IEC61850规约整体介绍分析

IEC61850规约整体介绍1.总体概念1.1IEC61850标准制定的背景同传统的IEC60870-5-103标准相比，IEC61850不仅仅是一个单纯的通信规约，而且是数字化变电站自动化系统的标准，指导了变电站自动化的设计、开发、工程、维护等各个领域。该标准通过对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接，从而大大提高变电站自动化技术水平和安全稳定运行水平，实现完全互操作。IEC61850解决的主要问题（1）网络通信；（2）变电站内信息共享和互操作；（3）变电站的集成与工程实施。1.2IEC61850重要的基本名词MMS：ManufacturingMessageSpecification制造报文规范GOOSE：genericobjectorientedsubstationevents面向通用对象的变电站事件SV：sampledvalue采样值LD：LOGICAL-DEVICE逻辑设备，代表典型变电站功能集的实体LN：LOICAL-NODE逻辑节点，代表典型变电站功能的实体CDC：commonDATAclass(DL/T860.73)公用数据类Data：位于自动化设备中能够被读、写，有意义的结构化应用信息。DA：dataattribute数据属性，数据属性（IEC61850-8-1）命名：LD/LN$FC$DO$DAFC：functionalconstraint功能约束FCDA：FunctionallyconstrainedDataAttribute功能约束数据属性互操作性：同一或不同制造商提供的两台或多台IED交换信息并用这些信息正确地配合工作的能力。服务器：为客户提供服务或发出非请求报文的实体。客户端：向服务器请求服务以及接收来自服务器非请求报文的实体。1.3IEC61850规约内容的层次关系IEC61850规约文本总共有十个部分，每个部分的名称和关系见图1。第六部分规定了用于变电站智能电子设备配置的描述语言，该语言称作为变电站配置描述语言（SCL），适用于描述按照DL/T860.5和DL/T860.7x标准实现的智能电子设备配置和通信系统，规范描述变电站自动化系统和变电站（开关场）间关系。SCL句法元素由五部分构成：信息头、变电站描述（电压等级、间隔层、电力设备、结点等）、智能电子设备描述（访问点、服务器、逻辑设备、逻辑结点、实例化数据DOI等）、通信系统、数据类型模板。建立通信模型要求定义众多对象（如，数据对象、数据集、报告控制、登录控制）以及对象提供的服务（取数、设定、报告、创建、删除）。这些在本系列标准中第7-X部分中用明确接口来定义。为利用通信技术的长处，IEC61850系列标准中，不定义新的开放式系统互联OSI协议栈，仅在本系列标准的第8部分和第9部分分别规定了在现有协议栈上的标准映射。第八部分规定了ACSI（抽象通信服务接口，DL/T860.72）的对象和服务到MMS（制造报文规范，GB/T16720-2005）和ISO/IEC8802-3帧之间的映射。第十部分一致性要求调查和确定它们的有效性是系统和设备验收的重要部分。为了系统和设备的互操作性，本标准系列第10部分规定了变电站自动化系统设备的一致性测试方法，给出了建立测试条件和系统测试的导则。图1IEC61850规约十个部分的名称和关系图1.4数字化变电站的层次关系图2数字化变电站层次和服务关系图图2中十个数字连接具体是：（1）间隔层装置与变电站监控系统之间交换事件和状态数据——MMS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MappingStackAMappingStackAMappingStackYMappingStackXStation/Interbaybus(LAN)MMS+GOOSEPorcessbus(LAN)GOOSE+SMVPart1Part2Part3Part4Part5Part6Part7Part10Part8通信服务映射Part9通信服务映射功能A功能B继电保护控制继电保护控制变电站层间隔层过程层9控制中心技术服务1071，61，68远方保护高压设备远方保护高压设备224，54，533（2）间隔层装置与远方保护交换数据——私有规约，未来发展也可用以太网方式借用GOOSE或SMV（3）间隔内装置间交换数据——GOOSE（4）过程层与间隔层交换采样数据——SMV（5）过程层与间隔层交换控制和状态数据——GOOSE（6）间隔层装置与变电站监控系统之间交换控制数据——MMS（7）监控层与保护主站通信——MMS（8）间隔间交换快速数据——GOOSE（9）变电站层间交换数据——MMS（10）变电站与控制中心交换数据——不在标准范围，也有用户希望采用618501.5IEC61850模型的层次关系物理设备映射到IED，然后将各个功能分解到LN，组织成一个或者多个LD。每个功能的保护数据映射到DO，并且根据功能约束（FC）进行拆分并映射到若干个DA（见图3）。图3ICD模型的基本层次示意图2、IEC61850服务从装置研发角度来看，IEC61850标准的服务实现主要分为三个部分：MMS服务、GOOSE服务、SMV服务。其中，MMS服务用于装置和后台之间的数据交互，GOOSE服务用于装置之间的通讯，SMV服务用于采样值传输，三个服务之间的关系见图4。在装置和后台之间涉及到双边应用关联，在GOOSE报文和传输采样值中涉及多路广播报文的服务。双边应用关联传送服务请求和响应（传输无确认和确认的一些服务）服务，多路广播应用关联（仅在一个方向）传送无确认服务。目前，PCS系列装置IEC61850模块支持上述所有服务。图4MMS、GOOSE和SMV三个服务的关系图如果把IEC61850标准的服务细化分，主要有：报告（事件状态上送）、日志历史记录上送、快速事件传送、采样值传送、遥控、遥调、定值读写服务、录波、保护故障报告、时间同步、文件传输、取代，以及模型的读取服务。细化服务和模型之间的关系见图5。1..*DataAttributeLOGICAL-DEVICESERVERBUFFERED-REPORT-CTRL-BLOCK0..*LOG0..1LOG-CONTROL-BLOCK0..*10..*0..*SETTING-GROUP-CONTROL-Block0..1GOOSE-CONTROL-BLOCK0..1GSSE-CONTROL-BLOCK0..1MULTICAST-SAMPLED-VALUE-CTRL-B.0..10..1DataSet10..*10..*10..*10..*10..*10..*10..*1111111111110..*1..*1111..*DATA11..*11131414141415151616Substitution12Control17Time18File206891010LOGICAL-NODE0..*10..*LLN0UnICAST-SAMPLEDVALUE-CTRL-B.UNBUFFERED-REPORT-CTRL-BLOCKControlBlocks图5IEC61850-7-2的模型和服务的关系图从用户使用角度来看，IEC61850标准的实现主要分为客户端（后台）、服务器端（装置）、配置工具三个部分。配置文件是联系三者的纽带。2.1MMS服务PhysicalDeviceACSIServerApplicationDataDataDataPhysicalDeviceACSIClientApplicationPhysicalDeviceACSIServerApplicationDataDataI/OdataI/OdataI/OdataACSIServicesreportControlrequestresponseControlrequestresponsepublishersubscribersubscriberGOOSE/GSSEmessagesorsampledmeasuredvaluesMulticast(peer-to-peer)2.1.1MMS介绍MMS（manufactoringmessagespecification）即制造报文规范，是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。MMS是由ISOTC184开发和维护的网络环境下计算机或IED之间交换实时数据和监控信息的一套独立的国际标准报文规范。它独立于应用和设备的开发者。MMS特点介绍如下：（1）定义了交换报文的格式；结构化层次化的数据表示方法可以表示任意复杂的数据结构ASN.1编码可以适用于任意计算机环境（2）定义了针对数据对象的服务和行为；（3）为用户提供了一个独立于所完成功能的通用通信环境。2.1.2MMS功能（1）信号上送开入、事件、报警等信号类数据的上送功能通过BRCB（有缓冲报告控制块）来实现，映射到MMS的读写和报告服务。通过有缓冲报告控制块，可以实现遥信和开入的变化上送、周期上送、总召、事件缓存。由于采用了多可视的实现方案，事件可以同时送到多个后台。（2）测量上送遥测、保护测量类数据的上送功能通过URCB（无缓冲报告控制块）来实现，映射到MMS的读写和报告服务。通过无缓冲报告控制块，可以实现遥测的变化上送（比较死区和零漂）、、周期上送、总召。由于采用了多可视的实现方案，使得事件可以同时送到多个后台。（3）定值定值功能通过定制控制块（SGCB）来实现，映射到MMS的读写服务。通过定制控制块，可以实现选择定值区进行召唤、修改、定制区切换。（4）控制遥控、遥调等控制功能通过IEC61850的控制相关数据结构实现，映射到MMS的读写和报告服务。IEC61850提供多种控制类型，PCS系列装置实现了增强型SBOw功能和直控功能，支持检同期、检无压、闭锁逻辑检查等功能。（5）故障报告故障报告功能通过RDRE逻辑节点实现，映射到MMS的报告和文件操作服务。录波文件产生时，RDRE下的RcdMade和FltNum通过报告上送到后台；后台以如下方式召唤故障报告：IED名称_LD名称_故障序号_*.HDR（CFG、DAT）。统一规范的故障报告采用XML格式存放在HDR文件中，内容如下：2.2GOOSE服务2.2.1GOOSE介绍IEC61850标准中定义的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)以快速的以太网多播报文传输为基础，代替了传统的智能电子设备〔IED)之间硬接线的通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE服务支持由数据集组成的公共数据的交换，主要用于保护跳闸、断路器位置，联锁信息等实时性要求高的数据传输。GOOSE服务的信息交换基于发布/订阅机制基础上，同一GOOSE网中的任一IED设备，即可以作为订阅端接收数据，也可以作为发布端为其他IED设备提供数据。这样可以使IED设备之间通讯数据的增加或更改变得更加容易实现。2.2.2GOOSE功能PCS系列装置使用独立的高性能DSP板卡来实现GOOSE功能，具有很高的实时性和可靠性。板卡自带的两个百兆全双工光纤以太网接口，可以分别对应不同的VLAN网络。GOOSE双网配置提高了系统的可靠性和稳定性。（1）GOOSE收发机制为了保证GOOSE服务的实时性和可靠性，GOOSE报文采用与基本编码规则(BER)相关的ASN.1语法编码后，不经过TCP/IP协议，直接在以太网链路层上传输，并采用特殊的收发机制。GOOSE报文发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。在GOOSE数据集中的数据没有变化的情况下，发送时间间隔为T0的心跳报文，报文中的状态号（stnum）不变，顺序号（sqnum）递增。当GOOSE数据集中的数据发生变化情况下，发送一帧变位报文后，以时间间隔T1，T1，T2，T3进行变位报文快速重发。数据变位后的报文中状态号（stnum）增加，顺序号（sqnum）从零开始。GOOSE