智能電網(wǎng)智能變電站設(shè)備系統(tǒng)標準化通訊規(guī)約IEC61850規(guī)約詳解

注：杭州領(lǐng)祺通訊管理機支持IEC61850采集轉(zhuǎn)發(fā)，在領(lǐng)祺云端或本地工具軟件配置即可，無須編程

操作文檔詳見

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應用場景

一次調(diào)頻儲能PCS群調(diào)群控，變電站直流屏一體化電源、功率SVG控制、智能電站變電站改造等。需要快速響應電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的調(diào)度指令，領(lǐng)祺通訊管理機6220系列1000M自適應網(wǎng)口在所接設(shè)備支持的情形下，響應最快20MS，485串口接設(shè)備少的情形下，最快100MS，配合杭州領(lǐng)祺群調(diào)群控采集終端裝置系統(tǒng)，可有力地支持分布式光伏群調(diào)群控協(xié)同、光伏全站儲能系統(tǒng)、光伏全站全景監(jiān)控系統(tǒng)、新能源大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)。

1. 總體概念

1.1 IEC61850標準制定的背景

同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標準相比，IEC61850不僅僅是一個單純的通信規(guī)約，而且是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標準，指導了變電站自動化的設(shè)計、開發(fā)、工程、維護等各個領(lǐng)域。該標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強了設(shè)備之間的互操作性，可以在不同廠家的設(shè)備之間實現(xiàn)無縫連接，從而大大提高變電站自動化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運行水平，實現(xiàn)完全互操作。

IEC61850解決的主要問題

（1） 網(wǎng)絡(luò)通信；

（2） 變電站內(nèi)信息共享和互操作；

（3） 變電站的集成與工程實施。

1.2 IEC61850重要的基本名詞

MMS：Manufacturing Message Specification制造報文規(guī)范

GOOSE：generic object oriented substation events面向通用對象的變電站事件

SV：sampled value 采樣值

LD：LOGICAL-DEVICE 邏輯設(shè)備，代表典型變電站功能集的實體

LN：LOICAL-NODE 邏輯節(jié)點，代表典型變電站功能的實體

CDC：common DATA class (DL/T860.73) 公用數(shù)據(jù)類

Data：位于自動化設(shè)備中能夠被讀、寫，有意義的結(jié)構(gòu)化應用信息。

DA：data attribute數(shù)據(jù)屬性，數(shù)據(jù)屬性（IEC 61850-8-1）命名：LD/LN$FC$DO$DA

FC：functional constraint功能約束

FCDA：Functionally constrained DataAttribute功能約束數(shù)據(jù)屬性

互操作性：同一或不同制造商提供的兩臺或多臺IED交換信息并用這些信息正確地配合工作的能力。

服務(wù)器：為客戶提供服務(wù)或發(fā)出非請求報文的實體。

客戶端：向服務(wù)器請求服務(wù)以及接收來自服務(wù)器非請求報文的實體。

1.3 IEC61850規(guī)約內(nèi)容的層次關(guān)系

IEC61850規(guī)約文本總共有十個部分，每個部分的名稱和關(guān)系見圖1。

第六部分規(guī)定了用于變電站智能電子設(shè)備配置的描述語言，該語言稱作為變電站配置描述語言（SCL），適用于描述按照DL/T 860.5 和DL/T 860.7x 標準實現(xiàn)的智能電子設(shè)備配置和通信系統(tǒng)，規(guī)范描述變電站自動化系統(tǒng)和變電站（開關(guān)場）間關(guān)系。SCL句法元素由五部分構(gòu)成：信息頭、變電站描述（電壓等級、間隔層、電力設(shè)備、結(jié)點等）、智能電子設(shè)備描述（訪問點、服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯結(jié)點、實例化數(shù)據(jù)DOI等）、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型模板。

建立通信模型要求定義眾多對象（如，數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)集、報告控制、登錄控制）以及對象提供的服務(wù)（取數(shù)、設(shè)定、報告、創(chuàng)建、刪除）。這些在本系列標準中第7-X部分中用明確接口來定義。為利用通信技術(shù)的長處，IEC61850系列標準中，不定義新的開放式系統(tǒng)互聯(lián)OSI協(xié)議棧，僅在本系列標準的第8部分和第9部分分別規(guī)定了在現(xiàn)有協(xié)議棧上的標準映射。第八部分規(guī)定了ACSI（抽象通信服務(wù)接口，DL/T 860.72）的對象和服務(wù)到MMS（制造報文規(guī)范，GB/T16720-2005）和ISO/IEC8802-3幀之間的映射。

第十部分一致性要求調(diào)查和確定它們的有效性是系統(tǒng)和設(shè)備驗收的重要部分。為了系統(tǒng)和設(shè)備的互操作性，本標準系列第10部分規(guī)定了變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備的一致性測試方法，給出了建立測試條件和系統(tǒng)測試的導則。

圖1 IEC61850規(guī)約十個部分的名稱和關(guān)系圖

1.4 數(shù)字化變電站的層次關(guān)系

圖2 數(shù)字化變電站層次和服務(wù)關(guān)系圖

圖2中十個數(shù)字連接具體是：

（1） 間隔層裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間交換事件和狀態(tài)數(shù)據(jù)——MMS

（2） 間隔層裝置與遠方保護交換數(shù)據(jù)——私有規(guī)約，未來發(fā)展也可用以太網(wǎng)方式借用GOOSE或SMV

（3） 間隔內(nèi)裝置間交換數(shù)據(jù)——GOOSE

（4） 過程層與間隔層交換采樣數(shù)據(jù)——SMV

（5） 過程層與間隔層交換控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)——GOOSE

（6） 間隔層裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間交換控制數(shù)據(jù)——MMS

（7） 監(jiān)控層與保護主站通信——MMS

（8） 間隔間交換快速數(shù)據(jù)——GOOSE

（9） 變電站層間交換數(shù)據(jù)——MMS

（10） 變電站與控制中心交換數(shù)據(jù)——不在標準范圍，也有用戶希望采用61850

1.5 IEC61850模型的層次關(guān)系

物理設(shè)備映射到IED，然后將各個功能分解到LN，組織成一個或者多個LD。每個功能的保護數(shù)據(jù)映射到DO，并且根據(jù)功能約束（FC）進行拆分并映射到若干個DA（見圖3）。

圖3 ICD模型的基本層次示意圖

2、IEC61850服務(wù)

從裝置研發(fā)角度來看，IEC61850標準的服務(wù)實現(xiàn)主要分為三個部分：MMS服務(wù)、GOOSE服務(wù)、SMV服務(wù)。其中，MMS服務(wù)用于裝置和后臺之間的數(shù)據(jù)交互，GOOSE服務(wù)用于裝置之間的通訊，SMV服務(wù)用于采樣值傳輸，三個服務(wù)之間的關(guān)系見圖4。在裝置和后臺之間涉及到雙邊應用關(guān)聯(lián)，在 GOOSE報文和傳輸采樣值中涉及多路廣播報文的服務(wù)。雙邊應用關(guān)聯(lián)傳送服務(wù)請求和響應（傳輸無確認和確認的一些服務(wù)）服務(wù) ，多路廣播應用關(guān)聯(lián)（僅在一個方向）傳送無確認服務(wù)。目前，PCS系列裝置IEC61850模塊支持上述所有服務(wù)。

圖4 MMS、GOOSE和SMV三個服務(wù)的關(guān)系圖

如果把IEC61850標準的服務(wù)細化分，主要有：報告（事件狀態(tài)上送）、日志歷史記錄上送、快速事件傳送、采樣值傳送、遙控、遙調(diào)、定值讀寫服務(wù)、錄波、保護故障報告、時間同步、文件傳輸、取代，以及模型的讀取服務(wù)。細化服務(wù)和模型之間的關(guān)系見圖5。

從用戶使用角度來看，IEC61850標準的實現(xiàn)主要分為客戶端（后臺）、服務(wù)器端（裝置）、配置工具三個部分。配置文件是聯(lián)系三者的紐帶。

2.1 MMS服務(wù)

2.1.1 MMS介紹

MMS（manufactoring message specification）即制造報文規(guī)范，是ISO/IEC9506標準所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議。

MMS是由ISO TC184開發(fā)和維護的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機或IED之間交換實時數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的一套獨立的國際標準報文規(guī)范。它獨立于應用和設(shè)備的開發(fā)者。MMS特點介紹如下：

（1） 定義了交換報文的格式；

結(jié)構(gòu)化層次化的數(shù)據(jù)表示方法

可以表示任意復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ASN.1編碼可以適用于任意計算機環(huán)境

（2） 定義了針對數(shù)據(jù)對象的服務(wù)和行為；

（3） 為用戶提供了一個獨立于所完成功能的通用通信環(huán)境。

2.1.2 MMS功能

（1） 信號上送

開入、事件、報警等信號類數(shù)據(jù)的上送功能通過BRCB（有緩沖報告控制塊）來實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過有緩沖報告控制塊，可以實現(xiàn)遙信和開入的變化上送、周期上送、總召、事件緩存。由于采用了多可視的實現(xiàn)方案，事件可以同時送到多個后臺。

（2） 測量上送

遙測、保護測量類數(shù)據(jù)的上送功能通過URCB（無緩沖報告控制塊）來實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過無緩沖報告控制塊，可以實現(xiàn)遙測的變化上送（比較死區(qū)和零漂）、、周期上送、總召。由于采用了多可視的實現(xiàn)方案，使得事件可以同時送到多個后臺。

（3） 定值

定值功能通過定制控制塊（SGCB）來實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫服務(wù)。通過定制控制塊，可以實現(xiàn)選擇定值區(qū)進行召喚、修改、定制區(qū)切換。

（4） 控制

遙控、遙調(diào)等控制功能通過IEC61850的控制相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。IEC61850提供多種控制類型，PCS系列裝置實現(xiàn)了增強型SBOw功能和直控功能，支持檢同期、檢無壓、閉鎖邏輯檢查等功能。

（5） 故障報告

故障報告功能通過RDRE邏輯節(jié)點實現(xiàn)，映射到MMS的報告和文件操作服務(wù)。

錄波文件產(chǎn)生時，RDRE下的RcdMade和FltNum通過報告上送到后臺；后臺以如下方式召喚故障報告：

IED名稱_LD名稱_故障序號_*.HDR（CFG、DAT）。

統(tǒng)一規(guī)范的故障報告采用XML格式存放在HDR文件中，內(nèi)容如下：

2.2 GOOSE服務(wù)

2.2.1 GOOSE介紹

IEC61850標準中定義的面向通用對象的變電站事件(GOOSE) 以快速的以太網(wǎng)多播報文傳輸為基礎(chǔ)，代替了傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備〔IED)之間硬接線的通信方式，為邏輯節(jié)點間的通信提供了快速且高效可靠的方法。

GOOSE服務(wù)支持由數(shù)據(jù)集組成的公共數(shù)據(jù)的交換，主要用于保護跳閘、斷路器位置，聯(lián)鎖信息等實時性要求高的數(shù)據(jù)傳輸。GOOSE服務(wù)的信息交換基于發(fā)布/訂閱機制基礎(chǔ)上，同一GOOSE網(wǎng)中的任一IED設(shè)備，即可以作為訂閱端接收數(shù)據(jù)，也可以作為發(fā)布端為其他IED設(shè)備提供數(shù)據(jù)。這樣可以使IED設(shè)備之間通訊數(shù)據(jù)的增加或更改變得更加容易實現(xiàn)。

2.2.2 GOOSE功能

PCS系列裝置使用獨立的高性能DSP板卡來實現(xiàn)GOOSE功能，具有很高的實時性和可靠性。板卡自帶的兩個百兆全雙工光纖以太網(wǎng)接口，可以分別對應不同的VLAN網(wǎng)絡(luò)。GOOSE雙網(wǎng)配置提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（1） GOOSE收發(fā)機制

為了保證GOOSE服務(wù)的實時性和可靠性，GOOSE報文采用與基本編碼規(guī)則(BER)相關(guān)的ASN.1 語法編碼后，不經(jīng)過TCP/IP協(xié)議，直接在以太網(wǎng)鏈路層上傳輸，并采用特殊的收發(fā)機制。

GOOSE報文發(fā)送采用心跳報文和變位報文快速重發(fā)相結(jié)合的機制。在GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)沒有變化的情況下，發(fā)送時間間隔為T0的心跳報文，報文中的狀態(tài)號（stnum）不變，順序號（sqnum）遞增。當GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化情況下，發(fā)送一幀變位報文后，以時間間隔T1，T1，T2，T3進行變位報文快速重發(fā)。數(shù)據(jù)變位后的報文中狀態(tài)號（stnum）增加，順序號（sqnum）從零開始。

GOOSE接收可以根據(jù)GOOSE報文中的允許生存時間TATL（Time Allow to Live）來檢測鏈路中斷。GOOSE數(shù)據(jù)接收機制可以分為單幀接收和雙幀接收兩種。智能操作箱使用雙幀接收機制，收到兩幀GOOSE數(shù)據(jù)相同的報文后更新數(shù)據(jù)。其他保護和測控裝置使用單幀接收機制，接收到變位報文（stnum變化）以后，立刻更新數(shù)據(jù)。當接收報文中狀態(tài)號（stnum）不變的情況下，使用雙幀報文確認來更新數(shù)據(jù)。

（2） GOOSE報警功能

GOOSE對收發(fā)過程中產(chǎn)生的異常情況進行報警，主要分為：GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警，GOOSE配置不一致報警，GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風暴報警。

GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警：在兩倍的報文允許生存時間TATL（Time Allow to Live）內(nèi)沒有收到正確的GOOSE報文，就產(chǎn)生GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警。

GOOSE 配置不一致報警：GOOSE發(fā)布方和訂閱方中GOOSE控制塊的配置版本號等屬性必需一致，否則產(chǎn)生GOOSE 配置不一致報警。

GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風暴報警：當GOOSE網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風暴，網(wǎng)絡(luò)端口流量超過正常范圍，出現(xiàn)異常報文時，會產(chǎn)生GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風暴報警。

（3） GOOSE檢修功能

當裝置的檢修狀態(tài)置1時，裝置發(fā)送的GOOSE報文中帶有測試（test）標志，接收端就可以通過報文的test標志獲得發(fā)送端的置檢修狀態(tài)。當發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)一致時，裝置對接收到的GOOSE數(shù)據(jù)進行正常處理。當發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)不一致時，裝置可以對接收到的GOOSE數(shù)據(jù)做相應處理，以保證檢修的裝置不會影響到正常運行狀態(tài)的裝置，提高了GOOSE檢修的靈活性和可靠性。

2.3 SMV服務(wù)

2.3.1 SMV介紹

采樣值的傳輸所交換的信息是基于發(fā)布/訂戶機制。在發(fā)送側(cè)發(fā)布方將值寫入發(fā)送緩沖區(qū)；在接收側(cè)訂戶從當?shù)鼐彌_區(qū)讀值。在值上加上時標，訂戶可以校驗值是否及時刷新。通信系統(tǒng)負責刷新訂戶的當?shù)鼐彌_區(qū)。

在一個發(fā)布方和一個或多個訂戶之間有兩種交換采樣值方法。一種方法采用MULTICAST-APPLICATION-ASSOCIATION (多路廣播應用關(guān)聯(lián)控制塊MSVCB)。另一種方法采用TWO-PARTY-APPLICATION-ASSOCIATION (unicast sampled value control, USVCB 雙邊應用關(guān)聯(lián)即單路傳播采樣值控制塊USVCB)。 按規(guī)定的采樣率對輸入進行采樣。由內(nèi)部或者通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采樣的同步。采樣存入傳輸緩沖區(qū)。

網(wǎng)絡(luò)嵌入式調(diào)度程序?qū)⒕彌_區(qū)的內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)向訂戶發(fā)送。采樣率為映射特定參數(shù)。采樣值存入訂戶的接收緩沖區(qū)。一組新的采樣值到達了接收緩沖區(qū)就通知應用功能。多點傳送采樣值服務(wù)的映射見表1。

表1 多點傳送采樣值服務(wù)的映射

2.3.2 SMV和GOOSE常用的重要概念