IEC61850建模与实现窦晓波

5）日志服务 6）快速报文服务 7）采样值服务 8）对时 9）文件服务
每类ACSI模型都由若干抽象通信服务 组成，每个服务又都定义了服务的对 象和方式：服务方式包括服务的发起 （Request）、响应（Response）
和过程（Process）
功能与通信解耦 抽象通信服务的基本方式
功能与通信解耦
基本流程
基本流程（IED端）：从物理设备→抽象分解→抽象组 合→用ICD文件描述IED数据模型和ACSI的过程。（ ACSI相对固定、主要工作在于建立数据模型）。 1. 应用功能的分解：划分LD、LN，使每个CPLNC对应 IED的一项基本功能，CPLNC是LN类在不同功能对象中 的继承。 2. 确定IED所有可访问的数据：在每个CPLNC的构造中 定义与该功能相关并可被外部访问的数据,以及 IEC61850规定必须包含的数据,这些数据称之为CPDC
基本思路
基本流程
3. 确定需要批量传送的数据：根据应用的需要，按照 FCD或者FCDA将分散在各CPLNC中的多个DO或DA组 成DATASET、DATASET一般在逻辑节点LLN0中定义 。 4. 确定IED支持的所有通信服务：在逻辑节点LLN0中构 造各种ACSI的控制块。
5. 预定义与模型重组：进行必要的预定义，并将上述各 部分内容按照ICD文件的格式进行组合。
2 IEC61850技术特征
技术特征
❖功能分层 ❖抽象建模 ❖功能与通信解耦 ❖变电站配置语言 ❖数据自描述
功能分层
逻辑上的定义（三层两网）
功能分层
物理上的实现
抽象建模
为对外通信服务
需要指出的是：抽象建模的目的在于实现设备间的互操作 ，对装置建模仅具有通信层面的含义。
抽象建模
断路器控制器
基本原则
基本原则： IED： 一个物理设备即为一个IED、通常包含一个Server，每个 Server应至少包含一个LD，每个LD应至少包含三个LN。
如果物理设备是网关或者通信管理机，一个IED应包含多 个Server，即为每个接入网关或者通信管理机的底层设备 建立一个Server。
基本原则
Server：用于描述IED外部可见（可访问）的行为，通常 一个Server对应一个访问点（AP）。支持过程层自动化 的间隔层设备，可采用不同的AP分别与变电站层和过程层 进行通信。
建模示例
标准中提供的LN类：
物理装置公共信息： LPHD 逻辑设备公共信息：LLN0 保护功能： PIOC — 瞬时过流、PTOC — 带时限过流 保护出口功能：PTRC — 保护跳闸条件，管理各保护功能的动作出口， 形成最终的跳闸命令，并向断路器发出跳闸信号。 测量功能：MMXU — 电量测量功能。 控制功能：CSWI — 开关控制器，控制过程层之上的所有分合条件，实 现装置的远方控制功能。
SCL
4种SCL文件
自描述
MyLD/Q0XCBR1$ST$Pos$stVal
总结
1. 真正意义上实现了互操作，节省了工程费用和时间 2. 功能标准化、自由分布(集成应用、分布式应用) 3. 良好的扩展性，能够适应电力和通信技术的发展
3 IEC61850建模方法
基本思路
基本思路：从通信的角度，采用OO的方法描述IED的功能 。从通信的角度：IEC61850只规范IED的对外通信环节， 以及为能实现规范的通信，IED所应提供的数据源、行为 、状态和性能。 不同型号、不同厂商IED的实现方式千差万别，但它们具 有相似的对外接口（要求实现一致的自动化功能），从 通信的角度分析IED，可以使不同厂商的IED具有一致性 和稳定性。事实上，IEC61850并不关心IED内部是如何 实现的。（外特性）
映射协议栈
SMV和GOOSE是IEC61850的重要创新！
功能与通信解耦
SMV功能示意
功能与通信解耦
GOOSE功能示意
模拟输入
1. 仿真故障 2. 跳闸 3. 新位置 4. 重合 5. 新位置
A公司保护
保护测试仪
B公司保护 以太网
智能一次设备
GGoooossee Goose
MMeessssaaggee::Message:
2005.10 互操作实验 （遥控、报告、数据
1998 IEC WG10/11/12
集）
（标准草案）
2002 互操作实验
（ECT/EVT、IED、电能表） 2006.1 互操作实验
2000 IEC TC57 SPAG
（更多功能）
（国际标准） 2001 UCA
2002 互操作实验 （完整的过流保护）
2006. 互操作实验
基本思路
采用OO的方法：IEC61850引入“类”的思想、同时规 范了IED对外通信的数据模型（CPLNC & CPDC）和服 务模型（ACSI）、并按照对象和方法的思路将数据模型 和服务模型封装、使IED具备统一和确定的通信内容和 流程、以便实现互操作的目标。 建模的3个层次：ACSI、CDC、CPLNC & CPDC
树形结构
Server MyLD Q0XCBR1（断路器） Pos（位置） ctlVal（可控值）
写
抽象建模
LN是模型中最核心的元素
❖L System LN (2)
系统逻辑节点
❖I Interfacing and archiving (4) 接口和存档
❖P Protection (28)
保护功能
❖R Protection related (10)
数字式过程层设备
数字化变电站 IEC61850
数字化变电站= 数字式过程层设备 + IEC61850
发展历程
1994 德国 （SAS标准）
1998-2000 德国 OCIS （基本测试、验证标准）
2005.5 互操作实验 （软件模拟）
1995 IEC TC57 （WG10/11/12）
2001 互操作实验 （开入、跳闸、重合闸）
1.逻辑节点和物 理设备之间可 以自由组合；
2.为功能提供了 可能的通信接 口。
抽象建模可以实现功能的自由分布
功能与通信解耦
矛盾：通信技术飞速更新与变电站自动化相对稳定的强功制能和。惟一 解决方法：IEC61850提出了通信服务与具体网络实现开和放协和议多栈样 分离的方法，即功能与通信解耦—ACSI与SCSM:
建模示例 对于IED而言，出厂时须提供ICD文件
IED模型
通信模型 数据模板
建模示例
第1步. 应用功能的分解（简化）
目标：在<IED>中，用CPLNC来填充LD。
• 保护功能（电流保护） • 测量功能（遥测遥信） • 控制功能（遥控） • 电压电流采样值输入（SMV接收） • 开关位置信息采集（GOOSE接收） • 保护动作或控制出口（GOOSE发送）等
（北美推广）
2003.9-2005.6
2004 工程化实践
（1.0Ed正式颁布） A A S
GE
标委会、2国00电6信. 工息程中化心实践… 、南自、四方、许继、 南瑞、继保、鲁能积成 、中国电科院变电站自 动化公司
标准章节
模型与功能服务规范 配置描述语言规范 通信实现规范 一致性测试规范
标准章节 围绕模型的构建、实现、发布和测试
跳位闸置
重合
SCL
SCL语言（Substation Configuration description Language ） 用来描述SAS及其自动化设备的配置、功能与关联信息。语法上， SCL遵循XML语法规则，生成的是标准的XML文件；语义上，SCL 遵循IEC61850的语义规范。
SCL
4种SCL文件
基本流程
CPDC是CDC在不同CPLNC中的实例，即用CPDC来填 充CPLNC。CPDC由多个DO构成，每个DO又都是一个 结构体，由多个DA组成，每个DA都有确定的命名和数 据类型定义。
DA是IED对外通信信息的最终承载体，将来我们还可以 通过DA的路径（Directory）建立数据模型与IED应用 数据的关联。
IEC61850建模与实现窦晓 波
IEC61850
❖在电力系统中的地位 ❖内容抽象、章节众多、实现复杂 ❖与数字化变电站、智能电网紧密关联
我们不能简单的将其视为传统意义上的通信协议，而是 需要依照标准的各部分内容对整个变电站自动化系统的 体系功能、形式、技术和工程管理等方面重新做出审视 和规范。
内容提要
ICD，IED Capability Description SSD，System Specification Description SCD，Substation Configuration Description CID，Configured IED Description
四种SCL文件实现了IED与SAS的描述与关联，简化了配 置工作并可以实现SAS和IED的自动更新与远程配置。 统一格式的SCL配置文件大大简化了系统的集成和管理 难度。
❖IEC61850 发展历程 ❖IEC61850 技术特征 ❖IEC61850 建模方法 ❖IEC61850 实现技术
1 IEC61850发展历程
工程背景
满足用户的需要
变电站自动化市场存在多家公司多种技术的竞争，相互难 以兼容，以致调试难度加大、成本增高；原有的IEC 60870-5没能实现预期的互换性，二大标准将发生冲突。
开关设备
❖T Instrument transformers (2)
互感器
❖Y Power transformers (4)
电力变压器及相关功能
❖Z Further power system equipment (15)
其它电力设备
抽象建模
LN中的DO
抽象建模
DO中的DA
抽象建模 树形结构用来代表完整的语义空间
ACSI负责规范抽象模型的功能服务，即模型对外信息交互 的内容、方式和过程；
SCSM负责将ACSI映射到具体的通信网络和协议栈,保持ACSI不 变的前提下使用更为先进的通信技术。
功能与通信解耦
抽象通信服务的种类
IEC61850定义了9大类60种ACSI：
1）关联服务
2）信息模型服务
3）定值组服务
4）主动上送的报告服务
标准的未来
标准的未来
IEC61850 ED2 基本模型扩展:
水电和风电常用公共元素； 应用领域扩展：
电能质量； 变电站之间通信的影响； 对工程配置过程进行扩展: 尤其是系统配置工具之间的数据交换； 2010年出版。
标准的未来
IEC61850 ED3 基本模型扩展； 使用SCL对PLC逻辑进行描述； 网络与系统管理、冗余； IEC62351； IEC61588； 配置文件的下载和激活； DER标准的通用元素； 去掉IED特殊设置； 变电站之间通信的影响； 系统测试。
CPDC：一般情况下，与同一个功能相关的DO及其DA， 建模在该功能对应的CPLNC中；与多个功能相关或者公共 数据，建模在公共逻辑节点LLN0或LD中。
建模示例
基本设定：一个Server、一个AP ；只有一种保护算法， 只包含一个LD。
低压线路保护测控装置
命名： 母线电压等级：E1 间隔：Q1 保护装置：SB1 访问点称为：S1 逻辑设备称为：C1 逻辑设备标识全称：E1Q1SB1C1
保护相关功能
❖C Control (5)
监控
❖G Generic (3)
通用功能
❖A Automatic control (4)
自动控制
ห้องสมุดไป่ตู้
❖M Metering and measurement (8)
计量和测量
❖S Sensor and monitoring (4)
传感器，监视
❖X Switchgear (2)
北美
IEC 61850
欧洲
技术背景
适应电力新技术的发展
数字式过程层设备——具备通信能力的智能化一次设备 （或其智能控制部件、智能组件）
❖ ECT/EVT
❖ 智能断路器
❖ 集成型智能开关设备
技术背景
适应通信新技术的发展
新的通信网络技术：以太网、光纤、交换技术…
技术背景
与数字化变电站的关联
变电站自动化
LD：一般将具有公共特性或者共同完成某项功能的多个 CPLNC组成一个LD，例如，插件式的装置可以将每块功 能插件建模为一个LD；LD不宜划分太多。
基本原则
CPLNC：将参与通信的每个最小功能单元建模为一个 CPLNC。若标准的LN类不能满足装置功能的要求，可进 行LN类扩展或者新建LN类(一般不扩展CPDC)。
数据模型由LD、LN、DO和DA四个不同层次的语义所构 成的空间承载。
抽象建模
对象与方法
对象：Server、LD、LN、DO、DA 方法：GetXXDirectory、GetDataValue…
对象与方法的绑定，自然形成了对语义空间（数据模型） 一致和确定的访问方法。
抽象建模
功能自由分布 具有两层含义 ：