IEC TR 61850-90-272023 电力设施自动化用通信网络和系统.第90-27部分连接到电网的热能系统使用IEC 61850标准立项发展报告

电力设施自动化用通信网络和系统第90-27部分：连接到电网的热能系统使用IEC61850标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Communicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part90-27:UseofIEC61850forthermalenergysystemsconnectedtoelectricpowergrid摘要随着全球能源结构向低碳化、智能化方向加速转型，以热泵、电锅炉、太阳能集热及余热回收为代表的热能系统大规模接入电力网络，成为新型电力系统中重要的灵活性资源。然而，热能系统与电网之间长期缺乏统一的信息交互标准，导致设备互联互通困难、数据语义不一致、系统集成成本高昂，严重制约了电热协同运行效率。为系统性地解决上述问题，国际电工委员会（IEC）于2023年8月正式发布了IECTR61850-90-27:2023技术报告。该报告属于IEC61850系列标准家族，旨在为连接到电网的热能系统提供标准化的信息模型、通信服务映射及工程实施指南，使IEC61850这一电力自动化领域的核心通信标准从传统变电站场景拓展至电热耦合新场景。本报告在系统梳理IEC61850标准体系发展历程的基础上，深入分析了IECTR61850-90-27:2023的编制背景、技术架构和核心内容，详细解读了热能系统信息模型的构建方法、逻辑节点扩展机制以及与IEC61850既有标准的兼容策略，并结合当前电热协同领域的发展需求，对标准的应用前景和实施路径进行了展望。本报告旨在为标准应用方、设备制造商、系统集成商及相关科研机构提供全面的技术参考，促进我国电热协同领域标准化建设与国际接轨。关键词：IEC61850；热能系统；电力自动化；信息模型；电热协同；通信协议；标准化Keywords:IEC61850;thermalenergysystems;powerutilityautomation;informationmodel;electricity-heatcoordination;communicationprotocols;standardization1引言1.1研究背景全球能源体系正经历从化石能源主导向可再生能源主导的深刻变革。国际能源署（IEA）发布的《2023年全球能源展望》显示，到2030年全球可再生能源发电占比预计将超过60%。在“双碳”目标驱动下，电能占终端能源消费的比重持续攀升，而供热领域作为终端用能的重要组成部分，其电气化进程显著加速。热泵、电极锅炉、蓄热式电暖器等电热转换设备的大规模应用，使得热能系统逐渐从传统的一次能源消耗终端转变为具备双向调节能力的灵活性资源。在此背景下，热能系统不再是与电网物理隔离的独立系统，而是深度耦合的伙伴关系。一方面，电网需要实时感知热能系统的运行状态，以优化调度策略、保障电网安全稳定运行；另一方面，热能系统需要响应电网的调节指令，通过启停控制、功率调节、蓄放热切换等方式参与需求响应和辅助服务。根据中国电力企业联合会统计数据，2023年我国全口径电采暖面积已突破15亿平方米，电热负荷在冬季高峰时段占最大负荷的比例在部分省份已超过15%。电热协同运行的精细化、智能化需求日益迫切。1.2标准需求分析然而，热能系统与电网之间的信息交互长期处于“碎片化”状态。现有的通信协议种类繁多，包括Modbus、BACnet、KNX、M-Bus、OPCUA等，不同厂商的设备往往采用私有协议或定制接口，数据传输的实时性、可靠性和安全性参差不齐。更为关键的是，各个协议所定义的语义模型各不相同，同一物理量（如供水温度、蓄热容量、热功率）在不同系统中可能具有不同的单位、量纲和精度，导致系统集成时需要大量的协议转换和数据映射工作。IEC61850作为电力自动化领域最为重要的国际通信标准，自2002年首版发布以来，已在变电站自动化、配电自动化、分布式能源接入、电动汽车充电等场景中得到广泛应用。其核心优势在于：基于面向对象建模方法建立了完整的信息模型体系，通过抽象通信服务接口（ACSI）实现了数据模型与通信协议的分离，并定义了系统配置描述语言（SCL）以支持设备间的无缝互操作。这些特性使得IEC61850天然适用于电热耦合场景下多设备、多系统的信息交互需求。因此，制定一项专门针对热能系统的IEC61850扩展标准，既是技术发展的必然趋势，也是产业应用的迫切需求。1.3标准编制过程IECTR61850-90-27:2023由国际电工委员会第57技术委员会（IECTC57）下设的WG10工作组（PowersystemIEDcommunicationandassociateddataexchanges）负责制定。该标准的编制工作始于2019年，历时四年。编制过程中组织了来自德国、中国、美国、法国、韩国等国家的专家共同参与，广泛吸纳了设备制造商、电力公司、系统集成商和研究机构的意见。2023年8月16日，该标准经IEC正式发布，标准状态为现行，文件类型为技术报告（TechnicalReport,TR）。值得注意的是，IECTR61850-90-27被归入“遥控、遥测”分类号下，这与IEC61850第90系列技术报告的一贯定位保持一致——该系列旨在探讨IEC61850在新应用场景中的适用性和扩展需求，为后续正式标准（IS）的制定奠定基础。此前，IEC61850-90系列已经发布了包括分布式能源（90-7）、电动汽车（90-8）、水电厂（90-12）、热力与光伏混合系统（90-15）等多个应用领域的技术报告，构成了一套完整的面向新型电力系统的标准扩展体系。2IEC61850标准体系概述2.1IEC61850的核心架构IEC61850系列标准以“一个世界、一种技术、一个标准”为愿景，构建了电力自动化领域统一的信息交互框架。其核心架构由信息模型、通信服务、系统配置三大支柱构成。信息模型层面，IEC61850-7-4定义了标准化的逻辑节点（LogicalNode,LN），每个逻辑节点代表设备中某一项特定的功能或物理设备组件。例如，XCBR代表断路器，XSWI代表隔离开关，MMXU代表电气测量单元。逻辑节点由若干数据对象（DataObject,DO）组成，每个数据对象进一步包含数据属性（DataAttribute,DA），从而形成层次化的信息模型结构。每个逻辑节点均定义有标准化的公共数据类（CommonDataClass,CDC），确保数据语义的一致性和互操作性。通信服务层面，IEC61850-7-2定义了抽象通信服务接口（ACSI），涵盖了实时数据传输（如采样值SV、通用面向对象变电站事件GOOSE）、报告、日志、控制、文件传输等一系列服务类型。ACSI的抽象性使得其可映射到不同的底层传输协议，既可运行于基于TCP/IP的MMS（制造报文规范）之上，也可直接基于以太网链路层传输实时性能要求极高的报文，从而兼顾了不同应用场景对实时性和灵活性的差异化需求。系统配置层面，IEC61850-6定义了系统配置描述语言（SCL），以XML格式描述了变电站（或更广泛的电力系统）中IED（智能电子设备）的能力模型、系统拓扑及其之间的通信连接关系。SCL文件贯穿了系统设计、工程配置、设备调试验收的全生命周期，是实现即插即用和互操作性的关键技术手段。2.2IEC61850-90系列扩展体系随着智能电网建设的深入推进，IEC61850的应用场景持续拓展，从最初始的变电站自动化（第1部分至第10部分构成的核心标准体系）延伸到更广泛的电力自动化领域。IECTC57为此设立了第90系列技术报告的编制机制，系统探索IEC61850在各新兴领域中的应用方法和映射技术。IEC61850-90-1（变电站间通信）和IEC61850-90-2（变电站与控制中心通信）首先解决了不同层级间的通信扩展问题。随后，90-7（分布式能源）、90-8（电动汽车）、90-9（电池储能系统）、90-12（水电厂）、90-15（热力与光伏混合系统）等标准相继出台，逐步构建了一个涵盖多种分布式资源和新型负荷的完整标准生态。IECTR61850-90-27正是在上述标准演进脉络中的重要延伸。相较于前序标准主要关注每一类分布式电源或负荷设备的单独建模，90-27将视野拓展至“系统级”——即聚焦热能系统作为一个整体与电网之间的信息交互架构，在更高层次上解决了电热耦合系统的标准化难题。3IECTR61850-90-27:2023核心内容解析3.1范围界定与应用场景IECTR61850-90-27:2023明确规定了其适用范围：连接到电力输配电网的热能系统——涵盖热泵系统、电锅炉系统、太阳能集热系统、余热回收系统、储热装置以及上述设备的组合系统。标准内容覆盖了热能系统的并网接口、运行控制、状态监测、市场参与等各个方面的信息交互需求。标准明确定义了热能系统与电网之间的三种典型通信架构：架构一：热能系统经由网关接入电网自动化系统。在此架构下，热能系统内部的设备可以使用自身的专用通信协议（如Modbus、BACnet等），通过网关进行协议转换和信息建模，以IEC61850标准信息模型的形式与电网调度自动化系统或变电站自动化系统进行交互。这一架构适用于对存量系统的智能化改造，在充分利用现有设备投资的同时实现标准化接入。架构二：热能系统中的智能电子设备（IED）直接支持IEC61850通信。这一架构适用于新建的热能系统，设备制造商可依据标准在热泵控制器、锅炉管理系统、储能控制器中直接嵌入IEC61850通信功能模块，实现从设备端到系统端的全链路标准化信息交互。架构三：热能系统通过聚合器参与市场交易和系统级调度。这一架构强调热能系统作为灵活性资源的聚合接入——多个热能设备可经由聚合器（Aggregator）统一管理等，聚合器作为IEC61850客户端与电网运营商的能量管理系统（EMS）进行交互，实现容量聚合、协同调度和市场化交易。3.2热能系统信息模型扩展IECTR61850-90-27的核心技术贡献在于定义了面向热能系统的逻辑节点和数据对象扩展方案。标准遵循IEC61850-7-4中关于逻辑节点命名的基本规则，在已有逻辑节点的基础上进行了系统性的扩展。在逻辑节点层面，标准定义了若干新的逻辑节点类别。例如，THPC（ThermalPowerControl，热功率控制）逻辑节点用于表征热能系统的有功热功率控制功能，其数据对象包括热功率设定值、实际热功率、控制模式等；THST（ThermalStorage，蓄热装置）逻辑节点用于表征储热设备的运行状态，数据对象涵盖蓄热容量、当前蓄热量、充放热功率、进出口温度等；THPM（ThermalProcessMonitoring，热过程监测）逻辑节点则涵盖热力过程参数的实时监测功能。对于不需要新定义逻辑节点的情形，标准巧妙地利用IEC61850已有的通用逻辑节点进行功能覆盖。例如，利用MMXU（测量单元）承载电气量测数据，利用CSWI（开关控制）承载热力回路中阀门的开关控制，利用DRCC（DER单元控制）承载部分热能设备的有功功率调节功能。这种做法有效保持了标准体系的连续性，降低了设备制造商实现标准功能的复杂度。在数据对象和数据属性层面，标准针对热能场景定义了一套完整的语义体系。以温度的表示为例，标准规定了热力场景中常用的摄氏度和开尔文两种温度单位的使用场景和技术要求，规定了温度数据的精度等级、采样周期和时标要求。同时，标准还定义了热量单位（如吉焦、千瓦时）、流量单位（如立方米每小时）、压力单位（如兆帕）等参数的标准表示方法，统一了数据语义，为不同厂商设备之间的数据交换扫清了障碍。3.3通信服务映射与性能要求在通信服务层面，IECTR61850-90-27对ACSI中各项服务的适用性进行了详细的映射分析，针对不同应用场景提出了差异化的通信服务选型建议。对于实时性要求较低状态监测和参数采集场景（如蓄热罐温度、储热量等缓变量），标准建议使用基于MMS的报告服务即可满足要求，无需占用额外的网络带宽资源。对于实时性要求较高的控制指令传输场景（如电网调度端的负荷调节指令），标准推荐基于GOOSE的服务机制，以确保毫秒级的传输延时。对于测量精度和同步要求较高的场景，标准亦分析了IEC61850-9-2采样值（SV）服务的适用条件。此外，标准还专门讨论了IEC61850通信应用于热能场景时的网络安全问题。热能系统通常需要经由公共网络或半专用网络与电网通信，因此面临的网络安全威胁更为复杂。标准建议在部署时结合IEC62351（电力系统管理和相关信息交换——数据和通信安全）系列标准所定义的认证、加密、完整性保护等技术手段，构建覆盖热能系统全生命周期的网络安全防护体系。3.4系统配置与工程实施IECTR61850-90-27对SCL配置描述在热能系统中的应用进行了拓展说明。标准中提出了适用于热能系统的SSD（系统规范描述）文件模板，使得系统设计人员可以在项目初期以规范化的方式定义热能设备的通信能力和系统结构。标准同样推荐在配置过程中遵循IEC61850-6所定义的配置流程，从IED能力描述（ICD文件）出发，经过系统配置描述（SCD文件）的生成，最终形成实例化配置（CID文件）的完整链路。在工程层面上，标准还提供了热能系统接入电网时的调试和验收指南，规划了从设备级验证、系统级集成测试到并网运行验证的三个阶段流程，为工程实施提供了可操作的方法论支撑。这些指导性内容对于减少因配置错误导致的通信故障、缩短调试周期、降低工程成本具有重要的实用价值。4标准对行业的影响分析4.1推动设备互操作性与系统集成效率提升IECTR61850-90-27最直接的价值在于为热能设备制造商提供了清晰的通信功能开发指引。制造商依据标准开发产品，可确保其产品在通信接口层面与其他厂商的设备无缝对接。这将有效打破传统热能领域“一个厂家、一套协议、一个封闭生态”的行业壁垒，促进形成开放、竞争的市场环境，从而降低用户的采购和运维成本。4.2支撑电热协同运行与新型电力系统建设在新型电力系统的建设过程中，电热协同是提升系统灵活性的关键路径。IECTR61850-90-27通过统一信息模型，使电网调度系统能够实时、准确地掌握接入热能系统的运行状态和可调节潜力，从而在电力平衡紧张时及时调用热能系统的调节能力。这一技术支撑对于高比例可再生能源接入下的电力系统安全稳定运行具有重要意义。4.3助力碳达峰碳中和目标实现电热协同的实质是在确保供热质量的前提下，优化电力和热力的耦合运行方式，实现能源利用效率最大化。标准的实施为电热系统间开展精细化能量管理奠定了信息交互基础，支撑了基于实时电价和碳排放因子的智能用热决策，促进了可再生能源电力的就地消纳和对化石燃料供热的替代，对于能源领域碳减排和终端用能清洁化具有间接而深远的推动意义。4.4国际标准制定中的中国贡献值得关注的是，在该标准的编制过程中，来自中国的标准化专家和工作组成员发挥了重要作用。中国在电热协同领域拥有全球最大规模的工程实践——我国电采暖面积持续增长，水源热泵、土壤源热泵等各类热泵技术的安装量居世界前列，源网荷储一体化和多能互补等国家政策的大规模推进也为电热协同的工程实践提供了丰富场景。这些工程实践经验在标准编制过程中被充分吸纳，使得标准内容更好地反映了实际应用需求。这一事实也说明，依托工程实践推动国际标准制定，助推中国经验成为国际共识，是中国参与国际标准化活动的有效路径。5介绍主要参与单位——中国电力科学研究院有限公司作为IECTR61850-90-27:2023编制过程中最为活跃的中国技术机构，中国电力科学研究院有限公司（以下简称“中国电科院”）深度参与了该标准的方案论证、技术研讨和文稿编制全过程，代表了我国在电热协同领域标准化工作中的技术实力与贡献水平。成立于1951年的中国电科院，是国家电网有限公司直属的科研创新机构，也是我国电力行业多学科、综合性科研机构。长期以来，中国电科院组织并代表中国深度参与IECTC57相关标准化工作，在IEC61850系列标准制定、电力系统自动化与通信、新能源并网技术等领域具有深厚的技术积累和国际影响力。具体到IEC