1 引言

　　智能电网涉及发、输、变、配、用以及调度等多个环节。各环节之间以及内部都需要进行信息共享，消除信息孤岛，实现信息集成。针对智能电网通信需求，IEC提出了一个通信标准体系架构。本文将对该体系做简单介绍。

　　2 IEC智能电网通信标准体系架构

　　智能电网尽管涉及面宽，体系庞大，IEC对其抽象后，从信息与通信角度将其分为三大部分：控制中心;子站端;信息安全。其标准体系也是围绕这三部分建设的。

　　(1)控制中心

　　主要是能量管理系统(EMS)和配电管理系统(DMS)，以IEC 61970/IEC 61968标准为主。

　　(2)子站端

　　控制中心之外的所有厂站及子站，都被归结为子站端，以IEC 61850标准为基础，拓展应用范围，涵盖变电站、DER、电动汽车、风电场、水电厂监控等。

　　(3)信息安全

　　控制中心及子站端之间及内部通信的安全性主要通过IEC 62351标准来保障。

　　这三部分所涉及到的核心标准IEC 61970、IEC 61968、IEC 61850、IEC 62351都是由IEC TC57负责起草和修订。IEC TC57主要从事与电力系统通信和信息相关的国际标准。为了做好智能电网通信标准，IEC TC57联合IEC其它TC，如TC38(互感器)、TC88(风电)、TC95(继电保护)，以及IEEE、CIGRE等共同制定有关文件。在IEC TC57内部，由多个工作组(WG)共同完成，如WG10(IEC 61850主体标准及共性问题)、WG15(信息安全)、WG17(DER及配电自动化)、WG18(水电厂监控)等。

　　最终形成以IEC 61850为厂站端基础，IEC 61970/IEC 61968为主站端基础，IEC 62351为信息安全基础的智能电网通信架构。

　　3 IEC 61850最新进展

　　IEC 61850 Ed1.0于2004年发布，在国际上被广泛采用。国内等同采用为DL/T 860电力行标于2006年发布。IEC 61850 Ed1.0的名称为“变电站通信网络和系统”，应用范围是变电站自动化系统(SAS)。2004年之后，IEC TC57 WG10继续对IEC 61850进行修订和扩展，形成了IEC 61850 Ed2.0。IEC 61850 Ed2.0于2009年陆续发布，其应用范围面向智能电网，名称改为“电力自动化通信网络和系统”。以IEC 61850 Ed2.0为基础，针对智能电网厂站端需求，IEC TC57 WG10与其它TC或标准化组织合作起草了一系列标准、规范及技术报告。

图1 IEC 61850标准架构

　　4 IEC 61850 Ed 2.0

　　与IEC 61850 Ed1.0相比，IEC 61850 Ed2.0有很多变化，主要体现在如下方面。

　　4.1 数据模型

　　IEC 61850-7-4 Ed 2.0新增了大量逻辑节点，使得逻辑节点总数从Ed1.0的90多种增加到约170种。对IEC 61850-7-4 ED1已定义的很多逻辑节点进行了修订，新增或修改了逻辑节点中的部分数据对象。

　　IEC 61850-7-3 Ed2.0新增加CSG、HST、TSG公用数据类。

　　4.2 通信服务

　　对缓存报告服务进行了改进，将GSSE移至附录，有些名称发生变化，例如DataObject，而不是Data。

　　4.3 网络结构

　　推荐了PRP(Parallel Redundancy Protocol，并行冗余协议)和HSR(High Availability Seamless Ring，高可用无缝接口环)网络技术。

图2 PRP应用示意图

图3 HSR应用示意图

　　4.4 工程配置(SCL)

　　IEC 61850-6 Ed2.0新增了如下两种文件类型：

　　(1)IID(Instantiated IED Description)实例化的IED描述文件，可用于描述集成过程中IED模型文件的修改。

　　(2)SED(System Exchange Description)系统交换描述文件，可用于变电站内多个项目之间SCD文件的交互，例如二期工程的模型文件与原有一期工程模型文件之间的交换。

图4 基于6种SCL文件的工程配置流程

　　5 IEC 61400-25系列标准

　　IEC TC88联合TC57，以IEC 61850为基础制定IEC 61400-25。目的是为风电场监控系统提供一个网络通信标准，实现不同厂家设备互操作。采用统一的风电场监控系统标准，可使社会分工进一步优化，不同厂商专注做最擅长的部分，监控系统与风机可由不同厂家提供，可使业主对设备有更多选择空间，而不必担心系统集成问题。

　　IEC 61400-25由如下文件构成：

　　IEC 61400-25-1 《风电场监控系统通信标准-原则与模型概述》(2006年发布)

　　IEC 61400-25-2 《风电场监控系统通信标准-信息模型》(2006年发布)

　　IEC 61400-25-3 《风电场监控系统通信标准-信息交换模型》(2006年发布)

　　IEC61400-25-4 《风电场监控系统通信标准-通信协议栈映射》(2008年发布)

　　IEC 61400-25-5 《风电场监控系统通信标准-一致性测试》(2006年发布)

　　IEC 61400-25为风电场监控系统提供一个统一的通信基础。IEC 61400-25采用客户/服务器通信模式，从下列三方面对风电场监控系统进行了定义。

　　1)风电场信息模型;

　　2)信息交换模型;

　　3)上述两种模型到通信协议之间的映射。

　　不仅包含风机本身信息，也包含气象信息、电网信息和风场管理系统信息。不包含馈线与变电站，这些内容参照IEC 61850执行。

图5 IEC 61400-25个文件之间的关系

　　6 IEC 61850系列技术文件

　　6.1 IEC 61850-7-410

　　IEC 61850-7-410为水电厂监控应用定义了下列逻辑节点，为在水电厂监控系统应用IEC 61850技术铺平了道路。

　　(1)自动控制逻辑节点组：A

　　AEXR(励磁调整)、AJCL(联合控制)。

　　(2)功能逻辑节点组：F

　　FHBT(功能心跳)、FSCH(调度任务)。

　　(3)水电专用逻辑节点组：H

　　HBRG(水轮发电机轴承)、HCOM(混合器)、HDAM(水坝)、HDFL(导叶控制)等。

　　(4)接口逻辑节点组：I

　　IFIR(火灾探测与告警)、IHND(手接口)。

　　(5)机械及非电一次设备逻辑节点组：K

　　KHTR(加热器)。

　　(6)保护逻辑节点组：P

　　PRTR(转子保护)。

　　(7)保护相关逻辑节点组：R

　　RFBC(现场断路器配置)等。

　　(8)监测与监视逻辑节点组：S

　　SFLW(介质流量监测)等。

　　(9)开关逻辑节点组：X

　　XFEL(开关控制)。

　　6.2 IEC 61850-7-420

　　IEC 61850-7-420针对分布式电源(DER)的监控需求，定义了下列逻辑节点。

　　(1)DER管理系统逻辑节点

　　DER电厂电连接点(ECP)，单元控制器。

　　(2)DER发电系统逻辑节点

　　发电、励磁、速度/频率控制器，逆变器等。

　　(3)DER专用逻辑节点

　　燃料电池，光伏系统、热电联产(CHP)等。

　　(4)辅助系统逻辑节点

　　(5)物理测量逻辑节点

图6 DER的逻辑设备与逻辑节点

　　6.3 IEC 61850系列技术报告

　　就IEC 61850在特定领域的应用问题，IEC TC57起草了一系列技术报告(TR)，这些报告对于指导应用有很大的参考价值。

　　IEC 61850-90-1：IEC 61850用于变电站之间通信

　　IEC 61850-90-2：IEC 61850用于变电站与控制中心之间通信

　　IEC 61850-90-3：IEC 61850用于输变电状态诊断与分析

　　IEC 61850-90-4：变电站网络工程指南

　　IEC 61850-90-5：使用IEC 61850按照IEEE C37.118传输同步向量信息

　　IEC 61850-90-6：IEC 61850在配电自动化系统应用

　　IEC 61850-90-7：光伏、储能和其他DER逆变器的IEC 61850对象建模

　　IEC 61850-90-8：电动汽车对象模型

　　IEC 61850-90-9：电力储能对象模型

　　IEC 61850-90-10：调度对象模型

　　IEC 61850-90-11：IEC 61850应用的逻辑建模方法论

　　IEC 61850-90-12：广域网络应用指南

　　IEC 61850-90-13：用于汽轮发电机及燃气轮机的IEC 61850信息模型及扩展

　　IEC 61850-90-14：FACTS对象建模

　　IEC 61850-90-15：DER系统集成

　　IEC 61850-90-16：系统管理

　　IEC 61850-90-17：电能质量

　　6.4 IEC 61850系列技术标准

　　IEC TC57正在制定一系列技术标准，补充和完善IEC 61850在智能电网厂站端的应用。

　　IEC 61850-7-5：IEC 61850建模概念

　　IEC 61850-7-500：使用逻辑节点对变电站自动化系统功能建模

　　IEC 61850-7-510：使用逻辑节点对水电厂功能建模

　　IEC 61850-7-520：使用逻辑节点对分布式能源功能建模

　　IEC 61850-8-2：变电站外IEC 61850到Web Service的映射

　　IEC 61850-80-5：Modbus与IEC 61850之间的数据转化

　　IEC 61850-10-3：IEC 61850系统的功能测试

　　7 IEC 62351

　　IEC 62351全称《电力系统管理及相关信息交换-数据和通信安全》，是IEC TC57 WG15为保证电力系统安全运行，针对有关通信协议(IEC 60870-5、IEC 60870-6、IEC 61850、IEC 61970、IEC 61968和DNP3)开发的数据和通信安全标准。

　　(1)IEC 62351-1：介绍

　　对电力系统运行安全的背景作了简介，并提供了IEC 62351系列标准内容的整体描述。

　　(2)IEC 62351-2：术语

　　(3)IEC 62351-3：针对TCP/IP平台的安全性规范

　　为基于TCP/IP协议的通信协议提供了安全保障，包括IEC 60870-6、IEC 61850和IEC 60870-5-104。使用了网络安全领域广泛应用的安全传输层协议(TLS)，解决了身份认证、信息保密和信息完整性等问题。

　　(4)IEC 62351-4：针对MMS的安全性规范

　　为基于MMS的通信协议提供了安全保障，包括TASE.2(ICCP)和IEC 61850。提供的是应用层的安全保障，需要与TLS一起使用，借助于TLS提供的安全措施，特别是身份认证。

　　(5)IEC 62351-5 ：针对IEC 60870-5及其衍生协议的安全性规范

　　对IEC 60870-5串口协议(主要是IEC 60870-5-101，以及IEC 60870-5-102和IEC 60870-5-103)及其网络协议(IEC 60870-5-104和DNP 3)提供不同的安全规范。

　　(6)IEC 62351-6：针对IEC 61850标准的安全性规范

　　针对IEC 61850标准提供了安全规范。IEC 61850基于的MMS是基于TCP/IP协议的，它采用了IEC 62351-3和IEC 62351-4定义的安全性规范。对于IEC 61850今后的扩展功能部分，将使用IEC 62351-3外的其它应用层安全措施，这些应用层的安全措施不在IEC 62351标准讨论的范围内。

　　(7)IEC 62351-7：用于网络和系统管理的管理信息库

　　规范了用于电力系统的基础信息构架的安全规范，这些基础信息构架用来实现网络和系统的管理。针对电力系统运行，定义了抽象的网络和系统管理(NSM)数据结构。这些网络和系统管理数据结构包括了基础信息构架安全管理所必需的内容。

　　(8)IEC 62351-8：基于角色的访问控制

　　提供了电力系统中访问控制的技术规范。该部分准确地解释了基于角色的访问控制(RBAC)在电力系统中的使用。

　　IEC 62351所采用的主要安全机制，包括数据加密技术、数字签名技术、信息摘要技术等，其引用的现有标准包括先进加密标准(AES)、数据加密标准(DES)、数字签名算法(DSA)、RSA公钥密码、MD5信息摘要算法、D-H密钥交换算法、SHA-1哈希散列算法等。

　　8 小结

　　智能电网涉及面广，其通信标准体系非常庞杂。IEC充分利用现有技术，化繁为简，形成了以控制中心(IEC 61970/IEC 61968)、厂站(IEC 61850系列)和信息安全(IEC 62351)为中心的标准体系。