IEC61850标准理解

IEC61850标准理解一 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，IEC 61850 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：IEC 61850 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）。远方控制中心技术服务7功能A功能B9变电站层3控制继电保护3控制继电保护81616间隔层传感器操作机构过程层接口过程层高压设备454510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IEC 61850 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FCFunction Constraint）等。IEC 61850-7-3 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，IEC 61850-7-4 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。IEC 61850 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IEC 61850-6 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IEC 61850-5 和IEC 61850-7 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）IEC 61850 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，IEC 61850 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IEC 60870-5 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，IEC 61850 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SCSM1SCSMN相对应。IEC 61850 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。1.2 IEC61850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。IEC 61850-7-4 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：class LOGICAL_NODEpublic:/ INT8U DataNumber;INT8U DataSetNumber;ObjectName LNName;/在逻辑设备作用域内唯一标识逻辑节点ObjectReference LNRef;/在系统作用域内的引用vector Data;/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;Reference GetLogicalNodeDirectory(ObjectReference x,int x2);Reference GetAllDataValues(ObjectReference x,FCType x2);以下是一个逻辑节点例子-断路器类的定义：class XCBR:public LOGICAL_NODEpublic:/基本逻辑节点信息INC Mode;/MINS Beh;/M;INS Health;/M;LPL NamPlt;/M;SPS Loc;/M;INS EEHealth;/O;DPL EEName;/O;INS OpCnt;/M;/可控数据DPC Pos;/ MSPC BlkOpn;/ MSPC BlkCls;/ MSPC ChaMotEna;/O/测量量BCR SumSwARs;/O;/状态信息INS CBOpCap;/ MINS POWCap;/ OINS MaxOpCap;/ OXCBR()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=new DATA_SET1;/ DataSet.push_back(new DATA_SET);DataSet0.DSName=AlarmXCBR;DataSet0.DSMNumber=2;/ DataSet0.DSMemberRef=new ObjectReferenceDataSet0.DSMNumber;Pos.DataRef=Pos;Pos.ctlVal.DATRef=Pos.ctlVal;DataSet0.DSMemberRef.push_back(Pos.DataRef);DataSet0.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：class LOGICAL_DEVICEpublic:ObjectName LDName;/逻辑设备名；唯一标识系统作用域中的逻辑设备；ObjectReference LDRef;/逻辑设备路经名；和逻辑设备名相同；vector LogicalNode;/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Reference GetLogicalDeviceDirectory(ObjectReference x);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：class SERVERpublic:/ INT8U LDNumber;ObjectName ServiceAccessPoint2;vector LogicalDevice;vector Files;TPAA* TPAppAssociation;MCAA* MCAppAssociation;Reference GetServerDirectory(int i);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,GetDataDirectory GetDataDefinition;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。3 SCL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IEC 61850 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，IEC 61850 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IEC 61850 的通信协议栈。IEC 61850-8-1、IEC 61850-9-1 和IEC 61850-9-2 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（Manufacturing Message Specification）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。IEC 61850 的GSSE 代表了UCA 2.0 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（Simple Network Protocol，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。比如说服务端是C+实现的，而客户端是Java实现的，如何实现它们之间的通信？4） SCL配置文件的传输在IEC61850标准中没有定义，在实际应用中采用何种方式实现好？5）对于间隔层与间隔层、间隔层与过程层之间的通信如何映射到ASCI？6） 某些名词的理解,比如我们平常经常说的SOE是归属于GSE（通用变电站事件）还是日志控制块？7） 各种通信服务要求的组网结构？最后，由于时间和个人知识能力的关系，对IEC61850标准的理解还是比较肤浅，对标准的许多细节和实现还缺乏深一步的理解和研究，上文是个人的一些初步理解，文章中难免存在错误之处，敬请见谅！