IEC61850规约在电力系统中的应用

                                                                  IEC61850规约在电力系统中的应用

     在变电站自动化技术近20年的发展过程中，随着智能电子设备的普及，形成许多单项自动化系统，这些系统间相对独立，没有直接的电气联系，通常由电力企业不同部门来管理、维护。由于种类繁多，提供的接口和功能各不相同，设备间不能够共享信息，形成“自动化孤岛”问题，不仅增加成本，也影响系统的可靠性，增加用户的维护工作量。目前各种各样的集成方案都不能提供高层次的信息共享。在这样的背景下，国际电工委员会提出了IEC61850标准。这是一个基于网络的通信体系标准，包括面向对象、通信网络、接口和映射、系统和管理项目等多方面的内容。

1.概述

        随着现代电网结构日趋复杂，电网容量不断扩大，实时信息传送量成倍整多，对调度自动化系统和厂站自动化系统的数据通信提出了更高的要求。电力系统的传输规约和传输网络的标准化，是实现可靠快速通信的保证。

        目前变电站自动化系统通信规约的情况是：一个普通的变电站使用的产品可能是南瑞、东方电子、许继、四方、ABB、GE;采用的规约可能是CDT、60870-5-101、102、103、104、Tase2。几乎每个产品供应商都具有一套自己的标准，整个电网里运行的规约就可能达到上百种。不同厂家的设备不能兼容，需要进行协议转换，增加了工程和培训费用，影响了电力系统综合自动化的发展。

        2002年通过的IEC61850变电站通信网络和系统的国际标准草案，IEC61850通信协议对变电站自动化系统中的数据对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口(ACSI),并支持TCP/IP协议，是一个开放的、面向未来的新一代变电站自动化系统通信协议。为在各种自动化系统内部准确、快速地收集、处理并传送从发电厂、变电站到终端用户接口的各种实时信息，提供了一种解决方案。

2.IEC61850标准

      IEC61850将变电站通信体系分为3层，如图1所示：变电站层，间隔层和过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口(ACSI) 映射到制造报文规范(MMS)和基于以太网或光纤网的TCP/IP协议。在间隔层和过程层之间的网络采用多点传输的单向传输以太网结构。所有站内具有通信能力的自动化设备均被看做IED。IEC 61850标准中，变电站内的IED(实现测控，保护等功能)采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

        IEC 61850通信协议对变电站自动化系统中的数据对象统一建模，IEC 61850提供了80多种逻辑节点名代码和350多种数据对象代码，23个公共数据类(CDC),涵盖了变电站所有功能和数据对象，提供了扩展新的逻辑节点的方法。采用面向对象自我描述方法。采用独立于网络结构的抽象通信服务接口(ACSI),并支持TCP/IP协议，是一个开放的，面向未来的新一代变电站自动化系统通信协议。

                                                                         图1 基于IEC61850的变电站自动化系统结构

3.基于IEC 61850的设备建模方法

         为了达到通信的要求，IEC61850提供了建立通信数据模型的方法。从变电站的角度出发，可以将每个间隔单元看作一个整体进行建模[3],也可以将每一台物理装置作为一个整体建模，从规约的实施方(自动化设备生产厂家)的角度看，后者更为直观，更容易将模型与实际装置结合起来。每个实际装置实际就是一个IED,IED中的每一种功能(如保护功能和各种辅助功能)可以定义为逻辑节点的一个实例，考虑IED实现的功能，一个IED中一般集成有多个逻辑节点。所有逻辑节点的集合再加上辅助服务就构成了逻辑设备(logical device)。则每一个IED均由服务器和应用组成，将服务器(Server)分层为逻辑设备(Logical Device),逻辑节点(Logical  Node),数据对象(Data Object),数据属性(Data Attributes)。在实际设备中，服务器就是物理装置的通信接口，有相应的通信地址。现场设备(如断路器，电压互感器，电流互感器)的描述性信息就存贮在相应的逻辑节点的属性数据中，即IED的信息模型中，站内其他装置或监控中心需要访问这些数据。

                                                                                  图2 某线路保护及测量IED信息模型

         以被保护线路的一整套保护及自动重合闸装置为例，每一套装置就是逻辑设备的一个实例。线路保护装置的所有功能和数据可通过服务器提供和访问。

         图2中所示变电站的高压设备断路器Q0,电流互感器T1,电压互感器T2。图中给出了此间隔内的两台变电站自动化设备IED1和IED2。IED1为此出线的线路保护及重合闸装置，IED2为一台PC机。断路器Q0,电压互感器T1,电流互感器T2分别采用逻辑节点XCBR,TCTR,TVTR构建，则关于这些设备的信息便可与其它保护信息一样由外部访问。

        IED1中包括8个逻辑节点，分别为XCBR,TCTR,TVTR,PTRC,PDIS,RREC,MMTR,MMXU,示例IED1中只包括了一种保护功能(距离保护),而实际中一条出线配有多套保护，只需定义不同功能的保护的逻辑节点，并加入IED1的信息模型中即可。IED2中包括2个逻辑节点，为IHMI和IARC,实现监测数据显示等人机交互和文档操作。各逻辑节点的信息描述详见IEC61850规约，此处不再赘述。

         IED与现场设备之间的连接由虚线表示，细实线代表各逻辑节点之间的逻辑连接，表明相连的逻辑节点之间有信息交换，粗实线给出了IED1和IED2之间的物理连接，此处，IED1,IED2通过LAN连接，不同IED中的逻辑节点之间的数据交换实际是通过LAN实现的，如图中逻辑节点IARC与MMTR之间。

4.基于IEC61850的变电站通信模式

         变电站内各IED通过局域网互连在一起。根据IEC 61850标准，他们之间的通信可以划分为两组：采用客户/服务器模式，用于交换控制信息或读取数据，或利用GSE(变电站通用事件)服务以1:1或1:N的模式通信。

客户/服务器模式，客户提出服务请求，从执行该服务的服务器收到确认或响应。客户也可以收到来自服务器的报告指示(Report indications)。每个IED既可作为客户，又可作为服务器，如图3所示。后者采用组播

                                                                      图3 物理设备客户/服务器角色示意图

的方式，可以实现保护IED之间，或一个IED与多个远方IED之间高速、稳定的通信。

          上述两组通信模式均采用与网络独立的抽象通信服务接口(ACSI),它独立于具体的网络应用层协议，和采用的网络无关，可以通过特殊通信服务映射(specificcommunication service mapping)的方法映射到不同的通信协议和通信网络，灵活性很高。电力系统生产复杂，信息传输和响应时间要求不同，在变电站的过程内可能采用不同类型的网络，网络技术的更新速度很快，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)即可。如图4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SCSM1~SCSMn相对应。

                                                                                    图4  ACSI 映射至通信栈

         理论上你可以将ACSI映射到任何规约，但是如果试图将其映射到一个只提供对简单变量读，写，报表服务的规约，将是一项非常复杂和繁重的工作。IEC 61850中定义了ACSI到MMS(制造报文规范)的映射。MMS是由ISO TC184开发和维护的网络环境下计算机或IED之间交换实时数据和监控信息的一套独立的国际标准报文规范，也是目前可以很方便的支持IEC61850的复杂的命名和服务的协议。信息模型和ACSI服务被映射到MMS中，然后根据采用的网络添加上相应的低层协议的控制和地址信息，如TCP头信息和IP头信息。接收报文的IED能够根据标志，长度，名称和其他数据解释所收到的信息。当然这一解释需要通信双方采用相同的通信栈或协议子集。

         控制中心与变电站之间可以通过网关相连实现通信。可通过以下几种可选方式访问变电站数据：

         (1)由网关/代理提供对变电站内物理设备的直接访问；

         (2)在网关/代理内定义的逻辑设备中设定数据集收集控制中心所需数据；

         (3)定义新的逻辑节点类和数据类用于网关/代理内，为控制中心提供变电站数据的镜像。

从维护角度看，方式(1)比较有利。方式(2),(3)相比，方式(3)中，由于将网关/代理和变电站内其他设备同等对待，采用相同的建模的概念和方法，从建模角度看，方式(3)更为有利。采用后两种方法，可以根据控制中心的需要，对变电站数据进行过滤，访问更加灵活。而控制中心和网关/代理及变电站物理设备之间的通信的具体实现与站内各IED之间通信采用相同的方法，采用ACSI映射至具体的网络应用层协议实现。

         本文重点从设备建模和通信模式两个方面阐述了IEC61850在电力系统中的应用。举例说明了IEC61850中定义的建模方法与实际设备及功能如何对应，并对规约中定义的站内设备之间及变电站与控制中心之间的通信方法进行了归纳。后期会对IEC61850标准在智能变电站自动化系统中的应用做其他方面的阐述，以上观点仅为个人分析，欢迎各位同仁积极留言，共同学习。