖3示意了數據模型的層次結構，圖中最高層是標準化了的邏輯節點和數據對象。
圖3 數據模型層次
Fig.3 The levels of data model
c. IEC 61850—7—3。這部分定義了邏輯節點所使用的基本數據類型。
d. IEC 61850—7—2。這部分定義了抽象通信服務接口（ACSI）。ACSI定義了與實際所用的通信協議無關的應用，它定義了相關通信服務、通信對象及參數。ACSI提供如下6種服務模型：連接服務模型；變量訪問服務模型；數據傳輸服務模型；設備控制服務模型；文件傳輸服務模型；時鐘同步服務模型。這些服務模型定義了通信對象以及如何對這些對象進行訪問。這些定義由各種各樣的請求、響應及服務過程組成。服務過程描述了某個具體服務請求如何被服務器所響應以及采取什么動作在什么時候以什么方式響應。ACSI定義的服務、對象和參數通過特殊通信服務映射（SCSM）映射到下層應用程序。
e. IEC 61850—8—X/—9—X。考慮到TCP/IP、OSI、現場總線等各種各樣的通信系統已建立起來，IEC 61850引入了特殊通信服務映射（SCSM）。如圖4所示，SCSM將抽象通信服務對象和參數映射到MMS，FMS，DNP或IEC 870—5等應用層。實際上這種映射的復雜性與通信網絡有關，某些ACSI服務也可能不被所使用的網絡技術所支持。
IEC 61850—8—1定義了ACSI到ISO/IEC 9506即MMS之間的映射。圖5給出了示意圖。
圖5 ACSI到MMS之間的映射
Fig.5 The mapping between ACSI and MMS
IEC 61850—8—2定義了ACSI到Profibus FMS（fieldbus message specification）之間的映射。
IEC 61850—9—X定義了過程總線一級的SCSM。
5 與其他標準的關系
IEC 61850的制定者來自不同地區的學術機構和跨國公司，他們參考和吸收了大量已有的相關標準，不同地區的技術特點也反映在IEC 61850中，這些都決定了IEC 61850與已有標準具有天然的聯系。IEC 61850參考、吸收并發展了IEC 870—5—103［2］，使得IEC 61850—7—2成為IEC 870—5—103的超集。IEC 61850中大量使用面向對象建模技術，IEC 61850—8—1定義了ACSI到MMS的SCSM映射，這些顯然是受到了美國電力科學研究院UCA通信協議體系［3］的影響，也可以說是參與制定IEC 61850的美國專家將UCA這種地區性協議體系推向國際化的結果。IEC 61850—8—2中給出了ACSI到Profibus FMS的映射，這是受歐洲國家影響的結果。在歐洲的變電站自動化系統中Profibus FMS應用很廣，因此制定IEC 61850標準時歐洲國家代表要盡量保護他們的利益。
6 結語
IEC 61850涉及多種新技術和學科，是個龐大、復雜的體系，本文介紹、分析了IEC 61850通信協議體系。IEC 61850對于現在和將來變電站自動化技術發展方向都將產生重大的影響，因此有必要繼續對它進行深入分析和研究。
