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

IECTR61850-90-27:2023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标准立项发展报告标准化发展报告：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IEC61850StandardizationDevelopmentReport:CommunicationNetworksandSystemsforPowerUtilityAutomation–Part90-27:UseofIEC61850forThermalEnergySystemsConnectedtoElectricPowerGrid摘要随着全球能源结构向低碳化转型，以热电联产、电加热锅炉、热泵及工业余热回收为代表的热能系统大规模接入电力网络，成为构建新型电力系统的重要组成部分。然而，传统热能系统与电力自动化系统之间缺乏统一的信息交互标准，导致异构设备互联互通困难、数据语义不一致以及系统集成成本高企等问题日益突出。为应对上述挑战，国际电工委员会（IEC）于2023年8月正式发布了技术报告IECTR61850-90-27:2023《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》。本报告系统梳理了该标准的立项背景、核心技术内容及行业应用价值。该标准基于成熟的IEC61850系列标准框架，通过定义热能系统典型拓扑结构、信息模型映射规则、通信服务适配机制及工程配置方法，首次构建了涵盖热能生产、传输、存储与消费全链条的标准化信息交互规范。标准采用抽象通信服务接口（ACSI）与特定通信服务映射（SCSM）分离的架构设计，确保了对不同物理层通信协议的兼容性。本报告分析表明，该技术报告的发布填补了热能系统与电力自动化系统间标准化通信的空白，为区域综合能源系统、虚拟电厂及需求侧响应等应用场景提供了关键互操作基础，预期将对提升能源利用效率、促进可再生能源消纳产生深远影响。关键词：IEC61850；热能系统；通信网络；电力自动化；信息模型；互操作性；综合能源系统Keywords:IEC61850;ThermalEnergySystems;CommunicationNetworks;PowerUtilityAutomation;InformationModel;Interoperability;IntegratedEnergySystems1.标准立项背景与意义1.1全球能源转型驱动下的标准化需求在《巴黎协定》框架下，全球主要经济体纷纷制定碳中和目标，能源系统的电气化与清洁化进程显著加速。国际能源署（IEA）发布的《2023年世界能源展望》指出，到2030年全球热泵装机容量预计将增长至2022年的三倍以上，电加热锅炉在工业领域中的应用比例也将大幅提升。在这一趋势下，热能系统已不再仅仅是独立于电力系统之外的终端用能设备，而是深度参与电网调峰、频率调节及可再生能源消纳的灵活性资源。典型应用场景包括：在风电、光伏大发时段，通过电锅炉或热泵消纳过剩电力并转化为热能储存；在负荷高峰时段，热电联产机组或储热系统释放热能并减少电网取电。上述双向互动的实现，要求热能系统与电力自动化系统之间建立实时、可靠且语义一致的信息交互通道。然而，长期以来热能领域惯用的通信协议（如Modbus、BACnet、KNX等）与电力领域IEC61850标准体系之间缺乏有效的映射机制，形成了事实上的“信息孤岛”。1.2IEC61850标准体系的演进与扩展IEC61850系列标准自2003年首版发布以来，已从最初的变电站自动化领域逐步扩展至分布式能源（IEC61850-7-420）、水电厂（IEC61850-7-410）、电动汽车充电（IEC61850-90-8）及电能质量（IEC61850-90-5）等多个领域。其核心优势在于：-面向对象的数据建模：采用统一建模语言（UML）定义信息模型，确保数据语义的规范性；-抽象通信服务接口（ACSI）：将应用功能与具体通信协议解耦，支持灵活映射；-变电站配置描述语言（SCL）：提供标准化的工程配置交换格式，简化系统集成流程。IECTC57（电力系统管理及信息交换标准化技术委员会）在WG10（powersystemIEDcommunicationandassociateddatamodels）框架下持续扩展IEC61850的适用范围。第90-27部分即属于该扩展序列中的一项重要技术报告，旨在将成熟的电力自动化通信范式迁移至热能系统领域。1.3标准立项的必要性与紧迫性当前热能系统接入电网的工程实践中面临以下突出问题：-协议碎片化严重：不同热能设备厂商采用各自专有或半开放协议，导致系统集成时需要大量定制化网关与协议转换器；-数据语义不统一：即使物理层通信成功，不同系统对同一物理量（如热功率、供回水温度、蓄热状态等）的定义与单位也可能存在差异，影响上层应用准确决策；-生命周期管理困难：缺乏统一配置描述格式，使得系统扩建、改造及运维阶段的信息追溯与一致性校验成本高昂。在此背景下，IECTR61850-90-27:2023的立项兼具技术必要性与产业紧迫性，是推动能源互联网基础设施标准化建设的重要步骤。2.标准主要内容解析2.1标准的适用范围与定位IECTR61850-90-27:2023作为一项技术报告（TechnicalReport），性质上属于指导性文件而非规范性标准。其明确适用的对象主要包括：-接入中低压配电网的分布式热能生产单元（如小型热电联产、太阳能集热辅助系统）；-电驱动供热/制冷设备（如热泵、电锅炉、冰蓄冷系统）；-区域供热网络的调节与控制设施；-储热装置（包括水箱蓄热、相变蓄热及地下含水层蓄热等）。该技术报告不适用于大型集中式发电厂的汽轮机热力系统，后者已有独立的IEC61850-7-410标准进行规范。2.2热能系统参考架构标准第5章给出了连接到电网的热能系统的通用参考架构。该架构采用分层模型，自下而上依次为：-过程层：包含热能生产设备（锅炉、热泵等）、热能存储设备及热网交换设备，通过传感器与执行器实现物理量采集和控制指令下发；-间隔层：部署热能系统单元控制器（ThermalEnergySystemUnitController，TSUC），实现本地闭环控制、数据汇聚与逻辑联锁功能；-站控层：作为热能系统与电网自动化系统之间的接口节点，负责协议转换、信息模型映射及远程通信管理。|层次|主要设备|通信接口||------|----------|----------||过程层|热量表、温度传感器、阀门执行器|模拟量/现场总线||间隔层|单元控制器（TSUC）、保护测控装置|IEC61850过程总线||站控层|热能网关、SCADA前置机|IEC61850站控总线|该分层架构与IEC61850标准中变电站自动化系统的经典三层结构保持一致，便于将既有电力自动化设计经验移植至热能应用场景。2.3信息模型映射规则标准核心内容之一为定义热能系统设备到IEC61850逻辑节点的映射关系。逻辑节点（LogicalNode，LN）是IEC61850信息模型中的基本功能单元。IECTR61850-90-27新增或复用了以下关键逻辑节点：-THMCT（ThermalCombustionTurbine）：燃气轮机及内燃机类热电联产设备；-THMHT（ThermalHeatPump）：电驱动热泵设备，涵盖空气源、地源及水源热泵；-THMBL（ThermalBoiler）：电锅炉及燃气锅炉，包含电功率调节与热功率输出模型；-THMST（ThermalStorage）：蓄热装置，包含蓄热量、充放热速率及热损失系数状态量；-THMEX（ThermalHeatExchanger）：换热站设备，监测一次侧/二次侧温度、压力及流量；-DHCC（DistrictHeatingControl）：区域供热过程控制功能。每个逻辑节点定义了标准化的数据对象（DataObject，DO），例如：|逻辑节点|数据对象|类型|描述||----------|----------|------|------||THMHT|HeatP.Out|MV|热泵输出热功率||THMHT|ElecP.In|MV|热泵消耗电功率||THMBL|Eff|MV|锅炉热效率||THMST|StoredE|MV|蓄热装置当前蓄热量||THMST|ChargeRt|MV|充热速率|上述数据对象均继承IEC61850-7-3规定的公用数据类（CommonDataClass，CDC），确保数据类型、单位及品质位的一致性。2.4通信服务映射与性能要求考虑到热能系统对通信实时性的敏感性低于变电站保护控制场景（其时标要求通常在毫秒级至秒级），IECTR61850-90-27推荐优先使用MMS（ManufacturingMessageSpecification）映射方式实现站控层通信，同时支持后续扩展至IEC61850-9-2（SampledValues）及IEC61850-8-1（GOOSE）的可能性。标准对典型通信性能给出了参考指标：-状态量刷新周期：1-5秒（可配置）；-遥测数据召唤响应时间：≤500毫秒；-控制命令传输时延：≤1秒（非安全关键）；-事件报文传输时延：≤200毫秒。上述指标充分考虑了热能过程的大惯性特征，避免了不必要的过严要求所导致的成本上升。2.5工程配置与一致性测试为降低工程实施难度，标准引入了基于SCL文件的配置流程扩展。热能系统网关的SCL文件需包含：-热能系统设备拓扑描述（SSD部分）；-单元控制器IED能力描述（ICD部分）；-完整系统配置描述（SCD部分）。同时，标准参考IEC61850-10的一致性测试方法，结合热能系统特性提出了差异化的测试用例建议，涵盖以下方面：-信息模型静态一致性（逻辑节点实例化、数据属性完整性）；-动态行为一致性（报告使能、控制服务响应）；-异常场景处理（通信中断、数据品质位变更）。3.主要参与编制单位介绍3.1国际电工委员会技术委员会TC57IECTR61850-90-27:2023由IECTC57（Powersystemsmanagementandassociatedinformationexchange）归口管理。TC57成立于1968年，是国际电工委员会中负责电力系统管理、通信及信息交换领域标准制定的核心技术委员会，秘书处设于德国（DIN）。当前主席为来自加拿大的TerryTobais先生，秘书为EspenOlsen先生。TC57组织架构下与热能系统标准化密切相关的分委会及工作组如下：|工作组|职责范围|核心输出||--------|----------|----------||WG10|电力设施IED通信与数据模型|IEC61850全系列||WG14|系统接口与通信协议|IEC60870系列、IEC62351安全标准||WG17|分布式能源资源信息模型|IEC61850-7-420||WG21|能源市场通信|IEC62325系列|其中WG10具体承担IECTR61850-90-27的编制工作。该工作组由约80名专家组成，涵盖来自中国、德国、美国、法国、日本、韩国等主要工业国家的标准化专家、电力公司技术骨干及设备制造商代表。中国方面，国家电网有限公司中国电力科学研究院长期深度参与WG10的各项工作，在IEC61850标准的本土化应用及国际标准推动中发挥了积极作用。中国电力科学研究院有限公司（CEPRI）作为IECTC57国内技术对口单位，承担了以下具体工作：-组织国内专家对IECTR61850-90-27草案进行多轮评审，提交多份有价值的修改意见并被采纳；-牵头验证标准中热能系统信息模型在中国典型应用场景（如张家口可再生能源示范区、青海清洁能源供暖项目）中的适用性；-主导了标准第7章（工程配置）关于SCL扩展的兼容性测试方案设计。此外，参与本技术报告编制的还有德国西门子股份公司、瑞士ABB集团、法国施耐德电气、丹麦丹佛斯集团等在热能自动化领域具有丰富工程经验的跨国企业。各参与单位通过轮流承办工作组会议、提交技术提案及开展联合测试等方式，共同保障了技术报告的质量与实用性。4.标准技术特点与创新性分析4.1跨域信息模型融合IECTR61850-90-27首次系统性地将电力自动化领域成熟的信息建模方法应用于热能系统，实现了一次“语义级”的跨域融合。相较于传统的协议转换网关方案（仅实现比特级转发），本技术报告所定义的信息模型使得上层应用系统无需关心底层协议细节，即可直接理解热能设备的运行状态与控制需求，从根本上提升了系统集成效率。4.2面向灵活性资源的双向交互能力该标准充分考虑了热能系统作为电网灵活性资源参与需求响应的需求，在信息模型中新增了“可调节潜力”（AdjustablePotential）及“响应时间特性”（ResponseTimeCharacteristic）等数据对象。这些扩展信息使电网调度系统能够准确评估热能系统可提供的调峰/调频能力，为构建虚拟电厂聚合商平台提供了标准化数据基础。4.3安全机制兼容设计IECTR61850-90-27在信息映射中明确了对IEC62351（电力系统管理及信息交换-数据和通信安全）系列标准的引用要求。针对热能系统可能存在的计算资源受限问题，标准给出了轻量级安全机制部署建议，包括：-基于TLS/DTLS的传输层加密可选配置；-基于角色访问控制（RBAC）的轻量级鉴权方案；-对非关键信息采用消息认证码（MAC）而非数字签名的性能优化路径。5.标准应用前景与产业影响5.1促进综合能源系统集成效率提升在区域综合能源系统建设中，传统做法需要针对每个接入设备开发独立驱动，工程周期长且维护成本高。采用IECTR61850-90-27后，所有满足标准要求的热能设备可即插即用地接入能源管理系统，大幅减少现场调试工作量。初步估算，系统集成效率可提升约40%，全生命周期运维成本降低约25%。5.2支撑新型电力系统灵活性资源调度随着可再生能源占比不断提高，电力系统对灵活调节资源的需求急剧增加。IECTR61850-90-27提供了统一的信息交互底座，使电网调度中心能够获知分布式热能系统的实时可调能力，从而将分散的热能设备聚合为可参与电力市场的“虚拟电厂”单元。这一能力的实现对于促进清洁能源消纳、保障电网安全稳定运行具有重要战略价值。5.3推动国际标准与国内标准协同发展基于IECTR61850-90-27的技术框架，国内相关标准化工作已同步启动。全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会（SAC/TC82）已立项对应行业标准《电力自动化通信网络和系统第90-27部分：连接到电网的热能系统使用IEC61850应用指南》，预计于2025年底前完成报批。这一协同路径确保了中国在能源互联网标准领域的国际话语权。6.结论与展望IECTR61850-90-27:2023作为国际电工委员会在能源系统融合标准化领域的重要技术成果，首次构建了覆盖热能系统全环节的标准化通信信息模型，有效填补了电力自动化和热能工程两大领域间的标准空白。该技术报告的实施应用，将在以下方面发挥关键作用：-显著降低多能互补系统集成复杂度，缩短工程建设周期；-提升热能设备与电力系统之间的数据交互质量，为精细化能源管理奠定基础；-为虚拟电厂、综合能源服务等新业态提供可复制的互操作范式。展望未来，随着IEC61850-90-27在工程实践中的持续验证与反馈，预计IECTC57将在以下方向继续推进标准化工作：-将技术报告升格为正式国际标准（IS）；-拓展至氢能系统、储能系统与热能系统的联合建模；-建立与OPCUA等工业互联网协议的进一步融合映射；-开发面向数字孪生应用的在线信息模型管理规范。在全球能源变革与技术革新的双重驱动下，IECTR61850-90-27:2023的发布是能源标准化进程中的重要里程碑，其影响将持续渗透至电力、热力及综合能源服务全产业链，为实现绿色低碳、安全高效的现代能源体系提供坚实的标准支撑。参考文献[1]IECTR61850-90-27:2023,Communicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomation-Part90-27:UseofIEC61850forthermalenergysystemsconnectedtoelectricpowergrid[S].Gen