智能電網(wǎng)智能變電站設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化通訊規(guī)約IEC61850規(guī)約詳解

注：杭州領(lǐng)祺通訊管理機(jī)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

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應(yīng)用場(chǎng)景

一次調(diào)頻儲(chǔ)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(yīng)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(jī)6220系列1000M自適應(yīng)網(wǎng)口在所接設(shè)備支持的情形下，響應(yīng)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(chǔ)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(tái)的建設(shè)。

1. 總體概念

1.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)制定的背景

同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)相比，IEC61850不僅僅是一個(gè)單純的通信規(guī)約，而且是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)了變電站自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、開發(fā)、工程、維護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的對(duì)象統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)無縫連接，從而大大提高變電站自動(dòng)化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，實(shí)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(shí)施。

1.2 IEC61850重要的基本名詞

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

GOOSE：generic object oriented substation events面向通用對(duì)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(shí)體

LN：LOICAL-NODE 邏輯節(jié)點(diǎn)，代表典型變電站功能的實(shí)體

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

Data：位于自動(dòng)化設(shè)備中能夠被讀、寫，有意義的結(jié)構(gòu)化應(yīng)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(tái)或多臺(tái)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(qǐng)求報(bào)文的實(shí)體。

客戶端：向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)以及接收來自服務(wù)器非請(qǐng)求報(bào)文的實(shí)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(gè)部分，每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(dòng)化系統(tǒng)和變電站（開關(guān)場(chǎng)）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(jí)、間隔層、電力設(shè)備、結(jié)點(diǎn)等）、智能電子設(shè)備描述（訪問點(diǎn)、服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯結(jié)點(diǎn)、實(shí)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(duì)象（如，數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)集、報(bào)告控制、登錄控制）以及對(duì)象提供的服務(wù)（取數(shù)、設(shè)定、報(bào)告、創(chuàng)建、刪除）。這些在本系列標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)處，IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)象和服務(wù)到MMS（制造報(bào)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(yàn)收的重要部分。為了系統(tǒng)和設(shè)備的互操作性，本標(biāo)準(zhǔn)系列第10部分規(guī)定了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的一致性測(cè)試方法，給出了建立測(cè)試條件和系統(tǒng)測(cè)試的導(dǎo)則。

圖1 IEC61850規(guī)約十個(gè)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(gè)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(yuǎn)方保護(hù)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)功能分解到LN，組織成一個(gè)或者多個(gè)LD。每個(gè)功能的保護(hù)數(shù)據(jù)映射到DO，并且根據(jù)功能約束（FC）進(jìn)行拆分并映射到若干個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)實(shí)現(xiàn)主要分為三個(gè)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(tái)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(gè)服務(wù)之間的關(guān)系見圖4。在裝置和后臺(tái)之間涉及到雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)，在 GOOSE報(bào)文和傳輸采樣值中涉及多路廣播報(bào)文的服務(wù)。雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)傳送服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)（傳輸無確認(rèn)和確認(rèn)的一些服務(wù)）服務(wù) ，多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)（僅在一個(gè)方向）傳送無確認(rèn)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(gè)服務(wù)的關(guān)系圖

如果把IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)細(xì)化分，主要有：報(bào)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(hù)故障報(bào)告、時(shí)間同步、文件傳輸、取代，以及模型的讀取服務(wù)。細(xì)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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)主要分為客戶端（后臺(tái)）、服務(wù)器端（裝置）、配置工具三個(gè)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(bào)文規(guī)范，是ISO/IEC9506標(biāo)準(zhǔn)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(hù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算機(jī)或IED之間交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的一套獨(dú)立的國際標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文規(guī)范。它獨(dú)立于應(yīng)用和設(shè)備的開發(fā)者。MMS特點(diǎn)介紹如下：

（1） 定義了交換報(bào)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(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ASN.1編碼可以適用于任意計(jì)算機(jī)環(huán)境

（2） 定義了針對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的服務(wù)和行為；

（3） 為用戶提供了一個(gè)獨(dú)立于所完成功能的通用通信環(huán)境。

2.1.2 MMS功能

（1） 信號(hào)上送

開入、事件、報(bào)警等信號(hào)類數(shù)據(jù)的上送功能通過BRCB（有緩沖報(bào)告控制塊）來實(shí)現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報(bào)告服務(wù)。通過有緩沖報(bào)告控制塊，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)方案，事件可以同時(shí)送到多個(gè)后臺(tái)。

（2） 測(cè)量上送

遙測(cè)、保護(hù)測(cè)量類數(shù)據(jù)的上送功能通過URCB（無緩沖報(bào)告控制塊）來實(shí)現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報(bào)告服務(wù)。通過無緩沖報(bào)告控制塊，可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)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(shí)現(xiàn)方案，使得事件可以同時(shí)送到多個(gè)后臺(tái)。

（3） 定值

定值功能通過定制控制塊（SGCB）來實(shí)現(xiàn)，映射到MMS的讀寫服務(wù)。通過定制控制塊，可以實(shí)現(xiàn)選擇定值區(qū)進(jìn)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(shí)現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報(bào)告服務(wù)。IEC61850提供多種控制類型，PCS系列裝置實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)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(bào)告

故障報(bào)告功能通過RDRE邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，映射到MMS的報(bào)告和文件操作服務(wù)。

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

IED名稱_LD名稱_故障序號(hào)_*.HDR（CFG、DAT）。

統(tǒng)一規(guī)范的故障報(bào)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(biāo)準(zhǔn)中定義的面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE) 以快速的以太網(wǎng)多播報(bào)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(diǎn)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(hù)跳閘、斷路器位置，聯(lián)鎖信息等實(shí)時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)。

2.2.2 GOOSE功能

PCS系列裝置使用獨(dú)立的高性能DSP板卡來實(shí)現(xiàn)GOOSE功能，具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性。板卡自帶的兩個(gè)百兆全雙工光纖以太網(wǎng)接口，可以分別對(duì)應(yīng)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(jī)制

為了保證GOOSE服務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，GOOSE報(bào)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(jī)制。

GOOSE報(bào)文發(fā)送采用心跳報(bào)文和變位報(bào)文快速重發(fā)相結(jié)合的機(jī)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(shí)間間隔為T0的心跳報(bào)文，報(bào)文中的狀態(tài)號(hào)（stnum）不變，順序號(hào)（sqnum）遞增。當(dāng)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(bào)文后，以時(shí)間間隔T1，T1，T2，T3進(jìn)行變位報(bào)文快速重發(fā)。數(shù)據(jù)變位后的報(bào)文中狀態(tài)號(hào)（stnum）增加，順序號(hào)（sqnum）從零開始。

GOOSE接收可以根據(jù)GOOSE報(bào)文中的允許生存時(shí)間TATL（Time Allow to Live）來檢測(cè)鏈路中斷。GOOSE數(shù)據(jù)接收機(jī)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(jī)制，收到兩幀GOOSE數(shù)據(jù)相同的報(bào)文后更新數(shù)據(jù)。其他保護(hù)和測(cè)控裝置使用單幀接收機(jī)制，接收到變位報(bào)文（stnum變化）以后，立刻更新數(shù)據(jù)。當(dāng)接收?qǐng)?bào)文中狀態(tài)號(hào)（stnum）不變的情況下，使用雙幀報(bào)文確認(rèn)來更新數(shù)據(jù)。

（2） GOOSE報(bào)警功能

GOOSE對(duì)收發(fā)過程中產(chǎn)生的異常情況進(jìn)行報(bào)警，主要分為：GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報(bào)警，GOOSE配置不一致報(bào)警，GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報(bào)警。

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

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

GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報(bào)警：當(dāng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，網(wǎng)絡(luò)端口流量超過正常范圍，出現(xiàn)異常報(bào)文時(shí)，會(huì)產(chǎn)生GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報(bào)警。

（3） GOOSE檢修功能

當(dāng)裝置的檢修狀態(tài)置1時(shí)，裝置發(fā)送的GOOSE報(bào)文中帶有測(cè)試（test）標(biāo)志，接收端就可以通過報(bào)文的test標(biāo)志獲得發(fā)送端的置檢修狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)一致時(shí)，裝置對(duì)接收到的GOOSE數(shù)據(jù)進(jìn)行正常處理。當(dāng)發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)不一致時(shí)，裝置可以對(duì)接收到的GOOSE數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，以保證檢修的裝置不會(huì)影響到正常運(yùn)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(jī)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(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)讀值。在值上加上時(shí)標(biāo)，訂戶可以校驗(yàn)值是否及時(shí)刷新。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)刷新訂戶的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)。

在一個(gè)發(fā)布方和一個(gè)或多個(gè)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(yīng)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(yīng)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(duì)輸入進(jìn)行采樣。由內(nèi)部或者通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(dá)了接收緩沖區(qū)就通知應(yīng)用功能。多點(diǎn)傳送采樣值服務(wù)的映射見表1。

表1 多點(diǎn)傳送采樣值服務(wù)的映射

2.3.2 SMV和GOOSE常用的重要概念