变电站通信网络和系统(IEC-61850)标准概述

1变电站通信网络和系统（IEC61850）标准概述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IEC61850标准。IEC61850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。IEC61850系列标准的全称：变电站通信网络和系统（CommunicationNetworksandSystemsinSubstations），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。IEC61850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5)IEC61850标准包括10个部分：6)IEC61850-1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IntelligentElectronicDevice）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。7)IEC61850-2术语，给出了IEC61850文档中涉及的关于变电站自动化系统特定术语及其定义。8)IEC61850-3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。9)IEC61850-4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，，2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。10)IEC61850-5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。11)IEC61850-6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。12)IEC61850-7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。IEC61850-7共包括4个部分：IEC61850-7-1原理模型，提供了有关基本建模和描述方法的信息，解释了IEC61850-7-2、IEC61850-7-3、IEC61850-7-4和IEC61850之间的详细要求，以及IEC61850-8-x和IEC61850-9-x中具体的通信协议。IEC61850-7-2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。IEC61850-7-3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，这些公共数据类用于本标准的IEC61850-7-4本分。IEC61850-7-4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。13)IEC61850-8-1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。14)IEC61850-9特殊通信服务映射(SCSM)，规定了间隔层和过程层间的映射。315)IEC61850-10一致性测试，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IEC61850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。IEC61850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。IEC61850的内容分析：1)互操作性在IEC61850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IEC61850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。IEC61850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IEC61850针对自动化逻辑适应性的体现。3)可扩充性IEC61850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，IEC61850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IEC61850优于传统通信协议的主要特征之一。4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MappingMappingStackAStackAMappingMappingStackXStackYPart1Part2Part3Part4Part5Part6Part7Part10Part9通信服务映射Part8通信服务映射Station/Interbaybus(LAN)MMS+GOOSEPorcessbus(LAN)GOOSE+SMV图1IEC61850的结构IEC61850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IEC61850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。5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168功能1功能2远方控制中心技术服务107916间隔层24533452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IEC61850中并没有具体讨论以上三个接口的定6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IEC61850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（LogicalDevice,LD)。逻辑设备包含逻辑节点（LogicalNode，LN），逻辑节点包含数据对象（DataObject,DO)。数据对象则是由数据属性（DataAttribute,DA)构成的公用数据类的命名实例。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11*11*11*11*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7稳定性、可重构性和易维护性。3)采用与网络独立的ACSIIEC61850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IEC61850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。IEC61850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。8服务器对象（如逻辑节点1请求确认相应指示SCSMSCSMACSI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）SCSM1SCSM2SCSMnAL1AL2ALn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5ACSI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9一旦确定以后，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