智能变电站过程采样值传输协议的分析与程序实现

徐瑞林，高晋，杨洪涛，钟加勇，张友强

(1.重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123；2.国网电力科学研究院，江苏南京210003)

IEC61850系列标准的应用促进了常规变电站发展为智能变电站。智能变电站几乎完全改变了常规变电站的通信方式，尤其对于过程层而言，智能变电站采用非常规互感器，互感器的输出就已为数字量，只需通过网络将互感器所采集到的数据发送给监控和保护装置，便能完成其功能。这种由常规变电站到智能变电站的过程层变化，最大的优点是提高了互感器测量一次系统电压和电流的准确度；其次简化了过程层的接线，提高了变电站自动化系统的可靠性，智能变电站中只需要使用光纤或者网线将过程层装置连接起来使之能通信即可，而常规变电站过程层中存在模拟量的传输，导致监控和保护装置要接入许多导线。IEC61850标准第9部分（包括9-1和9-2）[1，2]以及IEC60044.8标准都规定了过程层合并单元传输采样值时应采用的协议。合并单元将从非常规互感器获取到的电压和电流采样值数据以上述3个标准中所定义的格式组装出报文，便可以传输采样值数据给支持上述标准的监控和保护装置。

1 智能变电站过程层各种协议介绍

电压和电流采样值是监控和保护装置的数据来源，通过对采样值的分析和处理完成装置自身的功能。采样值传输的是电压和电流的瞬时值，其特点是数据量巨大，目前常用的电压和电流采样率为每周波80点，因此每秒钟就有4000 个电压和电流采样，若每个数据包中仅含有1个应用服务数据单元（ASDU），则合并单元每秒钟便有4000 包数据发送给智能装置。

1.1 IEC61850－9－1协议

IEC61850-9-1协议是基于以太网定义的，以MAC地址标识不同的装置，为提高数据传输速率，其表示层、会话层、传输层和网络层均为空[1]。详细格式如图1所示。

图1 IEC61850-9-1协议格式

IEC61850-9-1协议格式总体上比较固定，由两大部分组成。第一部分为标准的以太网协议头，字节数恒定，共占26字节；第二部分为IEC61850-9-1协议的应用协议数据单元（APDU），字节数可变，且采用ASN.1编码。

IEC61850-9-1协议的APDU部分采用ASN.1规则编码，即编码成TLV（Tag，Length，Value）3个部分：其Tag占1个字节，恒定为0x80；其Length字节数不定，取决于后面的ASN.1的Value部分的长度，一般占1～3字节，含义是Value部分的长度；其Value以Octet String（8位位组）格式编码，包含ASDU数目和ASDU详细列表，字节数不定。

IEC61850-9-1协议的APDU中包含的ASDU不再采用ASN.1规则编码，格式一般采用基于IEC60044-8标准中定义的通用数据集，如图2所示。

可见，IEC61850-9-1协议的ASDU格式固定，总共占有46字节，包含12个通道的数据（2组电流、1组电压和其他电压电流量）。ASDU状态字会影响报文中的通道有效性和保护电流编码值等等；采样计数是报文的编号，表示众多IEC61850-9-1报文的ASDU通道中电压电流数据的相对序号，通常按顺序递增，同步时被清零。

IEC61850-9-1协议的ASDU可以采用其他用户自定义的数据集，数据集中的各通道均可以完全由用户自由定义，各不同的数据集是使用LNName，DataSetName，LDName这3个字段来区分。当使用自定义数据集时，采样值通信双方需要协商好自定义数据集中各通道所包含数据的物理意义。

1.2 IEC61850-9-2协议

IEC61850-9-2协议与IEC61850-9-1协议一样是基于以太网定义的[2]，以MAC地址标识不同的装置，其表示层、会话层、传输层和网络层也为空。其协议格式的总体结构也一致，由以太网报文头和APDU两部分组成，如图1所示。

IEC61850-9-2协议与IEC61850-9-1协议不同的是APDU部分的编码。9-1协议中仅APDU是以ASN.1规则进行编码，APDU中的ASDU部分（包括ASDU数目和ASDU列表）未采用ASN.1规则编码，而全部以Octet String形式作为APDU的ASN.1编码的Value；而9-2协议中APDU及其中包含的ASDU均以ASN.1规则编码，且9-2协议的ASDU中包含智能装置模型中采样值控制块的很多信息，如图3所示。IEC61850-9-2协议中定义的ASDU相对9-1协议的ASDU而言非常复杂，不仅包含的信息量比9-1协议大，而且9-2协议的ASDU中每一个字段都采用ASN.1规则编码[3]。

IEC61850-9-2协议APDU中存在一些可选的字段，这些字段可以根据实际应用情况在报文中存在或者不存在。字段的存在与否可以通过在解析9-2报文时，读取每个字段的Tag值来判定。

图3 IEC61850－9－2协议的APDU格式

1.3 IEC60044－8 FT3协议

IEC60044-8标准中基于FT3传输帧格式定义了过程层采样值传输的报文格式[4]，FT3传输帧格式如图4所示。其格式比较简单，由一个2字节起始符和后续数目不定的有效数据及其校验码组成。

图4 FT3传输帧格式

IEC60044-8标准中定义的采样值传输协议基于FT3传输帧格式定义，其中的通用数据集包含了3组有效数据，具体组成参照图2所示为：ASDU报头包含在数据1中，共占14个字节，后面接2个字节的数据1校验码；ASDU通道1～通道8，共占16字节包含在数据2中，后面接2个字节的数据2校验码；ASDU通道9～通道12以及ASDU配置，共占16字节包含在数据3中，后面接2个字节的数据3校验码。

有效数据后面的校验码是根据有效数据块中的部分字节求和计算得出的，可参考IEC60044-8标准中的计算公式。

FT3传输帧格式仅是一种报文格式定义，至于其中传输的数据，FT3传输帧格式并没有进行定义。因此，用户可以基于FT3传输帧格式定义其中传输的具体通道数目及各通道物理量，从而形成各种采用FT3传输帧格式的不同的采样值传输协议。

2 智能变电站过程层协议的分析

（1）协议格式复杂度。IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议相对IEC61850-9-2协议相比简单许多。前2个协议报文中所含字节数相对恒定，报文中包含的信息比9-2协议少且编码简单，而9-2协议中所有信息均采用ASN.1规则编码。通常情况下，在传递相同通道数目的采样值时，IEC61850-9-2协议格式的报文比另2种报文长。

（2）灵活性。IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议虽然也能对报文中所含的采样值的数目进行配置，但在标准中只定义了通用数据集，该数据集仅包含12个通道的采样值，IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议报文中一般采用该通用数据集。而IEC61850-9-2协议在传输采样值时，其报文中所传输的数据与智能装置模型中定义的数据集相对应，因此其通道数与装置模型中数据集中所包含的数据对象个数一致。由此可知，IEC61850-9-2协议比另2个协议更加灵活，其传输的采样值来源于装置模型中的数据集，随着数据集定义的不同，IEC61850-9-2协议便能传输不同的采样值。而IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议所传输的数据则比较固定，通常传输IEC60044-8标准中所定义的通用数据集。

（3）实现难度。由于IEC61850-9-2协议中所包含的各字段的起始偏移及长度是不定的，在实现IEC61850-9-2协议时必须要按照字段的顺序，先组装前面的字段，对前面字段的修改都会影响到后面的所有字段的偏移，并且IEC61850-9-2中各字段都要按照ASN.1规则编码成TLV 3个部分。而IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议由于其各字段的偏移及长度是固定的，其报文中前面字段的组装不会影响到后面字段，对前面字段进行修改时只需修改该字段的值，对后续字段没有任何影响。因此IEC61850-9-2协议的实现，需要考虑更多的问题，比另2个协议的实现难度大。

（4）实时性。由于IEC61850-9-2协议中各字段的偏移和长度的不定性，在组装和解析IEC61850-9-2协议的报文时，需要首先找到所关心字段的起始位置，才能读取到该字段的值。而IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议中各字段的偏移固定，在组装和解析它们的报文时，直接从偏移位置写入和读出该字段的值即可。因此组装和解析IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议比组装和解析IEC61850-9-2协议的效率更高。

（5）可靠性。IEC60044-8协议不是基于以太网的，采用此协议的装置之间通过光纤直连，而IEC61850-9-1协议和IEC61850-9-2协议则是基于以太网组播的，通常接入交换机多个装置可以同时接收到。可见，IEC61850-9-1协议和IEC61850-9-2协议的可靠性往往受到交换机的影响，当交换机上的通信负荷较大时，会出现采样值传输报文丢失等情况，而IEC60044-8由于是与保护和监控装置直连，具有很高的可靠性。

综上所述，IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议的特性类似，而IEC61850-9-2协议则更复杂、更灵活，但较难实现，且实时性不如IEC61850-9-1协议和IEC60044-8协议，在可靠性方面，IEC60044-8协议优于其他协议。

3 智能变电站过程层协议的编程实现

3.1 IEC61850-9-1协议的编程实现

IEC61850-9-1协议的组装过程如图5所示。IEC61850-9-1协议是基于以太网的，其报文前部分是以太网协议头，格式如图1所示。以太网协议头的组装比较简单，因其所包含的各字段长度固定，此时只需要定义一个struct结构，再定义相关函数用来对该struct中各字段进行填写和读取即可。

APDU的组装与以太网头的组装相比较复杂，APDU以ASN.1规则编码，如图1所示：Tag为0x60；Length为后续Value的长度；Value包含ASDU的数目及ASDU列表，它们以Octet String类型直接编码。组装APDU的核心是组装ASDU，虽然ASDU中包含多个字段，但ASDU中各字段的长度均固定，因此组装ASDU和组装以太网头一样简单，只要定义相应ASDU的struct即可，然后编写相关函数对该struct中各字段进行读写即可。

将组装好的ASDU、ASDU数目、APDU的Tag和Length拼起来便构成了APDU。再将组装好的以太网协议头和APDU连接起来，便组装出了IEC61850-9-1协议报文。

图5 IEC61850-9-1协议组装过程

3.2 IEC61850-9-2协议的编程实现

与IEC61850-9-1协议类似，IEC61850-9-2协议也是基于以太网的，因此也需要首先组装以太网头，而IEC61850-9-2的APDU组装相对比较复杂，因其每个字段都采用ASN.1规则编码。IEC61850-9-2协议的组装过程如下图6所示。

IEC61850-9-2协议组装过程中的难点在于组装ASDU主体，其包含多达8个字段，每个字段都采用ASN.1规则编码。ASDU主体与ASDU数目合成便组成APDU的Value，再与APDU的Tag和Length合并即得到APDU的编码，最后与以太网协议头合并记得到IEC61850-9-2协议的报文。

3.3 IEC60044-8协议的编程实现

IEC60044-8协议的报文通常采用通用数据集，基于FT3传输帧格式。该协议中各字段长度固定，因此组装该协议非常简单，只需依照该协议的报文格式定义一个struct，再定义与之对应的读写struct中各成员的函数即可。该变量所占据的内存块即是IEC60044-8协议的报文。

图6 IEC61850-9-1协议组装过程

4 结束语

智能变电站中过程层广泛使用了3种采样值传输协议，分别是：IEC61850-9-1协议、IEC61850-9-2协议和IEC60044-8协议。在复杂度、灵活性、实现难度和实时性4个方面对其进行了比较，指出了各自的优缺点，并给出了这3种协议编程实现的方法。过程层采样值传输给保护装置提供了数据源，是保护装置完成一切功能的基础，因此采样值的正确快速传输具有非常重要的意义。本文的研究可以对智能变电站建设中如何合理的选择过程层采样值传输协议提供一定的参考。

[1] DL/T860.91—2006/IEC61850-9-1，变电站通信网络和系统第9-1部分：特定通信服务映射（SCSM）单向多路点对点串行通信链路上的采样值[S].

[2] DL/T860.92—2006/IEC61850-9-2，变电站通信网络和系统第9-2部分：特定通信服务映射（SCSM）映射到ISO/IEC8802-3的采样值[S].

[3] GB/T16263—1996/ISO8825，信息处理系统开放系统互连抽象语法标记-（ASN.1）基本编码规则规范[S].

[4] GB/T20840.8—2007，互感器第8部分：电子式电流互感器[S].