智能電網智能變電站設備系統標準化通訊規約IEC61850規約詳解

注：杭州領祺通訊管理機支持IEC61850采集轉發，在領祺云端或本地工具軟件配置即可，無須編程

操作文檔詳見

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應用場景

一次調頻儲能PCS群調群控，變電站直流屏一體化電源、功率SVG控制、智能電站變電站改造等。需要快速響應電網調度數據網的調度指令，領祺通訊管理機6220系列1000M自適應網口在所接設備支持的情形下，響應最快20MS，485串口接設備少的情形下，最快100MS，配合杭州領祺群調群控采集終端裝置系統，可有力地支持分布式光伏群調群控協同、光伏全站儲能系統、光伏全站全景監控系統、新能源大數據平臺的建設。

1. 總體概念

1.1 IEC61850標準制定的背景

同傳統的IEC60870-5-103標準相比，IEC61850不僅僅是一個單純的通信規約，而且是數字化變電站自動化系統的標準，指導了變電站自動化的設計、開發、工程、維護等各個領域。該標準通過對變電站自動化系統中的對象統一建模，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現無縫連接，從而大大提高變電站自動化技術水平和安全穩定運行水平，實現完全互操作。

IEC61850解決的主要問題

（1） 網絡通信；

（2） 變電站內信息共享和互操作；

（3） 變電站的集成與工程實施。

1.2 IEC61850重要的基本名詞

MMS：Manufacturing Message Specification制造報文規范

GOOSE：generic object oriented substation events面向通用對象的變電站事件

SV：sampled value 采樣值

LD：LOGICAL-DEVICE 邏輯設備，代表典型變電站功能集的實體

LN：LOICAL-NODE 邏輯節點，代表典型變電站功能的實體

CDC：common DATA class (DL/T860.73) 公用數據類

Data：位于自動化設備中能夠被讀、寫，有意義的結構化應用信息。

DA：data attribute數據屬性，數據屬性（IEC 61850-8-1）命名：LD/LN$FC$DO$DA

FC：functional constraint功能約束

FCDA：Functionally constrained DataAttribute功能約束數據屬性

互操作性：同一或不同制造商提供的兩臺或多臺IED交換信息并用這些信息正確地配合工作的能力。

服務器：為客戶提供服務或發出非請求報文的實體。

客戶端：向服務器請求服務以及接收來自服務器非請求報文的實體。

1.3 IEC61850規約內容的層次關系

IEC61850規約文本總共有十個部分，每個部分的名稱和關系見圖1。

第六部分規定了用于變電站智能電子設備配置的描述語言，該語言稱作為變電站配置描述語言（SCL），適用于描述按照DL/T 860.5 和DL/T 860.7x 標準實現的智能電子設備配置和通信系統，規范描述變電站自動化系統和變電站（開關場）間關系。SCL句法元素由五部分構成：信息頭、變電站描述（電壓等級、間隔層、電力設備、結點等）、智能電子設備描述（訪問點、服務器、邏輯設備、邏輯結點、實例化數據DOI等）、通信系統、數據類型模板。

建立通信模型要求定義眾多對象（如，數據對象、數據集、報告控制、登錄控制）以及對象提供的服務（取數、設定、報告、創建、刪除）。這些在本系列標準中第7-X部分中用明確接口來定義。為利用通信技術的長處，IEC61850系列標準中，不定義新的開放式系統互聯OSI協議棧，僅在本系列標準的第8部分和第9部分分別規定了在現有協議棧上的標準映射。第八部分規定了ACSI（抽象通信服務接口，DL/T 860.72）的對象和服務到MMS（制造報文規范，GB/T16720-2005）和ISO/IEC8802-3幀之間的映射。

第十部分一致性要求調查和確定它們的有效性是系統和設備驗收的重要部分。為了系統和設備的互操作性，本標準系列第10部分規定了變電站自動化系統設備的一致性測試方法，給出了建立測試條件和系統測試的導則。

圖1 IEC61850規約十個部分的名稱和關系圖

1.4 數字化變電站的層次關系

圖2 數字化變電站層次和服務關系圖

圖2中十個數字連接具體是：

（1） 間隔層裝置與變電站監控系統之間交換事件和狀態數據——MMS

（2） 間隔層裝置與遠方保護交換數據——私有規約，未來發展也可用以太網方式借用GOOSE或SMV

（3） 間隔內裝置間交換數據——GOOSE

（4） 過程層與間隔層交換采樣數據——SMV

（5） 過程層與間隔層交換控制和狀態數據——GOOSE

（6） 間隔層裝置與變電站監控系統之間交換控制數據——MMS

（7） 監控層與保護主站通信——MMS

（8） 間隔間交換快速數據——GOOSE

（9） 變電站層間交換數據——MMS

（10） 變電站與控制中心交換數據——不在標準范圍，也有用戶希望采用61850

1.5 IEC61850模型的層次關系

物理設備映射到IED，然后將各個功能分解到LN，組織成一個或者多個LD。每個功能的保護數據映射到DO，并且根據功能約束（FC）進行拆分并映射到若干個DA（見圖3）。

圖3 ICD模型的基本層次示意圖

2、IEC61850服務

從裝置研發角度來看，IEC61850標準的服務實現主要分為三個部分：MMS服務、GOOSE服務、SMV服務。其中，MMS服務用于裝置和后臺之間的數據交互，GOOSE服務用于裝置之間的通訊，SMV服務用于采樣值傳輸，三個服務之間的關系見圖4。在裝置和后臺之間涉及到雙邊應用關聯，在 GOOSE報文和傳輸采樣值中涉及多路廣播報文的服務。雙邊應用關聯傳送服務請求和響應（傳輸無確認和確認的一些服務）服務 ，多路廣播應用關聯（僅在一個方向）傳送無確認服務。目前，PCS系列裝置IEC61850模塊支持上述所有服務。

圖4 MMS、GOOSE和SMV三個服務的關系圖

如果把IEC61850標準的服務細化分，主要有：報告（事件狀態上送）、日志歷史記錄上送、快速事件傳送、采樣值傳送、遙控、遙調、定值讀寫服務、錄波、保護故障報告、時間同步、文件傳輸、取代，以及模型的讀取服務。細化服務和模型之間的關系見圖5。

從用戶使用角度來看，IEC61850標準的實現主要分為客戶端（后臺）、服務器端（裝置）、配置工具三個部分。配置文件是聯系三者的紐帶。

2.1 MMS服務

2.1.1 MMS介紹

MMS（manufactoring message specification）即制造報文規范，是ISO/IEC9506標準所定義的一套用于工業控制系統的通信協議。

MMS是由ISO TC184開發和維護的網絡環境下計算機或IED之間交換實時數據和監控信息的一套獨立的國際標準報文規范。它獨立于應用和設備的開發者。MMS特點介紹如下：

（1） 定義了交換報文的格式；

結構化層次化的數據表示方法

可以表示任意復雜的數據結構

ASN.1編碼可以適用于任意計算機環境

（2） 定義了針對數據對象的服務和行為；

（3） 為用戶提供了一個獨立于所完成功能的通用通信環境。

2.1.2 MMS功能

（1） 信號上送

開入、事件、報警等信號類數據的上送功能通過BRCB（有緩沖報告控制塊）來實現，映射到MMS的讀寫和報告服務。通過有緩沖報告控制塊，可以實現遙信和開入的變化上送、周期上送、總召、事件緩存。由于采用了多可視的實現方案，事件可以同時送到多個后臺。

（2） 測量上送

遙測、保護測量類數據的上送功能通過URCB（無緩沖報告控制塊）來實現，映射到MMS的讀寫和報告服務。通過無緩沖報告控制塊，可以實現遙測的變化上送（比較死區和零漂）、、周期上送、總召。由于采用了多可視的實現方案，使得事件可以同時送到多個后臺。

（3） 定值

定值功能通過定制控制塊（SGCB）來實現，映射到MMS的讀寫服務。通過定制控制塊，可以實現選擇定值區進行召喚、修改、定制區切換。

（4） 控制

遙控、遙調等控制功能通過IEC61850的控制相關數據結構實現，映射到MMS的讀寫和報告服務。IEC61850提供多種控制類型，PCS系列裝置實現了增強型SBOw功能和直控功能，支持檢同期、檢無壓、閉鎖邏輯檢查等功能。

（5） 故障報告

故障報告功能通過RDRE邏輯節點實現，映射到MMS的報告和文件操作服務。

錄波文件產生時，RDRE下的RcdMade和FltNum通過報告上送到后臺；后臺以如下方式召喚故障報告：

IED名稱_LD名稱_故障序號_*.HDR（CFG、DAT）。

統一規范的故障報告采用XML格式存放在HDR文件中，內容如下：

2.2 GOOSE服務

2.2.1 GOOSE介紹

IEC61850標準中定義的面向通用對象的變電站事件(GOOSE) 以快速的以太網多播報文傳輸為基礎，代替了傳統的智能電子設備〔IED)之間硬接線的通信方式，為邏輯節點間的通信提供了快速且高效可靠的方法。

GOOSE服務支持由數據集組成的公共數據的交換，主要用于保護跳閘、斷路器位置，聯鎖信息等實時性要求高的數據傳輸。GOOSE服務的信息交換基于發布/訂閱機制基礎上，同一GOOSE網中的任一IED設備，即可以作為訂閱端接收數據，也可以作為發布端為其他IED設備提供數據。這樣可以使IED設備之間通訊數據的增加或更改變得更加容易實現。

2.2.2 GOOSE功能

PCS系列裝置使用獨立的高性能DSP板卡來實現GOOSE功能，具有很高的實時性和可靠性。板卡自帶的兩個百兆全雙工光纖以太網接口，可以分別對應不同的VLAN網絡。GOOSE雙網配置提高了系統的可靠性和穩定性。

（1） GOOSE收發機制

為了保證GOOSE服務的實時性和可靠性，GOOSE報文采用與基本編碼規則(BER)相關的ASN.1 語法編碼后，不經過TCP/IP協議，直接在以太網鏈路層上傳輸，并采用特殊的收發機制。

GOOSE報文發送采用心跳報文和變位報文快速重發相結合的機制。在GOOSE數據集中的數據沒有變化的情況下，發送時間間隔為T0的心跳報文，報文中的狀態號（stnum）不變，順序號（sqnum）遞增。當GOOSE數據集中的數據發生變化情況下，發送一幀變位報文后，以時間間隔T1，T1，T2，T3進行變位報文快速重發。數據變位后的報文中狀態號（stnum）增加，順序號（sqnum）從零開始。

GOOSE接收可以根據GOOSE報文中的允許生存時間TATL（Time Allow to Live）來檢測鏈路中斷。GOOSE數據接收機制可以分為單幀接收和雙幀接收兩種。智能操作箱使用雙幀接收機制，收到兩幀GOOSE數據相同的報文后更新數據。其他保護和測控裝置使用單幀接收機制，接收到變位報文（stnum變化）以后，立刻更新數據。當接收報文中狀態號（stnum）不變的情況下，使用雙幀報文確認來更新數據。

（2） GOOSE報警功能

GOOSE對收發過程中產生的異常情況進行報警，主要分為：GOOSE A網/B網斷鏈報警，GOOSE配置不一致報警，GOOSE A網/B網網絡風暴報警。

GOOSE A網/B網斷鏈報警：在兩倍的報文允許生存時間TATL（Time Allow to Live）內沒有收到正確的GOOSE報文，就產生GOOSE A網/B網斷鏈報警。

GOOSE 配置不一致報警：GOOSE發布方和訂閱方中GOOSE控制塊的配置版本號等屬性必需一致，否則產生GOOSE 配置不一致報警。

GOOSE A網/B網網絡風暴報警：當GOOSE網絡中產生網絡風暴，網絡端口流量超過正常范圍，出現異常報文時，會產生GOOSE A網/B網網絡風暴報警。

（3） GOOSE檢修功能

當裝置的檢修狀態置1時，裝置發送的GOOSE報文中帶有測試（test）標志，接收端就可以通過報文的test標志獲得發送端的置檢修狀態。當發送端和接收端置檢修狀態一致時，裝置對接收到的GOOSE數據進行正常處理。當發送端和接收端置檢修狀態不一致時，裝置可以對接收到的GOOSE數據做相應處理，以保證檢修的裝置不會影響到正常運行狀態的裝置，提高了GOOSE檢修的靈活性和可靠性。

2.3 SMV服務

2.3.1 SMV介紹

采樣值的傳輸所交換的信息是基于發布/訂戶機制。在發送側發布方將值寫入發送緩沖區；在接收側訂戶從當地緩沖區讀值。在值上加上時標，訂戶可以校驗值是否及時刷新。通信系統負責刷新訂戶的當地緩沖區。

在一個發布方和一個或多個訂戶之間有兩種交換采樣值方法。一種方法采用MULTICAST-APPLICATION-ASSOCIATION (多路廣播應用關聯控制塊MSVCB)。另一種方法采用TWO-PARTY-APPLICATION-ASSOCIATION (unicast sampled value control, USVCB 雙邊應用關聯即單路傳播采樣值控制塊USVCB)。 按規定的采樣率對輸入進行采樣。由內部或者通過網絡實現采樣的同步。采樣存入傳輸緩沖區。

網絡嵌入式調度程序將緩沖區的內容通過網絡向訂戶發送。采樣率為映射特定參數。采樣值存入訂戶的接收緩沖區。一組新的采樣值到達了接收緩沖區就通知應用功能。多點傳送采樣值服務的映射見表1。

表1 多點傳送采樣值服務的映射

2.3.2 SMV和GOOSE常用的重要概念