IEC61850技术体系分析.ppt

技术体系分析 国电南思系统控制有限公司 张结 IEC61850 IEC61850是一个技术体系，在追求互操作性的同 时，也追求长期肯定性，和应用的灵活性。对长 期肯定性，和应用灵活性的追求使 IEC61850的互 操作性成为一种“实现互操作性”的基础，并不 等于互操作性本身。 引言 探讨 IEC61850长期稳定性、应用灵活性、互操作 性的本质和关系，以及其所建立的技术体系是本 研究的基本目的。 以 IEC61850技术体系为基础，明确 IEC61850互操 作性与应用互操作性的关系，建立应用所需要的 互操作性的技术途径是本研究的现实目的。 IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations 变电站通讯网络及系统系列标准 文档结构 目标及作用 互操作性、自由分布、长期稳定性 开放性 技术路线 协议栈与通信服务的解偶 协议栈 通信服务与模型结构的偶合 服务 开放的建模 模型 对过程数据的支持 描述语言 目录 向具体协议栈的映射 (SCSM) Part 8-1: Mapping to MMS and to ISO/IEC 8802-3 Part 9-1: Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point-to-Point link Part 9-2: Sampled values over ISO 8802-3 Part 7-2: Abstract Communication Services (ACSI) Part 7-1: Principles and Models 抽象通讯服务 Part 7-4: Compatible Logical Node Classes and Data Classes Part 7-3: Common Data Classes 信息模型 Part 10: Conformance Testing 测试 Part 1: Introduction and Overview 系统部分 Part 2: Glossary Part 3: General Requirements Part 4: System and Project Management Part 5: Comm. Requirements for Functions and Device Models 配置 Part 6: Configuration Language for electrical Substation IEDs 文档结构 长期稳定性 标准应向后 兼容 , 以适应 通讯技术 和 系统要求 的发展 目标与作用 互操作性 来自一个或多个厂家的 IED之间 交换 信息和 正确 使用 信息完成各自功能的能力 功能自由分布 标准需要支持各种 策略 以允许功能的自由分 布，例如：集中式和分布式系统 传统通信协议 信息规定在传输帧格式中 协议的过时 信息的扩展、通信技术的发展 导致协议的不稳定 103最明显 IEC61850 不受通信技术发展的影响 不受信息扩展的影响 适用范围广 一个标准 2版的目标更明显 作用 对标准化组织 长期利益 对产品 开发过程中的利益 对 运行单位 ？ 信息的稳定性 目标与作用 长期稳定性 数字化变电站中的功能自由分布 变电站自动化形态的发展和变化可能 数据、信号的共享是前提 通信技术的支持是保障 ？ IEC61850的作用 覆盖过程层、间隔层、站控层 2版包括纵联通道、甚至远动 传输信息的内容根据功能分布 设计结果 与传统协议的对比 前提是功能分布确定 事实上不可能确定 协议不体现设计结果 产品、工程 协议体现设计结果 IEC61850本身不满足目 前数字化变电站的矛盾所在 目标与作用 功能自由分布（ 1） Technical Services Remote control (NCC) CONTR. PROT. FCT. A FCT. B PROT. CONTR. Sensors Actuators Remote protection BAY/UNIT LEVEL STATION LEVEL PROCESS LEVEL HV Equipment Remote protection Process Interface 1,6 3 3 7 9 8 1,6 3 3 4,54,5 目标与作用 功能自由分布（ 2） 目标与作用 功能自由分布（ 3） 逻辑设备 “合并单元 ” LN PCTR LN PCTR LN TVTR LN PCTR LN PCTR LN TCTR 逻辑设备 “断路器 IED” LN PCTR LN PCTR LN XCBR 逻辑设备 “断路器 IED” LN PCTR LN PCTR LN XCBR PDIS 线路保护 传感器 执行机构 采样值 IEC 61850 保护跳闸 互操作性与其它目标的关系 不受协议栈更换的影响 长期肯定性 一种通用的通讯协议中承载 所有 可能的数据和信息 自 由分布特性 交换信息和理解信息 作用 最终价值 IEC 协议栈更换 产品 制造 协议栈更换 IEC61850修订 设计、运行 数字化变电站发展 目标与作用 互操作性（ 1） 目标与作用 互操作性（ 2） 61850 通信服务 产品的通信方式 产品设计 通信信息 如何通信 产品的通信 内容 工程 /运行 设计 哪些信息 向哪里通 信 通信技术 通信协议栈 产品所采用的通信技术 变电站的通 信内容和方 案 自由分布 承载任何信息 一种通信标准 信息承载方 式 目标与作用 互操作性（ 3） 61850 产品的通信方式 产品设计 产品的通信 内容 设计 /信息 规范 产品所采用 的通信技术 信息互操作性 通信互操作性 信息承载方 式 数字化变电 站互操作性 工程 / 运 行设计 变电站的通 信内容和方 案 目标与作用 互操作性（ 4） 通讯服务 信息模型 结构 语义空间 结构 信息语义约定 语义约定的 机制 内容 形式 确 定 性 目标与作用 开放性 适应各种 业务逻辑的变化 各种设备之间的 互操作性 方便通讯调试 和维护 适应系统技术 的发展 适应通讯技术 的发展 开放 *) 开放存在多个种类 IEC61850怎样建立了互操作性 产品如何应用 IEC61850才能获得互操作性支持 IEC61850所建立的互操作性是什么样的互 操作性 什么情况下有必要应用 IEC61850 把对 IEC61850应用的重点放在信息建模上 不仅仅是实现一种通信 应用的差异性导致无法实现互操作性 互操作性分为不同的层次 技术路线 探讨重点 协议栈与通信方式的解偶 通信方式固定 抽象通信服务（ 7-1、 7-2） 抽象通信服务向通信协议栈的映射（ 8-1、 9-1、 9-2） 协议栈更换 再映射 通信服务与模型结构的偶合 模型决定了产品所具有的通信服务（ 6） 模型表达了信息的承载方式（ 7-3、 7-4） 信息建模 描述哪些信息需要通信（ 7-4、 6） 描述信息如何通信（ 7-2、 6） 对过程数据的支持 技术路线 信息模型 对象 服务 应用： 开关设备， 保护，控制， 命令，事件 报警 , 变电站自动化应用领域 通讯技术 技术路线 协议栈与通信服务的解偶 (1) 慢 快 技术发展和变化 如何使标准 具有向后兼 容性 ? ISO/OSI 七层参考 模型 通讯 消息 , 报文 , 帧格式 物理介质 7 6 5 4 3 2 1 写 配臵参数 控制 设备 (直接控制 /选择控制 ) 基于事件的 报告传输 带时标的事件当地存储形成 记录 获取 目录信息 文件传输 例如： 参数或软件下载 上装监视信息，例如曲线或历史记录 传输 变电站通用对象事件 (GOOSE*) 传输 采样值 (SAV*) 技术路线 协议栈与通信服务的解偶 (2) 协议栈接口 Client /Server 通讯 模拟量采样值 (SAV) 模型 (对象 ,服务 ) 抽象通讯服务接 口 (A CSI ) 实时性要求 以太链路层 带优先级的以太物理层 IP TCP MMS 特定通讯服务映射 (SCSM) 通用变电站对象事件 (GOOSE) 通讯技术 应用领域： 变电站自动 化 技术路线 协议栈与通信服务的解偶 (3) 技术路线 协议栈比较（ 1） Layer Application IEC 60870-5-101 Based on IEC60870-5-3/4/5 Presentaion Session Transport Network Data Link Physical V.24, X.21,. IEC 60870-5-104 IEC 60870-5-102 Based on IEC60870-5-3/4/5 IEC 60870-5-101 FT1.2 ; -5-1/2 IEC 60870-5-102 FT1.2 ; -5-1/2 V.24, X.21,. ISO 8802.2LLC2 ISO 8802.X MAC Media RFC 791 IP RFC 793 TCP 映射 映射 映射 CL WAN 5-101 CL WAN 5-104 CL WAN 5-102 技术路线 协议栈比较（ 2） Layer CO TASE.1 Architecture CO TASE.2 Architecture Application IEC 60870-6-501/502 TASE.1 ISO 9072-1/2 ROSE ISO 8650 ACSE IEC 60870-6-503/802 TASE.2 ISO 9506 MMS ISO 8650 ACSE Presentaion ISO 8823/8825 BER Session ISO 8237 Transport ISO 8072/8073 class4,2,0 or RFC 1006/TCP (with IP) Network ISO 8348 Add.1/8473 CLNP or ITU-T X.25 PLP ISO 8208 or Frame Relay or RFC 791 IP Data Link ISO 8802.2 LLC1 or ISO 7776 LAPB or LLC2/ISDN ISO 8802.X MAC or ISO 9314 FDDI MAC Physical media,X.21,X.21bis,. 技术路线 协议栈比较（ 3） Layer Application IEC 61850-7-1/2/3/4 61850-8-1/2 ISO 9506 MMS ISO 8650 ACSE Presentaion Session Transport Network Data Link Physical ISO 8802.2 LLC1 / ISO8802.3 CSMA/CD media CL 3 LAYER CL 7 LAYER CO 7 LAYER ISO 8823/8825 ITU-T Fast Byte ISO 8327 ISO 8072/8073 CLASS 4 ISO9576/8825 ISO 9548 ISO 8602 ISO 8348 A.1 / 8347 CLNP 映射 技术路线 协议栈比较（ 4） 技术路线 通信协议和通信服务的演示 技术路线 通信服务与模型结构的偶合 服务器 逻辑设备 逻辑节点 数据 数据属性 LLN0 带缓存报告 不带缓存报告 报告控制块 记录 定值组控制 通用事件 测量 数据集合 数值取代 控制 文件 模型的作用 模型表达了信息的承载方式 数据类型 描述哪些信息需要通信 数据、信号 描述信息如何通信 通信参数 对模型体系的要求 能够描述任何信息 扩展 传输单位灵活 根据功能组合 自由 分布 表达信息的语义 技术路线 模型 特性 属性 值 属性 值 逻辑设备 (LD) 组合 物理设备 (IED) 定义为服务器 实现 逻辑节点 (LN) 数据 (对象 ) 数据 间隔单元 (名称非标准化 ) 控制 (名称非标准化 ) CSWI (开关控制 ) Pos (位置 ) ctlVal (控制值 /命令 ) off/on stVal (状态值 ) Intermediate-state/off/on/bad-state 技术路线 分层模型结构 LN XCBR 断路器 LN IHMI 站级人机界面 LN CSWI 开关控制 是全部吗 ? 依据可选数据判断是否完整 ! 对象列表 技术路线 从信号列表到对象列表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 信号列表 技术路线 信号在模型中的形式 IED（ 任意名称 ） LD（ 任意名称 ， 如 “ 距离保护 ” ） LN（ XJ_I_PDIS1） DO（ Op） DA（ 如 t表示动作时间 ） 变电所自动化系统中的通讯 信息在 设备 之间交换，所有 设备 构成了系统 确切地讲 , 是贮流在设备中的 功能及功能模块 之间在交 换信息 在 IEC 61850中 称进行信息交换的最小功能模块为 逻辑 节点 (LN) ，在特定的设备中可以被独立实现 LN 是与功能相关的 信息容器 但通常完成了整体功能的 一个部分 技术路线 LN的概念（ 1） 二次设备 控制 Q0/CSWI Q8/CSWI Q9/CSWI 间隔层界面 IHMI 距离保护 PDIS 变电站中的 LN 断路器 Q0_L1/XCBR Gas浓度监测 Q0_L1/SIMG 一次设备 隔离刀闸 Q9_L1/XSWI Gas浓度监测 Q9_L1/SIMG 接地开关 Q8_L1/XSWI Gas 浓度监测 Q8_L1/SIMG 技术路线 LN的概念（ 2） 技术路线 LN的概念（ 3） 设备举例 : 保护，测控一体化装置 设备举例 : 断路器 设备举例 : 站级工作站 XCBR (断路器 ) TCTR (CT) TVTR (PT) CSWI (开关控制 ) PDIS (距离保护 ) IHMI (人机界面 IF) 设备举例 : 一体化测量 L 系统 LN (2*) P 保护 (28) R 保护相关 (10) C 控制 (5) G 一般 (3) I 接口和记录 (4) A 自动控制 (4) M 计量和测量 (8) S 传感器及监视 (4) X 开关设备 (2) T 仪用变压器 (2) Y 电力变压器 (4) Z 未来电力设备 (15) 例如： PDIF: 差动保护 RBRF: 断路器失灵 XCBR: 断路器 CSWI: 开关控制 MMXU: 测量单元 YPTR: 电力变压器 以首写字母区分 技术路线 LN的概念（ 3） 技术路线 LN的内容（ 1） 逻辑节点 包括 数据 (对象 ) 数据分为：必选 (M), 条件可选 (C), 和可选 (O) M : 针对该 LN适应的功能都必须存在的数据 C : 在一定条件下这些数据必须存在 O: 可以存在或不存在 数据表现为对象 数据 包括 属性 属性分为：必选 (M), 条件可选 (C), 和可选 (O) 属性用于描述功能的特性 属性携带了数据值 逻辑节点的组合和实现 逻辑节点被组合在 逻辑设备 (LD)中 ,例如：依据共同的使用特 征。 逻辑设备在 物理设备 (IED)中实现 技术路线 LN的内容（ 2） XCB R c l a s s Attr i b ut e Na m e Attr . T y p e E x p l a na ti o n T M/ O L N N a m e S h a l l b e i n h e r i t e d f r o m L o g i c a l - N o d e C l a s s ( s e e I E C 6 1 8 5 0 - 7 - 2) Da ta Co mm o n L o g i c a l No d e I n f o rm a ti o n s ee E x a mp l e f o r L o g i c a l No d e ( 1) L N sh a l l i n h e r i t a l l Ma n da t o r y D a t a f r o m C o m m o n L o g i ca l No de C l a ss M Loc S PS L o ca l o pe r a t i o n (l o ca l m e a n s wi t h o u t su bst a t i o n a u t o m a t i o n co m m u n i ca t i o n , h a r dwi r e d di r e ct co n t r o l ) M E E H e a l t h INS E x t e r n a l e qu i pm e n t h e a l t h O E E Na m e D PL E x t e r n a l e qu i pm e n t n a m e p l a t e O O pC n t INS O pe r a t i o n co u n t e r M Co nt ro l s P o s D P C S w i t c h p o s i t i o n M B l k O p n S P C B l o c k o p e n i n g M B l k C l s S P C B l o c k c l o s i n g M C h a M o t E n a S P C C h a r g e r m o t o r e n a b l e d O Met er ed V a l ue s S u m S w A R s B C R S u m o f S w i t c h e d A m p e r e s , r e s e t a b l e O S ta tus I n f o rm a ti o n C B O p C a p I N S C i r c u i t b r e a k e r o p e r a t i n g c a p a b i l i t y M P O W C a p I N S P o i n t O n W a v e s w i t c h i n g c a p a b i l i t y O M a x O p C a p I N S C i r c u i t b r e a k e r o p e r a t i n g c a p a b i l i t y w h e n f u l l y c h a r g e d O 技术路线 DO的类型 /CDC D P C c l a s s A t t r i b u t e N a m e A t t r i b u t e T y p e FC T r g O p V a l u e / V a l u e R a n g e M / O D a t a N a m e I n h e r i t e d f r o m D a t a C l a s s ( s e e I E C 6 1 8 5 0 - 7 - 2) Da t a A t t r i b u t e c o n t r o l a n d s t a t u s c t l V a l B O O L E A N CO o f f ( F A L S E ) | o n ( T R U E ) A C _ C O _ M o p e r T i m T i m e S t a m p CO A C _ C O _ O o r i g i n O r i g i n a t o r C O , S T A C _ C O _ O c t l N u m I N T 8 C O , S T 0 . . 2 5 5 A C _ C O _ O s t V a l C O D E D E N U M ST d c h g i n t e r m e d i a t e - s t a t e | o f f | o n | b a d - s t a t e M q Q u a l i t y ST q c h g M t T i m e S t a m p ST M s t S e l d B O O L E A N ST d c h g A C _ C O _ O s u b s t i t u t i o n s u b E n a B O O L E A N SV P I C S _ S U B S T s u b V a l C O D E D E N U M SV i n t e r m e d i a t e - s t a t e | o f f | o n | b a d - s t a t e P I C S _ S U B S T s u b Q Q u a l i t y SV P I C S _ S U B S T s u b I D V I S I B L E S T R I N G 6 4 SV P I C S _ S U B S T c o n f i g u r a t i o n , d e s c r i p t i o n a n d e x t e n s i o n p u l s e C o n f i g P u l s e C o n f i g CF A C _ C O _ O c t l M o d e l E N U M E R A T E D CF s t a t u s - o n l y | d i r e c t - w i t h - n o r m a l - s e c u r i t y | s b o - w i t h - n o r m a l - s e c u r i t y | d i r e c t - w i t h - e n h a n c e d - s e c u r i t y | s b o - w i t h - e n h a n c e d - s e c u r i t y M s b o T i m e o u t I N T 3 2 U CF A C _ C O _ O s b o C l a s s E N U M E R A T E D CF o p e r a t e - o n c e | o p e r a t e - m a n y A C _ C O _ O d V I S I B L E S T R I N G 2 5 5 DC T e x t O d a t a N s V I S I B L E S T R I N G 2 5 5 EX A C _ D L N _ M c d c N s V I S I B L E S T R I N G 2 5 5 EX A C _ D L N D A _ M t a g Tag AX O S e r v i c e s A s d e f i n e d i n E r r o r ! R e f e r e n c e s o u r c e n o t f o u n d . *) Or igina l re pre se nt ation fo rm IE C 6 18 50 -7- 3 具有共同数据 属性的数据类 型称为 公共数据类 型 (CDC). 例如 DPC 代表可 控的双点信号 量 技术路线 模型 /建模演示 技术路线 SAV/GOOSE（ 1） 逻辑设备 “合并单元 ” LN PCTR LN PCTR LN TVTR LN PCTR LN PCTR LN TCTR 逻辑设备 “断路器 IED” LN PCTR LN PCTR LN XCBR 逻辑设备 “断路器 IED” LN PCTR LN PCTR LN XCBR PDIS 线路保护 传感器 执行机构 采样值 IEC 61850 保护跳闸 Merging Unit (MU) 来自 60044-7/8 采样值 (SAV) 9-1 固定 9-2可自定义 协议 栈相同 802.3/802.1PQ 执行机构（被智能化为 Breaker IED） 8-1 GOOSE 9-2 协议 栈 802.3/802.1PQ 数据版本和响应时间 使用意义 仍然需要通信技术的保证（另述） 技术路线 SAV/GOOSE（ 2） 技术路线 SAV/GOOSE通信过程演示 设备和系统结构 为了支持 互操作性 形式描述应包括 变电站自动化系统 的所有通讯 连接 无歧义地描述所有的 IED 能力 无歧义地描述所有的 通讯服务 无歧义地描述变电站自动化系统数据与 现场数据 的对应关系 描述语言 作用（ 1） 为了进行形式描述，提供了 变电站配臵描述语言 Substation Configuration description Language (SCL) 基于 XML 用于 设备配臵描述文件 (ICD) 系统配臵描述文件 (SCD) 系统功能定义文件 (SSD) 这些工程描述信息可以在工具之间交换 ! 描述语言 作用（ 2） 描述语言 作用（ 3） 61850 通信服务 产品的通信方式 产品设计 通信信息 如何通信 ICD/CID 工程 /运行 设计 哪些信息 向哪里通 信 通信技术 通信协议栈 产品所采用的通信技术 SSD/SCD 自由分布 承载任何信息 一种通信标准 信息承载方 式 CID ICD 库 当地文件传输 远程文件传输 IED能力描述 (LN, DO, 等 ) 采用 IEC61850服务进行文 件传输和参数初始化 工程制作环境 变电站自动化系统 IED IED IED IED 变电站网关 单线图，预制报 表等的关联 工程工作站 SCD 描述语言 使用 强调 “ 狭义应用 ” 对 IEC61850信息语义约定的应用 对语义空间约定方法的应用 “ 广义应用 ” 不等于互操作性 强调发挥 IEC61850的价值 从变电站自动化整体考虑 以 “ 功能自由分布 ” 为目标 从产品功能形态上支持 观点 补充（ 1） I E D S er v er 0. . *1 S ubE qu i pm ent S ubE qu i pm ent C ont a i ne r0. . n F unc t i onC ont a i ne rF unc t i on 0. . n S ubF un c t i on 0. . n G ene r al E qui pm en t 0. . * 0. . * 0. . * 0. . * S ubs t at i on ( f r om C o r e) V ol t ag eLe v el ( f r om C o r e) 1 0. . n B ay ( f r om C o r e) 0. . 1 0. . n E qui pm ent ( f r om C o r e) T r ans f o r m er W i n di n g ( f r om W i r es ) P ow er T r a ns f or m e r ( f r om W i r es ) 1. . n 1 E qui pm ent C on t ai ner ( f r om C o r e) 0. . 10. . n C ond uc t i ngE qui pm ent ( f r om C o r e) C onn ec t i v i t y N ode ( f r om T opo l ogy ) 0. . n1 M eas ur em ent T y pe ( f r om M e as ) P ow er S y s t e m R es ou r c e ( f r om C o r e) T er m i nal ( f r om C o r e) 0. . n1 0. . n 0. . 1 M eas ur em ent ( f r om M e as ) 0. . n 1 0. . 1 0. . n 0. . n 0. . 1 D at a A t t r i but e M eas ur em ent V a l ue ( f r om M e as ) 1. . n 1 0. . * 0. . 1 LD ev i c e 3. . * LN C l a s s D at a 1. . * LN ode 0. . * 1 0. . * 1. . * LN ode C on t ai ner 0. . * 补充（ 2） TMS EMS TMR CMS 网关 网关 电力系统数据网络 间隔单元 网关 站控系统 。 。 IED 测控单元 测控单元 IED 间隔单元 应用系统 IEC 61970 CIM/CIS 企业总线 IEC 61968 UIB 远程通信 IEC 60870-6 TASE.2 或 IEC 61850+ 站级总线 IEC 61850 （ 以太网 ） 过程总线 IEC 61850 （ 以太网 ） 远程通信 IEC 60870-6 TASE.2 或 IEC 61850+ 主站侧 厂站侧