IEC61850关键技术实现方案

变电站自动化IEC-61850 标准实现方案
一、背景
国内外数字化变电站都是遵循IEC61850 标准进行设计的。

其系统结构示意图如图1 所示。

图 1 数字化变电站系统结构示意图
在综合自动化变电站中实现IEC-61850 标准，需要考虑以下几个问题：
1．做为系统集成商，监控系统以IEC-61850 标准接入其它厂商的IED（保护、测控）。

2．做为系统集成商，远动系统以IEC-61850 标准接入其它厂商的IED（保护、测控）。

3．做为系统集成商，故障信息系统以IEC-61850 标准接入其它厂商的IED（保护、故障录波）。

4．做为系统集成商，对全站的IED 进行系统配置。

5．做为设备供应商，以IEC-61850 标准接入到变电站自动化系统。

图 1 所示，IEC61850 将变电站从网络通信的角度分为三层：变电站层、间隔层和过各层。

各层的设备与本层的设备以及与其它层的设备是怎么实现通信的呢？如图2 为
IEC61850提供的几种协义栈，以满足数字化变电站中设备层间以及层内通信。

从图中可知核心ACSI服务是映射到MMS 协议上，该协议栈的实现了IEC61850 中绝大部分的ACSI 接口，故它是实现数字化变电站的最重要的一步。

实现ACSI 接口，就是要实现MMS（人工制造报文协议）提供的服务（子集）。

图2 IEC61850 通信协议栈示意图
图 3 为从应用实现的角度来观察IEC61850 的通信系统，从图中可以看出ACSI 接口的实现是至关重要的。

图 3 应用程序通信结构
二、实现方案
1．硬件技术
IEC61850 的应用可以分为变电站层、间隔层、过程层，以下逐层分析。

1.1 变电站层
变电站层的远动系统以前主要应用工控PC，为了提高可靠性，现在普遍使用嵌入式装置。

在IEC61850 之前，远动系统对外以IEC60870-5-101、104、DNP3 等协议通信，对内处
理各种私有协议。

现有嵌入式远动系统基本上是按满足目前这种应用需求设计的硬件。

在IEC61850 条件下，与远方还是使用IEC60870-5-101、104、DNP3 等协议通信，远动系统对内作为IEC61850 的客户端，接收并处理站内各个IEC61850 装置的信息。

由于IEC61850 比现有站内协议要复杂得多，需要比较强的处理能力，尤其是网络处理能力。

在IEC61850 条件下，对于嵌入式远动装置的硬件提出了比较高的要求。

远动装置以IEC61850 的客户端角色与间隔层的所有IED 进行通信。

一个变电站中，间隔层IED 少则20 多台，多则上百台。

因此，对嵌入式远动装置提出如下要求。

1）CPU 处理速度
IEC61850 的信息处理量要比传统通信协议大得多，为了能够处理间隔层IED 信息，对远动装置的CPU 处理能力提出了比较高的要求。

如果远动装置内部采取集中式设计，只有一个主CPU 处理插件，就要求该CPU 主频在300MHz 以上。

2）存储器
运行IEC61850 需要比传统协议更大的存储空间。

因此，嵌入式远动装置需要配备更大的存储器。

如果采取集中式设计，建议内存大于128MB。

随着半导体技术的不断发展，硬件性能越来越强，价格一直在下降。

满足上述要求，并不一定会增加装置的整体成本。

1.2 间隔层
间隔层设备主要包括各类保护装置和测控装置。

1）2 层结构
对于只有变电站层、间隔层这2 层的变电站，间隔层保护、测控装置与一次设备通过电缆进行硬连接。

与变电站层的监控、远动系统通过IEC61850 通信。

在这种情况下，要求保护/测控装置必须支持IEC61850。

保护/测控装置对于IEC61850 的支持有2 种方式。

方式1：
装置配备专门的通信管理插件，完成装置对外的网络通信。

而保护功能有其它插件来完成。

方式2：
装置中保护、控制、通信功能由同一个插件完成。

目前低压装置大多采用方式2，中高压装置多采用方式1。

由于IEC61850 本身的复杂性，无论是哪种方式，与现有模式相比，都要求CPU 有比较高的处理能力和比较大的内存空间。

为非IEC61850 所设计的硬件一般不能满足这些要求，需要重新进行设计。

2）3 层结构
3 层结构是在2 层结构基础上增加了一个过程层。

要求间隔层设备取消电缆，以通信方式接收和处理模拟量和开关量。

因此，与2 层结构相比，3 层结构的间隔层保护/测控装置硬件变化很大。

模拟量处理电路，例如A/D，CT/PT 变换器；状态量处理电路，例如开入/开出电路等被网络通信口所取代。

硬件变得比较简单，保护CPU 插件主要通过网络接口与外部通信，获得信息。

因此，要求保护CPU 插件具备比较强的网络通信能力，CPU 本身的处理能力也要比较强。

实际上，在3 层结构的变电站中，间隔层设备去掉了电缆硬连接和A/D 硬件，实现了装置的网络化。

硬件确实简化了，但是所需要处理的信息量更大了，处理的复杂程度也提高了，对CPU 的处理能力和网络通信能力的要求却提高了。

1.3 过程层
过程层设备主要是合并单元MU 和智能操作箱等设置的开关场的智能单元。

这些设备以网络通信方式向间隔层提供所需要的信息。

这些设备往往安装在开关场。

要求设备的硬件具备比较强的网络处理能力和EMC 特性。

1.4 网络设备
在使用IEC61850 的变电站中，无论是2 层结构，还是3 层结构，都对网络设备提出了新的要求。

为了满足IEC61850 中GOOSE 和SAV 服务的需求，以太网交换器必须支持VLAN 和优先级设置，也就是支持IEEE802.1p 和IEEE802.1q。

1.5 硬件平台需求
CPU：主频在100M 以上
128 M bit FLASH
256 M bit DRAM
2．软件技术
2.1 IEC61850 协议软件要求
在IEC61850 变电站中，各IED 无论充当客户端角色还是服务器角色或同时担当2 种角色，都要支持IEC61850 协议，需要IEC61850 协议软件的支持。

IEC61850 协议软件是
IEC61850变电站的核心技术之一，对该软件有如下技术要求。

1）互操作
采用IEC61850 技术的目的就是为了实现不同厂家IED 之间的互操作性。

IEC61850 协议软件的互操作性是IED 之间实现互操作性的基础。

因此，对IEC61850 协议软件的一致性提出了很高的要求，其实现的语言、语法、编解码规则等都要与IEC61850 标准规定严格一致。

一套IEC61850 协议软件应该通过IEC61850-10 所定义测试用例的测试。

2）跨平台
在一个变电站自动化系统中，虽然各个IED 都使用IEC61850 标准进行通信，但是各自的软/硬件运行平台差别很大。

所使用的硬件从变电站监控系统所使用的64 位工作站，到间隔层IED 所使用的32/16 位CPU 嵌入式系统。

所使用的操作系统从监控系统使用的
Linux/UNIX/Windows 到各种RTOS。

因此，在一个实际变电站自动化系统中，软硬件平台是混合的。

这就要求IEC61850 协议软件应该具有跨平台能力，能够运行在不同的软/硬件条件下。

这有利于代码的维护和统一。

为了做到跨平台，在IEC61850协议在设计阶段就需要做充分的考虑和准备，并采用适当的设计策略和技术。

3）与应用程序接口方便
IEC61850 协议软件必须各种应用软件相互配合才能完成各种具体功能。

因此，希望IEC61850 即具有一定的独立性，例如能够形成相对独立的库文件；又具备简单方便的接口，能够被应用程序很方便地使用。

所以，IEC61850 协议软件在设计时，必须考虑与应用程序接口的方便性。

4）配置方便
在IEC61850 变电站中，由系统配置器是完成全站的信息配置工作。

配置文件用于指示各IED的通信行为。

要求IEC61850 协议软件能够识别配置信息，并自动化生成相关信息。

IEC61850协议软件应该支持SCL 文件的在线解析。

2.2 操作系统
操作系统为应用软件提供支持和服务。

在IEC61850 变电站中，所使用的操作系统也呈多样性。

220kV 以上变电站监控系统一般使用UNIX 或Linux。

220kV 及以下变电站监控系统多使用Windows。

远动或间隔层IED则使用RTOS。

RTOS 的种类很多，目前应用比较多的嵌入式操作系统是VxWorks、QNX、Nuclues 等。

2.3 应用软件
2.3.1 变电站层
现有IEC60870-5-101、103 等协议是面向信号的，是通过信息点号来区分信息的。

与此不同，IEC61850 是面向对象的，是通过对象索引来识别不同信息体的。

间隔层IED 的信息
都是以对象方式上送给变电站应用的，对于变电站层的监控系统或远动系统而言，有两种处理方式。

一种是按照对象方式组织数据库，将接收到的信息直接入库，所有应用都建立在面向对象的数据库上。

另一种现有的按照点表的方式组织数据库，对接收到的对象数据按照一定方式分解，然后入库。

第一种方式更直接，能够将IEC61850 数据带的信息充分用起来，但是需要按照面向对象方式组织数据库，应用也需要建立在这种新的数据组织方式上。

第二种方式是保持了传统的数据组织方式，通过一个映射表来分解和组装对象数据。

IEC61850 数据带的部分信息被过滤掉，没被应用功能使用起来。

如果设计新一代的系统或产品建议使用第一种方式。

2.3.2 间隔层
间隔层的IED 对外按照IEC61850 进行通信，应用软件有2 种处理方式。

方式1：IED 内部数据是私有格式，将内部私有格式的数据映射到对外的IEC61850 模型中。

这种方式的优点是IED 内部原有数据格式和组织方式可以保持不变，只进行一个映射就可以实现IEC61850，能够获得互操作性。

实现起来比较快。

这种方式的缺点如果IED 内部没有IEC61850 所需要的一些信息，则对外无法映射。

方式2：IED 内部数据按照IEC61850 组织，内部数据与对外的IEC61850 模型之间不需要映射过程。

这种方式的优点是实现IEC61850 比较彻底，信息表达也比较充分。

这种方式的缺点是IED内部软件几乎重新进行设计。

保护装置需要重新做动模实验。

上述两种方式都可以使IED 实现IEC61850。

目前绝大多数厂家都使用方式1 来实现，只有个别厂家在新一代IED 中使用方式2 实现。

随着各厂家产品的升级换代，可能会有更多厂家在设计新产品时采用方式2。

2.3.3 过程层
为与过程层的ECT/EPT 以及智能操作箱配合。

间隔层保护/测控装置在软件上要做如下调整：
1）模拟量和状态量的重新定向和配置
模拟量和状态量已经由电缆硬连接改为以通信方式的接入间隔层IED，需要软件支持这些量的重新定向和配置。

2）开出命令的重新定向和配置
开出已经由电缆硬连接改为以通信方式与智能操作箱连接，需要软件支持开出的重新定向和配置。

智能操作箱在软件上需要支持：需要支持基于SCL 的配置。

2.4 工具
在IEC61850 变电站中，工具主要包括客户端调试工具和系统配置器，有时也将两者功能集成在一起，形成一个统一工具。

客户端调试工具主要为工程人员服务，该工具充当IEC61850通信过程中的客户端角色，工程人员可以使用该工具调试间隔层IED。

可以利用IEC61850 在线服务获得并显示IED 的模型，对IED 进行在线操作。

如果工具具备SCL 语言解析和比较功能。

工程人员也可以利用该工具处理IED 的CID 模型，并与在线获得的IED 实际运行模型进行对比，发现问题，找出差异。

也可利用该工具对IED 进行遥控、切换定值区等操作。

在与监控、远动系统互联之前，使用客户端工具与IED 进行互联，对于分析、查找和解决问题非常有效，可以提高工程制作效率。

客户端工具是工程实现的好帮手，应该设计好。

系统配置器在IEC61850 变电站中扮演重要角色。

系统配置器实际上是一个工具软件，该工具完成站内与通信相关信息的配置。

具体而言，以装置的模型文件ICD 和变电站配置文件SSD 为输入，通过系统集成商的干预，输出全站配置文件SCD 和装置配置文件CID。

在整个处理过程中，还需要具备ICD、SSD 文件合法性检查，IED 之间横向通信GOOSE 的配置。

系统配置器是IEC61850 变电站系统集成的重要工具。

该工具设计得是否方便易用，功能是否强大，会直接影响IEC61850 变电站的系统集成效率。

2.5 总结
IEC61850 是一个标准，也是一套完整的技术。

IEC61850 的实现需要相关的软硬件技术的支持。

由于变电站自动化系统中所使用软硬件的复杂性，为了实现IEC61850 需要对所使用的软硬提出一定的要求。