IEC61850建模与实现_窦晓波.ppt

IEC61850建模与实现 东南大学电气工程学院 IEC61850 在电力系统中的地位内容抽象 章节众多 实现复杂与数字化变电站 智能电网紧密关联 我们不能简单的将其视为传统意义上的通信协议 而是需要依照标准的各部分内容对整个变电站自动化系统的体系功能 形式 技术和工程管理等方面重新做出审视和规范 内容提要 IEC61850发展历程IEC61850技术特征IEC61850建模方法IEC61850实现技术 IEC61850发展历程 工程背景 变电站自动化市场存在多家公司多种技术的竞争 相互难以兼容 以致调试难度加大 成本增高 原有的IEC60870 5没能实现预期的互换性 二大标准将发生冲突 满足用户的需要 技术背景 ECT EVT 智能断路器 集成型智能开关设备 数字式过程层设备 具备通信能力的智能化一次设备 或其智能控制部件 智能组件 适应电力新技术的发展 技术背景 适应通信新技术的发展 新的通信网络技术 以太网 光纤 交换技术 技术背景 与数字化变电站的关联 变电站自动化 数字式过程层设备 数字化变电站 IEC61850 数字化变电站 数字式过程层设备 IEC61850 发展历程 2001UCA 北美推广 1994德国 SAS标准 1995IECTC57 WG10 11 12 1998IECWG10 11 12 标准草案 2000IECTC57SPAG 国际标准 2003 9 2005 6 1 0Ed正式颁布 标委会 国电信息中心 南自 四方 许继 南瑞 继保 鲁能积成 中国电科院变电站自动化公司 标准章节 标准章节 围绕模型的构建 实现 发布和测试 标准的未来 标准的未来 IEC61850ED2基本模型扩展 水电和风电常用公共元素 应用领域扩展 电能质量 变电站之间通信的影响 对工程配置过程进行扩展 尤其是系统配置工具之间的数据交换 2010年出版 标准的未来 IEC61850ED3基本模型扩展 使用SCL对PLC逻辑进行描述 网络与系统管理 冗余 IEC62351 IEC61588 配置文件的下载和激活 DER标准的通用元素 去掉IED特殊设置 变电站之间通信的影响 系统测试 IEC61850技术特征 抽象建模 功能分层 功能与通信解耦 变电站配置语言 数据自描述 技术特征 功能分层 逻辑上的定义 三层两网 功能分层 物理上的实现 需要指出的是 抽象建模的目的在于实现设备间的互操作 对装置建模仅具有通信层面的含义 为对外通信服务 抽象建模 树形结构 抽象建模 LN是模型中最核心的元素 抽象建模 LN中的DO 抽象建模 DO中的DA 树形结构用来代表完整的语义空间 数据模型由LD LN DO和DA四个不同层次的语义所构成的空间承载 抽象建模 对象 Server LD LN DO DA方法 GetXXDirectory GetDataValue 对象与方法的绑定 自然形成了对语义空间 数据模型 一致和确定的访问方法 抽象建模 对象与方法 功能自由分布具有两层含义 1 逻辑节点和物理设备之间可以自由组合 2 为功能提供了可能的通信接口 抽象建模 抽象建模可以实现功能的自由分布 强制和惟一 开放和多样 矛盾 通信技术飞速更新与变电站自动化相对稳定的功能 解决方法 IEC61850提出了通信服务与具体网络实现和协议栈分离的方法 即功能与通信解耦 ACSI与SCSM ACSI负责规范抽象模型的功能服务 即模型对外信息交互的内容 方式和过程 SCSM负责将ACSI映射到具体的通信网络和协议栈 保持ACSI不变的前提下使用更为先进的通信技术 功能与通信解耦 IEC61850定义了9大类60种ACSI 1 关联服务2 信息模型服务3 定值组服务4 主动上送的报告服务5 日志服务6 快速报文服务7 采样值服务8 对时9 文件服务 抽象通信服务的种类 功能与通信解耦 每类ACSI模型都由若干抽象通信服务组成 每个服务又都定义了服务的对象和方式 服务方式包括服务的发起 Request 响应 Response 和过程 Process 抽象通信服务的基本方式 功能与通信解耦 SMV和GOOSE是IEC61850的重要创新 功能与通信解耦 映射协议栈 功能与通信解耦 SMV功能示意 A公司保护 B公司保护 智能一次设备 保护测试仪 以太网 2 跳闸 4 重合 3 新位置 5 新位置 功能与通信解耦 GOOSE功能示意 SCL语言 SubstationConfigurationdescriptionLanguage 用来描述SAS及其自动化设备的配置 功能与关联信息 语法上 SCL遵循XML语法规则 生成的是标准的XML文件 语义上 SCL遵循IEC61850的语义规范 SCL ICD IEDCapabilityDescriptionSSD SystemSpecificationDescriptionSCD SubstationConfigurationDescriptionCID ConfiguredIEDDescription四种SCL文件实现了IED与SAS的描述与关联 简化了配置工作并可以实现SAS和IED的自动更新与远程配置 统一格式的SCL配置文件大大简化了系统的集成和管理难度 SCL 4种SCL文件 SCL 4种SCL文件 MyLD Q0XCBR1 ST Pos stVal 自描述 2 功能标准化 自由分布 集成应用 分布式应用 1 真正意义上实现了互操作 节省了工程费用和时间 3 良好的扩展性 能够适应电力和通信技术的发展 总结 IEC61850建模方法 基本思路 基本思路 从通信的角度 采用OO的方法描述IED的功能 从通信的角度 IEC61850只规范IED的对外通信环节 以及为能实现规范的通信 IED所应提供的数据源 行为 状态和性能 不同型号 不同厂商IED的实现方式千差万别 但它们具有相似的对外接口 要求实现一致的自动化功能 从通信的角度分析IED 可以使不同厂商的IED具有一致性和稳定性 事实上 IEC61850并不关心IED内部是如何实现的 外特性 基本思路 采用OO的方法 IEC61850引入 类 的思想 同时规范了IED对外通信的数据模型 CPLNC CPDC 和服务模型 ACSI 并按照对象和方法的思路将数据模型和服务模型封装 使IED具备统一和确定的通信内容和流程 以便实现互操作的目标 建模的3个层次 ACSI CDC CPLNC CPDC 基本流程 1 应用功能的分解 划分LD LN 使每个CPLNC对应IED的一项基本功能 CPLNC是LN类在不同功能对象中的继承 基本流程 IED端 从物理设备 抽象分解 抽象组合 用ICD文件描述IED数据模型和ACSI的过程 ACSI相对固定 主要工作在于建立数据模型 2 确定IED所有可访问的数据 在每个CPLNC的构造中定义与该功能相关并可被外部访问的数据 以及IEC61850规定必须包含的数据 这些数据称之为CPDC 基本流程 CPDC是CDC在不同CPLNC中的实例 即用CPDC来填充CPLNC CPDC由多个DO构成 每个DO又都是一个结构体 由多个DA组成 每个DA都有确定的命名和数据类型定义 DA是IED对外通信信息的最终承载体 将来我们还可以通过DA的路径 Directory 建立数据模型与IED应用数据的关联 基本思路 基本流程 4 确定IED支持的所有通信服务 在逻辑节点LLN0中构造各种ACSI的控制块 5 预定义与模型重组 进行必要的预定义 并将上述各部分内容按照ICD文件的格式进行组合 3 确定需要批量传送的数据 根据应用的需要 按照FCD或者FCDA将分散在各CPLNC中的多个DO或DA组成DATASET DATASET一般在逻辑节点LLN0中定义 基本原则 IED 一个物理设备即为一个IED 通常包含一个Server 每个Server应至少包含一个LD 每个LD应至少包含三个LN 如果物理设备是网关或者通信管理机 一个IED应包含多个Server 即为每个接入网关或者通信管理机的底层设备建立一个Server 基本原则 基本原则 LD 一般将具有公共特性或者共同完成某项功能的多个CPLNC组成一个LD 例如 插件式的装置可以将每块功能插件建模为一个LD LD不宜划分太多 Server 用于描述IED外部可见 可访问 的行为 通常一个Server对应一个访问点 AP 支持过程层自动化的间隔层设备 可采用不同的AP分别与变电站层和过程层进行通信 基本原则 CPDC 一般情况下 与同一个功能相关的DO及其DA 建模在该功能对应的CPLNC中 与多个功能相关或者公共数据 建模在公共逻辑节点LLN0或LD中 CPLNC 将参与通信的每个最小功能单元建模为一个CPLNC 若标准的LN类不能满足装置功能的要求 可进行LN类扩展或者新建LN类 一般不扩展CPDC 建模示例 低压线路保护测控装置 基本设定 一个Server 一个AP 只有一种保护算法 只包含一个LD 命名 母线电压等级 E1间隔 Q1保护装置 SB1访问点称为 S1逻辑设备称为 C1逻辑设备标识全称 E1Q1SB1C1 建模示例 对于IED而言 出厂时须提供ICD文件 建模示例 目标 在中 用CPLNC来填充LD 保护功能 电流保护 测量功能 遥测遥信 控制功能 遥控 电压电流采样值输入 SMV接收 开关位置信息采集 GOOSE接收 保护动作或控制出口 GOOSE发送 等 第1步 应用功能的分解 简化 建模示例 物理装置公共信息 LPHD 逻辑设备公共信息 LLN0 保护功能 PIOC 瞬时过流 PTOC 带时限过流 保护出口功能 PTRC 保护跳闸条件 管理各保护功能的动作出口 形成最终的跳闸命令 并向断路器发出跳闸信号 测量功能 MMXU 电量测量功能 控制功能 CSWI 开关控制器 控制过程层之上的所有分合条件 实现装置的远方控制功能 标准中提供的LN类 建模示例 最终得到8个CPLNC 建模示例 目标 完成中的所有定义 LNodeType 定义各lnType包含的DO name type DOType 定义各DOType包含的DA name bType fc type 触发属性 DAType 当DA bType Struct时 定义DAType所含的BDA name bType EnumType 当DA bType Enum BDA bType Enum时 定义的枚举值 第2步 确定IED所有可访问的数据 建模示例 LNodeType LPHD 1 LN0中的DO 建模示例 LNodeType PIOC 1 PTOC 1中的DO 建模示例 LNodeType PTRC 1中的DO 建模示例 LNodeType MMXU 1中的DO 建模示例 LNodeType CSWI 1中的DO 建模示例 DOType MV 1 测量值 中的DA 建模示例 DAType AnalogueValue 模拟量值 中的BDA 找到线路频率的路径 MMXU 1 MX Hz mag f 建模示例 FC DA的功能用途 有ST CO MX RP 等18种某些数据属性具有多个功能约束时 标准规定 当FC ST CO时 取FC ST FC SP MX时 取FC MX FC SG SE时 取FC SG bType和type bType给出简单类型说明 如 BOOLEAN INT8 等 CODEDENUM类型则由了具体的基本类型取代 如Quality Dbpos等 当取值为 Struct 或 Enum 则需在另一个字段 类型type中给出具体类型名称或枚举名称 触发选项 如dchg qchg和dupd DA支持的触发条件 如数据变化 品质变化或数据更新 当DA发生相应变化时 触发通信服务 如Report或SendGOOSEMsg 几点说明 建模示例 目标 在中 用DATASET来填充LLN0 数据集不是用来存放数据的 而是一个索引数据的序列 以方便用户对成组数据同时进行操作和访问 遥测 遥信 GOOSE SMV 第3步 确定需要批量传送的数据 建模示例 DATASET 建模示例 基本的DATASET类型 遥信 遥测 保护事件 故障信号 告警信号 保护压板 设备参数 保护定值 1 工程中我们一般将遥信 保护事件等重要状态信号采用FCD方式上送 而如遥测等不需要变化时间的量和GOOSE数据集应采用FCDA方式上送 2 通常不要求DATASET动态创建和修改 建模示例 目标 基本的ACSI只要在申明一下即可 Report GSE等需要在的LLN0中详细定义CB 第4步 确定IED支持的所有通信服务 建模示例 ReportControl 分为BRCB和URCB两类 按DATASET组织BRCB 缓冲报告 遥信变位 保护事件 可靠性极高 URCB 非缓冲报告 遥测等 可靠性较高 实时性好 GSEControl type 的取值决定类型 DATASET和 appID 唯一标识了一种过程层的GOOSE报文 SMVControl 数字保护IED应具备SMV的接收处理能力 但SMV建模在过程层设备 如MU中进行 几点说明 建模示例 建模示例 Report 建模示例 目标1 预定义通信模型 第5步 预定义和模型重组 建模示例 目标2 在 中对DO进行预赋值 可选 建模示例 目标3 模型重组 构成ICD文件 建模示例 OMICRON IEDScout1 50 最后 模型的验证 IEC61850实现技术 SMV 采样值服务 MMS 核心服务 GOOSE 快速控制 事件服务 基本思路 建议采用操作系统 Vxworks Linux Unix Windows SISCOMMS EASELite开源软件包的实现方式 不建议使用操作系统 报文本身直接编解码 但9 2的控制块功能须借助MMS实现 由厂商在IED内部实现参数的同步更新 过程层GOOSE不建议使用操作系统 报文本身直接编解码 间隔层GOOSE可以由MMS EASELite一并实现 但GOOSE控制块的读写功能须借助MMS实现 在IED内部实现参数同步更新 自定义数据结构和编解码方法 SMV GOOSE 3种基本格式 IEC61850 9 1为以太网数据格式 其帧格式固定 为点对点传输 IEC61850 9 2为以太网数据格式 其帧格式可变 为点对多传输 IEC61850 9 2LE为IEC61850 9 2的一个特例 其帧格式固定 为点对多传输 SMV SMV GOOSE SMV 9 1 SMV GOOSE SMV 9 1 SMV GOOSE 为减少网络开销 可以将若干个ASDU连成一个APDU后再一并发送 APDU中ASDU的数目根据采样速率进行预配置 如10000Hz时5个 不可以动态改变 且第1个ASDU代表最早的采样值 采样值为16bit整数 瞬时值 额定值 互感器因子 测量电流 电压 2D41H 2倍裕度 2 2D41H 1 414 32768 保护电流 01CFH 50倍裕度 几点说明 SMV 9 2 SMV GOOSE SMV 9 2LE SMV GOOSE GOOSE SMV GOOSE GOOSE SMV GOOSE stNum GOOSE事件计数值 初始值为0 每产生1次事件 stNum加1 计满4294967295后 复归1 由于GOOSE报文的重传次数由发布者自行定义 且无法从GoCB的属性中获知 因此 订阅者通过比较当前报文中的stNum是否与先前报文中的stNum相同 判断是否有新的事件发生 sqNum GOOSE报文计数值 每发送1次GOOSE报文 sqNum加1 stNum加1时 复归0 计满4294967295后 复归1 由于通常1次事件仅产生1帧GOOSE报文 所以sqNum 1通常代表GOOSE报文的重传次数 几点说明 SMV9 2 GOOSE MMS 均采用ASN 1及其BER对PDU进行表示和编码 BER是应用最为广泛的ASN 1传输编码 BER规定传输的数据 不管是简单类型还是构造类型 都由TLC 标记 长度和值 3个字段组成 其中标记 Tag 代表数据的基本类型 长度 Length 代表数据编码的Bytes数目 值 Value 代表数据本身的编码 而当数据为构造类型时 该字段又是多级嵌套的格式 ASN 1 BER SMV GOOSE GOOSE发送控制 SMV发送控制 自行控制发送流程 SMV GOOSE 报文重要参数 SMV GOOSE SMV 广播地址为FF FF FF FF FF FF 组播地址为01 0C CD 04 00 00至01 0C CD 04 01 FF 优先级标记为0 x8100 优先级缺省为4 以太网型式PDU中的以太网型式和应用标识分别为0 x88BA和0 x4000 GOOSE 广播地址为FF FF FF FF FF FF 组播地址为01 0C CD 01 00 00至01 0C CD 01 01 FF 优先级标记为0 x8100 报文的优先级缺省为4 以太网型式PDU中的以太网型式为0 x88B8 若IED的以太网控制器支持哈希算法实现报文过滤 可按组播方式接收和发送报文 若不支持则由交换机划分VLAN 限定广播域 9 2 GOOSE 最后 报文的验证 Ethereal SMV GOOSE 最早应用于工业自动化领域 MMS即ISO IEC9506 最先用于计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufactureSystem CIMS 中 旨在规范具有通信能力的智能互感器 智能控制设备和IED的通信行为以实现不同厂商设备间的互操作和系统集成 目前已广泛用于包括工业过程控制 工业机器人在内的工业自动化系统领域 鉴于MMS的成功应用 电力系统中的TASE 2 UCA和IEC61850等通信标准都选择MMS作为应用层协议的规范 MMS MMS将实际设备外部可视行为抽象成虚拟制造设备 VirtualManufacturingDevice VMD 及其包含的对象子集 并通过定义与之对应的一系列操作 即MMS服务 实现对实际设备的控制 由于MMS和IEC61850都采用抽象建模的方法 因此只要将IEC61850的数据模型和ACSI正确的映射到MMS的VMD及其MMS服务上即可 映射方法准确 简单 MMS 同样采用抽象建模的方法 数据模型的映射 MMS MMS 数据模型的映射 MMS MMS服务 IEC61850的映射只用到了MMS服务的一部分 ACSI向MMS服务的映射 MMS MMS MMS协议栈 MMS MMS的作用相当于通信中间件 当前世界主要电力自动化厂商都在使用MMS EASELite实现IEC61850向MMS的映射工作 MMS EASELite是从SISCO公司的MMS EASE软件继承发展而来 专门针对嵌入式应用对代码进行了优化和裁减 并增加了对IEC61850特性的支持 MMS EASELite软件以ANSIC源代码的形式提供 不依赖于具体编译器和操作系统 它提供了基本的MMS协议处理框架和API接口以及IEC61850建模功能 该产品提供了Windows和Unix Linux下的Server端和Client端的程序功能框架 基于此 可以根据需要在不同平台上进行移植和产品开发 MMS EASELite MMS EASELite 将MMS EASELite提供的 C h lib文件直接加入应用工程的编译环境 进行混合编译 服务器运行框架 服务器的初始化和启动 服务器运行框架 服务器的运行和退出 服务器启动流程 mmsserver 服务器的初始化 服务器的初始化 MMS EASELite针对Server端的模型加载提供了两种方式 ODF和SCL 在IED性能较强的情况下 推荐使用SCL方式 服务器的初始化 startup cfg文件 服务器的初始化 服务器的初始化 服务器的初始化 服务器的初始化 服务器的初始化 服务器的初始化 服务器的初始化 服务器的初始化 osicfg xml文件 服务器的运行 服务器的退出 ACSI到MMS的映射可以归结为数据映射和服务映射两方面 服务映射主要从客户端 后台 角度出发 把各种ACSI服务映射到MMS相应服务 然后通过MMS完成相应请求后把结果转换为ACSI形式返回给后台用户 在此过程中 由客户端实现ACSI到MMS的视图转换 服务器只需提供MMS服务即可 因此 服务映射主要在客户端进行 而服务器与客户端都要维护自己的数据结构 因此数据映射在两侧都要进行 在此 只讨论服务器的数据映射方法 当然 还要实现通信服务与应用数据的关联 才能真正实现服务器的功能 从ACSI到MMS 数据映射的两项工作 应用数据与MMS数据的映射应用数据与MMS通信服务的关联 数据映射 MMS EASELite考虑到了用户数据和模型数据相互映射的问题 在SCLServer工程下 预留了相关函数接口供用户改写实现数据映射 SCLServer工程下 用户的数据映射由函数datamap user leaf 完成 函数原型和相关数据结构如下 数据映射 通过LD和叶子节点名称组合便可以形成数据对象或数据属性的路径 Directory 有了这个自描述信息 便可以在函数内根据工程的配置信息或其它规定进行数据的关联 至于数据指针 显然指向的就是存放数据模型的内存 而用户信息可以表示该数据的用途等用户关心的内容 方便实现数据的映射 MMSServer在初始化过程中对数据模型中的所有内容已经建立了MMS的对象 并为它们分配了内存 因此 用户程序实现数据映射过程中有两种选择 数据映射 1 建立自己的数据结构并为之分配内存 映射时进行数值的关联 运行时须进行必要的数据同步 2 建立自己的数据结构时使用指针形式而不分配内存 通过数据映射使自己的数据结构直接指向MMS对象的内存 即地址关联 数据映射 一方面 考虑到为两套数据结构都分配内存势必造成了不必要的内存开销 另一方面 考虑到映射时直接使变量的地址关联可以在运行过程中省去数据同步的工作 因为应用和通信共用一个数据源 因此 建议使用直接地址关联 数据映射 数据映射 MMS对象的数据结构具有明显层次嵌套的特征 Server LD LN DO DA多个层次 DA的类型可以是各种基本数据类型 如整型 字符串等 还可以是结构这样的复杂类型 能嵌套包含多层的DA MMS对象的数据结构 数据映射 单个数据映射的例子 批量数据映射的例子 数据映射 数据映射 批量数据映射的例子 数据映射 IEC61850规定必须包含 但应用功能不能提供的数据 需要补充定义并赋值 批量数据映射的例子 自定义map文件 数据关联 读 写服务报告服务控制服务定值服务 以下面4种基本服务为例 说明应用数据与MMS通信服务的关联方法 1 读 写服务建立数据映射后 由于只有一个数据源 因此 当用户改变数据后 MMS读操作获取的数据同样发生改变 MMS写操作同样直接修改了数据源 用户程序使用到该数据时自然使用了新数据 读 写服务 2 报告服务某些数据改变后 如开关位置变化 保护动作等 应该产生事件报告 虽然完成了数据映射 但数据发生变化时 并不能主动产生报告 在此需要解决两个问题 即如何产生报告和如何报告关心的数据 报告服务 Server支持两种报告机制 周期发送和异步事件触发 周期发送即按一定周期循环发送所有报告 由服务器本身维护 用户不必关心 异步事件触发则由用户程序控制 什么时候发送 发送报告的原因和内容都可设定 MMS EASELite提供了函数接口实现异步事件发生时对数据变化的监测 主要函数接口是mvlu rpt va change 入口参数是与事件关联的变量 报告的原因和新的值 例如 当瞬时过流保护动作时 应该发送事件报告通知后台 示例代码如下所示 报告服务 两种报告机制 报告服务 主动触发报告的例子 报告服务 主动触发报告的例子 报告服务 主动触发报告的例子 另 为了减小通信数据量 如果不是总召或者周期上送 报告只会将Dataset中变化或者更新的数据上传 并在报文中以Bitstring的方式将报告原因和变化位通知客户端 报告服务 SBOcontrol 控制服务 带选择的控制流程 3 控制服务考虑的是如何将客户端的控制命令转换为实际的控制信号 电