IEC61850标准理解

1、IEC61850标准理解IEC61850标准理解一 IEC61850的应用范围IEC61850应用与变电站自动化系统。对于变 电站自动化系统，我的理解就是，变电站内的所 有可监控的一次设备、二次设备和前置机系统。对于IEC61850其他的应用，不在标准的讨论范之内。二IEC61850与传统通信规约的比较传统通信规约都是面向信号的，是线性的点, 以点号（地址）来识别，自描述性比较差，需要 双方事先约定；因此造成了不同厂家之间的设备 和系统互通互联十分困难。而IEC61850使用了面向对象建模技术，数据模型具有自描述能力，通信双方不需要事先约 定。因此相对传统通信规约，IEC61850的优点 是显

2、而易见的：可以很好的实现互操作。三IEC61850的主要思想与技术1分层结构变电站自动化系统所要完成的主要功能有控制、监视、设备及其馈线保护以及系统配置、逻辑上将系统的功能分配在3个层次上，即变电 站层、间隔层和过程层，其中：过程层主要完成 开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与 一次设备相关的功能；间隔层主要使用一个间隔 的数据并对该间隔内的一次设备进行操作，完成 如线路保护、间隔单元控制等功能；变电站层的 功能分为2类：一是与过程层关联的变电站层功 能，指使用多个间隔或整站的一次设备信息并对 该范围内的一次设备进行监视和控制，如母线保 护或全站范围内的闭锁等，二是与接口相关的功 能，

3、主要指与远方控制中心(TCI)、远方监视 和维护工程师站(TMI)以及本地人机接口(HMI) 的通信，而变电站自动化系统的装置可被安装在 这三个不同的功能层上。同时定义了 10种逻辑接口来完成各层之间的通信，其中：IEC 61850中的变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模 型如下图所示，其中的IF是指接口(Interface)。远方控制中心技术服务图中各接口的含义分别为：IF1：间隔层与变电站层之间保护数据的交换；IF2：间隔层与远方保护之间的保护数据交换；IF3：间隔内数据交换；IF4：过程层和间隔层Z间PT和CT瞬时数据交换（尤其是采样）；IF5：过程层和间隔层之间控制数据交换；IF6：间

4、隔和变电站层之间控制数据交换；IF7：变电站层与远方工程师站数据交换；IF8：间隔之间直接数据交换（如连锁）；IF9：变电站层内数据交换；IF10：变电站设备与远方控制中心之间控制数据交换。2面向对象的信息和通信服务建模IEC61850采用面向对象的建模思想，对变电站设备、功能、以及通信系统进行建模。在IEC61850 中，为变电站设备、通信体系及服务建立了基于 对象的数据模型，这些模型描述和定义了大多数 公共实际设备和设备组件的公共数据标识、格 式、行为、控制以及设备之间进行信息交换所需 要的服务，因此面向对象的信息模型和建模方法 是IEC61850的核心。2.1 信息模型IEC 61850

5、标准将整个变电站的物理对象（包括若干一次设备和测量、控制、保护等二次 设备）以及通信网络抽象为相应的逻辑系统，每 个逻辑系统中包含一个服务器，一个服务器由一 个或多个逻辑设备组成；逻辑设备中的功能模块 分为若干个相关子功能，对应为各种逻辑节点； 一个逻辑节点又包含一个或多个数据对象，其中 数据对象是公共数据类的对象实例；一个数据对 象具有多个数据属性，数据属性含有各种数据类 型、值和功能约束FCFunction Constraint）等。IEC 61850-7-3中定义了29种公共数据类，并 利用对象的继承性和多态性将其实例化为500 多种数据对象，由这些数据对象及其属性来构成 逻辑节点。EC

6、61850-7-4中定义了13个逻辑节 点组，包含了90多种兼容逻辑节点类，涵盖了 保护、控制和测量设备以及一次设备等变电站设 备的几乎所有信息。另外，还定义了逻辑节点、 数据对象以及数据属性的扩展规则，允许根据需 要对其进行扩展。IEC61850-7-3, IEC 61850-7-4部分定对信息模型的语义约定，在严格意义上,与任何通信协议无关。2.2 服务模型服务就是提供交换信息，因此服务模型的技 术是信息模型。IEC 61850标准采用两种服务方 式：等对等服务和客户/服务器方式。喜爱客户/ 服务器方式建红，根据所传送信息的类型，每个 设备既可以是服务器也可以是客户，服务器和客 户之间通过

7、一套与实际网络应用层通信协议无 关的抽象通信服务接口 (ACSI)实现通信，一个 设备根据其功能可以包含若干个服务器对象，当 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，否则一般只包含一个服 务器对象。服务器对象封装了上述设备抽象信息 模型中的逻辑设备、逻辑节点、数据类、数据属 性等不同层次中数据对象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。3变电站配置描述语言IEC 61850-6为变电站智能电子设备的配置规定了一种描述语言。所定义的语言称为变电站 配置描述语言(SCL) , SCL实际上就是一个XML文档。在变电站配置描述语言中，智能电子设备 和通信

8、系统模型根据IEC 61850-5和IEC61850-7部分建立。规定了描述通信有关的智能电子设备配置和参数、通信系统配置、开关间隔（功能）结构及它们之间关系的文件格式。规定 文件格式的主要目的是可以以某种兼容的方式, 在不同厂家提供的智能电子设备工程工具和系 统工程工具间，交换智能电子设备能力描述和变 电站自动化系统描述。在某些适当部分，可能要 求特殊通信服务映射SCSM专用扩展或使用规 则。该语言允许规范地描述变电站自动化系统和 变电站（开关设备）的关系。在应用层上，也可 描述开关间隔拓扑本身以及开关间隔结构与配 置在智能电子设备上的变电站自动化功能（逻辑 节点）的关系。变电站配置描述语言

9、允许将智能电子设备配 置的描述传给通信和应用系统工程工具，也可以以某种兼容的方式将整个系统的 配置描述传递给智能电子设备的配置工具。变电 站配置描述语言主要的作用就是使得通信系统 配置数据可在不同制造商提供的智能电子设备 和系统配置工具之间相互交换。4抽象通信服务接口（ACSI）和特定通信服务映 射（SCSM）IEC 61850标准总结了电力生产过程的特点 和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网 络服务和对象集，设计出抽象通信服务接口ACSI,它独立于具体的网络应用层协议（例如目前采用的MMS）,与采用的网络（例如现在采用 的IP）无关。考虑到TCP/IP、0SK现场总线等 各种各样的通信

10、系统已经建立起来，IEC 61850引入了特殊通信服务映射SCSM。SCSM将抽象通 信服务接口定义的服务、对象和参数映射到MMS、 FMS、DNP或IEC 60870-5等应用层。采用该映 射模型，可以使数据对象和ACSI服务有很大的 灵活性，它的改变不受底下七层协议栈的影响。由于电力系统生产的复杂性，对信息传输的 响应时间也有不同的要求，在变电站的过程内可 能采用不同类型的网络，IEC 61850采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相 应的特定通信服务映射SCSM。如图2-3中应用过 程和抽象通信服务接口是一样的，不同的网络应 用层协议和通信栈与不同的SCSM1SCSMN相对

11、 应。IEC 61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，随着新的网络技术在变电站自动化系统中 的运用，只要对SCSM进行相应的改动，而不需要修改ACSL四IEC61850标准实现要点1建模思路建模思路分两种:1.1对整个变电站自动化系统进行建模从一次设备、二次设备到前置系统都采用 的各个层面，需要IED （智能电子设备）开发工 程师的协助，对软硬件的平台要求也比较高，因 此实现难度比较大。但是这也是比较彻底的实现 IEC6180的标，有利于企业的长远发展。IEC61850的标准建模,此种建模牵涉到变电站1. 2 IEC61850 网关鉴于对整个变

12、电站自动化系统进行建模的难 度比较大，还有就是当前已经存在大量的旧的通 信规约的变电站系统，我们不可能对其进行彻底 的改造和更换，否则建设成本太大，一种模式就 是在已有的变电站自动化设备外加一协议转换 网关，向外界屏蔽掉变电站内部系统的具体实现，通过协议转换网关提供IEC61850通信服务。2建模过程2. 1信息模型的建模过过程信息模型主要包括逻辑节点模型、设备模型和 服务器模型。其中逻辑节点模型是核心。逻辑节点是 IEC61850中非常重要的一个概念。变电站的所 有功能被分解成逻辑节点，逻辑节点是变电站自 动化系统中功能的最小单位。这些节点可能分布 在一个或多个物理设备上。在逻辑节点内部包含

13、 了系列的数据，这些数据有自己的数据属性和数 据服务。通常这些数据属性表达了系统的主要信 息，信息通过标准定义的专有服务进行交换。这 些服务被定义成抽象通信服务，具体传输信息 时，需要将抽象服务映射到具体通信协议栈。前面提到逻辑节点是变电站自动化系统中 功能的最小单位，因此我们在划分逻辑节点时应 按照“功能内聚”的原则对其进行划分。IEC61850-7-4部分定义了90多个逻辑节点，对于 61850中已经定义的逻辑节点，我们在在实现是 应严格按照其定义，对于标准中没有定义的，我 们可以按照规范扩展定义。以下是逻辑节点（父 类)定义示例： class LOGICAL_NODE (public:/

14、 INT8U DataNumber;INT8U DataSetNumber;ObjectName LNName; 在逻辑设备作用域内唯 一标识逻辑节点ObjectReference LNRef; 在系统作用域内的 引用 vector<DATA*> Data;逻辑节点包含的数据 DATA SET* DataSet;BRCB* BufferedReportContro1B1ock;URCB* UnbufferedReportContro1B1ock;LCB* LogControlBlock;仅存在于LLNO中；SGCB* SettingGroupControlBlock;LOG* Lo

15、g;GoCB* GOOSEControlBlock;GsCB* GSSEControlBlock;MSVCB* MulticastSampledValueControlBlock;USVCB* UnicastSampledValueControlBlock;ReferenceGetLogicalNodeDirectory(ObjectReference x, int x2);ReferenceGetAllDataValues(ObjectReference x, FCType x2););以下是一个逻辑节点例子-断路器类的定义： class XCBR:public LOGICALNODE pu

16、blic:基本逻辑节点信息INC INS INS LPL SPS INS DPLINSMode;/M Beh:/M; Health;/M; NamPlt;/M; Loc;/M; EEHealth;/O; EEName;/0; OpCnt;/M;可控数据DPC Pos;/ MSPC BlkOpn;/ MSPC BlkCls;/ MSPC ChaMotEna;/O测量量BCR SumSwARs;/0;状态信息INS CBOpCap;/ MINS POWCap;/ 0INS MaxOpCap;/ 0XCBR () (LNName="XCBR"Mode. DataName= Mod

17、e ;Mode. Presence二M;Data push_back(&Mode);Beh. DataName= Beh ;Beh. Presence=M;Data. pu sh_back(&Beh);Health. DataName= Health ;Health. Presence= M;Data. push_back(&Health);NamPlt. DataName="NainPlt”;NamPlt. Presence二 M;Data. push_back (&NamPlt);Loc. DataName="Loc"Loc.

18、Presence=M;Data, pu sh_back(&Loc);EEHealth. DataName="EEHealth”;EEHealth Pre sence=O;Data. push_back(ftEEHealth);EEName. DataName="EEName”;EEName. Presence二 0;Data. push_back(ftEEName);OpCnt. DataName="OpCnt”;OpCnt. Presence二M;D ata. push_back(&OpCnt);Pos. DataName="Pos&q

19、uot;Pos Presence=M;Data pu sh_back(&Pos);BlkOpn. DataName=BlkOpn;BlkOpn. Presence= M;Data. push_back(ftBlkOpn);BlkCls. DataName=z，BlkCls，z;BlkCls. Presence二 M;Data. push_back(ABlkCls);ChaMotEna. DataName="ChaMotEna”;ChaMotEna.Presence=O;Data. push_back(&ChaMotEna);SumSwARs. DataName=&qu

20、ot;SumSwARs”;SumSwARs. Pre sence=O;Data push_back (&SumSwARs);CBOpCap. DataName="CBOpCap”;CBOpCap. Presen ce=M;Data. push_back(ACBOpCap);POWCap. DataName="P0WCap”;P0WCap. Presence二 0;Data. push_back(APOWCap);MaxOpCap. DataName= MaxOpCap ;MaxOpCap. Pre sence=O;Datae push_back(&MaxOp

21、Cap);DataSetNumber=l;DataSet二new DATA_SET1;/ DataSet. push_back(new DATA_SET);DataSet0. DSName="AlarmXCBR”；DataSet0. DSMNumber=2;/ DataSet0, DSMemberRef=newObjectReferenceDataSet0. DSMNumber;Pos. DataRef="Pos"Pos. ctlVal. DATRef="Pos. ctlVal”;DataSet0. DSMemberRef. push_back(Pos.

22、 Data Ref);DataSet0. DSMemberRef. push_back(Pos. ctlV al. DATRef);；);逻辑设备可以认为是逻辑节点的容器。它是实际 物理设备的抽象，一个实际物理设备可能抽象多 个逻辑设备，一个逻辑设备也有可能映射为到多 个物理设备上。以下逻辑设备类的定义:class LOGICAL_DEVICE public:Ob jectName LDName; 逻辑设备名；唯一标识系 统作用域中的逻辑设备;ObjectReference LDRef; /逻辑设备路经名；和 逻辑设备名相同； vector<LOGICAL_NODE*> Logic

23、alNode; 所包 含的逻辑节点，一个LLN0, 一个LPHD,至少一 个其它逻辑节点 /客户使用 GetLogicalDeviceDirectory 服务检 索全部 Logi cal_Node 的 Ob j ectRef er ence理解为客户端调用GetLogicalDeviceDirectory映射到MMS,通过MMS到达服务端服务端完成下面函数的功能；该功能应该考虑 视窗的概念；暂未考虑。然后调用MMS服务,把结果返回客户端ReferenceGetLogicalDeviceDirectory(ObjectReferenceX)；;服务器是信息交换的服务提供者，一个服务器可 以为多个

24、逻辑设备提供服务。每个IED包含一个和多个服务器，每个服务器本身又包含一个多个 逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包 含数据。以下服务器类的定义:class SERVER ( public:/ INT8U LDNumber;ObjectName ServiceAccessPoint2; vector<LOGICAL_DEVICE*> LogicalDevice; vector<FILE*> Files;TPAA* TPAppAs soc i at i on;MCAA* MCAppAssociation;Reference GetServerDirectory(in

25、t i);2.2服务模型的建模过过程 主要服务模型及其服务信息： 服务器模型：GetServerDirectory; 关联模型：Associate, Abort, Release ; 逻辑设备模型：GetLogicalDeviceDirectory; 逻辑节点模型:GetLogicalNodeDirectory, GetAHDataValu es 数据模型：GetDataValues, SetDataValues, GetDataDirect ory GetDataDefinition;数据集模型：GetDataSetDirectory , GetDataSetValues , Se tDat

26、aSetValues, CreateDataSet, DeleteDataSet ;取代模型：SetDataValues;定值组控制模型:GetSGCBValues , SelectEditSG , SelectActive SG, SetSGValues , ConfirmEditSGValues , GetSGValues;报告模型： data-change , quality-change, data-update, G I, GetBRCBValues , SetBRCBValues,GetURCBValues, SetURCBValues;日志控制块模 型：GetLCBValues

27、, SetLCBValues ;日志模:GetLogStatusValues, QueryLogByTime, Quer yLogAfter ;GOOSE模型：SendGOOSEMessage, GetGoCBValues, SetGoCB Values, GetGoReference,GetGOOSEE1ementNumber ;采样值模型：SendMSVMessage, SendUSVMessage , GetMSVCBValues , SetMSVCBV alues, GetUSVCBValues, SetUSVCBValues ;控制模型:Select, SelectWithValue

28、, Cancel, Operate, Com mand-Termination, TimeActivated-Operate 文件传输模型：GetFile, SetFile, DeleteFile, GetFileAttribu teValues ;时间模型:时钟同步。3 SCL配置文档的实现SCL对象模型将变电站自动化系统分为5个主 要元素：Header> Substation、IED、Communication和DataTypcTemplateso 其中 Header包含了SCL文件的版本和修正号，以及名称殃射信息；Substation节包含了变电站的功能 结构、它的主元件及其电气连

29、接；IED节描述了 所有IED的信息，如所包含的逻辑装置、逻辑节 点、数据对象和所具备的通信服务能力； DataTypeTemplates详细定义了在文件中出现的 逻辑节点实例，包括它的类型（如PDIF为差动保 护逻辑节点）以及该逻辑节点实例所包含的数据 对象DO等；Communicat ion节定义了逻辑节点之间通过逻辑总线和IED接入点之间的联系方式。这些元素各有其子元素和属性，层层包含，最终 完成对整个变电站综合自动化系统模型的描述, 充分体现了使用SCL描述IED的可扩展性和灵活 性。在IED的配置中需要三类配置器：第一类是系 统配置器，第二类是IED配置器，第三类是系统 描述器。这三

30、类配置器相互配合协作，共同完成IED的配置过程。系统配置器是独立于IED的，它输入整个变电站所有1ED的预配置信息及电气主 接线图拓扑信息，根据系统层管理的需要，也由 配置工程师使用，设定不同智能电子装置所共享 的系统信息；IED配置器则是IED制造商提供的专 用工具，它可以生成、输入、输出、编辑IED配 置数据，也可以将配置数据下载到IED装置中;系统描述器则生成系统拓扑描述信息。在整个过 程中将要生成四类的文件，这四类文件都符合SCL模型规范。前面提到过，IEC61850配置文档实际上就是 一个XML文档。在实际应用当中由于，配置工程 师不一定对XML语言或者说SCL很熟悉，因此我们 有必要开发SCL配置和读取的可视化工具。针对 上述的三类配置器，我们可以开发三种类型的SCL可视化配置工具。因此开发SCL可视化配置工具，实际上就是开发一种特殊的额XML解析器。为了兼容各个厂 家的配置文档，我们是在选择XML开发类库的时 候最好选择一个跨平台，带验证模式的XML开发 类库。4抽象通信服务接口的对应通信协议映射由于IEC 61850采用了抽象的建模技术,使信息模型、接口