IEC61850学习笔记

第一章 概述

0、标准的目的：

规定各项要求，并提供一个框架以达到由不同供应商提供的智能电子设备(IED)的互操作性。

IEC61850 将变电站通信体系分为 3 层：变电站层（第 2 层）、间隔层（第 1 层）、过程层（第 0 层）。

(1) 在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（ MMS ）、传输控制协议 / 网际协议（ TCP/IP ）以太网或光纤网。

(2) 在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。 IEC61850 标准中没有继电保护管理机，变电站内的智能电子设备（ IED ，测控单元和继电保护）均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

(3) 除此之外，每个物理装置又由服务器和应用组成。由 IEC61850 来看，服务器包含逻辑装置，逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性。这种分层，需要有相应的抽象服务来实现数据交换，这就是 IEC61850 的另一个特点：抽象通信服务接口（ ACSI ）

 

 

变电站层
　　　变电站层的主要任务是：通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心；接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有（或备有）站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声音等多媒体功能；具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。
间隔层
　　　间隔层的主要功能是：汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能，必要时，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。
过程层
　　　过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能化电气设备的智能化部分，其主要功能可分为三类：①电气运行的实时电气量检测。即利用光电电流、电压互感器及直接采集数字量等手段，对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测。②运行设备的状态参数在线检测与统计。如对变电站的变压器、断路器、母线等设备在线检测温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。③操作控制的执行与驱动。在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。

 

 

1、以软件工程角度理解IEC61850

(1)  可行性分析:

前言和概述 PART 1

(2)  需求分析：

一般要求PART 3

功能通信要求和设备模型PART5

(3)  设计：

变电站和馈线设备基本通信结构PART 7

7-1 原理和模型

7-2 抽象通信服务接口:提供为各种不同功能交换信息的服务(如：控制、报告、读、  写等)，即如何交换信息。

7-3 通用数据类：有公共采用的信息表(如：双点控制、三相测量值等)，即公共信息是  什么。

7-4 兼容逻辑节点和数据类：定义变电站自动功能(如：带断路器位置状态的断路器， 保护功能定值等)的特定信息模型，即建模和交换什么。

(4)  实现：

变电站自动化配置语言PART 6  ：提供变电站IED形式配置描述以及和其他IED、电力过程关系的描述(单线图),即如何配置。

特殊通信服务映射

映射到MMS PART 8-1  ：定义在IED之间传送信息的具体方法(如应用层、编码等)，即在交换时如何串行发送信息。

串行双向多点对点连接PART 9-1

基于过程总线在IEEE802.3上映射 PART 9-2

(5)  测试：

一致性测试PART 10

(6)  系统说明书:

术语PART 2

系统和项目管理PART 4

 

2、标准制定方法

(1) 功能分解：理解分布功能组件间的逻辑关系，并用描述功能、子功能和功能逻辑节点表示。

(2) 数据流：是为了理解通信接口，通信接口应支持分布功能组件交换信息和功能性能要求。

(3) 信息建模：用于定义信息交换的抽象语义和语法，并用数据对象类和类型、属性、抽象对象方法（服务）和它们之间关系表示。

 

3、功能

(1) 变电站自动化的功能是控制和监视，以及一次设备和电网继电保护和监视。其它功能是和系统本身有关，如：通信的监视。

功能分层：变电站层、间隔层、过程层。

(2) 逻辑接口：

IF1 ：在间隔层和变电站层间交换 保护 数据；

IF2 ：在间隔层和远方保护间交换保护数据；

IF3 ：在间隔层内交换数据；

IF4 ：在过程层和间隔层间CT和VT 瞬时数据 交换（如：采样值）；

IF5 ：在过程层和间隔层间交换 控制 数据；

IF6 ：在间隔层和变电站层间交换 控制 数据；

IF7 ：在变电站层和远方工程师工作站间交换数据；

IF8 ：在间隔层间直接交换数据，特别是快速功能（如联锁）；

IF9 ：在变电站层间交换数据；

IF10 ：在变电站层和控制中心间交换数据。

 

(3) 功能->子功能(逻辑节点),位于不同物理设备的两个或多个逻辑节点所完成的功能称为分布的功能。

(4) 功能描述

    功能的任务；

    功能的启动准则；

    功能的结果和迎新；

    功能的性能；

    功能的分解；

    和其它功能的交互作用。

(5) 逻辑节点描述

    按照它们大多数公共应用领域进行分组；

    功能的短文本描述；

    如果合适，采用IEEE设备功能序号；

    用表格和功能描述来表示功能和逻辑节点间的关系；

    用表格描述被交换的通信信息片。

(6)功能分类

a.系统支持功能：网络管理、时间同步、物理装置自检；

b.系统配置或维护功能：节点标识、软件管理、配置管理、逻辑节点运行模式控制、设定、测试模式、系统安全管理；

c.运行或控制功能：访问安全管理、控制、指示瞬时变化的运行使用、同期分合、参数集切换、告警管理、事件记录、数据检索、扰动/故障记录检索；

d.就地过程自动化功能：保护功能(通用)、距离保护、间隔联锁、测量和计量及电能质量监视；

e.分布自动化支持功能：全站范围联锁、分散同期检查；

f.分布过程自动化功能：断路器失灵、自适应保护(通用)、反向闭锁、负荷减载、负荷恢复、电压无功控制、馈线切换和变压器转供、自动顺控。

4、应用模型组成

标准规定了抽象服务和对象集，使得应用和特定协议无关，这种抽象允许制造商和用户保持应用功能和优化这些功能。

应用模型组成：

---- 制造商和用户生成应用，去调用或响应适当的抽象通信服务接口(ACSI)服务集。

---- 制定了用于应用和应用对象间的抽象服务集，用于变电站自动化系统的组件间兼容的信息交换。然而，必须通过使用具体的应用协议和通信协议集实现这些抽象服务/对象。

5、应用的数据和服务三层次建模：

第1层：抽象通信服务接口；

第2层：公共数据类

第3层：兼容逻辑节点类和数据类。

6、工程工具

工程设计工具

参数化工具

文件编制工具

 

SSD:系统规范描述文件
SCD:系统配置描述文件
ICD :IED能力描述文件
CID :IED配置后描述文件

 

7、参数

根据处理方法和输入程序分类

- 配置参数：定义整个SAS及其IED的整体行为。产生和修改离线方式，通常包括：系统参数、过程参数。

- 运行参数：定义SAS部分功能的行为。可在线改变，通常包括：过程参数、功能参数。

 

根据来源和功能分类

- 系统参数：决定IED的[配合，包括SAS在其工艺极限和可用元件等方面的内部结构和过程。

- 过程参数：描述PE和SAS间交换的所有类型的信息。

- 功能参数：对用户使用的定性和定量的特性的描述。

 

第二章 SCL

变电站智能电子设备配置语言:

规定了描述和通信有关的智能电子设备IED配置和IED参数、通信系统配置、开关场结构及它们之间关系的文件格式。

 

1、工程配置过程

 

 

 

 

 

  2、配置数据传给LED方法

 

(1) 本地文件传输：通过连接到LED的本地工程师工作站进行文件传输（不在本标准中定义）；

(2) 远方文件传输：如标准中的文件传输方法，文件格式不在本标准中定义，可选择SCL；

(3) 访问存取方法：通过访问存取按标准中定义的参数和配置数据。

 

3、SCL作用域

(1) 一次系统结构：采用哪些一次设备，设备是怎样连接的；

(2) 通信系统：描述IED和哪个子网络与网络相连，和它们的哪个通信访问点相连（通信端口）；

(3) 应用层通信：数据如何组成数据集，IED如何触发发送选择哪种服务，从其他IED需要哪些数据；

(4) 每个IED:描述每一个IED配置了哪些逻辑设备，每个逻辑设备拥有哪些类的哪些逻辑节点，可得到什么报告，报告中有哪些数据和预配置关联可用，记录哪些数据；

(5) 实例的逻辑节点(LN)类定义：这里定义的实例的LNType,包含实际可用的DO和服务；

(6) 一方面描述实例的逻辑节点间的关系(和主IED的关系)，另一方面开关场(功能)部分间关系。

 

4、SCL对象模型

(1) 变电站模型：描述开关场设备(过程设备)、它们按单线图的连接(拓扑)、设备和功能说明描述，按IEC61346的功能结构去构成说明；

(2) 产品模型：代表与SAS所有产品相关对象如IED、逻辑节点等；

(3) 通信模型：它包含与通信相关的对象类型，如：子网、通信访问点，描述IED间通信连接，间接描述客户和服务器的逻辑节点间的连接。

 

5、用于通信系统中的信号标识

信号名构成：

(1)标识过程中逻辑设备LD的用户定义部分(LDName)；

(2)一个用于区分同一智能电子设备IED/LD中相同类的几个不同逻辑节点LN的功能相关部分(LN-Prefix)；

(3)标准的逻辑节点LN类名(LN class name)和逻辑节点LN实例Id(LN instance Id),用于区分同一智能电子设备IED中相同类的几个不同逻辑节点LN；

(4)由数据对象名(DataName)和属性名(DataAttributeName)组成的信号标识。

 

备注：(2)(3)部分一起区分一个IED的同一个LD内不同LN实例。

 

第3章 实战

1、数字化变电站案例

 

2、网络

间隔层网络：

（1) 连接站控层的计算机和间隔IED。采用客户/服务器模式通信，站控层计算机客户端，间隔层IED为服务器。

（2) 完成IED级的五防功能。采用基于发布/订阅模式通信的GOOSE报文。

（3) 可以用100M光以太网和电以太网。

过程层网络：

(1) 连接间隔层IED和过程层IED(如：合并单元、智能单元)。采用发布/订阅模式通信。

(2) 主要完成传输测保装置需要的采样值(SV)和开关量(GOOSE)。

(3) 一般用100M光以太网。

3、分层设备和功能

站控层：

(1) 包括变电站监控系统、远动系统、防误闭锁系统、保护信息管理系统、通讯监控系统、电量远传系统、安防监视系统及火灾报警系统的功能。

(2) 站控层设备与间隔层设备之间采用IEC61850进行通信，实现网络共用、信息共享 。

间隔层：

(1) 包括测保装置、计量装置、录波装置、归约转换装置的功能。

(2) 采用通信手段解决跨间隔的数据传输，例如启动失灵、闭锁重合闸

过程层：

(1) 主要包括智能单元和合并单元 。

(2) 智能单元主要通过GOOSE报文实现开关/刀闸控制、开关/刀闸状态上送等功能，GOOSE报文参照标准为IEC 61850-8-1。

(3) 合并单元完成对电子式互感器同步采样的控制和收集，按IEC 61850-9-1标准通过光以太网提供给间隔层IED使用。

4、IEC61850建模流程图

5、IEC61850实现步骤

(1)分配、合并、定义装置的自动化功能，从逻辑节点库中提取对应的逻辑节点（Logical Node，LN），组建成装置对应的逻辑设备（Logical Device， D），构建出信息模型的框架；用数据对象（Data Object，DO）及其属性（Data Attribute，DA）对模型进行填充、描述，实例化信息模型的属性。
(2)依照抽象通信服务接口（Abstract Communication Service Interface，ACSI），根据信息模型的属性构建出信息模型的服务（Services）。
(3)依照特殊通信服务映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）将抽象的通信服务映射到具体的通信网络及协议上，服务借
助通信得以实现。
(4)依照变电站配置语言（Substation Configuration description Language，SCL）组织并发布装置的配置文件，实现装置信息和功能服务的自
我描述，服务可被识别和享用。

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