61850基础技术介绍

IEC61850基础技术介绍
1IEC 61850简介
1.1概述
IEC61850构建的初衷是为制定一个比以往通信体系更通用、更全面、能够覆盖整个变电站自动化系统的通信标准。

2003年9月至2005年6月，IEC61850的各正式版本陆续正式颁布.我国也于2007年4月审查通过全部IEC61850标准并将其制定为我国的电力行业标准，代号DL/T860。

IEC61850基于现代以太网技术，采用统一协议，相比于以往变电站通信方法，有如下几个主要特点:
➢信息上传速度快：采用以太网技术，而且61850采用了主动上传数据的机制，保证报文能够快速上传。

（传统modbus、103都是采用轮询机制，且大多为485通信，
主站获取一次数据需要大量的时间）
➢主站软件接入简单:modbus、103由于协议本身缺陷,主站软件接入时需要为每一款装置开发单独的驱动;而61850采用统一协议，模型具备自描述功能,可以采用统一
驱动,接入时只需进行配置即可.
➢互操作性强：由于采用统一协议,不同厂家之间装置、装置与主站软件通信没有障碍。

1.261850协议组成
IEC61850是一个庞大的协议体系，并非一种单纯的通信规约。

分10部分、14个文件进行阐述，协议结构如下所示：
PART 1PART 2PART 3
PART 4PART 5PART 6PART 7PART 7-1PART 7-2PART 7-3PART 7-4PART 8PART 9
PART 9-1
PART 9-2PART 10
标准虽然庞大，但从工程应用的角度看,最需要关注的是PART 7,这部分集中对标准模型以及模型实现的功能进行了说明，也是本文档以下内容所关注的重点。

其它部分:
1)PART1~5，主要是一些概述以及原则性的说明，可以大致了解,尤其PART1可以看下，了解61850的概况；
2）PART6，讲述了对模型进行描述的语言，PART8，讲述如何通过61850实现装置与主站之间的通信、装置与装置之间的通信(GOOSE ），PART9,讲述如何通过61850上传电子式互感器合并单元采样值报文.这几部分主要讲述如何实现61850各部分功能，是相关研发人员所关注的重点.
3）PART10，讲述一致性测试，是进行61850测试、认证所关注的重点.
2 61850模型 2.1 模型的含义
模型是实际物理设备的抽象，简单点来讲,就是用字符形式对装置的功能进行描述。

（modbus 、103是用数字形式的点表来对装置功能进行抽象)
采用字符进行抽象的好处是，方便建立层次化的功能描述，而且可以将通用化的功能统一抽象成同一种字符描述、便于不同厂家识别.
61850将模型分为如下层次：
（1）逻辑设备:一组逻辑节点的容器,代表某一类功能；
（2）逻辑节点：模型的基本单位，代表某一个具体的功能对象，例如一个保护、一个测量对象；
（3）数据对象：功能对象的具体特性,例如一个保护对象的定值、动作状态；
(4)数据属性:特性值，例如动作状态是0还是1，状态时间是多少等.
2.2模型层次举例
一个典型的保护测控装置模型包括如下几种逻辑设备:（可以参看各装置对应的模型说明文档）
（1)公用逻辑设备（LD0)：公共信息，包括系统定值，各种自检事件等。

（2）保护逻辑设备（PROT）：包括各种保护功能，典型逻辑节点如下
（3）测量逻辑设备（MEAS）：包括各种装置测量信息
(4）控制逻辑设备（CTRL）：包括各种开入、开出、开入量保护、操作板信息等；
（5）录波逻辑设备（RCD）:故障录波、波形记录、电动机起动报告等内容
每个逻辑设备下面都至少包括两个公共逻辑节点LPHD1、LLN0，这两个逻辑节点没有实际功能意义。

2.3逻辑节点举例
上述各种逻辑节点各举一个典型进行说明:
（1）保护逻辑节点：包括保护状态、保护定值两大类数据，以过流保护为例:
表中Mod、Beh、Health、NamPlt是公共数据，每个逻辑节点都包含。

Str、Op为状态数据，代表保护是否启动、动作；Enable及以下部分为定值数据,表示保护运行参数。

(2）测量逻辑节点:包括各种测量值，例如功率、电压、电流等
测量数据中存在三相及零序作为一个整体的数据,例如上表中PPV为3个线电压、A包含了三相电流。

（3）控制类逻辑节点：
从上表看出，每一个出口都建立了一个单独的数据对象，这些数据都是可以遥控的.
（4）故障录波逻辑节点：包括控制与状态两类数据，典型如下
RcdTrg是控制数据，可以执行手动触发录波
2.4数据对象举例
数据对象的内容由数据类型确定，这些类型定义在61850-7-3中。

上一节中逻辑节点每个数据都有对应数据类型,如CET_INS_0，根据这个类型查找《PMC-XXXX系列保护测控装置IEC61850协议说明》,就可以看到该数据下属结构内容。

以下列举了几种典型的数据内容来说明数据下属层次结构：
（1)状态类，例如CET_SPS_0
➢stVal代表当前状态值，为BOOL类型,其值为0或者1；
➢q为数据品质，表示数据是否可信，可以不用关注;
➢t为上次状态值变位的时间，只有在状态变位后才刷新，如果装置有SOE，该时间应与SOE时间一致（并不会完全相等,与时区有关。

因为61850中时间为UTC时间,
如果时区为北京时间，则在61850中看到的时间要比装置SOE时间早8小时）➢subEna、subVal、subQ、subID是取代用，不用关注；
➢d、dU为数据描述，d为英文描述，dU为中文描述,表示数据代表什么含义。

我们在使用这些状态数据的时候，最主要关心的是状态值stVal、状态时间t，数据描述可以在不清楚数据含义的时候去看,其它属性在应用的时候则无需关注。

（2)保护动作类：这类数据在保护逻辑节点中用得较多，例如CET_ACT_0
虽然名称与状态类数据不同,结构也存在较大差异，但其本质上与状态类数据是类似的。

这种类型主要关注状态值general、状态时间t。

（3)测量类:这一类数据普遍嵌套较深,例如一个三相测量量CET_WYE_0
其下一层为三相值，每一相均为复数值类型CET_CMV_0
该数据属性表中出现了几个新的属性:
➢instCVal实时测量值，根据当前值实时刷新的；
➢cVal死区测量值，并不会实时刷新，只有当数据变化较大,超过死区计算范围时才会刷新，可以控制测量值不用刷新太快；
➢units，测量量的单位；
➢db，死区值，控制cVal变化超过哪个范围才刷新.
测量类数据最主要关心的是测量值，也就是instCVal与cVal，时间可以不用关注.需要注意的是，instCVal与cVal并未达到最底层，其下面还包括幅值与角度，当然，有些测量是没有角度的，就只有幅值这一个量了。

（4）控制类:例如CET_SPC_1
这个数据也是比较复杂的，主要包括了两种类型属性：
➢状态：与状态类数据类似，属性名也是一样的，包括stVal、q、t，语义与前面状态数据一致；
➢控制：用于对数据进行遥控,包括SBOw预置、Oper执行、Cancel取消几种操作。

2.5实际操作
以下以851T装置61850模型访问操作为例,说明各个层次的结构。

（使用我们公司软件部开发的工具IEC61850Client）
使用工具连接装置后，工具自动获取装置的模型结构：
通过通讯读到的逻辑设备名称,是IED名称与逻辑设备名称的组合，IED名称可配置，一般不需要修改，出厂时固定为装置型号,例如图中PMC—851T。

依次点开左侧逻辑设备列表，可以查看到更深层次的模型结构:
通过通讯访问到的模型，对逻辑节点下的数据都按照功能约束进行分组。

功能约束代表了属性的一个分类特性，例如MX代表测量量，CF代表配置量，DC代表描述。

继续展开，可以查看到数据属性，例如一个测量数据：
361850数据交互
工作总结［2015—01—29］
1)联系青铜峡汇能电厂值班人员,告知希望配合需要在发电机测控子站添
加配置，和现场班长联系，班长意见是将需要添加的配置给短信发给他，他告知主任，看主任是如何安排。

2)和华为项目总包方联系,对现场进度情况进行熟悉，经过了解现场的A1
区中建四局的低压柜子正在摆，A2区的高低压柜有部分都排放到位,就
剩几个楼层的配电室目前柜子没有到,考虑到此情况，计划过几天之后再
到现场去查看核对低压柜的回路，只有确定清楚这些问题才能够确定好
1380通讯管理机的配置。

同时也获取直流屏信息,将直流屏的驱动开发申
请进行核对.另外整理需要给华为总部转发的数据模板，如果用户对此点
表没有异议，我们就按照这个点表进行配置。

3)对IREALY61850规约接入进行测试学习，通过IEClient61850工具生成
配置信息和点表，目前主要是生成配置的数据类型不是太方便，另外接
入P3。

5进行测试，发现前台的通讯报文显示没有报文,不清楚通讯情况。

去年也进行过测试，我们应用目前的主要问题体现在对61850设备模型
和通讯报文种类结构不是很清楚，这两点清楚，61850的优点还是很大.
通过IREALY60的61850规约对逻辑设备模型进行学习，一般设备划分
的逻辑设备种类有公用逻辑设备，保护逻辑设备，测量逻辑设备，控制
逻辑设备，录波记录逻辑设备。

[勤奋时间][18：30]［21:00］
1）参加培训交流会议，主要是前两阶段PSC使用的一些问题.
61850数据交互分为如下几种：
1）间隔层装置与主站之间数据交互，完成传统的“四遥"、故障录波上送功能；
2)间隔层装置之间、装置与智能操作机构之间快速数据交互，即GOOSE交互，这对传统技术是一种变革，其最终目标是使用单一的网络接线替换掉复杂、繁琐的操作回路、出口接线。

3)间隔层装置与合并单元数据交互,也就是采样值数据交互，适用于采用电子式互感器的场合。

虽然上述各种数据交互方式实现方法各异，但是都采用了统一的基于61850模型的数据描述方法.
3.1主站数据交互
根据实现方法的不同,61850中主站数据交互方式分为三种：遥测遥信、遥控、录波上传。

3.1.1遥测遥信
61850中，遥测遥信数据采用主动上传的方式。

即主站运行后，先对所需要的数据内容以及数据上送方式进行配置，之后,装置根据配置主动产生报文、将数据上送到主站。

实现这种功能的61850机制为报告模型。

报告模型一般定义在公共逻辑节点LLN0中，其功能约束为BR(缓存报告)或RP（非缓存报告）。

缓存报告与非缓存报告之间的区别是，缓存报告将历史报告缓存起来，主站可以将之前遗漏的报告补召回来，而非缓存报告则没有缓存功能。

由于两者之间的区别，缓存报告一般用于遥信事件上传,而非缓存报告用于遥测数据上传。

以一组用于测量数据上传的非缓存报告为例：
1）同一个报告内容包括几个对象，例如图中谐波数据包括urcbHar01~05，这几个报告对象所上传的内容相同,可以分别为5个不同的主站软件使用;
2）触发选项：配置报告如何产生，包括如下几种触发方式：
➢数据改变：数据变化后上传；
➢品质改变：品质变化后上传；
➢数据更新：不论数据是否变化，只要发生更新即上传；
➢完整性:定时上传报告,时间间隔为完整性周期；
➢总召唤：通过召唤命令立即上传一次报告.
（3）选项域：配置报告内容，通过配置可以对报告内容进行精简，剔除不需要的描述，从而节省通信带宽.一般按照默认配置即可，不需要重新配置。

(4）其它配置：包括缓存报告的缓存时间，完整性周期等。

注意：使用主站软件进行连接时，上述配置是由主站软件自动完成的，不需要手动操作配置。

配置完报告参数，执行启动，则报告模型开始根据配置上送报文.
3.1.2遥控
遥控通过对模型控制数据执行写操作实现，能够遥控的数据功能约束为CO。

遥控类型包括两种，需要预置与不需要预置。

判断是否需要预置通过模型结构可以看出，需要预置的数据包括SBOw、Oper、Cancel 几个属性，SBOw为预置，Oper为执行，Cancel为取消预置.预置完后需要在15s内发送执行命令，否则需要重新预置。

预置与执行需要填入参数，一般关注的只有两个参数：
需要注意的是：
（1)断路器位置为双点信息，其遥分与遥合都通过操作同一个数据来实现,模型中一般为CSWI。

Pos，写0为遥分，写1为遥合；其它备用出口是单点信息,只能进行遥合操作，
即控制值只能写1；
（2）遥控执行与预置的参数必须完全相同,否则遥控将不能成功。

例如预置时控制值为1、控制源类型为station-control，执行时控制值为1、控制源类型为bay-control，将是无法遥控成功的.
不需要预置的数据则只用Oper一个属性，例如通讯复归：
遥控时只需对Oper进行操作即可。

3.1.3录波上传
录波通过COMTRADE格式文件上传，执行61850文件操作，自动读取装置中现有的所有录波文件，可以对这些文件进行选择与下载。

3.2GOOSE数据交互
3.2.1GOOSE应用范围
GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)面向通用对象的变电站事件是61850模型中的一种，其主要特点是提供了一个局部范围内高效、可靠、灵活的输入输出数据的机制，为间隔层设备之间、间隔层与过程层设备之间快速数据交换提供了有效的解决方法。

GOOSE最直接的应用，就是通过装置之间组成的共享网络,实现开入开出信息的交互。

其典型应用包括：
1)智能一次设备的监控。

智能一次设备带有数字接口，能够监视本地开关位置，通过GOOSE发送出去;同时能够接收GOOSE出口命令,执行开关跳合闸;（由于智能一次设备技术不成熟，目前一般采用通过智能终端转换的方式）
2）间隔层设备之间联跳、联锁等信号交互。

利用这些信号,可以构成分布式的、网络化的保护功能,例如智能联切、防越级跳闸、分布式备自投等；或者构成网络化的控制功能，例如启动故障录波、网络化防误闭锁等.
3.2.2GOOSE配置方法
GOOSE输入输出通过“虚端子”的概念描述，虚拟端子的含义，顾名思义，该端子是不存在的，这些端子的值信息都包含以太网报文中。

GOOSE应用最主要的是确定虚端子之间的连线关系，称之为配置表，例如一个线路保护装置与对应间隔断路器智能终端之间的连线：
表中起点与终点均为装置模型数据,IED1代表智能终端，IED2代表保护装置。

智能终端将断路器位置与禁止重合闸信息发送给保护装置处理，同时保护装置发送命令使智能终端执行跳闸或重合闸。

GOOSE配置需要现场配置并下载后才生效。

确定配置表连线关系后，使用专用配置工具进行编辑，生成全站范围内的配置文件（SCD配置文件）。

之后将配置下载到每一个装置，就可以使配置生效。

SCL中连线配置关系：(以IED1接收端为例）
〈Inputs〉
〈ExtRef daName="general"doName=”Tr"iedName="IED2”
ldInst="PROT"lnClass="PTRC”lnInst=”1”prefix=""
intAddr="RPIT/GOINGGIO1。

Ind1.StVal”/>
<ExtRef daName=” general”doName="Op"iedName="IED2”
ldInst=”PROT”lnClass="RREC”lnInst=”1”prefix=”"
intAddr=” RPIT/GOINGGIO1。

Ind2.StVal"/>
</Inputs>
说明：SCL通过专用工具编辑管理,一般可以不用关注内部构成。

3.2.3GOOSE交换机
使用GOOSE功能,交换机的选用与配置是一个无法回避的问题。

GOOSE交互的信息都是关键信息，数据传递既要保证可靠性，同时也要保证快速性.典型的GOOSE用交换机都是需要经过国际上KEMA认证过的.
3.3采样值数据交互
完成采样值数据交互功能的一个核心设备为合并单元，合并单元的主要功能是合并汇集多路互感器采样信号,通过网络将采样信号传递给间隔层设备.
以目前研发的PMC-1380D为例，说明其功能：
GPS
电源
输入
针对上图说明如下:
（1）标准的合并单元是接入电子式互感器数字信号,但由于电子式互感器应用并非完全成熟,合并单元同时能够接入传统电磁式互感器模拟信号。

上图中合并单元接入了6路数字信号、6路模拟信号。

（2）合并单元的同步输入与处理非常关键，至少要接入秒脉冲、B码对时，典型需要接入IEEE 1588对时；
（3）从合并单元输出给电能质量装置的网络信号包括了12路通道的采样信息，同样存在虚端子映射的概念，其做法与GOOSE映射类似，区别在于GOOSE一般只传状态量，而采样值传输模拟量。

461850组网方式
61850的三种数据交互方式,决定了最多可能有三种独立网路。

主站数据交互网络称为监控网（或称MMS网，MMS是监控网络通讯所用应用层协议），GOOSE数据交互网络称为GOOSE网,采样值数据交互称为SMV网。

由于GOOSE与SMV报文传输协议类似，因此一般将这两者合并起来，组成一个网络。

对110kV及以上电压等级，采用两种网络独立的方式,如下图所示：
对于35kV及以下电压等级，一般不会存在SMV网,而且GOOSE交互实时性相对低一些，这时可以将监控网与GOOSE网合并在一个网中：。