电力61850规约

1 由于现有的规约五花八门 缺乏统一性 数字化 智能化 变电站成为发展方向 性能 和速度已不再是问题 因此产生了 IEC 61850 标准 IEC 61850 系列标准吸收国际先进新技术 并且大量引用了目前正在使用的多个领域内 的其它国际标准作为 61850 系列标准的一部分 所以它是一个十分庞大的标准体系 确切地 说 它是一种新的变电站自动化的设计 工程 维护 运行方法准则 IEC 61850 系列标准的全称 变电站通信网络和系统 Communication Networks and Systems in Substations 它规范了变电站内智能电子设备 IED 之间的通信行为和相关的 系列要求 IEC 61850 的关键技术 1 变电站三层接口 2 采用模型思想进行对变电站统一建模 3 抽象通信服务和特定通信服务 4 统一的配置描述语言 IEC 61850 标准包括 10 个部分 1 IEC 61850 1 基本原则 包括了适用范围和目的 定义了变电站内 IED 电子式互感器 Intelligent Electronic Device 之间的通信和相关系统要求 并论述了制定一个适合 标准的途径和如何对待通信技术革新等问题 2 IEC 61850 2 术语 给出了 IEC 61850 文档中涉及的关于变电站自动化系统特定术语及 其定义 3 IEC 61850 3 总体要求 详细说明系统通信网络的总体要求 重点是质量要求 可靠性 可用性 可维护性 安全性 数据完整性以及总的网络要求 还涉及了环境条件 温 度 湿度 大气压力 机械振动 电磁干扰等 和供电要求的指导方针 并根据其他标 准和规范对相关的特定要求提出了建议 4 IEC 61850 4 系统和项目管理 描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验 所用的专用调度要求 主要包括 工程过程及其支持工具 整个系统及其 IED 的生命 周期 系统生命期内的质量保证供三个方面 5 IEC 61850 5 功能通信要求和装置模型 规范了变电站自动化系统所完成功能的通信要 求和装置模型 为了区分技术服务和变电站之间以及变电站 IED 之间的通信要求而对功 能进行描述 为支持功能自由分配要求 将功能适当地分解为相互通信的几个部分 给 出其交换数据和性能要求 对典型变电站配置 上述规定可通过数据流的安排加以补充 6 IEC 61850 6 变电站中 IED 通信配置描述语言 规定了描述通信有关的 IED 配置和参数 通信系统配置 开关间隔 功能 结构以及他们之间关系的文件格式 目的是在不同制 造商的 IED 管理工具和系统管理工具间 以某种兼容的方式交换 IED 性能描述和变电 站自动化系统描述 7 IEC 61850 7 变电站和馈线设备的通信结构 是变电站之间协调工作和通信的体系描述 IEC 61850 7 共包括 4 个部分 IEC 61850 7 1 原理模型 提供了有关基本建模和描述方法的信息 解释了 IEC 61850 7 2 IEC 61850 7 3 IEC 61850 7 4 和 IEC 61850 之间的详细要求 以及 IEC 61850 8 x 和 IEC 61850 9 x 中具体的通信协议 IEC 61850 7 2 抽象通信服务接口 ASCI 主要从三个方面进行描述 可以通过通信 网络访问的全部信息的分层类模型 对这些类进行操作的服务 每个服务相关的参 数 IEC 61850 7 3 公共数据类 定义了和变电站应用有关的公共属性和公共数据类 这 2 些公共数据类用于本标准的 IEC 61850 7 4 本分 IEC 61850 7 4 兼容逻辑节点类和数据类 规定了 IED 之间通信用的兼容逻辑节点 名称和可能包含的所有数据名称 所定义的名称用于建立分层对象引用 共 IED 内 部以及 IED 之间通信使用 8 IEC 61850 8 1 特殊通信服务映射 SCSM 映射到制造报文规范 MMS 说明了再局 域网上交换实时数据的方法 将 ACSI 映射到 MMS 的服务和协议 只用于变电站层到间隔 层的映射 9 IEC 61850 9 特殊通信服务映射 SCSM 规定了间隔层和过程层间的映射 10 IEC 61850 10 一致性测试 规定了变电站自动化系统和设备通信方面的一致性测试方法 还给出了设备测试环境的准则和规定了互操作的等级 以上这 10 个部分的内容体现了 IEC 61850 与传统变电站自动化系统通信协议的不同 它不仅定义了变电站自动化系统的通信要求和数据交换 而且进一步详细全面规范了整个系 统的通信网络和体系机构 对象模型 项目管理和测量方法等相关内容 其结构用图表示见 图 1 所示 IEC 61850 的主要目标是实现变电站内 IED 之间的互操作 与此同时也重视了通信标准 的各种适应性 IEC 61850 的内容分析 1 互操作性 在 IEC 61850 中互操作性被描述为 来自同一厂家或者不同厂家的 IED 之间信息和正 确使用信息协同操作的能力 其中信息交换需要通信协议栈的支持 信息的正确使用依赖 于信息的相互理解 需要信息语义的支持 而协同操作与变电站自动化系统的功能分布相关 依赖于过程数据的共享和对信息实体的规划 2 功能自由分布 功能自由分布在 IEC 61850 中虽然没有规范的定义 但是往往与互操作性的描述相继而 现 从通信标准的角度来看 自动化功能在 IED 和控制层次中的分布不可能唯一固定 它依 赖于可用性要求 性能要求 成本限制 技术状况 应用策略等 因此标准应适应各种功能 分布情况 IEC 61850 关于功能自由分布的这种表述事实上强调了变电站自动化分布式实现 中的自动化功能 子功能 的可分布性 而不仅仅是自动化装置的分布 跨越自动化装置边 界的自动化功能 或子功能 之间的协调配合代表了变电站自动化的未来发展趋势 因此对 功能自由分布的支持是 IEC 61850 针对自动化逻辑适应性的体现 3 可扩充性 IEC 61850 面向变电站自动化的所有应用 全面地支持信息扩充是标准应用适应性的重 要体现 4 长期稳定性 为了适应历史的 目前的和未来的通信技术 IEC 61850 对通信服务采用了抽象定义的 方法 即 ASCI 而将具体的通信协议栈应用以 SCSM 加以规定 适应了通信技术的发展和 变化 这是 IEC 61850 优于传统通信协议的主要特征之一 3 介绍和概述 术语 总体要求 系统和工程管理 功能和设备模型的通信要求 变电站自动化系统结构语言 基本通信结构和模型 一致性测试 MappingMapping Stack AStack A MappingMapping Stack XStack Y Part 1 Part 2 Part 3 Part 4 Part 5 Part 6 Part 7 Part 10 Part 9 通信服 务映射 Part 8 通信服 务映射 Station Interbay bus LAN MMS GOOSE Porcess bus LAN GOOSE SMV 图 1 IEC 61850 的结构 IEC 61850 的标准特征 1 信息分层的变电站结构 变电站通信网络和系统协议 IEC 61850 提出了变电站内信息分层的概念 将变电站的通 信体系分为 3 个层次 即变电站层 间隔层和过程层 并定义了层和层之间的通信接口 如 图 2 所示 4 继电保护控制继电保护控制 过程层接口 操作结构传感器 变电站层 1 6 8 功能1 功能2 远方控制中心 技术服务 107 9 1 6 间隔层 2 45 3 3 45 2 过程层 高压设备 图 2 变电站自动化系统功能层次和逻辑接口 接口 1 间隔层和变电站层之间保护数据交换 接口 2 间隔层与远方保护之间保护数据交换 接口 3 间隔层内数据交换 接口 4 过程层和间隔层之间电流和电压瞬时数据交换 接口 5 过程层和间隔层之间控制数据交换 接口 6 间隔层和变电站层之间控制数据交换 接口 7 变电站层与远方工程师办公地数据交换 接口 8 间隔之间直接数据交换 接口 9 变电站层内数据交换 接口 10 变电站和远方控制中心之间控制数据交换 由于接口 2 接口 7 和接口 10 涉及到变电站之间和变电站与控制中心间的通信其范围已 超出变电站内部 故 IEC 61850 中并没有具体讨论以上三个接口的定义 从接口的定义可以 看出 过程层主要完成开关量 I O 模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能 间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用 变电站层的功能主要有两 类 一是与过程相关的功能 二是与接口相关的功能 2 面向对象的数据对象统一建模 IEC 61850 采用面向对象的建模技术 定义了基于客户机 服务器结构的数据模型 每 个 IED 包含一个或多个服务器 每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备 Logical Device LD 逻辑设备包含逻辑节点 Logical Node LN 逻辑节点包含数据对象 Data Object DO 数据对象则是由数据属性 Data Attribute DA 构成的公用数据类的命名实例 5 从通信而言 IED 同时也扮演客户的角色 任何一个客户可通过抽象服务接口和服务器通信 可以访问数据对象 如图 3 所示 客户机 数据对象 逻辑节点 逻辑设备 服务器IED 抽象通信服务接口 数据属性 确认服务 请求服务 接收服务发布服务 1 1 1 1 1 1 1 1 图 3 服务器中典型数据模型分层结构 从模型构成语义可以看出 信息模型不是数据集合 而是数据与功能服务的聚合 是一 个面向对象的模型 模型中的数据和功能服务相互对应 数据交换必须通过对应的功能服务 来实现 数据与功能服务的紧密结合使模型具备了良好的稳定性 可重构性和易维护性 3 采用与网络独立的 ACSI IEC 61850 总结了变电站内信息传输所必须的通信服务 设计了独立于所采用网络和应 用协议的 ASCI 图 4 中 客户服务通过抽象通信服务接口 由 SCSM 映射到采用的通信栈 或协议子集 在服务器侧 通信栈或协议子集通过 SCSM 和 ACSI 接口 由于电力系统的复 杂性 信息传输响应时间的要求不同 在变电站的过程内可能采用不同类型的网络 采用 IEC 61850 只需要改动相应的 SCSM 而不需要修改 ACSI 图 5 中采用过程和抽象服务接口 是一样的 不同的网络应用层协议和通信栈与不同的 SCSM1 n 相对应 IEC 61850 定义了 14 类 ACSI 模型 用来规范信息模型的功能服务 每类 ACSI 模型都 由若干抽象通信服务组成 每个服务又定义了服务的对象和方式 服务方式包括服务的发起 响应和过程 而服务的过程是指某个具体服务请求如何被服务器响应 以及采取什么动作在 什么时候以什么方式响应 ACSI 模型中的通信服务分为两类 客户机 服务器结构 主要应 用在针对控制 读写数据值等服务中 发布者 订阅者模式 主要应用在针对快速和可靠的数 据传输服务中 例如采样值传输 通用变电站事件等服务 6 服务器对象 如逻辑节点1 请求 确认相应 指示 SCSMSCSM ACSI客户 ACSI服务器 服务器对象 如逻辑节点n或数据 客户端应用 服务器应用 通信服务 通信设备 通信栈 协议集 图 4 应用过程与应用层之间的相互作用 客户机 服务器 SCSM 1SCSM 2 SCSM n AL 1AL 2 AL n 应用层处理 网络独立接口 ACSI 特殊映射层 应用层 网络1层至6层 图 5 ACSI 和网络的对应关系 4 面向对象 面向应用开放的数据自我描述 以往的通信标准采用面向点的数据描述 即在信息传输时数据收发双方必须事先对数据 7 库进行约定 并一一对应 这样才能正确反映现场设备的状态 协议一旦确定以后 如果要 增加或删除某些信息 就必须对协议进行修改 这是一项耗费资金和时间的工作 随着技术 发展 电力市场的建立和变电站自动化水平的提高 变电站内需要传输的新信息不短增加 这种数据描述方法已不打适应 因而使新功能的应用受到限制 IEC61850 采用面向对象 的数据自描述 即在数据源就对数据本身进行自我描述 接收方收到的数据都带有自我说明 不需要再对数据进行工程物理量对应或进行标度转换等工作 面向对象的自描述数据可不受 预先定义的限制进行传输是实现互操作的一个必要条件 同时也极大的简化了数据的管理和 维护工作 IEC61850 将数据自描述和面向对象的功能服务有机结合 实现了面向对象的数据自描 述 1 定义完整的各类 单元 数据对象和逻辑节点 逻辑设备的代码 2 定义用这些代码组成完整地描述数据对象的方法 3 定义了一套面向对象的服务 在 IEC61850 7 3 IEC61850 7 4 中定义了各类 单元 数据对象和逻辑节点 逻辑设备的 代码 在 IEC61850 7 2 中定义了用这些代码组成完整地描述数据对象的方法和一套面向对象 的服务 IEC61850 7 2 IEC61850 7 3 IEC61850 7 4 的关系如图 6 所示 逻辑节点和数据分类IEC 61850 7 4 公共数据分类及属性IEC 61850 7 3 抽象通信服务接口IEC 61850 7 2 原理和模 型IEC 61850 7 1 映射IEC 61850 8 x映射IEC 61850 9 x 站级总线协议栈过程总线协议栈 其他标准协议 或自定义 图 6 IEC 61850 7 2 7 3 7 4 关系图 IEC6185