IEC61850 标准分析（第一部分）

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IEC61850 标准分析 #

本节旨在深入概述IEC61850标准的结构和工作原理。首先，解释该标准的基本概念，然后简要介绍其内容。之后，逐一考察并详细分析该标准的各个部分。

IEC61850的基本概念 #

在详细解释该标准之前，将简要介绍一些基本概念。

变电站可以定义为电力网络中连接线路和电缆以传输和分配电力的节点。变电站通常具有转换电能的功能，通常是将高压电转换为低压电，以便通过低压网络进行分配。因此，大多数变电站都配备一个或多个变压器，并且可能还具有许多其他功能，例如开关、断路和保护功能。变电站自动化系统 (SAS, substation automation system) 是一种计算机系统，它允许管理员通过计算机网络（例如互联网）与变电站进行通信。显然，在开发此类系统时，必须创建一个包含所有组件和功能的通用变电站模型。然后，必须明确规定系统允许和支持的具体通信方式。这正是 IEC61850 标准所要解决的问题。

图 2.1：IEC61850 标准的概念建模方法。将实际物理变电站建模为虚拟变电站。虚拟变电站包含一个详细的数据模型，该模型封装了现实世界的对象和服务，并将其映射到网络通信协议。图中展示了 IEC61850 的相关部分。

图 2.1 展示了如何将变电站虚拟化为适用于计算机系统的数据模型。该数据模型由若干逻辑节点组成，这些逻辑节点是 IEC61850 标准模型中的关键对象。一个逻辑节点可以附加多个数据对象，而每个数据对象又可以拥有多个数据属性。该数据模型将在后面章节中进行更详细的解释。

一个变电站通常包含多个智能电子设备 (IED)。当添加 IED 时，必须相应地扩展对变电站进行建模的数据模型实例。该实例也应进行相应的扩展。如图 2.1 所示，IEC61850 标准允许通过使用 IEC61850-6 中定义的 SCL 对变电站应用系统 (SAS) 进行配置和修改。该语言将在后续章节中进行解释。

IEC61850 服务器为客户端提供多种服务。例如，它可以进行日志记录、报告和设置控制。所有这些服务都在名为抽象通信服务接口 (ACSI, Abstract Communication Service Interface) 的标准第 7-2 部分中定义。

能够连接到变电站的客户端有时被称为 SCADA 系统或控制中心。

数据模型和 ACSI 定义了 IEC61850 服务器向客户端传输的内容的结构和格式。ACSI 可以映射到特定的通信服务映射 (SCSM, specific communication service mapping)。虽然就 ACSI 而言，可以使用其他 SCSM，但 IEC61850-8 和 IEC61850-9 中定义了特定的通信映射。

IEC61850 标准 - 概述和范围 #

IEC61850 标准的总标题为“变电站通信网络和系统”。该标准包含以下部分：

  • IEC61850-1 引言和概述

  • IEC61850-2 术语表：解释本标准中使用的术语和缩写

  • IEC61850-3 一般要求：规定了系统要求，重点关注通信网络的质量要求。

  • IEC61850-4 系统和项目管理：规定了系统和项目管理，包括工程过程、整个系统和智能电子设备 (IED) 的生命周期以及质量保证。

  • IEC61850-5 功能和设备模型的通信要求：描述了所有必要的功能，以便识别技术服务部门与变电站之间以及变电站内智能电子设备 (IED) 之间的通信要求。目标是实现所有交互的互操作性。

  • IEC61850-6 变电站自动化系统配置描述语言 (SCL)：规定了用于描述与通信相关的 IED 配置、IED 参数、通信系统配置、功能结构及其相互关系的 SCL 文件格式。其目的是在 IED 工程工具和不同的系统工程工具之间交换 IED 功能描述和 SA2 系统描述。

  • IEC61850-7 变电站和馈线设备的基本通信结构

    • IEC61850-7-1 原理和模型：介绍了 IEC61850-7 中使用的建模方法、通信原理和信息模型。此外，还详细阐述了 IEC61850-7-x 与 IEC51850-5 要求之间的关系。
    • IEC61850-7-2 抽象通信服务接口 (ACSI)：ACSI 提供抽象接口，用于描述客户端与远程服务器之间的通信，例如数据访问和检索、设备控制、事件报告和日志记录等接口。
    • IEC61850-7-3 通用数据类：规定了与变电站应用相关的通用属性类型和通用数据类。例如，规定的通用数据类包括状态信息类、测量信息类、可控状态信息类、可控模拟设定点信息类、状态设定值类和模拟设定值类。
    • IEC61850-7-4 兼容的逻辑节点类和数据类：规定了 IED 之间通信的兼容逻辑节点名称和数据名称。

  • IEC61850-8 特定通信服务映射 (SCSM)

    • IEC61850-8-1 映射到 MMS（ISO/IEC 9506 第 1 部分和第 2 部分）：通过将 ACSI 映射到 MMS，规定了如何通过局域网交换时间关键型和非时间关键型数据。

  • IEC61850-9 特定通信服务映射 (SCSM)

    • IEC61850-9-1 串行单向多点对点链路 规定了间隔级和过程级之间通信的特定通信服务映射，以及用于传输采样值的抽象服务的映射。这些映射是在串行单向多点对点链路上指定的。
    • IEC61850-9-2 基于 IEEE 802.3 的过程上的映射：根据 IEC61850-7-2 中的抽象规范，定义了用于传输采样值的 SCSM。

  • IEC61850-10 符合性测试：规定了如何测试 SAS 以确保其符合 IEC61850 标准。

为了阐明IEC61850通信标准和RTU在变电站自动化系统中的具体应用，本文将介绍两种典型的配置方案。这两种方案分别如图2.2和图2.3所示。当然，其他配置方案也是可能的，但这两幅图重点突出了传统RTU配置方案与未来局域网（LAN）配置方案之间的区别。这两种配置方案将分别称为RTU配置方案和LAN配置方案。

RTU是远程终端单元（Remote Terminal Unit）的缩写。RTU是一种微处理器控制的电子设备，例如在SCADA系统中，用于采集遥测数据并将其传输到中央服务器。顾名思义，RTU安装在远程位置。RTU还可以接收来自中央服务器的命令，并将其发送到远程系统。RTU通常配备用于传感或计量的输入通道、用于控制、指示或报警的输出通道以及通信端口。

图 2.2：RTU 系统中的 IEC61850 通信配置。RTU 通过硬线连接到其他变电站设备，IEC61850 是 RTU 与 SCADA 系统之间的通信方式。

在RTU配置中（图2.2），设备通常通过硬线连接到RTU的输入和输出端口。在这种情况下，IEC61850标准可以使传统的变电站配置在与控制中心通信的一侧符合新标准。如果要将符合IEC61850标准的SCADA系统连接到传统的RTU配置，这可能是有利的。

图 2.3：IEC61850 通信配置文件在局域网 (LAN) 环境中的布局。IEC61850 是智能电子设备 (IED) 与网关之间（通过 LAN）以及监控与数据采集系统 (SCADA) 与网关之间（通过 TCP/IP 或 LAN）的通信方式。

在局域网 (LAN) 系统中，IEC61850 标准既用于变电站自动化系统 (SAS) 内智能电子设备 (IED) 之间的通信，也用于 SAS 与监控与数据采集系统 (SCADA) 之间的通信（通常位于网关和 SCADA 之间）。然而，IED 也可以与 SCADA 通信。由于该标准也适用于此类通信，因此显然这种配置被视为未来典型的应用场景。不过，由于变电站自动化领域现有技术通常需要很长时间才能被新技术完全取代，因此 RTU 配置很可能在未来多年内继续应用于该领域。

图 2.1 解释了 IEC61850 标准的概念建模方法。它还展示了该标准的哪些部分涉及变电站自动化系统及其通信的特定方面。

第 6 部分至第 9-2 部分构成了该标准的主要部分。因此，本章将重点分析这些部分。这些部分定义了如何使用数据类和服务对变电站进行建模。定义了SCL语言，用户可以使用该语言配置变电站自动化系统或连接到该系统的单个IED。此外，还定义了抽象通信服务接口（ACSI），其中列出了客户端可用的所有服务。最后，解释了如何将这些抽象服务映射到特定的通信服务映射（SCSM）。

数据模型 #

如图 2.1 所示，逻辑节点是 IEC61850 数据模型中的关键对象。该数据模型是分层的，逻辑节点是该模型的基本元素。逻辑节点代表设备中的特定功能，可以定义为“交换数据的最小功能单元”。IEC61850 标准定义了 91 个不同的逻辑节点类，这些类根据其功能被分组为 13 个逻辑节点组（完整列表请参见附录 B.1）。每个逻辑节点都被定义为具有特定属性的类。

在数据模型的一个实例中，一些逻辑节点实例可以组合成一个间隔，间隔被定义为变电站中具有某些共同功能的紧密连接的子部分。因此，间隔是一个逻辑分组，不一定是一个物理设备。在分层数据模型中，它可以由一个逻辑设备表示。数据模型的层次结构如图 2.4 所示。一个变电站中可以有一个或多个物理设备。一个物理设备包含一个或多个服务器，服务器是层次数据模型中的顶层对象。逻辑设备是对与特定物理设备相关的功能的更细粒度分组。逻辑设备包含在服务器中。因此，一个服务器可以包含多个逻辑设备，而一个逻辑设备也可以包含多个逻辑节点。

图 2.4：IEC61850 数据模型的层次结构。一个服务器可以包含多个逻辑设备 (LD)，依此类推。定义了 91 种不同的逻辑网络 (LN)，它们都继承自一个抽象的 LN 类。每个 LN 都包含一些必需和可选的数据。

在层级模型中，逻辑节点下层连接着若干数据对象，每个数据对象又包含若干属性及其对应的值。

逻辑节点之所以成为数据模型的核心，部分原因在于它们是预定义的。虽然变电站的制造商或管理员可以自行选择逻辑设备和服务器，但预定义的逻辑节点涵盖了变电站组件的所有必要功能。考虑到该标准旨在实现不同供应商设备之间的互操作性，这无疑是一项优势。

ABB 研究中心的 Hubert Kirrmann 指出：“尽管 IEC 61850 被定义为‘变电站和馈线设备的通信结构’，但其主要贡献在于定义了所有变电站对象的对象模型”。显然，由于该标准以互操作性为目标，其数据模型至关重要，因此所有功能都可以通过预定义对象进行精确建模，这无疑是一项优势。

对象模型的一个重要方面是允许用户以有意义的方式命名变电站组件。这是由于该标准采用了面向对象的方法。

该标准定义了对象引用，以区分对象引用和对象名称。对象引用在实现方面至关重要，并且以直接的方式基于数据模型。对象引用由按照数据模型分层排列的对象组成，对象之间用点号分隔。通用格式为：

LD/LN.Data.DataAttribute

但稍后会对此进行一些扩展。

posted @ 2025-11-07 15:04  serene1312  阅读(1)  评论(0)    收藏  举报