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IEC61850 系列标准简介,国电南瑞科技股份有限公司,丁杰 dingjnaritech.cn,目 录,什么是IEC 61850 主要目的及特点 内容简介及理解,什么是IEC 61850?,IEC 61850系列标准的全称是变电站通信网络和系统(Communication Networks and Systems in Substations)，它规范了变电站内智能电子设备（IED）之间的通信行为和相关的系统要求 IEC 61850系列标准是由国际电工委员会第57技术委员会(IEC TC57)从1995年开始制订的,目前，IEC61850共14个部份已经全部通过为国际标准。我国的标准化委员会对61850系列标准进行了同步的跟踪和翻译工作,IEC 61850系列标准吸收了多种国际最先进的新技术，并且大量引用了目前正在使用的多个领域内的其它国际标准作为61850系列标准的一部分。所以它是一个十分庞大的标准体系，而不仅仅是一个通信协议标准 IEC 61850看起来很像又一新的协议。其实它不是。确切地说，它是一种新的变电站自动化的方法，一种影响工程、维护、运行和电力行业组织的新方法 它采用面向对象的建模技术，面向未来通讯的可扩展架构，来实现“一个世界，一种技术，一个标准”的目标,什么是IEC 61850?,标准的特点,开放性： 全部通信协议集将基于已有的IEC/IEEE/ISO/ OSI可用 的通信标准的基础上 先进性： 采用ACSI(抽象通信服务接口)、SCSM(特定通信服务映射)、OO(面向对象)的技术 采用抽象的MMS作为应用层协议 自我描述,在线读取/修改参数和配置 采用XML语言来描述变电站的配置 完整性： 适用对象几乎包容了变电站内所有IED，例如： 常规的测控装置、保护装置、RTU、站级计算机、 可选的同期、VQC装置 未来可能广泛使用的数字式一次设备如PT、CT、开关,以往的设计对象是优化 带宽 硬件资源（CPU性能、存储需求） 今天的趋势,61850产生于技术的变迁,带宽成本,硬件成本,集成成本,目 录,什么是IEC 61850 主要目的及特点 内容简介及理解,1 从规约角度分析,通信接口:串行口,现场总线,以太网 通信传输规约:多! 为规范远动系统中的通信系统，IEC于1990年至2002年制订IEC60870系列标准（远动设备及系统）:变电站与控制中心通信的101、104规约和保护与监控系统通信的103规约 由于没有标准，不可能进行一致性测试，厂家间就算提供了规约，也无法保证其实现与规约的一致性，一切只能现场见或事先在实验室联调 厂家在技术水平、经验、理解等各方面有差异,个性扩展 产品互操作性问题日益突出 工程费用增加 成为变电站自动化行业发展的巨大障碍,DNP,四方103,MODBUS,PROFIBUS,CDT,60870-5-103,南自103,网络103,1 从规约角度分析,1 从规约角度分析,2 从信息模型角度分析,按点号数据含义不明,2 从信息模型角度分析,按点号数据之间无关联,对象模型,点模型,组态的内容各不相同，组态的结果互不通用，组态信息的交流通过书面方式，易出错 IEC61850的优点不是体现在设备的价格上,而是在设备的长期使用上,3 从组态及工程角度分析,1.对制造厂非常有利,IEC61850带来什么好处,可以避免劳民伤财的协议转换工作; 采用对象建模技术，面向设备建模和自我描述，采用配置语言，在信息源定义数据和数据属性，传输采样测量值等技术,在组态、配置和维护工作上,节省了大量开支; 将来会有越来越多的智能设备(电能质量、同步相量、设备诊断等)集成到系统中，无缝数据集成和共享信息节省了大量开支,用户可选择最好的产品,不必担忧互联,互换,能大幅度改善设备集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化系统使用期间的灵活性。 提供了变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等,2.对用户非常有利,IEC61850带来什么好处,标准制定的主要目的,互操作性 为不同厂家的设备互联提供互操作性,即不同制造 厂家提供的智能设备可交换信息和使用这些信息 执行特定功能 自由配置 满足变电站自动化系统（SAS）功能和性能的要 求；可灵活配置，将功能自由分配到装置中，支 持用户集中式（如RTU）和分散式系统的各种要求 长期稳定性 支持未来的技术发展，因为它可兼容主流通讯技 术而发展，并可伴随系统需求而进化,互操作性,IEC61850-5: IEC61850系列标准的目标是为来自不同厂商的智能电子设备提供互操作性，更严格地说，是为在变电站中执行且常包含在不同制造商提供的设备（物理装置）中的功能提供互操作性,互换性,IEC61850-5 互换性 interchangeability 互换性是指可用同一厂家或不同厂家的装置相互替换。互换装置具有相同的通信接口且至少提供相同功能，并且互换对系统的其它部分没有影响。若功能差异可接受，互换也可能要求系统某处作出改变。互换性更严格的意义是指功能和装置的标准化。然而，功能和装置标准化均不在本标准的讨论范围内 相比目前自动化系统,为互换性提供有利的条件 相同的通信接口 SCL配置文件,三层架构及逻辑接口,技术服务,远方控制,(,NCC),功能,.,A,功能,.,B,保护,.,控制,传感器,执行元件,远方保护,间隔,/,单元层,变电站层,过程层,远方保护,1,6,3,3,7,9,8,1,6,2,2,4,5,4,5,10,IEC61850变电站架构,IEC61850变电站架构,IEC61850变电站架构,过程总线的基本组网方案,1 每个间隔拥有自己的通信网络 2 通信网络可以跨越多个间隔 3 所有设备共用一个通信网络 4 面向继保功能区划分网络,按电气间隔划分网段,按继电保护区域划分网段,三 内容简介及理解 61850(1-5) 61850-6 61850-7 61850-8 61850-9 61850-10,内容概述,61850-1 介绍和概述 该标准介绍了整个61850系列标准的制定目的、历史沿革，对61850的其它标准的核心内容作了一个提炼并加以介绍，对以后的标准中涉及的核心概念作了初步的阐述 61850-2 术语 该标准搜集了整个61850系列标准所涉及的术语解释、缩写名词定义、规范性引用文件,内容概述,61850-3 总体要求 该标准从质量要求、环境条件、供电条件三个方面对SAS系统的性能进行了规范 质量要求包括可靠性、系统可用性、可维护性、安全性、数据完整性 环境条件包括对温度、湿度、大气压、振动、污染、腐蚀、电磁干扰的耐受能力 供电条件包括对供电电源的电压、频率范围以及瞬时失电的耐受能力,电磁兼容要求,环境要求,变电站中的智能电子设备属于C级别,C级别又被细分为4个小级别： 1: Class C1: -5 to 45°C 2: Class C2: -25 to 55°C 3: Class C3: -40 to 70°C 4: Class Cx: Special 变电站中的智能电子设备需满足C2、C3或Cx(-40 to 85°C)级别,61850-4 系统和项目管理 该标准主要规范了SAS的参数化、文档化等工程管理要求 SAS及其IED始于研发阶段直至停产和退出运行的生命周期内的质量管理 SAS的质量保证，重点是试验设备、试验内容，如系统测试、型式试验、例行试验、一致性测试、FAT、SAT等,内容概述,61850-5：功能的通信要求和设备模型 详细阐述了功能、逻辑节点和通信信息片三个概念以及三者的相互关系 对不同等级的变电站内的不同种类的通信报文的通信时间提出了要求，以及如何验证整个系统的通信性能要求,内容概述,重要术语,功能 已有装置功能各不相同 标准应让各种装置能实现 对功能的描述不是为了标准化功能，是为了确定通信需求 同一功能可以分布在不同厂家提供的物理设备之间 功能与物理设备无关，可以在物理设备上自由分布,功能分类,系统支持功能 网络管理 时间同步 物理装置自检 系统配置或维护功能 节点标识 软件管理了 配置管理 逻辑节点运行模式控制 设定 测试模式 系统安全管理,运行或控制功能 访问安全管理 控制 指示瞬时变化的运行使用 同期分合（定点分合） 参数集切换 告警管理 事件（管理和）记录 数据检索 扰动/故障记录检索,功能分类,就地过程自动化功能 保护功能（通用） 距离保护（保护功能示例） 间隔联锁 测量、计量和电能质量监视 分布自动化支持功能 ·全站范围联锁 ·分散同期检查,分布过程自动化功能 断路器失灵 自适应保护（通用） 反向闭锁（自适应保护功能示例） 负荷减载 负荷恢复 电压无功控制 馈线切换和变压器转供 自动顺控,重要术语,逻辑节点（LN）、物理设备（PD）、逻辑连接（LC）、物理连接（PC） 逻辑节点可以理解为功能分解的最小单位 逻辑节点之间的连接称为逻辑连接 一个物理连接可以包含多个逻辑连接,重要术语,功能F、逻辑节点LN 、物理设备PD 、逻辑连接LC 、物理连接PC的关系,功能自由分配！,重要术语,功能、逻辑节点和物理设备的之间的关系实例,逻辑节点组类型,传输时间的定义,通信要求,三 内容简介及理解 61850(1-5) 61850-6 61850-7 61850-8 61850-9 61850-10,61850-6：变电站自动化系统配置描述语言 该标准描述了基于XML1.0的变电站自动化系统配置（ SCL ）语言的语法，并在附录中提供了模式文档定义（SCHEMA）文件的文本，并给出了一个不完整的变电站的SCL文件的实例,内容概述,变电站配置描述语言SCL,XML语言,变电站配置文件,IEC61850模型,张三 公司: 国电南瑞 电话: (025)83092913 地址: 南瑞路8号 城市: 南京市 省份: 江苏 ZIP: 210003, 张三 国电南瑞 (025)83092913 南瑞路8号 南京市 江苏 210003 ,联系人信息,XML表示,XML实例,数据类型 命名空间 元素 属性 一致性约束 正则表达式,SCHEMA主要内容,定义一个国际通用的对象模型 定义一套适用于该模型的XML标签 定义了配置文件的结构 用8个SCHEMA文件实现定义和校验,SCL,SCL对象模型,SSD,系统图组态工具,装置模板组态工具,ICD,系统组态工具,SCD,装置实例组态工具,IEC61850装置,CID,全站系统配置文件,一次系统配置文件,装置模板配置文件,装置实例配置文件,工程配置图,SSD: System Specification Description. XML description of the entire system. SCD: Substation Configuration Description. XML description of a single substation. ICD: IED Capability Description. XML description of items supported by an IED. CID: Configured IED Description. XML configuration for a specific IED.,SCL 文件类型,三 内容简介及理解 61850(1-5) 61850-6 61850-7 61850-8 61850-9 61850-10,61850-7：变电站和馈线设备的基本通信结构 61850-7-1 原理和模型 分别从应用、设备、通信的观点为对象建模，模型分别是逻辑节点及数据、逻辑设备/物理设备、客户/服务器，另外简要介绍了61850-7-2，-3，-4的内容及相互关系 61850-7-2 抽象通信服务接口(ACSI) 61850-7-3 公共数据类 61850-7-4 兼容的逻辑节点类和数据类 61850-7-2，-3，-4，它详尽的描述了各种对象模型的数据类和服务，是61850-8和-9的前提和基础,内容概述,数据模型和信息交换,IED,智能电子设备,具有可访问 的数据模型,WHAT,交换什么,IEC 61850-7-3 IEC 61850-7-4,HOW,（怎么交换）,IEC 61850-7-2,请求,响应,事件,Self desc Not like modbus register,数据模型,XCBR 断路器 XSWI 隔离开关 TCTR电流互感器 TVTR电压互感器 SIMG 绝缘介质监视 CSWI开关控制器 PTOC 带时限过电流 PTRC 保护跳闸条件,逻辑节点,逻辑节点的行为,数据与数据属性,命名规则,数据,逻辑节点,逻辑节点的数据、数据属性,逻辑设备,逻辑设备,2、逻辑设备也提供了关于物理设备的信息或者由逻辑设备控制的外部设备信息。,逻辑设备,3、逻辑设备以透明的方式构建网关,模型,TrgOp(触发条件),dchg 数据变化 (trigger option for data-change) dupd 数据更新 (trigger option for data-update) qchg 品质变化 (trigger option for quality-change),模型,模型,品质,模型,模型,服务器,层次关系,建模实例,IEC61850分析总结了变电站自动化系统的功能需求，并将功能分解为最小单位逻辑节点 建模是厂家选择多个相关逻辑节点，实现自己产品(系统、装置)的功能 建模也可以是设计人员针对变电站要实现的功能，而对整个变电站自动化系统和每个装置选择相关的逻辑节点,建模实例,组织理解,服务模型,控制类(CONTROL)模型,数据集(DATASET)模型,为了客户（client）的方便，由数据（DATA）或数据属性（DataAttribute）组成的一个有序的集合 交换信息时可以只传递DATA SET名和成员所引用的值，提高传输效率,报告日志模型,SGCB模型,取代模型,时间和时间同步模型,间隔层总线采取SNTP(Simple Network Time Protocol),时间和时间同步模型,间隔层总线采取SNTP(Simple Network Time Protocol),超过2000KM的WAN上可以稳定的做到10毫秒级别， 在LAN上可以稳定的做到1毫秒级别,时间和时间同步模型,P1 典型应用于配电线间隔 P2 典型应用于输电线间隔 P3 典型用于输电线间隔， 具备满足同步和断路器分合时间差的最好性能,时间和时间同步模型,过程层采用IEEE1588协议,三 内容简介及理解 61850(1-5) 61850-6 61850-7 61850-8 61850-9 61850-10,61850-8-1：特定通信服务映射(SCSM) 在ISO8802-3上映射到MMS (ISO/IEC9506第1部分和第2部分) 该标准将ACSI映射到MMS，形成了基于802.3,传输层至少支持TCP/IP的应用层协议,该协议适用于站级和间隔级设备，或间隔级设备间，或站级设备间的通讯,内容概述,ACSI ACSI(Abstract Communication Service Interface)即抽象通信服务接口,它是独立于通信协议,独立于具体实现,独立于操作系统的抽象的对服务过程和相关数据类的描述。它通过不同的SCSM映射到不同的协议 SCSM SCSM(Specific Communication Service Mapping)即特定通信服务映射，它在抽象的ACSI和具体的某一特定协议之间建立映射关系,内容概述,ACSI通信方法,IEC61850映射到通信栈,MMS 制造报文规范,MMS（Manufacturing Message Specification）即制造报文规范，在80年代初期,为了美国通用汽车公司的MAP（制造自动化协议）项目而开发,它主要是规范工业自动化领域内智能设备间的通信行为，广泛地应用于工业过程控制、工业机器人等领域。PROFIBUS-FMS，TASE.2,UCA等标准均符合MMS。MMS的特点在于它是一个与设备、与功能、与应用均无关的极为抽象的通用标准。最初基于OSI通信栈和令牌总线（IEEE 802.4）,后MMS开始基于以太网（IEEE 802.3）. MMS标准由两部分所组成 : 1 ISO/IEC 9506-1: 工业自动化系统 制造报文规范 Part 1: 服务定义 中国国家标准GB/T 16720.1-1996 2 ISO/IEC 9506-2:工业自动化系统 制造报文规范 Part 2: 协议规范 中国国家标准 GB/T 16720.2-1996 美国波音公司决定采用基于ISO OSI基本参考模型（包括MMS）的局域网协议（ TCP/IP）, 被称为TOP（技术和办公协议 ）,MMS -虚拟制造设备 (VMD),程序调用,有名变量,有名变量列表,文件,类型,信号,事件登录,事务处理,域,操作界面,日志,事件条件,事件活动,设备本身也是一个VMD对象,表示在VMD内的一个 抽象对象（如一个程序）,由一组包含在域内的过程和数据 元素及执行控制信息组成,存取共享资源 的概念锁,用于交互操作,表示事件状 态的对象,当事件条件对象状态改变时 表示MMS服务的执行动作,加时标的事件、变量 数据和注释集合,处理MMS服务,将事件条件和事件活动相连接 并将事件变迁结果和客户相连接,由于生产设备的种类很多，不失其共性，MMS中引入了抽象客体模型，并在此基础上提出了虚拟制造设备（VMD）的概念。 VMD是一种客体模型，它抽象地表示了某个实际制造设备的资源和外部可见行为，从而在功能上，某个VMD可以与某个真实的制造设备相对应。,MMS 对象服务,域管理,VMD支持,环境和通用管理,文件管理,操作员通信,日志管理,事件管理,信号量管理,变量存取,MMS,服务,为了支持设备之间的通信及适应各种应用环境的要求，MMS提供了丰富的服务（约80多种），按照操作功能的不同，这些服务又被分为10类,程序调用管理,SCSM通信映射,MMS与61850只见映射案例,在分布式变电站的自动化系统中，智能电子设备（IED）共同协助完成自动化功能的应用场合越来越多，例如间隔层设备之间的防误闭锁、分布式母线保护等，这些功能得以完成的重要前提条件是众多IED之间数据通讯的可靠性和实时性。 IEC61850中定义了通用变电站事件（GSE -generic substation event model），该模型提供了在全系统范围内快速可靠地输入、输出数据值的功能。,深入理解 - GOOSE,GSE分为2种不同的控制类和报文结构： 1、 GOOSE(generic object oriented substation event) 面向通用对象的变电站事件 2、GSSE(generic substation state event) 通用变电站状态事件,深入理解 - GOOSE,GOOSE: 为面向通用对象变电站事件并支持由 DATA-SET组织的公共数据广范围的交换 GSSE: 为通用变电站状态事件并支持提供传 输状态变化信息(双比特),深入理解 - GOOSE,报文内容,GOOSE报文的核心内容可由用户灵活、自由定义，不仅可传输状态信息，而且可传输模拟量信息，应用范围广泛。 GSSE报文一般只用于传输保护跳闸、闭锁 等状态变化信息，内容比较单一。它是UCA GOOSE在61850中的一种延续。,深入理解 - GOOSE,深入理解 - GOOSE,多播地址（6个字节）应有如下结构： 前3个字节被IEEE定为01-0C-CD； 第4个字节，对于GOOSE，为01；为GSSE，为02；对多 播采样值，为04； 最后2个字节应为单独地址,GOOSE报文定义,深入理解 - GOOSE,报文实时性,GSE 报文时间延迟规定在4MS GOOSE 报文的传输服务是应用层到表示层（经ASN.1编码）后，直接映射到底层（数据链路层和物理层），不经网络层和传输层，并采用了较先进的交换式以太网各种技术（如VLAN、优先级、多播等），从而保证了报文传输的实时间性。 GSSE报文的传输服务映射于OSI的7层协议堆栈中，一方面，存在协议堆栈传输延时，另一方面，它仍是基于传统的以太网实现的（不支持VLAN、优先级、多播等），这使德当网络负荷比较重时，很难保证报文的实时性。,深入理解 - GOOSE,重传报文机制,重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收 方等待下一次重传的最长时间。如果在该时间间隔内部没有收到 新报文，接收方将认为关联丢失。 重发间隔的最大时间应该 60s。 网络延迟 4ms,深入理解 - GOOSE,额外链路,普通报文缓冲,交换机,GOOSE,普通报文,GOOSE报文优先发送,深入理解 - GOOSE,网络协议要求,符合IEC61850标准的网络交换机需支持以下协议： 1. IEEE 802.3x Full-Duplex 2. IEEE 802.1p Priority Queuing 3. IEEE 802.1Q VLAN 4. IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol 5. IGMP Snooping / Multicast Filtering,深入理解 - GOOSE,GoCB模型,GOOSE控制块定义,GOOSE报文定义,一次设备接线,VLAN = 000,ExtGGIO1 Ind1.stVal Ind2.stVal ,GSE MEA1 VLAN-ID: 000 VLAN-PRIORITY: 4 MAC-Address: 01-0C-CD-01-00-CF APPID: 0000,Inputs ExRef 1 iedName: MEA3 lnClass: ExGGIO1 doName: Ind1 ExRef 2 iedName: MEA3 lnClass: ExGGIO1 doName: Ind2,GSE MEA2 VLAN-ID: 000 VLAN-PRIORITY: 4 MAC-Address: 01-0C-CD-01-00-86 APPID: 0001,50517XSWI Pos.stVal,50527XSWI Pos.stVal,测控装置3,测控装置1,测控装置2,深入理解 - GOOSE,三 内容简介及理解 61850(1-5) 61850-6 61850-7 61850-8 61850-9 61850-10,61850-9-1 特定通信服务映射(SCSM) 串行单方向多点共线点对点链接 该标准将61850-7中有关采样测量值传输的部分映射过来，形成了基于802.3,LLC采用无应答无连接，不使用网络层、传输层、会话层及表示层的应用层协议,该协议适用于间隔级设备和过程级设备间的通信,内容概述,61850-9-2 特定通信服务映射-过程总线 与61850-9-1类似，区别有: 非点到点 双向，可配置MU中参数,内容概述,电子互感器、智能控制器,合并单元,SMV 应用,SMV 应用,合并单元,同步数据,三 内容简介及理解 61850(1-5) 61850-6 61850-7 61850-8 61850-9 61850-10,61850-10 一致性测试,PICS - Protocol Implementation Conformance Statement 协议实现一致性陈述 MICS - Model lmplementation conformance Statement 模型实现一致性陈述 PIXIT - Protocol Implementation extra information for Testing 测试协议实现之外的信息,61850-10 一致性测试,61850-10 一致性测试,名字空间扩展,IEC 61850 version 2 IEC 61850-6 Ed.2 IEC 61850-9-2 Ed.2: http:/www.tissue.iec61850.com IEC61850-7-401 57/624/NP Power Quality Monitoring Added to IEC 61850 Document: 57/815/NP 挪威国家委员会在”IEC TC57 2005年会”上提出 Mapping of IEC 61850 based Common Data Classes(CDC's),information addressing, services onto IEC 60870-5-104/101 16 June 2006 IEC 62445-3 Mapping of IEC 61850 based Common Data Classes (CDC's), information addressing, services onto IEC 60870-5-104/101 IEC 62445-1 intra substation(GW10) Interlocking between substations Line differential protection Further automatic functions,下一步发展,IEC 62445-2 substation to control center(GW19) 包括61850/CIM 数据的一致性工作 IEC 62271-3 High-voltage switchgear and controlgeal - Digital interfaces based on IEC 61850 IEC 61400-25 Control and monitoring of Wind power plants IEC62344 - Hydro Power Plant Object Models IEC62350 - Distributed energy resources (DER) 计量、煤气、自来水等公用事业部门,下一步发展,IEC 62351 : Data and communication security Part 1: Introduction and overview Part 2: Glossary of terms Part 3: Profiles including TCP/IP Part 4: Profiles including MMS Part 5: Security for IEC 60870-5 and Derivatives CD Part 6: Security for IEC 61850 profiles Part 7: Objects for Network Management,下一步发展,IEC61850 的内容,