IEC61850标准理解.docx

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IEC61850标准理解

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一IEC61850的应用范围

IEC61850应用与变电站自动化系统。

对于变电站自动化系统，我的理解就是，变电站内的所有可监控的一次设备、二次设备和前置机系统。

对于IEC61850其他的应用，不在标准的讨论范围之内。

二IEC61850与传统通信规约的比较

传统通信规约都是面向信号的，是线性的点，以点号（地址）来识别，自描述性比较差，需要双方事先约定；因此造成了不同厂家之间的设备和系统互通互联十分困难。

而IEC61850使用了面向对象建模技术，数据模型具有自描述能力，通信双方不需要事先约定。

因此相对传统通信规约，IEC61850的优点是显而易见的：

可以很好的实现互操作。

三IEC61850的主要思想与技术

1分层结构

变电站自动化系统所要完成的主要功能有控制、监视、设备及其馈线保护以及系统配置、通信管理、软件管理等维护功能，IEC61850从逻辑上将系统的功能分配在3个层次上，即变电站层、间隔层和过程层，其中：

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；间隔层主要使用一个间隔的数据并对该间隔内的一次设备进行操作，完成如线路保护、间隔单元控制等功能；变电站层的功能分为2类：

一是与过程层关联的变电站层功能，指使用多个间隔或整站的一次设备信息并对该范围内的一次设备进行监视和控制，如母线保护或全站范围内的闭锁等，二是与接口相关的功能，主要指与远方控制中心（TCI）、远方监视和维护工程师站（TMI）以及本地人机接口（HMI）的通信，而变电站自动化系统的装置可被安装在这三个不同的功能层上。

同时定义了10种逻辑接口来完成各层之间的通信，其中：

IEC61850中的变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模型如

下图所示，其中的IF是指接口（Interface）。

图中各接口的含义分别为：

IF1：

间隔层与变电站层之间保护数据的交换；

IF2：

间隔层与远方保护之间的保护数据交换；

IF3：

间隔内数据交换；

IF4：

过程层和间隔层之间PT和CT瞬时数据交换（尤其是采样）；

IF5：

过程层和间隔层之间控制数据交换；

IF6：

间隔和变电站层之间控制数据交换；

IF7：

变电站层与远方工程师站数据交换；

IF8：

间隔之间直接数据交换（如连锁）；

IF9：

变电站层内数据交换；

IF10：

变电站设备与远方控制中心之间控制数据交换。

2面向对象的信息和通信服务建模

IEC61850采用面向对象的建模思想，对变电站设备、功能、以及通信系统进行建模。

在IEC61850中，为变电站设备、通信体系及服务建立了基于对象的数据模型，这些模型描述和定义了大多数公共实际设备和设备组件的公共数据标识、格式、行为、控制以及设备之间进行信息交换所需要的服务，因此面向对象的信息模型和建模方法是IEC61850的核心。

2.1信息模型

IEC61850标准将整个变电站的物理对象（包括若干一次设备和测量、控制、保护等二次设备）以及通信网络抽象为相应的逻辑系统，每个逻辑系统中包含一个服务器，一个服务器由一个或多个逻辑设备组成；逻辑设备中的功能模块分为若干个相关子功能，对应为各种逻辑节点；一个逻辑节点又包含一个或多个数据对象，其中数据对象是公共数据类的对象实例；一个数据对象具有多个数据属性，数据属性含有各种数据类型、值和功能约束FCFunctionConstraint）等。

IEC61850-7-3中定义了29种公共数据类，并利用对象的继承性和多态性将其实例化为500多种数据对象，由这些数据对象及其属性来构成逻辑节点。

EC61850-7-4中定义了13个逻辑节点组，包含了90多种兼容逻辑节点类，涵盖了保护、控制和测量设备以及一次设备等变电站设备的几乎所有信息。

另外，还定义了逻辑节点、数据对象以及数据属性的扩展规则，允许根据需要对其进行扩展。

IEC61850-7-3，IEC61850-7-4部分定对信息模型的语义约定，在严格意义上，与任何通信协议无关。

2.2服务模型

服务就是提供交换信息，因此服务模型的技术是信息模型。

IEC61850标准采用两种服务方式：

等对等服务和客户/服务器方式。

喜爱客户/服务器方式建红，根据所传送信息的类型，每个设备既可以是服务器也可以是客户，服务器和客户之间通过一套与实际网络应用层通信协议无关的抽象通信服务接口（ACSI）实现通信，一个设备根据其功能可以包含若干个服务器对象，当设备作为其它串口通信设备的代理服务器时可以包含多个服务器对象，否则一般只包含一个服务器对象。

服务器对象封装了上述设备抽象信息模型中的逻辑设备、逻辑节点、数据类、数据属性等不同层次中数据对象的所有数据属性和服务，通过外部接口实现与客户之间的数据交换。

3变电站配置描述语言

IEC61850-6为变电站智能电子设备的配置规定了一种描述语言。

所定义的语言称为变电站配置描述语言（SCL），SCL实际上就是一个XML文档。

在变电站配置描述语言中，智能电子设备和通信系统模型根据IEC61850-5和IEC61850-7部分建立。

规定了描述通信有关的智能电子设备配置和参数、通信系统配置、开关间隔（功能）结构及它们之间关系的文件格式。

规定文件格式的主要目的是可以以某种兼容的方式，在不同厂家提供的智能电子设备工程工具和系统工程工具间，交换智能电子设备能力描述和变电站自动化系统描述。

在某些适当部分，可能要求特殊通信服务映射SCSM专用扩展或使用规则。

该语言允许规范地描述变电站自动化系统和变电站（开关设备）的关系。

在应用层上，也可描述开关间隔拓扑本身以及开关间隔结构与配置在智能电子设备上的变电站自动化功能（逻辑节点）的关系。

变电站配置描述语言允许将智能电子设备配置的描述传给通信和应用系统工

程工具，也可以以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给智能电子设备的配置工具。

变电站配置描述语言主要的作用就是使得通信系统配置数据可在不同制造商提供的智能电子设备和系统配置工具之间相互交换。

4抽象通信服务接口（ACSI）和特定通信服务映射（SCSM）

IEC61850标准总结了电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务和对象集，设计出抽象通信服务接口ACSI，它独立于具体的网络应用层协议（例如目前采用的MMS），与采用的网络（例如现在采用的IP）无关。

考虑到TCP/IP、OSI、现场总线等各种各样的通信系统已经建立起来，IEC61850引入了特殊通信服务映射SCSM。

SCSM将抽象通信服务接口定义的服务、对象和参数映射到MMS、FMS、DNP或IEC60870-5等应用层。

采用该映射模型，可以使数据对象和ACSI服务有很大的灵活性，它的改变不受底下七层协议栈的影响。

由于电力系统生产的复杂性，对信息传输的响应时间也有不同的要求，在变电站的过程内可能采用不同类型的网络，IEC61850采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映射SCSM。

如图2-3中应用过程和抽象通信服务接口是一样的，不同的网络应用层协议和通信栈与不同的SCSM1～SCSMN相对应。

IEC61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，随着新的网络技术在变电站自动化系统中的运用，只要对SCSM进

行相应的改动，而不需要修改ACSI。

四IEC61850标准实现要点

1建模思路

建模思路分两种：

1.1对整个变电站自动化系统进行建模

从一次设备、二次设备到前置系统都采用IEC61850的标准建模，此种建模牵涉到变电站的各个层面，需要IED（智能电子设备）开发工程师的协助，对软硬件的平台要求也比较高，因此实现难度比较大。

但是这也是比较彻底的实现IEC6180的标，有利于企业的长远发展。

1.2IEC61850网关

鉴于对整个变电站自动化系统进行建模的难度比较大，还有就是当前已经存在大量的旧的通信规约的变电站系统，我们不可能对其进行彻底的改造和更换，否则建设成本太大，一种模式就是在已有的变电站自动化设备外加一协议转换网关，向外界屏蔽掉变电站内部系统的具体实现，通过协议转换网关提供IEC61850通信服务。

2建模过程

2.1信息模型的建模过过程

信息模型主要包括逻辑节点模型、设备模型和服务器模型。

其中逻辑节点模型是核心。

逻辑节点是IEC61850中非常重要的一个概念。

变电站的所有功能被分解成逻辑节点，逻辑节点是变电站自动化系统中功能的最小单位。

这些节点可能分布在一个或多个物理设备上。

在逻辑节点内部包含了系列的数据，这些数据有自己的数据属性和数据服务。

通常这些数据属性表达了系统的主要信息，信息通过标准定义的专有服务进行交换。

这些服务被定义成抽象通信服务，具体传输信息时，需要将抽象服务映射到具体通信协议栈。

前面提到逻辑节点是变电站自动化系统中功能的最小单位，因此我们在划分逻辑节点时应按照“功能内聚”的原则对其进行划分。

IEC61850-7-4部分定义了90多个逻辑节点，对于61850中已经定义的逻辑节点，我们在在实现是应严格按照其定义，对于标准中没有定义的，我们可以按照规范扩展定义。

以下是逻辑节点（父类）定义示例：

classLOGICAL_NODE

{

public:

//INT8UDataNumber;

INT8UDataSetNumber;

ObjectNameLNName;//在逻辑设备作用域内唯一标识逻辑节点

ObjectReferenceLNRef;//在系统作用域内的引用

vectorData;//逻辑节点包含的数据

DATA_SET*DataSet;

BRCB*BufferedReportControlBlock;

URCB*UnbufferedReportControlBlock;

LCB*LogControlBlock;

//仅存在于LLN0中;

SGCB*SettingGroupControlBlock;

LOG*Log;

GoCB*GOOSEControlBlock;

GsCB*GSSEControlBlock;

MSVCB*MulticastSampledValueControlBlock;

USVCB*UnicastSampledValueControlBlock;

ReferenceGetLogicalNodeDirectory（ObjectReferencex,intx2）;

ReferenceGetAllDataValues（ObjectReferencex,FCTypex2）;

};

以下是一个逻辑节点例子-断路器类的定义：

classXCBR:

publicLOGICAL_NODE

{

public:

//基本逻辑节点信息

INCMode;//M

INSBeh;//M;

INSHealth;//M;

LPLNamPlt;//M;

SPSLoc;//M;

INSEEHealth;//O;

DPLEEName;//O;

INSOpCnt;//M;

//可控数据

DPCPos;//M

SPCBlkOpn;//M

SPCBlkCls;//M

SPCChaMotEna;//O

//测量量

BCRSumSwARs;//O;

//状态信息

INSCBOpCap;//M

INSPOWCap;//O

INSMaxOpCap;//O

XCBR（）

{

LNName="XCBR";

Mode.DataName="Mode";Mode.Presence=M;Data.push_back（&Mode）;

Beh.DataName="Beh";Beh.Presence=M;Data.push_back（&Beh）;

Health.DataName="Health";Health.Presence=M;Data.push_back（&Health）;

NamPlt.DataName="NamPlt";NamPlt.Presence=M;Data.push_back（&NamPlt）;

Loc.DataName="Loc";Loc.Presence=M;Data.push_back（&Loc）;

EEHealth.DataName="EEHealth";EEHealth.Presence=O;Data.push_back（&EEHealth）;

EEName.DataName="EEName";EEName.Presence=O;Data.push_back（&EEName）;

OpCnt.DataName="OpCnt";OpCnt.Presence=M;Data.push_back（&OpCnt）;

Pos.DataName="Pos";Pos.Presence=M;Data.push_back（&Pos）;

BlkOpn.DataName="BlkOpn";BlkOpn.Presence=M;Data.push_back（&BlkOpn）;

BlkCls.DataName="BlkCls";BlkCls.Presence=M;Data.push_back（&BlkCls）;

ChaMotEna.DataName="ChaMotEna";ChaMotEna.Presence=O;Data.push_back（&ChaMotEna）;

SumSwARs.DataName="SumSwARs";SumSwARs.Presence=O;Data.push_back（&SumSwARs）;

CBOpCap.DataName="CBOpCap";CBOpCap.Presence=M;Data.push_back（&CBOpCap）;

POWCap.DataName="POWCap";POWCap.Presence=O;Data.push_back（&POWCap）;

MaxOpCap.DataName="MaxOpCap";MaxOpCap.Presence=O;Data.push_back（&MaxOpCap）;

DataSetNumber=1;

DataSet=newDATA_SET[1];

//DataSet.push_back（newDATA_SET）;

DataSet[0].DSName="AlarmXCBR";

DataSet[0].DSMNumber=2;

//DataSet[0].DSMemberRef=newObjectReference[DataSet[0].DSMNumber];

Pos.DataRef="Pos";

Pos.ctlVal.DATRef="Pos.ctlVal";

DataSet[0].DSMemberRef.push_back（Pos.DataRef）;

DataSet[0].DSMemberRef.push_back（Pos.ctlVal.DATRef）;

};

};

逻辑设备可以认为是逻辑节点的容器。

它是实际物理设备的抽象，一个实际物理设备可能抽象多个逻辑设备，一个逻辑设备也有可能映射为到多个物理设备上。

以下逻辑设备类的定义：

classLOGICAL_DEVICE

{

public:

ObjectNameLDName;//逻辑设备名；唯一标识系统作用域中的逻辑设备；

ObjectReferenceLDRef;//逻辑设备路经名；和逻辑设备名相同；

vectorLogicalNode;//所包含的逻辑节点，一个LLN0，一个LPHD，至少一

个其它逻辑节点

//客户使用GetLogicalDeviceDirectory服务检索全部Logical_Node的ObjectReference

//理解为客户端调用GetLogicalDeviceDirectory映射到MMS,通过MMS到达服务端

//服务端完成下面函数的功能；该功能应该考虑视窗的概念；暂未考虑。

//然后调用MMS服务,把结果返回客户端

ReferenceGetLogicalDeviceDirectory（ObjectReferencex）;

};

服务器是信息交换的服务提供者，一个服务器可以为多个逻辑设备提供服务。

每个IED包含一个和多个服务器，每个服务器本身又包含一个多个逻辑设备。

逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据。

以下服务器类的定义：

classSERVER

{

public:

//INT8ULDNumber;

ObjectNameServiceAccessPoint[2];

vectorLogicalDevice;

vectorFiles;

TPAA*TPAppAssociation;

MCAA*MCAppAssociation;

ReferenceGetServerDirectory（inti）;

};

2.2服务模型的建模过过程

主要服务模型及其服务信息：

服务器模型:

GetServerDirectory;

关联模型：

Associate,Abort,Release;

逻辑设备模型:

GetLogicalDeviceDirectory;

逻辑节点模型:

GetLogicalNodeDirectory,GetAllDataValues;

数据模型：

GetDataValues,SetDataValues,GetDataDirectoryGetDataDefinition;

数据集模型：

GetDataSetDirectory,GetDataSetValues,SetDataSetValues,CreateDataSet,DeleteDataSet;

取代模型:

SetDataValues;

定值组控制模型:

GetSGCBValues,SelectEditSG,SelectActiveSG,SetSGValues,ConfirmEditSGValues,GetSGValues;

报告模型:

data-change,quality-change,data-update,GI,GetBRCBValues,SetBRCBValues,GetURCBValues,SetURCBValues;

日志控制块模型:

GetLCBValues,SetLCBValues;

日志模型:

GetLogStatusValues,QueryLogByTime,QueryLogAfter;

GOOSE模型:

SendGOOSEMessage,GetGoCBValues,SetGoCBValues,GetGoReference,GetGOOSEElementNumber;

采样值模型:

SendMSVMessage,SendUSVMessage,GetMSVCBValues,SetMSVCBValues,GetUSVCBValues,SetUSVCBValues;

控制模型:

Select,SelectWithValue,Cancel,Operate,Command-Termination,TimeActivated-Operate

文件传输模型:

GetFile,SetFile,DeleteFile,GetFileAttributeValues;

时间模型:

时钟同步。

3SCL配置文档的实现

SCL对象模型将变电站自动化系统分为5个主要元素：

Header、Substation、IED、Communication和DataTypcTemplates。

其中Header包含了SCL文件的版本和修正号，以及名称殃射信息；Substation节包含了变电站的功能结构、它的主元件及其电气连接；IED节描述了所有IED的信息，如所包含的逻辑装置、逻辑节点、数据对象和所具备的通信服务能力；DataTypeTemplates详细定义了在文件中出现的逻辑节点实例，包括它的类型（如PDIF为差动保护逻辑节点）以及该逻辑节点实例所包含的数据对象DO等；Communication节定义了逻辑节点之间通过逻辑总线和IED接入点之间的联系方式。

这些元素各有其子元素和属性，层层包含，最终完成对整个变电站综合自动化系统模型的描述，充分体现了使用SCL描述IED的可扩展性和灵活性。

在IED的配置中需要三类配置器：

第一类是系统配置器，第二类是IED配置器，第三类是系统描述器。

这三类配置器相互配合协作，共同完成IED的配置过程。

系统配置器是独立于IED的，它输入整个变电站所有lED的预配置信息及电气主接线图拓扑信息，根据系统层管理的需要，也由配置工程师使用，设定不同智能电子装置所共享的系统信息；IED配置器则是IED制造商提供的专用工具，它可以生成、输入、输出、编辑IED配置数据，也可以将配置数据下载到IED装置中；系统描述器则生成系统拓扑描述信息。

在整个过程中将要生成四类的文件，这四类文件都符合SCL模型规范。

前面提到过，IEC61850配置文档实际上就是一个XML文档。

在实际应用当中由于，配置工程师不一定对XML语言或者说SCL很熟悉，因此我们有必要开发SCL配置和读取的可视化工具。

针对上述的三类配置器，我们可以开发三种类型的SCL可视化配置工具。

因此开发SCL可视化配置工具，实际上就是开发一种特殊的额XML解析器。

为了兼容各个厂家的配置文档，我们是在选择XML开发类库的时候最好选择一个跨平台，带验证模式的XML开发类库。

4抽象通信服务接口的对应通信协议映射

由于IEC61850采用了抽象的建模技术，使信息模型、接口服务与通信解耦，使得信息模型及其服务不依赖于具体的通信协议栈。

为了实现具体的应用进程之间的通信，IEC61850采用特定通信服务映射的方法，即采用当前已经成熟的、流行的国际通信标准作为IEC61850的通信协议栈。

IEC61850-8-1、IEC61850-9-1和IEC61850-9-2规范了适应能够不同应用的各种特定通信协议栈。

核心ACSI接口服务：

核心ACSI服务，使用客户端/服务器通信模式，并采用制造报文规范（ManufacturingMessageSpecification）协议作为应用层协议栈。

GOOSE/SAV服务：

GOOSE/SAV服务用于快速、可靠地传输保护、控制以及采样值信息的目的，GOOSE采用GOOSE协议作为应用层协议，SAV采用SV协议作为应用层协议，GOOSE/SV协议采用ASN.1定义。

GSSE服务：

GSSE模型与GOOSE模型是相似的，主要的区别是信息交换的种类不同：

GOOSE支持由数据集组织的范围较广泛的公共数据交换，并提供灵活的手段规定交换的是何种信息；GSSE则仅提供了传输状态变化信息的能力。

IEC61850的GSSE代表了UCA2.0的GOOSE。

GSSE采用GSSE协议作为应用层协议，GSSE协议也采用ASN.1定义。

时钟同步服务：

时钟同步服务采用了简单网络协议（SimpleNetworkProtocol，简称SNTP）作为应用层协议。

五对IEC61850尚存在的疑问

1）对信息服务模型和服务模型，抽象通信服务接口和服务模型之间的关系还没有很好的理解。

2）对等通信服务是否限定某些特殊的服务范围之内？

3）IEC61850是否要求支持异构平台。

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