北京四方IEC61850技术培训

IEC61850技术任雁铭yanmingsf-2008-7内容提要n IEC61850发展历程发展历程n IEC61850与传统技术比较与传统技术比较n IEC61850标准介绍标准介绍n IEC61850与数字化变电站的关系与数字化变电站的关系n IEC61850的不足与发展的不足与发展n IEC61850变电站网络结构变电站网络结构n 工程案例分析工程案例分析 IEC61850发展历程发展历程-现有技术及问题现有技术及问题n SAS在国外有20多年历史，国内有10多年历史。n 多种网络与私有协议并存。n 无法互操作。IEC61850发展历程发展历程-制定过程制定过程n 目标：互操作性（不是互换性）。一个世界，一种技术，一个标准n IEC TC57 WG10、11、12 制订（19952005）。n 2005年至今修订，2010年出第2版。n 代表了SAS技术的最新趋势，是实现数字化变电站的关键技术。n 是一个十分庞大的标准体系，不仅仅是一个通信协议。IEC61850与传统技术比较与传统技术比较n 互操作性 n 数据模型n 通信服务通信服务 n 工程配置n 影响范围IEC61850技术技术-与传统技术比较与传统技术比较n 互操作性互操作性 n 数据模型数据模型 1）现有技术）现有技术 优点：优点：简单，容易实现。简单，容易实现。缺点：缺点：不能满足用户各种需求，往往需要扩充；不能满足用户各种需求，往往需要扩充；扩充后不能相互识别，无法互操作。扩充后不能相互识别，无法互操作。IEC61850技术技术-与传统技术比较与传统技术比较n 数据模型数据模型 1）IEC61850技术技术 优点：优点：能够满足各种能够满足各种IED的个性化需求；的个性化需求；能够互操作；能够互操作；缺点：缺点：实现复杂，对硬件要求高。实现复杂，对硬件要求高。IEC61850与传统技术比较与传统技术比较-信息模型信息模型n IEC61850数据组织示例：Physical Device(network address)Logical Device(e.g.Relay1)MMXU1MMXU2MXMXAVLogical NodesFunctional Constraint“MMXU2$MX$A”=Feeder#2 Current MeasurementsIEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信协议通信协议n 通信协议通信协议 1）传统技术不严格分层，应用层与底层联系比较紧密。服务种类不能满足数字化变电站需要，不支持在线服务。2）IEC61850定义了独立于所采用网络和应用层协议的通信服务。解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾。3）IEC61850定义了60多种服务，可以满足变电站通信需求。支持在线获取数据模型，也支持IED水平通信（GOOSE报文）。IEC61850与传统技术比较与传统技术比较-通信服务通信服务n 通信服务-数据访问的方法n IEC61850定义了60多种服务，可满足数字化变电站通信需求。n 特点：1）支持在线获取数据模型；2）支持保护设备之间横向通信（GOOSE报文）。IEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信服务通信服务n 传统IED之间沟通方式：n IEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信服务通信服务n IED之间逻辑互锁：n 61850 GOOSEIEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信服务通信服务n IED之间通信的要求：n 1）1台设备同时向多台设备发报文；n 2）快速性（4ms）；.Bkr 1RelayTripBkr 2RelayBkr NRelayBkr 3RelayBFIIEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信服务通信服务n 上层定义与底层网络技术分开定义，可以随网络技术而发展IEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信服务通信服务IEC61850技术与传统技术比较拗技术与传统技术比较拗-通信服务通信服务IEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-通信服务通信服务n 通信服务层次IEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-工程配置工程配置IEC61850技术与传统技术比较技术与传统技术比较-影响范围影响范围IEC61850标准介绍标准介绍-文件构成文件构成 n 系统概貌系统概貌 IEC61850-1 介绍和概述 IEC61850-2 术语 IEC61850-3 总体要求 IEC61850-4 系统和项目管理 IEC61850-5 功能的通信要求和设备模型n 数据模型数据模型 IEC61850-7-4 兼容逻辑节点类和数据类 IEC61850-7-3 公用数据类IEC61850标准介绍标准介绍-文件构成文件构成 n 抽象通信服务抽象通信服务 IEC61850-7-1 原理和模型 IEC61850-7-2 抽象通信服务接口（ACSI）n 映射到实际的通信网络映射到实际的通信网络 IEC61850-8-1 映射到MMS和ISO/IEC8802-3 IEC61850-9-1通过单向多路点对点串行通信链路采样值 IEC61850-9-2 通过ISO/IEC8802-3传输采样值IEC61850标准介绍标准介绍-文件构成文件构成 n 配置配置 IEC61850-6 变电站IED的配置语言n 测试测试 IEC61850-10 一致性测试 IEC61850标准介绍标准介绍-变电站通信接口模型变电站通信接口模型n IEC61850为数字化变电站提供了全面的网络通信解决方案IEC61850标准介绍标准介绍-变电站通信接口模型变电站通信接口模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850技术介绍-数据模型Physical Device(network address)Logical Device(e.g.Relay1)MMXU1MMXU2DODODADALogical Nodes源自于CDCIEC61850技术介绍-数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型（部分）（部分）IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型（局部）（局部）IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-数据模型数据模型IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务n IEC61850定义了9大类60种ACSI。1）关联服务 2）信息模型服务 3）定值组服务 4）主动上送的报告服务 5）日志服务 6）快速报文服务 7）采样值服务 8）对时 9）文件服务IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务客户客户/服务器模式服务器模式IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务发布发布/订阅模式订阅模式IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务IEC61850标准介绍标准介绍-通信协议通信协议IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务控制控制IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务报告的配置报告的配置IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务事件：数据改变 周期性报告 总召唤2种报告：非缓存报告缓存报告IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务GOOSE的配置的配置IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务GOOSE通信过程通信过程IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务GOOSE通信过程通信过程GOOSE Sender Device XGOOSE ReceiverDevice YGOOSE ReceiverDevice ZEthernet一个装置（发布者）发布消息一个装置（发布者）发布消息,只有订阅者装置正在接收它。只有订阅者装置正在接收它。每个接受者的反应取决于它的配置和功能每个接受者的反应取决于它的配置和功能GOOSE messageGOOSE技术介绍n 传输内容 传送数据集，内容丰富、灵活 基于模型IEC61850标准介绍标准介绍-通信服务通信服务IEC61850标准介绍标准介绍-通信网络通信网络n IEC61850使用以太网技术。n 总线型和环网以及双网或单网等多种形式。n 以太网交换机必须支持优先级设置（IEEE802.1Q）和虚拟局域网（VLAN，IEEE802.1P）。IEC61850标准介绍标准介绍-工程配置语言工程配置语言SCLn 基于XML技术，IEC61850定义了一种变电站配置语言（SCL），描述变电站自动化系统与一次开关场之间的关系及IED配置情况。n SCL提供了统一工程数据格式。n SCL有4种文件类型，1）系统规范描述文件（SSD）2）系统配置描述文件（SCD）3）IED能力描述文件（ICD）4）IED配置后的描述文件（CID）IEC61850标准介绍标准介绍-工程配置语言工程配置语言SCLn SCL-实现了不同厂家工程工具的互操作，简化了工程实施过程。IEC61850标准介绍标准介绍-工程配置过程工程配置过程 IED数 据 库IED能 力（LN，DO）系 统配 置 器关 联定 义 的 交 换 信 息一 次 设 备 拓 扑IED配 置 器工 程 师 站文 件 传 输（远 方）变 电 站网 关文 件 传 输（当 地）IEDIEDIEDIEC61850服 务IEDIEC61850技术技术-一致性测试一致性测试开始静态一致性检查选择和参数化基本关联测试能力测试行为测试动态测试结果分析测试报告输出结束PICSMICSPIXIT静态一致性要求动态一致性测试一致性测试组信息测试人工干预控制流数据流IEC61850技术技术-一致性测试一致性测试IEC61850技术技术-一致性测试一致性测试测试案例举例测试案例举例IEC61850技术技术-一致性测试一致性测试目前一致性测试的局限性。面向功能测试。面向性能测试。IEC61850技术技术-获得互操作性的途径获得互操作性的途径n 统一数据模型n 统一服务模型n 统一通信协议n 统一物理网络n 统一工程数据交换格式n 统一一致性测试标准荷兰荷兰KEMA公司公司IEC61850权威测试权威测试n IEC61850一致性测试的必要性。n UCAIUG负责对检测机构进行授权。n KEMA公司。n KEMA公司测试原则及业务。n 目前已经通过检测的公司：ABB、SIEMENS、AREVA、GE、TOSHIBA等。荷兰荷兰KEMA公司公司IEC61850权威测试权威测试n 2008年1月四方公司间隔层6大类设备通过KEMA公司IEC61850一致性测试。IEC61850与数字化变电站的关系与数字化变电站的关系n 数字化变电站关注功能数字化变电站关注功能n 通信是数字化变电站的关键技术通信是数字化变电站的关键技术n 互操作性对对数字化变电站的基本要求互操作性对对数字化变电站的基本要求n IEC61850提供了完整解决方案提供了完整解决方案IEC61850的不足与发展的不足与发展n 第一版第一版(ED1)存在描述歧义和错误的地方。存在描述歧义和错误的地方。n IEC61850问题汇集机制问题汇集机制 http:/n IEC继续修订和补充，不断考虑新的需求，产生ED2和ED3.n 国内一些应用习惯不能直接套用 DL/T860工程实施规范 IEC61850的不足与发展的不足与发展 IEC61850 ED2n TISSUES New TISSUES 收集到CDV阶段；n 基本模型扩展 Statistical/Historical 水电和风电常用公共元素；n 领域扩展：电能质量；变电站之间通信的影响：n 2010年出版 IEC61850的不足与发展的不足与发展 IEC61850 ED2n 对7-2，7-3，7-4等修改部分进行支持n 对工程配置过程进行功能扩展，尤其是系统配置工具之间的数据交换。n 对IEC61850-6 ED1的错误、模糊不清部分进行更正和澄清。n 工程过程定义更加明确，考虑了IED修改等。IEC61850的不足与发展的不足与发展 IEC61850 ED3n TISSUESn 基本模型扩展：n 使用SCL对PLC逻辑进行描述；n 网络与系统管理；n 冗余；n 来自IEC62351的安全观点；n 基于角色访问的安全；n IEEE1588的对时；n 配置文件的下载和激活。n DER标准的通用元素；n 去掉IED特殊设置；n 变电站之间通信的影响；n 测试：系统测试 IEC61850的不足与发展的不足与发展 DL/T860工程实施规范n 是DL/T860标准的细化和补充。细化了不全面的部分，规范了不明确的部分，补充了满足国内应用习惯的部分模型，并规范了工程中可能引起歧义的其它内容。n严格遵循IEC61850。n不是应用指南。IEC61860的不足与发展的不足与发展 DL/T860工程实施规范 n 系统总体结构n 工程配置n 建模n 通信服务n 一致性测试IEC61850的不足与发展的不足与发展 DL/T860工程实施规范指导意义n 可以减少歧义，有利于提高不同厂家设备间的互操作性。n 有利于IEC61850推广应用。n 为用户、厂家、设计院提供了实施IEC61850的重要支撑和依据。IEC61850技术发展技术发展IEC61850变电站网络结构变电站网络结构n 以太网构成基本方式：星型 环型n 冗余方式 双网 自恢复IEC61850变电站网络结构变电站网络结构n 传输信息的重要程度对网络的可靠性提出了不同要求n 安装环境对网络设备提出了不同要求n 必须考虑网络设备的兼容性IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 装置单环网装置单环网IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 装置单环网装置单环网n 优点：网络结构简单、投资费用低。n 缺点：1）实时性差，环网发生故障时自愈时间需要数十毫秒至数百毫秒，不能满足继电保护装置之间数据交换的性能要求。2）装置检修时对环网通信的影响很大。IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 单星型网单星型网IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 双星型网双星型网IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 星型网星型网n 优点：网络实时性好，网络延时最少，可以满足继电保护装置之间实时数据交换的性能要求，尤其是保护GOOSE通信。n 缺点：网络冗余性较差，单星型网交换机之间网络发生单点故障时，双星型网交换机之间发生交叉故障时，网络通信将受到较大影响。IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 单环网单环网IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 双环网双环网IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 环型网环型网n 优点：网络冗余性最好，交换机之间网络发生故障时，通过环网自愈依然可以保证网络通信。n 缺点：1）网络实时性差，环网中节点间的网络通信延时要高于星型网，另外环网发生故障时自愈时间需要数十毫秒至数百毫秒，不能满足继电保护装置之间数据交换的性能要求。2)网络可靠性较差，环网通信基于快速生成树协议，通信故障时可能会引起网络风暴问题。3)设备兼容性较差，不同厂家交换机的私有快速生成树协议实现方式存在差异，互联时可能会有问题。4）投资成本高于星型网，因为交换机需要的网口数要多于星型网。IEC61850变电站网络结构变电站网络结构 变电站层双网通信冗余机制变电站层双网通信冗余机制n 双网双双网双IP通信机制通信机制 双网采用各自独立的IP网段地址进行通信。优点：是双网各自独立，网络底层不用切换，但应用层处理较复杂，双网可靠性取决于应用层双网处理机制，常见的有双发双收模式，热备用模式和冷备用模式。n 双网单双网单IP通信机制通信机制 将双网绑定为一条逻辑链路，组成冗余网络，实现双网卡单IP通信。这种机制优点是应用层处理和配置都较简单，和单网是一样。双网可靠性只取决于双网的网络底层切换。工程案例分析工程案例分析-聂刘聂刘330kV 变电站变电站工程案例分析工程案例分析-聂刘聂刘330kV变电站变电站n 第一个第一个IEC61850 330kV变电站。变电站。n 北京四方作为系统集成商，提供监控和大部分保护。北京四方作为系统集成商，提供监控和大部分保护。n 间隔层：间隔层：n 北京四方：测控装置、高压线路保护、中压线路保北京四方：测控装置、高压线路保护、中压线路保护、变压器保护、低压馈线保护、低压系列测保一护、变压器保护、低压馈线保护、低压系列测保一体装置体装置n 南瑞继保：高压线路保护、变压器保护、母线保护南瑞继保：高压线路保护、变压器保护、母线保护n 国电南自装置：远跳装置、中压线路保护国电南自装置：远跳装置、中压线路保护n 深圳南瑞装置：母线保护深圳南瑞装置：母线保护n 投运时间：投运时间：2007年年6月月28日日 工程案例分析工程案例分析-聂刘聂刘330kV变电站变电站n 出现的问题：出现的问题：1）模型 不正确、内外不一致。2）服务 不规范。n 解决办法：解决办法：1）预联调 2）要求修改。工程案例分析工程案例分析-聂刘聂刘330kV变电站变电站n 模型实例。n 工具实例。n 系统配置器实例。工程案例分析工程案例分析-郭家屯郭家屯220数字化数字化 变电站变电站工程案例分析工程案例分析-郭家屯郭家屯220kV变电站变电站n 唐山郭家屯变电站 1）完整3层结构 2）ECT/EPT,智能单元 3）保护GOOSE网络跳闸 4）全面取消二次电缆硬链接 5）220kV测保一体化工程案例分析工程案例分析-郭家屯郭家屯220kV变电站变电站n 连接站控层的计算机和间隔层IED。采用客户/服务器模式通信，站控层计算机为客户端，间隔层IED为服务器。n 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。n 可以用100M光以太网或电以太网。间隔层网络n 连接间隔层IED和过程层IED（例如合并单元、智能单元）。采用发布/订阅模式通信。n 主要完成传输测保装置需要的采样值（SV）和开关量（GOOSE）。n 一般用100M光以太网。过程层网络n 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。n 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。站控层设备n 包括测保装置、计量装置、录波装置、归约转换装置的功能。n 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。间隔层设备n 由于过程层交换机地位等同于原CT、PT回路，必须具备较高的电磁兼容指标，有较宽的工作温度范围，支持直流供电，并且是无风扇设计。n 具备优先级（Qos）、虚拟局域网（VLAN）、抑制广播风暴等功能。过程层交换机工程案例分析工程案例分析-郭家屯郭家屯220kV变电站变电站n 主要包括智能单元和合并单元。n 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。n 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。过程层设备工程案例分析工程案例分析-郭家屯郭家屯220kV变电站变电站1234567891011线路保护间闭锁重合闸线路保护间三跳启动重合闸线路保护间单跳启动重合闸线路保护间沟通三跳线路发出的ABC分相跳闸线路发出的重合闸操作箱发出的低压闭锁重合闸线路接收的闭锁重合闸线路接收的远跳信号操作箱发出的ABC跳位信号线路发出的ABC分相启动失灵1213141516171819202122母差发出的跳线路操作箱母差接收的三相启动失灵变压器发出的启动失灵变压器发出的解除复压闭锁#1和#2母差发出的跳主变高压侧开关#1和#2母差发出的跳母联开关#1和#2母差发出的失灵联跳变压器三侧开关#1和#2母差接收的母联三相启动失灵变压器发出的跳高中低三侧开关变压器发出的跳母联开关母联保护发出的跳母联开关220kV以GOOSE替代的信号n 原采样在保护装置内各自独立实现，现由MU分别控制，当MU之间的外部同步系统故障时，会出现采样失步情况，保护会自动采取告警、抬高定值、闭锁等措施。n 最典型的是各种类型的差动保护。问题1n 原铜缆逻辑为点对点模式，例如线路保护跳闸接点连接到操作箱的同时还要连接到母差保护启动失灵，采用GOOSE报文后，ABC分相跳闸的三根电缆被报文中三个逻辑点代替，由于报文采用组播方式，操作箱收到跳闸报文同时，母差保护会收到同一帧报文实现启动失灵逻辑。问题2n 原反措规定非电量保护必须为直跳回路，智能单元接口改为光纤以太网，如何保证非电量保护的完整性需要探索。问题3n 测保装置数字化后，相关的测试工具（例如测试仪）会有变化，且检修范围（例如单装置检修还是带交换机检修，或者取消二次设备检修）需要探索。问题4n 由于各间隔数据流量均较大，实现全站集中录波的硬件条件还不成熟。问题5n 计量装置不再需要完成模拟量的采样功能，模拟量由电子式互感器完成转换，计量精度的认证不仅在计量装置上，还包括互感器部分。问题6谢 谢2008-07