IEC TR 61850-90-202025 电力设施自动化通信网络和系统 第90-20部分系统冗余的使用情况标准立项发展报告

电力设施自动化通信网络和系统第90-20部分：系统冗余的使用情况标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:CommunicationNetworksandSystemsforPowerUtilityAutomation-Part90-20:UseCasesofRedundancyinSystems摘要随着全球能源结构转型和智能电网建设的深入推进，电力系统对通信网络的可靠性、可用性和实时性提出了前所未有的严苛要求。IEC61850系列标准作为电力设施自动化领域最具影响力的国际标准体系，为变电站内及变电站间的智能化设备互联互通奠定了坚实基础。然而，随着分布式能源的大规模接入、微电网的兴起以及广域测量保护系统的广泛应用，传统的单一通信链路已难以满足关键业务对零中断、高可用的需求，系统级冗余技术的规范化成为亟待解决的核心议题。本报告围绕国际电工委员会（IEC）于2025年8月6日正式发布的技术报告IECTR61850-90-20:2025《电力设施自动化通信网络和系统第90-20部分：系统冗余的使用情况》展开深入研究。报告在全面梳理IEC61850标准体系架构及冗余技术演进脉络的基础上，系统阐述了该技术报告的核心框架与关键技术内容，涵盖冗余拓扑结构、故障切换机制、冗余协议应用以及与其他标准（如IEC62439系列）的协同关系。报告同时对该标准的发布机构、立项背景、技术定位及主要参与单位进行了详细介绍，并就该标准对智能电网建设、新型电力系统构建的工程应用价值与未来发展趋势进行了展望。分析表明，该技术报告的发布填补了IEC61850体系在系统级冗余应用场景指南方面的空白，为电力行业的工程规划、系统设计与运维管理提供了权威的技术指引，对于提升电力通信网络的韧性与自愈能力具有重要的里程碑意义。关键词：IEC61850；电力设施自动化；系统冗余；通信网络；高可用性；智能电网；故障切换KeywordsIEC61850;PowerUtilityAutomation;SystemRedundancy;CommunicationNetworks;HighAvailability;SmartGrid;Failover;UseCases一、引言1.1研究背景能源是经济社会发展的重要物质基础。当前，全球能源体系正经历从化石能源为主导向清洁能源为主导的根本性转变。中国提出的“碳达峰、碳中和”战略目标，以及国家能源局推进的新型电力系统建设，都对电力系统的数字化、智能化水平提出了更高要求。在这一背景下，电力设施自动化系统从传统的集中式控制模式向分布式、协同式智能控制模式加速演进，其通信网络承担着继电保护、安全稳定控制、广域测量、分布式能源调度等关键任务，任何通信中断都可能导致严重的安全事故或大面积停电。IEC61850标准（电力设施自动化通信网络和系统）自2003年首版发布以来，经过二十余年的持续发展，已成为全球智能变电站和电力自动化领域事实上的通信标准。该标准族涵盖抽象通信服务接口（ACSI）、特定通信服务映射（SCSM）、变电站配置描述语言（SCL）等核心技术规范，实现了不同厂商设备之间的互操作。然而，随着应用场景的不断拓展，单纯依靠设备层面的可靠性和链路层面的冗余已不足以满足系统端到端的高可用性要求，需从系统架构层面系统性地规划和设计冗余方案。1.2冗余需求的演进与挑战在早期变电站自动化系统中，通信网络通常采用单星形或单总线拓扑，保护与控制系统依赖硬接线实现关键信号传输。随着IEC61850Edition2的推广，过程总线（ProcessBus）和站控总线（StationBus）的广泛应用使网络成为变电站的“神经系统”，由此产生了对网络冗余的迫切需求。IEC62439系列标准提出了多种冗余协议，如并行冗余协议（PRP）、高可用性无缝冗余协议（HSR）和快速生成树协议（RSTP）等。其中，PRP和HSR作为IEC62439-3定义的两种零恢复时间冗余方案，已在多个国家的变电站工程中得到应用验证。然而，工程实践中面临的核心挑战在于：不同的冗余技术各有其适用边界和性能特征，如何根据不同的业务场景（如线路保护、变压器保护、母线保护、广域控制等）选择恰当的冗余架构？冗余系统的配置和维护需要遵循怎样的工程规范？多级冗余（设备级、链路级、系统级）之间如何协同配合？这些问题长期缺乏系统性的权威指导，导致各厂商和工程单位的实施方案千差万别，互操作性难以保障。正是在这一背景下，IECTC57（电力系统管理及其信息交换委员会）启动了IECTR61850-90-20技术报告的编制工作。1.3报告目的与意义本报告旨在对该项于2025年8月发布的技术报告进行分析与解读，从标准定位、技术框架、核心内容、工程应用等维度进行系统阐述，为电力行业的相关技术人员、科研人员和管理决策者提供参考和指引。通过对该项标准立项背景、编制历程、技术内涵及应用前景的深入剖析，本报告力求帮助读者准确把握该项技术报告在IEC61850标准体系中的坐标与价值，为后续的工程实践和标准应用提供有益的借鉴。二、IEC61850标准体系概述与冗余技术的发展脉络2.1IEC61850标准体系的总体架构IEC61850标准家族是目前国际上最完备的电力自动化通信标准体系，其标准编号自61850-1至61850-90系列，涵盖从基础原理、术语定义到具体技术映射、工程实施的全方位规范。按照功能维度，可将该标准体系划分为以下核心模块：第一部分至第六部分为基础性标准，包括引言与概述（Part1）、术语（Part2）、总体要求（Part3）、系统和项目管理（Part4）、功能与设备模型的通信要求（Part5）以及配置描述语言（Part6）。这些标准共同确立了IEC61850的基本概念框架和工程方法论。第七部分至第十部分为通信映射与测试标准，涵盖了ACSI（抽象通信服务接口，Part7-1）、公共数据类（Part7-3）、兼容逻辑节点类和数据对象类（Part7-4）、特定通信服务映射（Part8-1，基于MMS）、过程总线映射（Part9-2，基于采样值）以及一致性测试（Part10）等核心技术内容。第八十系列至第九十系列为应用扩展与技术报告。其中，IECTR61850-90系列以技术报告（TechnicalReport）的形式发布了一系列针对特定应用场景的指南和用例分析，包括：使用IEC61850进行分布式能源（DER）管理的应用指南（90-7）、电动汽车充换电站的信息交互对象模型（90-8）、变电站间通信的对象模型（90-1）、广域通信的工程实践（90-2）、IEC61850在状态监测中的应用（90-3）等。本次发布的90-20部分则是针对系统冗余使用情况的最新补充，进一步完善了该系列技术在可靠性设计方面的应用指南。2.2冗余技术的演进与标准化历程电力自动化系统中的冗余技术经历了从硬件冗余到网络冗余再到系统冗余的三个发展阶段：第一阶段（1990年代以前）：硬件冗余阶段。早期变电站自动化系统主要依赖双套保护装置（保护A/B套）、双电源供电等硬件冗余手段来提升可用性。这一阶段没有形成统一的通信网络冗余规范，各厂商根据自身技术路线实现特定形式的冗余，通用性和互操作性较差。第二阶段（2000年代—2010年代）：网络冗余协议标准化阶段。随着以太网技术进入工业自动化领域，IEC62439系列标准应运而生。IEC62439-1提供了通用术语和计算方法；IEC62439-2定义了基于RSTP的介质冗余方案（MRP）；IEC62439-3定义了PRP和HSR两种零恢复时间冗余协议。其中，PRP基于双独立网络并行传输，HSR基于环形拓扑的帧复制与丢弃机制，两者均通过重复帧消除机制实现无缝切换，切换时间为零。这些协议在2008年前后逐渐成熟并进入工程应用。第三阶段（2010年代至今）：系统级冗余与场景化设计阶段。随着智能电网和数字化变电站的深入发展，业界逐渐认识到：网络级冗余仅仅是系统冗余的一个维度。完整的系统冗余还需要考虑设备冗余（如双重化保护装置）、功能冗余（如主备保护功能逻辑）、时间冗余（如时钟同步的多源备份）、供电冗余、以及站控层/间隔层/过程层的分层冗余架构设计。IECTR61850-90-20正是在这一阶段发布的、面向系统冗余使用场景的技术报告，标志着冗余技术从“协议层面”向“系统架构与工程实践层面”的全面跃升。三、IECTR61850-90-20:2025标准立项背景与编制过程3.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IECTR61850-90-20:2025||英文名称|Communicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part90-20:Usecasesofredundancyinsystems||中文名称|电力设施自动化通信网络和系统第90-20部分：系统冗余的使用情况||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）||技术委员会|TC57（电力系统管理及其信息交换委员会）||分类号|遥控、遥测||发布日期|2025年8月6日||国别|国际组织||语言|英语||标准类型|技术报告（TechnicalReport,TR）|3.2编制背景与立项依据IECTR61850-90-20的编制工作源于电力行业在系统冗余设计方面日益增长的工程需求。随着智能电网建设的深入推进，特别是以下技术趋势的发展，使得系统冗余从“可选项”变为“必选项”：第一，继电保护的网络化发展趋势。基于IEC61850-9-2LE的过程总线采样值（SV）传输和基于IEC61850-8-1的面向通用对象的变电站事件（GOOSE）传输，使得保护功能严重依赖通信网络的实时性和可用性。IEC61850-5（功能和设备模型的通信要求）中明确规定了各类报文（P1、P2、P3类）的传输时间要求，其中保护相关报文的传输时间要求通常在3-10ms之内。网络中的任何瞬断都可能导致保护误动或拒动，造成设备损坏甚至电网事故。第二，CIGRE和IEEE等行业组织的持续推动。国际大电网会议（CIGRE）的B5（保护与自动化）专业委员会多年来持续发布关于变电站通信冗余的调查报告和技术建议，推动了业界对系统冗余设计的共识形成。这些来自学术和工程界的智慧积累为IECTR61850-90-20的编制提供了重要的技术素材。第三，各国数字化变电站工程实践的丰富积累。中国国家电网公司、南方电网公司、欧洲的ABB、西门子等企业在数字化变电站建设和运营中积累了大量的冗余方案设计经验和运行数据，这些实践经验为技术报告提供了丰富的usecase素材。3.3编制过程概述IECTC57下设的WG10工作组（电力系统IEC61850通信）具体负责本技术报告的编制工作。WG10汇集了来自全球各大电力公司、设备制造商、科研机构和咨询公司的技术专家，历经多次工作组会议和技术讨论，经过标准草案（CD）、委员会草案（CDV）等各阶段的技术审查，最终于2025年正式发布。作为技术报告（TR），该文件不具有强制性约束力，而是旨在为行业提供技术指南和最佳实践参考。这一属性使其能够更加灵活和及时地反映工程实践的最新成果，为未来正式国际标准（IS）的制定奠定基础。四、IECTR61850-90-20:2025标准主要内容解析4.1标准的定位与适用范围IECTR61850-90-20作为IEC61850第90系列技术报告的一部分，其核心定位是为电力设施自动化系统中的系统级冗余设计提供使用场景（usecases）分析和工程指导。该技术报告的适用对象包括：-电力系统规划与设计人员-变电站自动化系统的集成商和工程实施单位-保护与控制设备的研发人员-电力通信网络的运维管理人员-标准化工作者和科研人员该标准的适用范围涵盖发电、输电、配电等各电压等级的电力设施自动化系统，包括传统变电站、数字化变电站、开关站、分布式能源接入系统以及微电网控制系统等。4.2标准核心内容框架根据技术报告的典型结构，IECTR61850-90-20:2025的核心内容包括以下主要模块：（1）系统冗余的基本概念与分类该部分系统性地定义了系统冗余的相关概念和术语，包括可用性（Availability）、可靠性（Reliability）、可维护性（Maintainability）和安全性（Safety）等关键指标的定义与计算方法。在冗余模式方面，该报告系统阐述了1+1冗余、N+1冗余、N+M冗余等典型冗余配置模式，并对主备用冗余（Active/Standby）和并行冗余（Active/Active）两类运行机制进行了对比分析。在此基础上，报告提出了系统冗余的多层级模型，将冗余划分为以下层级：-设备级冗余：保护装置双重化配置、智能终端冗余等；-链路级冗余：通信链路的多通道设计、PRP/HSR等链路冗余协议的应用；-网络级冗余：网络拓扑的冗余设计（双星形、双环形等）、网络设备的冗余配置；-系统级冗余：涵盖从过程层到站控层的端到端冗余架构，包括电源冗余、时钟同步冗余等。（2）典型冗余使用场景（UseCases）分析这是本技术报告的主体部分，报告以用例（UseCase）的方式对电力自动化系统中典型的冗余需求场景进行了规范化描述。每个用例通常包含以下要素：-场景描述（包括系统拓扑、参与实体、触发事件等）；-冗余需求（对可用性、切换时间、数据完整性等方面的量化指标）；-可选的冗余架构方案；-冗余机制的配置与运行逻辑；-故障场景与切换行为描述。报告涵盖的典型使用场景包括但不限于：-线路保护系统的冗余通信架构；-变压器保护的采样值冗余传输方案；-母线保护的GOOSE报文冗余传输机制；-站控层与间隔层之间的冗余通信通道；-广域保护与控制系统的跨站冗余通信；-分布式能源接入系统的冗余通信需求。（3）冗余实现的技术方案与协议选择该部分针对不同的冗余需求和场景，提出了可供选择的技术实现方案。报告重点分析了以下冗余协议和机制在电力自动化系统中的适用性：-PRP（并行冗余协议）：基于两个完全独立的并行网络同时传输重复帧，接收端通过帧检序号机制过滤重复帧，实现零切换时间。适用于对切换时间要求最为严苛的保护场景。PRP的特点是无需网络重构，但需要双倍的网络设备投资。-HSR（高可用性无缝冗余协议）：基于环形拓扑，每个节点同时向两个方向发送帧副本，接收端接收最先到达的帧。HSR在保持零切换时间的同时减少了网络线缆和设备数量，但单点故障会导致整环通信受影响。-RSTP/MRP（快速生成树协议/介质冗余协议）：适用于允许较短恢复时间（通常为毫秒到秒级）的站控层网络场景。其中MRP的恢复时间可控制在10ms以内，在IEC62439-2中进行了定义。-双链路冗余（如LAG,LinkAggregation）：适用于站控层以太网中服务器和交换机的双链路连接场景。该部分还就冗余时钟同步（如IEEE1588PTP的冗余主时钟配置）进行了讨论，这对于需要精确时间同步的采样值传输和故障录波功能尤为重要。（4）冗余系统的工程实施指南报告讨论了冗余方案选择的方法论，提出了以业务关键度和故障影响度两个维度为核心的冗余等级评估模型，指导工程人员根据具体业务的需求选择合适的冗余等级和实现方案。报告还就冗余系统的性能验证与测试提出了方法建议，包括故障注入测试、切换时间测量、长期运行可靠性评估等，为冗余系统的验收测试和运维管理提供了技术参考。4.3与其他标准的协同关系IECTR61850-90-20并不是孤立的技术文件，它与IEC61850系列内部以及其他相关标准族形成了紧密的技术协同关系：-与IEC62439系列的关系：IEC62439-3（PRP和HSR协议）是90-20所涉及