电力系统及其自动化硕士论文IEC61850数字变电站综合自动化系统

1、分 类 号 学号 学校代码 10487 密级 硕硕士士学学位位论论文文 iec61850 数字变电站综合自动化系统 学位申请人：学位申请人： 学学科科专专业业 ：电力系统及其自动化电力系统及其自动化 指指导导教教师师 ： 教授教授 答答辩辩日日期期 ： 年年 月月 日日 a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree for the master of engineering digital substation comprehensive automation system over i

2、ec61850 candidate:wang can major:power system and its automation supervisor:prof. liu pei huazhong university of science (2)与接口相关的功能,主要指与远方控制中 心、工程师站及人机界面的通信,通过逻辑接口 1、6 及 7 完成通信功能。 2.3 基于 iec61850 标准的通信系统结构 iec61850-8-1 的目的就是为了用 iso/iec9506（制造报文规范） 、sntp 及其它 应用层协议来实现定义在 iec61850-7-2、iec61850-7-3 和 i

3、ec61850-7-4 中定义的服 务、对象和算法提供详细的指令/规范。 变电站通信要求（罗列在 iec61850-5 中）被图 2-2 所表示的通信集所满足。 iec61850-5 所定义的报文类型和特性分类也按照图 2-2 所示进行映射。 -类型 1（快速报文） -类型 1a（跳闸报文） -类型 2（中等速度报文） -类型 3（低速报文） -类型 4（原始数据报文） -类型 5（文件传输功能） -类型 6（时间同步报文） 图 2-2 通信集框架 为了优化接收报文的解码过程，类型 1 和类型 1a 的报文映射到专门的以太网 类型。类型 2、3、5 的报文要求面向报文的服务。mms 标准提供了

4、 acsi 所需要的 信息建模方法和服务。 2.3.1 物理层数据链路层 选择以太网作为通信系统的物理层和数据链路层的主要原因是以太网在技术和 市场上已处于主流地位。另外，随着快速以太网、g-比特以太网技术逐步成熟，对 变电站自动化应用而言，网络带宽已不再是制约因素，由冲撞引起的传输延时随机 性问题已淡化。 曾有一种观点，认为因以太网具有载波侦听多路访问(csma/cd)的本质，其对 “实时”信息传输造成延迟的随机性无法预测，因而不能满足实时系统的需要。因 为两个或多个以太网节点同时访问共享的传输介质局域网(lan)时会造成数据冲突， 此时所有冲突的节点会按退避算法(back of falgo

5、rithm)随机延迟一定的时间，然 后试图重新访问介质，以获得介质的访问权。这样就无法确切地估计冲突节点所需 的随机等待时间，因而有可能造成“实时”信息传输无效。 为了定性地说明这一问题，美国电力研究院(epri)对此进行了研究，在特定的 “最恶劣”情形下对比了以太网和 12m 令牌传递 profibus 网的性能。研究结果表明， 通过交换式 hub 连接的 10m 以太网完全能够满足变电站自动化系统网络通信“实 时”性的要求，并且以太网快于 12m 令牌传递 profibus 网络。 2.3.2 网络层传输层 选择事实标准的 tcp/ip 协议作为站内 ied 的高层接口，实现站内 iedi

6、ntranet/internet 化，使得站内 ied 的数据收发都能以 tcp/ip 方式进行。的这样， 监控主站或远方调度中心采用 tcp/ip 协议就可以通过广域网（wan）甚至 internet 获得变电站内的数据。同时，采用标准的数据访问方式可以保证站内 ied 具有良好 的互操作性。 2.3.3 应用层 选择制造报文规范（mms）作为应用层协议与变电站控制系统通信。所有 ied 中基于 iec 61850 建立的对象和服务模型都被映射成 mms 中通用的对象和服务， 如数据对象的读、写、定义和创建以及文件操作等。mms 对面向对象数据定义的 支持，使该数据自描述成为可能，改变了传统

7、的面向点的数据描述方法。因数据本 身带有说明，故传输可不受预先定义的限制，简化了数据管理和维护工作。以太网 通信标准和 mms 结合，加之 iec 61850 的应用描述，从而将变电站自动化系统变 成开放系统。 2.4 mms 技术的应用 制造报文规范 mms（manufacturing message specification）是由国际标准化组 织 iso 工业自动化技术委员会 tc184 制定的一套用于开发和维护工业自动化系统 的独立国际标准报文规范。mms 是通过对真实设备及其功能进行建模的方法，实 现网络环境下计算机应用程序或智能电子设备 ied 之间数据和监控信息的实时交换。 国际

8、标准化组织出台 mms 的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、 智能电子设备 ied、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有 互操作性，使系统集成变得简单、方便。 mms 独立于应用程序与设备的开发者，所提供的服务非常通用，适用于多种 设备、应用和工业部门。现在 mms 已经广泛用于汽车、航空、化工等工业自动化 领域。在国外，mms 技术广泛用于工业过程控制、工业机器人等领域。 以前 mms 在电力系统远动通信协议中并无应用，但近来情况有所变化。国际 电工技术委员会第 57 技术委员会(iec tc57)推出的 iec60870-6 tase.2 系列标准定 义了

9、ems 和 scada 等电力控制中心之间的通信协议，该协议采用面向对象建模 技术，其底层直接映射到 mms 上。iec61850 标准采用分层、面向对象建模等多种 新技术，其底层也直接映射到 mms 上。可见 mms 在电力系统远动通信协议中的 应用越来越广泛。目前，国内电力自动化行业对 mms 还比较陌生。因此，有必要 对 mms 技术及其在电力系统远动通信协议中的应用做深入的分析和研究。 mms 的主要目的是为设备及计算机应用规范标准的通信机制，以实现高层次 的互操作性。为了达到这个目标，mms 除了定义公共报文(或协议)的形式外，还提 供了以下定义： 对象：mms 定义了公共对象集(如

10、变量)及其网络可见属性(如名称、数值、类 型);对象是静态的概念，存在于服务器方，它以一定的数据结构关系间接体现了实 际设备各个部分的状态、工况以及功能等方面的属性。mms 标准共定义了 16 类对 象，其中每个 mms 应用都必须包含至少一个 vmd 对象，vmd 在整个 mms 的对 象结构中处于“根”的位置。vmd 所具有的属性定义了设备的名称、型号、生产 厂商、控制系统动静态资源等 vmd 的各种总体特性。除 vmd 对象外，mms 所定 义的其它 15 类对象都包含于 vmd 对象中而成为它的子对象，有些类型的对象还可 包含于其它子对象中而成为更深层的子对象。 服务：mms 定义了通

11、信服务集(如读、写)用于网络环境下对象的访问及管理； mms 中的“服务”是动态的概念，mms 通信中通常由一方发出服务请求，由另一 方根据服务请求的内容来完成相应的操作，而服务本身则定义了 mms 所能支持的 各种通信控制操作。在 mms 协议中定义了 80 多种类型的服务，涵盖了包括定义对 象、执行程序、读取状态、设置参数等多种类型的操作。这些服务按其应答方式可 分为证实型服务和非证实型服务两大类，证实型服务要求服务的发起方必须在得到 接收方传回的响应信息后才能认为服务结束，而非证实型服务的发起方在发出服务 请求后就可以认为服务结束。在 mms 中绝大多数服务类型都为证实型服务，而非 证实

12、型服务则仅包含报告状态等几种对设备运行不起关键作用的服务类型。 行为：mms 定义了设备处理服务时表现出来的网络可见行为。对象、服务及 行为的定义构成了设备与应用通信的全面广泛的定义，在 mms 中即所谓的虚拟制 造设备模型。 2.4.1 虚拟制造设备 vmd 模型 为了提供一种面向所有智能设备的通信接口,在 mms 系统的服务器端引入了虚 拟制造设备(virtual manufacturing device,vmd)的概念。它是代表实际设备的外部通 信行为的模型。vmd 对象提取了各种不同的智能设备所共同具有的外部可见特性, 因此作为客户一方的远程控制器可直接对服务器一方的 vmd 进行操作

13、,从而达到对 vmd 所对应的实际设备进行控制的目的。从这一过程可以看出 mms 协议所具有 的中介作用,当正确建立了 vmd 与实设备之间的映射关系后,远程控制器与实设备之 间的通信就可以在不考虑实际设备的具体物理特性的条件下进行,达到了控制的设备 无关性。 iso 对于 mms 协议的描述十分庞大且复杂,这主要体现在 vmd 对象结构的复 杂性。在制造系统中不同类型的智能设备之间无论在内部结构、控制信息类型、通 信方式等方面都存在很大差别,因而 mms 协议标准不可能定义具体的 vmd 结构,它 只能用抽象语言定义 vmd 对象和它的一系列子对象的结构框架。在实际应用中,用 户要根据实际设

14、备的结构和功能,来确定 vmd 对象及其包含的子对象的具体结构,并 建立起 vmd 对象与实际设备之间的映射关系,才能够通过各种 mms 服务实现对设 备的远程控制。 在 mms 中定义了许多对象，每个对象都有相应的 mms 服务，用户的应用程 序通过服务可以访问和操作这些对象。每个对象还包含相应的名称属性及其它相关 属性，以便区分不同的对象。虚拟制造设备 vmd 本身就是一个对象，其它的对象 均从属或包含在 vmd 对象中。 vmd 执行模型能灵活地提供 mms 服务器执行程序的控制定义，该模型的核 心是域对象与程序调用对象。 1域对象(domain object) 代表真实设备资源的 mm

15、s 命名对象。在许多典型应用中，域被用于代表设备 的内存范围。 2程序调用对象(program invocations object)通过程序调用操作，mms 用户可 以控制 vmd 内的程序执行。 2.4.2 变量访问模型 在 mms 中定义了两种类型的虚拟对象用于描述变量访问，用户可以通过作为 虚拟对象的 mms 变量对真实变量进行访问。 未命名变量对象（unnamed variable object）：描述通过设备特定地址对真实 变量进行的访问。 命名变量对象（named variable object）：描述通过 mms 对象名称对真实变量 进行的访问。 2.4.3 事件管理模型 mm

16、s 事件管理模型提供用于访问和管理事件的网络通信方面的框架，通过对 以下三个命名对象的定义来实现： 事件状况对象（event condition object）：代表 vmd 内真实状况的当前状态。 事件行为（event action object）：代表事件状况的状态发生变化时，vmd 采 取的行为。 事件登记（event enrollment object）：联系 mms 事件管理模型的全部元素，代 表向 mms 用户通报事件状况的状态改变的请求。 2.4.4 信号管理模型 在许多实时系统中，需要建立一种机制，应用程序通过这种机制可以控制对系 统资源的访问。mms 定义了以下两种类型的信号

17、对象用于这些类型的应用程序： 令牌信号对象（token semaphore object）：代表在 vmd 控制范围内对访问进 行控制的资源。 公共信号对象（pool semaphore object）：除了单个信号可确认并且拥有相关 的名称外，其余与令牌信号对象相似。 2.4.5 其它 mms 对象 其它的 mms 对象还包括： 操作员位置对象（operator station object）：代表基于与 vmd 连接用于和就 地操作员通信的输入及输出设备的特性。 日志对象（journal object）：代表包含有按时间顺序组织的收集记录的日志文 件。 文件对象（file object）：

18、提供简单的文件传输服务集，用于具有就地文件存 储却无法通过其它方式支持文件服务的全集的设备。 2.5 抽象语法符号 iec 61850 实现的关键在于 acsi 到 mms 的映射，mms 协议规范使用表示层 标准 iso8824 即抽象语句标识（asn.1，abstract syntax notation number one）定 义 mms 的报文格式，因此，实现 acsi 到 mms 的映射的一个关键就在于 asn.1 编码。 osi 定义抽象对象的方法称为 asn.1(abstract syntax notation one，x.208)，把 这些对象转换成“0”和“1”的比特流的一套

19、规则称为 ber(basic encoding rules，x.209)。asn.1 是一套灵活的记号，它允许定义多种数据类型，从 integer、bit string 一类的简单类型到结构化类型，如 set 和 sequence，还可以使用这 些类型构建复杂类型。ber 说明了如何把每种 asn.1 类型的值编码为 8bit 的 octet 流。通常每个值有不止一种的 ber 编码方法。 2.5.1 类型 在 asn.1 中，一个类型就是一个值的集合。有些类型有有限个值，有些则有无 限多个。一个给定的 asn.1 类型的值是该类型集合里的一个元素。asn.1 有四种类 型：简单类型，它相当于

20、原子，没有组件；结构类型，有组件；标签类型，由其他 类型生成；其他类型，包括 choice 和 any 类型。可以使用 asn.1 的分配符 （:=）给类型和值指定名字，这些名字可以用于定义其他类型或值。 除了 choice 和 any 类型以外，每种 asn.1 类型都有一个标签，由一个类和 一个非负的标签数组成。标签值可以唯一区分 asn.1 类型。也就是说，asn.1 类型 的名字并不影响它的抽象含义，只有标签才有这个作用。有四类标签： universal：该类型的含义在所有的 application 中都相同。这种类型只在 x.208 中定义。 application：该类型的含义由

21、application 决定，如 x.500 目录服务。两个不同 的 application 中的类型可以具有相同的 application-specific 标签但是不同的含义。 private：该类型的含义根据给定的企业而不同。 context-specific：该类型的含义根据给定的结构类型而不同。context-specific 标签用于在一个给定的结构类型上下文中区分使用相同的下层标签的组件类型。在 两个不同的结构类型中组建类型可以具有相同的标签但是含义不同。 具有 universal 标签的类型在 x.208 中定义，x.208 也给出了类型的 universal 标 签值。使用其

22、他标签的类型在很多地方都有定义，通常是通过 implicit 或 explicit 标 签获得。 asn.1 类型和值使用一种灵活的、类似编程语言的符号表示，规则为：分层 （换行）无特殊意义；多个空格和多个空行相当于一个空格。注释由一对连字符（- -）开头，或者一对连字符和一个空行标识符（值或字段的名字）和类型索引（类型 的名字）由大小写字母、数字连字符和空格组成；标识符由小写字母开头，类型索 引由大写字母开头。 2.5.2 基本编码规则 asn.1 的基本编码规则定义了一种或多种把任意 asn.1 值表示成字节字符串的 方法，缩写为 ber。 （当然还有其它的方法，但是 ber 是 osi

23、中转换这些值的标准） 。使用 ber，一个 asn.1 的值有三种编码方法，选择哪种取决于值的类型和值的 长度是否已知。这三种方法是：简单定长编码，结构化定长编码，及结构化不定长 编码。简单的 non-string 类型使用第一种（简单定长编码） ；结构化类型可使用任一 种结构化的编码方法；简单的 string 类型根据值的长度是否已知可使用任一种方法。 隐式标签定义的类型可使用下层类型的方法，显式标签定义的类型使用结构化的编 码方法。每种 ber 编码方法都有三或四部分： identifier octets：定义了 asn.1 值的类和标签值，指明编码方法是简单的还是 结构化的。 lengt

24、h octets：对于定长编码方法，它指出了内容字节个数；对于结构化非定 长编码方法，它指明长度是不确定的。 contents octets：对于简单定长编码方法，它给出了值的具体表示；对于结构化 的方法，它给出了值内容的 ber 编码的串联。 end-of-contents octets：对于结构化非定长的编码方法，它表示内容结束；对于 其它方法，没有该部分。 2.6 本章小结 本章阐述了 iec61850 标准体系的主要内容及其技术特点：网络分层、面向对 象的数据对象统一建模、数据自描述、抽象通信服务映射和采用 xml 的配置技术。 介绍了 iec61850 标准中的变电站自动化系统接口模

25、型和通信系统结构。简要分析 了 iec61850 标准中的关键技术即制造报文规范（mms）和抽象语法符号 （asn.1） 。 3 iec61850 标准的实现过程 开发者只要根据所要开发的产品，并结合 iec61850-5 中对变电站自动化系统 的功能和逻辑节点分类，提出产品的通信要求，然后从 iec61850-7-4 中选择标准数 据类(标准中没有的数据类，开发者可以自己定义私有逻辑节点类)，从 iec61850-7- 3 中选择出标准数据对象类，以这些类作为模板，派生出所需的实例，这些实例包 括逻辑设备和逻辑节点，iec61850-7-2 中定义的 acsi 模型和服务规范了逻辑节点 通信

26、模型和服务，然后根据实际使用的网络和协议栈，利用 iec61850-8/-9-1/-9-2 定 义的 scsm，将 acsi 映射到 scsm 中去，到这一步,就完成了产品的设计。最后根 据 iec61850-10 的规定，完成兼容性检测。 整个过程是先提出通信要求，然后从标准所提供的模型中派生出实例的过程， 这是使用面向对象建模技术通信标准的显著特点。按照以上方法，整个协议的实现 过程均有明确严格的规范和步骤，因此符合该标准的协议开发在理论和方法上都是 有保证的。 由于 iec61850 建模了大多数公共实际设备和设备组件，这些模型定义了公共 数据格式、标识符、行为和控制，充分利用 iec6

27、1850 的自我描述，可重复使用的 建模用标准名和类型信息这一特性，降低整个系统设计、工程、运行、维护等费用， 节约时间。 以下从功能的建模过程、数据的建模过程、通信服务的映射、工程与一致性测 试四个方面予以分析。 3.1 功能建模8-9 整个变电站对象从逻辑上可以看作由分布于变电站自动化系统中完成各个功能 模块的逻辑设备构成。而逻辑设备中的各个功能模块又由若干个相关子功能块，即 逻辑节点（logic node）组成，并通过它的载体 ied 设备实现运行。逻辑节点是功 能组合的基础块，也是通信功能的具体体现。逻辑节点类似积木块，可以搭建组成 任意功能，而且可分布于各个 ied 设备中。逻辑节点

28、本身进行了很好的封装，各个 逻辑节点之间通过逻辑连接（logic connect）进行信息交换。 逻辑连接是一种虚连接，主要用于交换逻辑节点之间的通信信息块 picom(piece of information communication)。逻辑连接映射到物理连接实现节点之 间的信息交换。picom 通过 acsi 服务实现传输。逻辑节点的功能任意分布性和它 们之间的信息交换使变电站自动化系统真正实现了功能级的分布特性。整个 iec61850 标准定义了上百个逻辑节点，涵盖了保护、控制和测量设备以及一次设备 等变电站设备的功能。而且逻辑节点具有可扩展性，扩展后的逻辑节点通过数据对 象的自描述特

29、性可以很容易和已有的逻辑节点兼容。逻辑节点 0（lln0）和物理设 备信息逻辑节点（lphd）是基本逻辑节点的特例。其中 lphd 逻辑节点描述物理 设备参数，包括物理设备铭牌、设备的状态、故障、热启动次数、上电检测等， lln0 是逻辑设备全局参数的描述，它的数据与功能无关，只记录逻辑设备自身的 一些信息，如逻辑设备铭牌、运行时间、自诊断结果等，其它功能逻辑节点在基本 逻辑节点的基础上可根据自己的需要添加可控数据、状态信息等其它数据对象。 每个接收逻辑节点（receiving ln）应该知道需要什么样的数据用来实现任务， 也就是说，它应该能检查所接收的数据是否完整与有效。在变电站自动化这样的

30、实 时系统中，最重要的有效性指标就是数据的时效。发送逻辑节点（sending ln）设 置大部分的质量属性，接收逻辑节点的任务则是判断数据是否过时。 在以上的要求中，发送逻辑节点是主要的数据来源，保持有这些数据大多数的 最新值。接收逻辑节点对这些数据进行处理用于某些相关的功能。如果数据遭到破 坏或者丢失，接收逻辑节点不能按照正常的方式运行，但是可能处于降级方式。因 此，逻辑节点在正常和降级两种方式下的行为都必须予以充分的定义。降级情况下 功能的行为必须根据功能自身的情况单独设计，但是需要借助于标准化的报文或正 确的数据质量属性，将情况通知给分布功能的其它逻辑节点以及管理系统，以便它 们采取适当

31、的措施。 3.2 数据建模 逻辑节点由若干个数据对象组成，数据对象是 acsi 服务访问的基本元素，也 是设备间交换信息的基本单元，iec61850 根据标准的命名规则，定义了近 30 种数 据对象名。数据对象是由公共数据类 cdc(common data class)定义产生的对象实体。 对象的继承性和多态性使同一公共数据类产生的对象属性不同。如逻辑节点 lln0 中的数据对象 beh 和 health 都是由公共数据类的“整型状态信息类 isi”定 义产生的，但二者产生的实例定义有很大不同。beh 对象的 stval 值定义为： on、block、test、test/block、off，而

32、 health 对象的 stval 值定义为： ok、warning、alarm。正是这一特性实现了用不到 20 个的公共数据类产生近 400 种不同的数据对象。 应用功能与信息的分解过程是为了获得多数的公共逻辑节点。首先根据 iec61850-5 中已经定义好的变电站某个应用功能的通信需求，将该应用功能分解成 相应的个体，然后将每个个体所包含的需求信息封装在一组内，每组所包含的信息 代表特定含义的公共组并且能够被重复使用，这些组别在 iec61850-7-3 中被定义为 公共数据类 cdc（common data class） ，每组所包含的信息在 iec61850-7-3 中被定 义为数据

33、属性（data attribute） 。iec61850-7-3 中定义了 30 种公共数据用于表示状 态、测量、可控状态、可控模拟量、状态设置、以及模拟量设置等信息。 信息模型的创建过程是利用逻辑节点搭建设备模型，首先使用已经定义好的公 共数据类来定义数据类（data class） ，这些数据类属于专门的公共数据类，并且每 个数据（data）都继承了相应公共数据的数据属性。iec61850-7-4 中定义了这些数 据代表的含义。然后将所需的数据组合在一起就构成了一个逻辑节点，相关的逻辑 节点就构成了变电站自动化系统的某个特定功能，并且逻辑节点可以被重复用于描 述不同结构和型号的同种设备所具有

34、的公共信息。iec61850-7-4 中定义了大约 90 个逻辑节点，使用到 450 个左右的数据。 3.3 通信服务映射10，16 变电站网络通信采用客户/服务器模式，设备充当服务器角色，通过端口 102 侦听来自客户（一般是变电站当地监控主机或调度中心）的请求，并做出响应，所 以变电站网络通信是多服务器少客户形式。该模式不同于常规的 cdt 和 polling 模 式，而是采取事件驱动的方式，当定义的事件（数据值改变、数据质量变化等）触 发时，服务器才通过报告服务向主站报告预先定义好要求报告的数据或数据集，并 可通过日志服务向循环缓冲区中写入事件日志，以供客户随时访问。另外采用面向 无连接

35、的通信方式，可以使设备通过组播同时向多个设备或客户发送信息。 服务器和客户之间通过 acsi 服务实现通信，一个 ied 设备依据该设备的功能 作用可以包含若干个服务器对象，一般情况下，当 ied 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，否则针对某一特定功能的 ied 设备一 般只包含一个服务器对象即可，而每个服务器又由若干逻辑设备组成，客户通过 acsi 服务实现对设备的访问，其中服务器对象封装了它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。 acsi 服务通过特殊服务映射 scsm 映射到 osi 通信模型的应用层而实现设备 数据的网络传输。采用

36、 acsi 服务的映射模型，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 7 层协议栈的影响。 ied 设备的服务器映射到制造报文规范 mms 的虚拟制造设备 vmd，逻辑设备 映射到 mms 的域 domain，逻辑节点、数据对象映射到 mms 的命名变量（named variable） 。通过 acsi 服务到 mms 服务的映射实现数据通信。 3.3.1 变电站层与间隔层的网络映射 在iec61850-7-2、-7-3与-7-4中定义的信息模型通过iec61850-7-2提供的抽象服 务来实现不同设备之间的信息交换。为了达到信息交换的目的，iec61850-8-1部

37、分 定义了抽象服务到mms的标准映射，即特殊通信服务映射(scsm)。iec61850-8-1 中定义的特殊通信服务映射scsm就是将iec61850-7-2提供的抽象服务映射到mms 以及其它的tcp/ip与以太网。在iec61850-7-2中定义的不同控制模块通过scsm被 映射到mms中的各个部分（如虚拟制造设备vmd、域domain、命名变量、命名变 量列表、日志、文件管理等） ，控制模块包含的服务则被映射到mms类的相应服务 中去。通过特殊通信服务映射scsm，acsi与mms之间建立起一一对应的关系， acsi的对象（即iec61850-7-2中定义的类模型）与mms的对象一一对应

38、，每个对 象内所提供的服也一一对应。 3.3.2 间隔层与过程层的网络映射 acsi到单向多路点对点的串行通信连接用于电子式电流互感器和电压互感器， 输出的数字信号通过合并单元（mergingunit）传输到电子式测量仪器和电子式保护 设备。 iec61850-7-2定义的采样值传输类模型及其服务通过iec61850-9-1定义的特殊 通信服务映射scsm与osi通信栈的链路层直接建立单向多路点对点的连接，从而实 现采样值的传输，其中链路层遵循iso/iec8802-3标准。iec61850-9-2定义的特殊通 信服务映射scsm是对iec61850-9-1的补充，目的在于实现采样值模型及其服

39、务到 通信栈的完全映射。iec61850-7-2定义的采样值传输类模型及其服务通过特殊通信 服务映射scsm，在混合通信栈的基础上，利用对iso/iec8802-3过程总线的直接访 问来实现采样值的传输。 3.4 一致性测试 一致性测试是验证ied通信接口与标准要求的一致性。它验证串行链路上数据 流与有关标准条件的一致性，如访问组织、帧格式、位顺序、时间同步、定时、信 号形式和电平，以及对错误的处理。 测试方应进行以被测方提供的在pics（协议实现一致性陈述）,pixit（协议实 现之外的信息）和mics（模型实现一致性陈述）中定义的能力为基础的一致性测 试。在提交测试设备测试时，被测方应提供

40、以下几点内容： 1)测试设备的准备； 2)pics，也被称为pics示范，是被测系统能力的总结； 3)pixit，包括系统特定信息，涉及被测系统的容量； 4)mics，详细说明由系统或设备支持的标准数据对象模型元素； 5)设备安装和操作的详细的指令指南。 一致性测试的要求分成以下两类： 1）静态一致性需求，对其测试通过静态一致性分析来实现； 2）动态一致性需求，对其测试通过测试行为来进行。 静态和动态的一致性需求应该在pics内，pics用于三种目的： a)适当的测试集的选择； b)保证执行的测试适合一致性要求； c)为静态一致性观察提供基础。 一个网络上的后台负载可由另外的一个负载仿真器提供

41、,包含电流电压互感器和 仿真开关，进行环境仿真，并与通信仿真器互相通信。可以采用omicron公司的 cmc test set。 用一个网络分析仪来监控测试过程中出现的错误，分析所得检测结果。网络分 析仪能够采集并分析以太网络上iec 61850的信息流量，在此它可以用来记录网络事 件、监控网络安全以及建立连接并检验系统配置等。分析仪在鉴别和最小化互操作 危险方面扮演很重要的角色。分析仪可应用kema公司的unica 61850 analyzer。 它不但可以以人们可以读懂的格式显示通信包，还可以分析和报告检查到的错误。 还有一个时间控制器用来监控时间同步。 以上设备组成iec 61850一致

42、性测试的框架结构。如果开发的装置即被测设备作 为客户运行，则通信仿真器将作为仿真服务器的角色运行；若开发的装置要作为服 务器运行，则通信仿真器将用作仿真客户来测试以验证其要求的通信功能。 3.5 本章小结 本章分析了基于 iec61850 标准的产品开发模式和开发过程，从功能建模、数 据建模、通信服务映射和一致性测试四个方面概括了 iec61850 标准的实现过程。 4 数字化变电站自动化系统的特征及结构 4.1 变电站自动化系统设计原则 变电站自动化系统作为电网调度子系统，其设计应服从电网调度自动化总体设 计，配置、功能及设备布置应满足电网安全、可靠、经济运行和信息分层、资源共 享原则。目前

43、，国内外变电站自动化系统的设计一般遵循以下原则： 1变电站自动化系统体系结构由传统单一集中模式向相对分散、分层分布分散 式体系结构转变，由传统面向单个测量、控制对象向面向电网元件(如进线、出线、 变压器、母线、电容器等)转变，由单独考虑各功能向综合考虑系统功能转变。 2系统采用的总线结构由专用、低速向通用、标准、高速转变，将原来的位总 线、lonworks、can 等现场总线转变为高速以太网。 3保护监控及信息共享从逻辑上和物理上进行结合。 4系统逐步走向不配备专门“五防”系统，而是结合综合防误操作功能，利用 保护测控设备的逻辑判断灵活实现网络级的防误闭锁。 5系统设计遵循正 iec61850

44、 等开放式国际标准，设计尽可能简单可靠，扩展 性强，满足未来变电站规模与功能扩充需要。 6系统由标准化软硬件构成，配备标准串口及就地 i/o 口，使得系统兼容性好。 4.2 常规变电站自动化系统存在的不足 目前国内采用较多的是传统分布式变电站自动化系统，这种系统采用传统电磁 互感器，二次部分采用间隔布置，装置间相互独立，装置间缺乏整体协调和功能优 化，信息不能共享，接线复杂，系统扩展难，主要有以下缺点。 1采用传统电磁式互感器 目前变电站自动化系统的信息采集来源于电磁式电流/电压互感器，变电站 ied 必须经二次变换将电流/电压互感器输出信号转化为适合微机处理的低电压信号，通 过电缆线将测量值

45、传送到对应保护、测控和计量设备，不同设备则需要配置不同特 性电流互感器，增加了系统复杂性。 2信息共享困难 变电站自动化系统所需信息主要包括：电网运行的电流、电压等信息；变电站 运行时设备投退、状况等状态信息；变电站设备异常信息；断路器、保护动作等电 网故障信息，这些信息采集都来自不同 ta 或其他测量设备，然而保护、测控等系统 信息应用分属不同部门，变电站自动化系统、变电站与控制中心之间的通信以及控 制中心不同层次之间的信息缺乏统一建模规范，形成“信息孤岛” ，造成来自不同信 息采集单元的信息无法共享。 3设备之间不具备互操作性 变电站二次设备缺乏统一的功能和接口规范，缺乏统一通信标准，不同

46、厂家在 规约和标准的理解、实现上存在差异，因此不同厂家 ied 设备之间缺乏互操作性， 这是对变电站自动化系统进行长期运行维护的一大障碍。 4系统可扩展性差 由于设备间互操作性和信息模型等原因，现有变电站自动化系统在系统扩展或 设备更新时需要支付很大的额外成本。变电站增加间隔或更新保护、测控装置，由 于通信接口和协议差异往往需要增加规约转换器，现场调试或数据库更新验证困难， 造成系统扩展性差。 5二次电缆影响系统可靠性 现有变电站自动化系统虽然实现了设备智能化，但是这些 ied 之间及 ied 与一 次设备和变电站自动化系统之间仍采用电缆连接。二次系统安全性取决于 ied 具有 的抗电磁干扰能

47、力，而实际运行中由于各种原因，二次设备运行经常发生由于电缆 遭受电磁干扰或一次设备传输过电压引起的异常动作，在二次电缆较长情况下，电 容藕合干扰也会造成保护误动作，二次电缆实际构成了变电站安全运行的主要隐患。 4.3 数字化变电站自动化系统的结构特征13-15 随着非常规互感器逐步在工程中代替传统电磁互感器运行，iec61850 标准的颁 布及其对信息的统一建模，高速以太网技术构建的变电站数据采集及传输系统的应 用、智能化断路器技术的发展等，使得数字化变电站及数字化电网概念正被逐步提 出。 4.3.1 数字化变电站自动化系统的基本架构体系 基于 iec61850 标准数字化变电站用非常规互感器

48、代替常规继电保护、测控装置 i/o 接口，以交换式以太网代替传统二次电缆回路，间隔层 ied 实现了信息集成， 以功能的软件冗余代替常规变电站装置冗余，最终使系统实现分层分布设计；智能 化一次设备使控制回路数字化，尽可能下放常规变电站间隔层控制功能，实现整个 变电站的小型化、紧凑化设计。 iec61850 根据变电站自动化系统要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信 息分层概念，从逻辑和物理概念上将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程 层，并定义了层与层之间的通信接口，其基本架构如图 4-1 所示。 图 4-1 数字化变电站自动化系统基本架构图 iec61850 为数字化变电站自动化系统各

49、层之间提供了标准信息接口模型，如图 4-2 所示，各接口具体含义如下： 接口 1：间隔层与变电站层保护数据交换； 接口 2：间隔层与远方保护保护数据交换(非 iec61850 范围)； 接口 3：间隔层内数据交换； 接口 4：过程层与间隔层流互、压互瞬时数据交换； 接口 5：过程层与间隔层控制数据交换； 接口 6：间隔层与变电站层控制数据交换； 接口 7：变电站层与远方工程师站数据交换； 接口 8：间隔层之间直接数据交换(特别如连锁之类的快速功能)； 接口 9：变电站层内数据交换； 接口 10：变电站层和远方控制中心控制数据交换(非 iec61850 范围)； 变电站层和间隔层间应用通信被抽象

50、为 acsi 通过 scsm 映射到制造报文规范 (mms)、传输控制协议/网际协议(tcp/ip)以太网或光纤网的网络采用单点向多点的 单向以太网通信。 图 4-2 iec61850 数字化变电站信息流接口模型 对于数字化变电站三层的具体功能分析如下。 1过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成开关量 i/o、模拟量的采集控 制命令的传送执行等与一次设备相关的功能，这些功能通过逻辑接口 4 和 5 与间隔 层通信。过程层所要完成的具体功能如下： （1）变电站运行实时信息采集 过程层完成变电站运行电流、电压、相位及谐波分量的采集，间隔层设备通过 计算得出有功、无功。信息采集采用光电

51、电流电压互感器取代传统电磁式电流/电压 互感器，输出数字量并通过光纤传输，抗干扰能力强，抗饱和特性好。 （2）变电站运行设备状态参数在线监测 过程层需要进行变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源 系统状态参数检测，内容包括温度、压力、绝缘、机械特性和相关工作状态等。 （3）操作控制的执行与驱动 操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制， 断路器、刀闸的合分控制，直流电源充放电控制，在执行控制命令时具有智能性， 能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器 定相合闸，选相分闸，在选定相角下实现断路器的关合和开断。 2间隔层 间

52、隔层由保护测控单元、数字化计量设备等组成，完成保护、控制和测量功能。 通过逻辑接口 3 实现间隔层内通信，通过逻辑接口 4 和 5 写过程层远方 i/o、智能传 感器和控制器通信。间隔层具体功能如下： （1）收集本间隔过程层实时数据，实施对一次设备的保护和控制功能，并高速 完成与过程层及变电站层的通信，实现数据共享； （2）实施操作控制功能，实施本间隔防误闭锁功能，对数据采集及控制命令发 出具有优先级选择； 3变电站层 变电站层所要完成的功能如下： （l）使用多个间隔或者全站数据，作用于多个间隔或全站的一次设备进行监视 和控制，通过逻辑接口 8 通信； （2）站控层的人机接口 hmi 功能，与

53、远方控制中心的远动接口 tci 功能，与 监视和维护远方工程管理的 tmi 接口功能，通过逻辑接口 1 和 6 与间隔层通信，通 过逻辑接口 7 和远方控制接口与外部通信。 4.3.2 数字化变电站系统技术特征 数字化变电站是指变电站二次系统数字化，其主要技术特征体现在以下几点。 一、信息采集数字化 数字化变电站的一个重要标志就是采用非常规互感器即电子或光电式电压/电流 互感器对电流、电压进行采集，并直接输出数字量，实现了一、二次系统的有效电 气隔离，为实现信息集成提供前提，同时实现与二次设备直接进行数字化接口。 二、系统分层分布化 iec61850 根据变电站自动化系统所要完成的监视、控制和

54、继电保护功能，提出 信息分层概念，将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层，并定义了层与 层之间通信的接口。 三、系统结构紧凑化 在数字化变电站中，智能化一次设备一般都集成了保护、测控及其他自动装置 的 i/o 接口，如 a/d 变换、光电隔离、控制回路等，在低压变电站中，甚至将保护、 测控小型化、紧凑化，安装在开关柜上实现机电一体化设计使得隔离开关、接地刀 闸数量明显减少，站内其他元件及设备数量少、布置灵活紧凑、占地面积少，大量 节约土建成本，大大减少现场安装、调试的工作量。 四、系统建模标准化 iec61850 标准采用基于面向对象技术的统一建模语言 uml(unified model

55、ing language)。这种标准模型使得电力系统各种应用不再依赖信息的内容表示，公用一 种语言，各种异构系统集成将简单有效。 五、信息交互网路化 数字化变电站系统信息的采集、处理、传输主要通过网络实现，站内设备之间 通信全部采用高速以太网实现信息共享，因此，信息流量控制和信息同步十分重要， 提高网络速度并制定合适通信协议将是实现数字化变电站的关键。 六、信息应用集成化 变电站自动化系统集成就是将间隔层保护、控制、故障录波、事件记录等的数 据处理功能集成在一个统一多功能数字装置内，间隔内、间隔间及间隔层同站级间 的通信用少量光纤总线实现，取消传统硬接线。 七、设备检修状态化 数字化变电站信息

56、采集、二次设备状态、操作命令下达与执行，完全可通过光 纤实现信息有效检测，变电站可有效获取电网运行数据、各 ied 故障动作信息，监 测控制与信号回路状态和设备状态采集没有盲区，实现状态检修，提高系统可用率。 八、设备操作智能化 高压断路器发展的趋势是实现断路器智能化，在断路器内嵌入电压、电流变换 器，作为智能控制元件输入，系统的智能性由微机控制单元、智能型接口装置及控 制软件实现。保护和测控命令通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口。 4.4 数字化变电站自动化系统的关键技术 4.4.1 非常规互感器11-12 传统电磁式互感器存在的问题： （l）产品结构复杂，重量大，造价高。 （2）

57、电磁式电流互感器存在电磁饱和，一次电流较大时会使二次输出发生畸变， 影响保护设备故障判断，造成保护误动或拒动。 （3）电磁式互感器输出模拟量，不能与数字化二次设备直接接口。 非常规互感器是新一代有别于传统电磁式电压/电流互感器的新型互感器。按照 原理可以将其分为有源和无源两大类。 1、有源非常规互感器 有源非常规互感器又称为电子式电压/电流互感器 ect/evt（electrical current/voltagetransformer)，这种互感器需要向传感头提供电源，利用电磁感应原 理感应电压、电流信号，主要由罗科夫斯基线圈和电容、电阻分压原理实现。 基于 rogowski 线圈的 ect

58、 是将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形 成空心电感线圈，待测电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由于没有铁 芯，线圈输出低电压模拟信号，可直接与微机系统接口。ect 必须同时满足测量、 保护要求，一般采用两个 rogowski 线圈分别用于测量和保护通道。基于电容、电阻 分压 evt 原理与传统的电容式电压互感器相同，这里不做介绍。 电子式互感器传感头位于高压侧，如果将其输出信号直接送往低压侧处理，将 会受到电磁干扰的严重影响，因此增加了高压侧数据采集系统。该系统由逻辑控制 单元和信号采样调整单元构成。逻辑控制单元接收合并单元同步采样控制信号，通 过信号采样和调整单元，对传感头输

59、出的模拟信号进行高速同步采样，并将采样值 按照一定的标准进行组帧编码，通过电光转换实现光纤传输，使得高压侧与低压侧 实现光电隔离，减小电磁千扰，保证数据传输可靠性。 2、无源非常规互感器 无源非常规互感器又称光电式电压/电流互感器 ovt/oct(optical current/voltagetransformer)，其不需向传感头供电，主要采用光学测量原理。 光电电流互感器利用法拉第磁光效应和塞格奈克效应感应被测信号，法拉第效 应原理是线性偏振光通过光玻璃等磁场中的介质，偏振方向发生旋转，只要测量出 法拉第旋转角，就可求出磁场强度，得出磁场电流大小。光电电压互感器利用普克 尔效应和逆压电效应

60、感应被测信号，常用普克尔效应。 在实际工程应用中，电子式互感器比较适合于小绝缘距离的高电压系统，由电 容分压和罗氏线圈构成的系统比较适合于全封闭气体绝缘装置(gis)，光电互感器则 比较适合于超高压系统。这两种互感器都大大减少了占地面积，减少了传统的二次 电缆连线，必将在工程中得到广泛应用。 4.4.2 合并单元 要推动基于 iec61850 标准数字化变电站建设，其基础是非常规互感器，而解决 非常规互感器与间隔层保护、测控设备的数字接口是关键。鉴于此，iec61850 标准 详细定义了合并单元(mu)，并严格规范了它与保护、测控设备的接口方式。 根据 iec61850 标准定义，合并单元作为