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StandardizationDevelopmentReport:CommunicationNetworksandSystemsforPowerUtilityAutomation-Part90-20:UseCasesofRedundancyinSystems摘要关键词：IEC61850；电力自动化；通信网络；系统冗余；高可用性；变电站自动化；可靠性Keywords:IEC61850;PowerUtilityAutomation;CommunicationNetworks;SystemRedundancy;HighAvailability;SubstationAutomation;Reliability1引言1.1标准立项背景与意义全球能源体系正经历深刻变革，以可再生能源大规模接入、分布式能源广泛渗透和电力电子化进程加速为特征的能源转型，从根本上改变了电力系统运行的传统范式。电力系统的物理架构日益复杂，运行方式多变，源网荷储协调互动频繁，这对电力自动化系统的通信基础设施提出了远超以往的能力要求。作为电力系统“神经中枢”的自动化通信网络，其任何中断或性能退化都可能导致感知缺失、决策延迟甚至保护误动，进而威胁电网安全稳定运行。IEC61850系列标准自发布以来，已成为电力自动化系统通信的事实性国际标准，广泛应用于变电站自动化、配电自动化、分布式能源接入及电动汽车充换电等领域。然而，随着应用场景的持续拓展和可靠性要求的不断提高，如何在IEC61850框架下采用恰当的系统级冗余架构以确保端到端通信的高可用性，长期以来缺乏系统性、权威性的技术指导。IECTC57（电力系统管理及其信息交换委员会）对此高度重视，于2020年前后启动了对系统冗余使用场景的系统性研究工作，旨在为工程实践提供兼具理论深度和操作性的技术指引。1.2标准编制历程概述IECTR61850-90-20:2025由IECTC57下设的第10工作组（WG10）负责起草。该工作组汇聚了来自全球主要电力设备制造商、电力公司、研究机构和标准化组织的专家。编制工作历经需求调研、用例征集、技术方案论证、草案评审和最终投票等阶段。在编制过程中，工作组广泛吸纳了基于IEC62439（工业通信网络高可用性自动化网络）系列标准的实践经验和IEC61850各版本应用中的实际反馈，经过多轮深入讨论和技术迭代，最终于2025年8月6日正式发布。1.3标准定位与目标IECTR61850-90-20:2025属于IEC61850系列中的技术报告类文件，编号中的“90”系列定位于为该标准体系提供扩展主题的技术支撑和工程指导。本技术报告的核心目标如下：1.系统化梳理使用场景：全面识别和分类电力自动化系统中需要系统级冗余的应用场景，明确各类场景对通信可用性的差异化需求。2.明确冗余技术路线：在IEC61850框架内，界定基于PRP（并行冗余协议）、HSR（高可用性无缝环网协议）及RSTP（生成树协议）等不同冗余机制的技术适用性，指导工程选型。3.规范系统集成方式：阐明冗余机制与IEC61850通信服务、GOOSE（通用面向对象变电站事件）/SV（采样值）/MMS（制造报文规范）报文交互的集成关系，提供系统级冗余部署的参考架构。4.支撑可靠性与经济性的平衡决策：通过量化分析和使用用例，为工程设计人员在可靠性目标和建设成本之间做出合理权衡提供决策依据。2标准主要内容2.1标准适用范围与基本架构IECTR61850-90-20:2025适用于基于IEC61850系列标准构建的各类电力自动化系统，覆盖发电、输电、变电、配电和用电各环节的自动化通信场景。该技术报告在结构上分为若干主要章节，系统地涵盖了术语与定义、冗余技术概述、使用场景描述、系统架构要求、性能评估方法以及工程实施指南等内容。其中，使用场景描述为标准的逻辑核心，围绕电力自动化系统的典型通信拓扑和业务需求，归纳出具有代表性的冗余部署场景，并对每个场景的触发条件、通信需求和冗余方案进行了详细阐述。该技术报告在IEC61850标准家族中定位于技术支撑文件，与IEC61850-5（功能和设备模型的通信要求）、IEC61850-8-1（MMS映射）、IEC61850-9-2（SV映射）以及IEC62439-3（PRP/HSR协议）等标准紧密关联，形成了从需求定义到技术实现再到工程部署的完整闭环。2.2核心技术框架与冗余机制该技术报告的核心技术内容围绕系统级冗余的规划、部署和验证展开。在冗余机制层面，该技术报告重点阐述了三种主流冗余协议在电力自动化场景中的适用性：PRP（并行冗余协议）基于两个完全独立的并行网络实现零恢复时间切换，适用于对通信连续性要求极为严苛的保护和控制应用；HSR（高可用性无缝环网协议）通过环网拓扑实现无缝冗余，在节省光纤资源的同时提供故障零切换能力，特别适合变电站内间隔层和过程层设备之间的环网组网；RSTP（快速生成树协议）作为基于网络重构的冗余方案，其切换时间通常在毫秒至秒级，适用于对切换时间要求相对宽松的监控类应用。技术报告中对三者的故障恢复时间、网络拓扑要求、设备资源开销和运维复杂度等关键技术指标进行了对比分析，为工程选型提供了系统化的参考依据。在使用场景层面，该技术报告详细描述了多个具有代表性的系统冗余部署场景，包括但不限于：-变电站过程层采样值与跳合闸命令的高可靠传输场景：关注SV与GOOSE报文在PRP/HSR网络中的无缝传输。-站控层与间隔层之间MMS通信的冗余组网场景：讨论基于RSTP或PRP的站控层网络架构。-跨站纵联保护与广域控制业务的通信冗余场景：分析广域网条件下的PRP/HSR部署策略。-配电自动化中多业务融合通信的高可用场景：涵盖配电终端与主站之间的多业务承载需求。2.3关键性能指标与一致性要求该技术报告针对系统冗余的部署效果提出了系统的性能评估指标体系，主要包括：-可用性指标：以“可用性百分比”或“年均不可用时间”量化系统整体通信可用水平；-切换时间指标：在故障事件发生后，网络从故障发生到业务完全恢复所经历的时间；-数据完整性指标：在冗余切换过程中是否存在数据丢失、错序或重复投递；-网络开销指标：冗余机制引入的额外带宽消耗、处理延迟和地址管理开销。在一致性要求方面，该技术报告强调基于IEC61850-10的一致性测试方法，对冗余机制下的通信服务进行系统性验证，并建议在工程验收阶段进行故障注入测试，以验证冗余切换的真实效果。3与现有标准体系的关系3.1IEC61850系列标准体系中的定位IECTR61850-90-20:2025在IEC61850标准家族中属于第90系列扩展技术文件。90系列从90-1（变电站间通信）到90-31（基于IEC61850的电动汽车充电管理等），针对特定技术主题向IEC61850核心标准提供补充技术指导。本技术报告是90系列中专门针对系统冗余使用场景进行系统性定义和指导的文件，填补了此前体系内的空白。3.2与关联标准的协同关系该技术报告在编制过程中充分参考了以下关键关联标准：-IEC62439-3：定义了PRP和HSR两种高可用性无缝冗余协议的技术细节，本技术报告在该协议框架下定义了适用于电力自动化的使用场景和配置指南；-IEC61850-5：定义了变电站内功能和设备模型的通信要求，本技术报告进一步细化了对冗余通信的能力要求；-IEC61850-8-1与IEC61850-9-2：分别定义了MMS和SV报文的以太网映射方式，本技术报告明确了在冗余网络架构下这些映射的实施要求；-IEC61850-90-4（网络工程技术指南）：该技术报告为其提供了面向系统冗余部署的进一步细化和场景化指导。3.3标准创新点与突破本技术报告在多个维度实现了技术创新和标准化突破：1.首次在IEC61850体系内系统化定义冗余使用场景，将零散的工程经验转化为结构化的标准化指引；2.提出了场景驱动的冗余方案选择方法论，实现了从业务可用性需求到具体技术方案的规范化映射；3.将PRP/HSR等无缝冗余机制与IEC61850通信服务进行深度整合，明确了在不同应用场景下的最佳实践配置；4.建立了冗余系统性能评估的指标体系，为工程验收和运维评估提供了量化依据。4标准编制单位介绍4.1IECTC57与WG10工作组概述本技术报告由IECTC57（电力系统管理及其信息交换委员会）归口管理，由WG10工作组具体负责编制。TC57是IEC中最活跃且最具影响力的技术委员会之一，其制定的IEC61850、IEC61970（CIM/EMS）、IEC61968（CIM/DMS）和IEC62351（信息安全）等系列标准，构建了现代电力系统信息交换的完整标准化体系。WG10工作组承担了IEC61850系列标准中通信系统、协议映射和工程实施相关技术文件的制修订工作，其成员来自全球主要电力科研机构、设备制造企业、电网公司和咨询机构，具有深厚的理论造诣和丰富的工程实践经验。4.2主要贡献单位——国网电力科学研究院有限公司（NARIGroupCorporation）在IECTR61850-90-20:2025的编制过程中，国网电力科学研究院有限公司（NARIGroupCorporation，以下简称“国网电科院”）作为中国在IECTC57/WG10中的核心参与单位，承担了多项关键技术任务，发挥了重要建设性作用。国网电科院是中国国家电网有限公司直属的科研与产业一体化机构，总部位于江苏南京，是中国电力自动化领域规模最大、综合实力最强的研发机构之一。该院长期从事电力系统自动化、继电保护、智能变电站、配电自动化和电力通信等领域的理论研究、技术开发和工程应用，在IEC61850系列标准的国内转化和工程落地方面积累了丰富经验。在本技术报告的编制过程中，国网电科院主要贡献体现在以下方面：1.使用场景提案与编制：基于中国智能变电站和配电自动化的大规模工程实践，提交了多项基于PRP/HSR的实际部署使用场景提案，尤其是在变电站过程层网络高可靠通信、智能站“三层两网”架构下的冗余组网方案等方面提出了具有工程深度的建议，极大丰富了技术报告的场景覆盖度。截至2025年，中国已建成超过2万座智能变电站，其中超过60%在过程层网络中采用了PRP/HSR冗余方案，这些大规模工程实践数据为技术报告的编制提供了宝贵的实证基础。2.技术方案验证：依托国家电网有限公司在智能变电站领域的系统级试验验证能力，组织开展了多种冗余机制在典型电力自动化场景下的对比测试，验证了不同冗余方案的关键性能指标，为技术报告编撰提供了扎实的量化数据支撑。3.编辑与统筹工作：深度参与技术报告各章节的草案撰写、技术编辑与意见协调工作，在确保报告技术严谨性的同时，推动了对发展中国家应用需求的充分关注，提升了技术报告的全球适用性。4.3其他重要参与力量除国网电科院外，本技术报告的编制还汇聚了来自ABB、西门子、通用电气等国际主要电力自动化设备制造商的技术专家，以及来自德国VDE、美国EPRI等知名研究机构的学者。多国专家在标准需求定义、方案论证和文稿完善等各个环节的深度协作，确保了该技术报告既具备广阔的全球视野，又拥有坚实的工程实践基础。5标准实施应用与展望5.1标准应用前景分析IECTR61850-90-20:2025的发布，为电力自动化通信系统的冗余设计与建设提供了全球统一的技术指引，其应用前景十分广阔。在智能变电站领域，随着新一代变电站向“设备状态全面感知、操作控制远程化、运维检修智能化”方向演进，过程层和站控层网络对高可靠通信的依赖持续加深，本技术报告所定义的系统冗余部署场景和配置指南可直接指导新建及改扩建工程的设计与实施。在配电自动化领域，随着新型配电系统建设的加速推进，配电终端“三遥”业务的可靠通信需求不断增长，该技术报告为配电通信网的多业务融合承载和高可用组网提供了规范化参考。在微电网与分布式能源领域，源网荷储协调控制对通信实时性和可靠性的要求日益提高，该系统冗余使用场景框架可有效支撑微电网控制系统的弹性通信设计。5.2标准应用挑战与实施路径尽管本技术报告具有显著的技术价值，但在实际应用过程中仍面临一些挑战：1.技术与成本之间需要精细平衡：PRP/HSR方案需要双网冗余或环网改造，工程建设成本明显增加，如何在可靠性和经济性之间设定科学合理的目标值，是工程决策的关键；2.多技术融合的复杂性：实际工程中大量采用IEC61850与SDH/OTN、5G、工业以太网等多技术体制混合组网，不同技术体制之间的冗余协调工作机制仍需探索完善。IECTC57已于2024年启动5G与IEC61850融合通信需求的研究，预计将为这一方向提供标准化遵循依据；3.网络安全与冗余机制的协同：冗余通信链路的信息安全防护方案需与IEC62351标准体系有效衔接，确保高可用性与安全性兼得；4.人才培训与能力建设：新技术框架对规划设计、调试运维人员的知识结构提出了更高要求，需要系统化的培训体系支撑。5.3未来标准演进方向展望未来，IEC61850标准体系将持续演进，系统冗余使用场景相关技术文件的迭代更新将重点聚焦于以下方向：-面向5G/6G通信与IEC61850融合场景下的新型冗余机制研究；-针对云计算与边缘计算架构下电力自动化系统的高可用部署模式；-基于AI/机器学习的冗余网络智能运维与自愈技术；-针对虚拟电厂、分布式能源聚合等新业态的高可靠通信需求扩展。6结论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》是IEC61850标准体系在系统级高可用通信领域的重要补充与深化。该技术报告的发布，有效填补了国际标准中关于电力自动化系统冗余使用场景系统化指导的空白，为全球电力行业在数字化转型进程中构建高可靠通信基础设施提供了统一的技术语言和规范化参考框架。该技术报告的主要贡献体现在三个层面：在技术层面，系统化定义了多种冗余机制在典型电力自动化场景中的适用条件和配置方法，建立了场景驱动的冗余方案选择方法论；在工程层面，为系统冗余的设计规划、部署实施和运维评估提供了全生命周期的技术指引，有助于推动工程建设从经验驱动向标准驱动转变；在产业层面，促进了全球范围内电力自动化设备和系统在冗余通信能力方面的标准化互认，为设备制造商、系统集成商和电力运营企业提供了协同发展的共同基础。随着全球能源转型的深入推进和电力系统数字化、智能化进程的持续加速，IECTR61850-90-20:2025必将在支撑新型电力系统建设、保障电网安全稳定运行和促进能源互联网发展等方面发挥日益重要的作用。参考文献[1]IECTR61850-90-20:2025,Communicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part90-20:Usecasesofredundancyinsystems[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2025.[2]IEC61850-5,Communicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part5:Communicationrequirementsforfunctionsanddevicemodels[S].Geneva:IEC,2013.[3]IEC61850-8-1,Communicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part8-1:Specificcommunicationservicemapping(SCSM)-MappingstoMMS(ISO9506-1andISO95