智能電網(wǎng)智能變電站設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化通訊規(guī)約IEC61850規(guī)約詳解
注:杭州領(lǐng)祺通訊管理機支持IEC61850采集轉(zhuǎn)發(fā),在領(lǐng)祺云端或本地工具軟件配置即可,無須編程
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應(yīng)用場景
一次調(diào)頻儲能PCS群調(diào)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(yīng)電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的調(diào)度指令,領(lǐng)祺通訊管理機6220系列1000M自適應(yīng)網(wǎng)口在所接設(shè)備支持的情形下,響應(yīng)最快20MS,485串口接設(shè)備少的情形下,最快100MS,配合杭州領(lǐng)祺群調(diào)群控采集終端裝置系統(tǒng),可有力地支持分布式光伏群調(diào)群控協(xié)同、光伏全站儲能系統(tǒng)、光伏全站全景監(jiān)控系統(tǒng)、新能源大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)。
1. 總體概念
1.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)制定的背景
同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)相比,IEC61850不僅僅是一個單純的通信規(guī)約,而且是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)了變電站自動化的設(shè)計、開發(fā)、工程、維護等各個領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口,增強了設(shè)備之間的互操作性,可以在不同廠家的設(shè)備之間實現(xiàn)無縫連接,從而大大提高變電站自動化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運行水平,實現(xiàn)完全互操作。
IEC61850解決的主要問題
(1) 網(wǎng)絡(luò)通信;
(2) 變電站內(nèi)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(guī)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(shè)備,代表典型變電站功能集的實體
LN:LOICAL-NODE 邏輯節(jié)點,代表典型變電站功能的實體
CDC:common DATA class (DL/T860.73) 公用數(shù)據(jù)類
Data:位于自動化設(shè)備中能夠被讀、寫,有意義的結(jié)構(gòu)化應(yīng)用信息。
DA:data attribute數(shù)據(jù)屬性,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)器:為客戶提供服務(wù)或發(fā)出非請求報文的實體。
客戶端:向服務(wù)器請求服務(wù)以及接收來自服務(wù)器非請求報文的實體。
1.3 IEC61850規(guī)約內(nèi)容的層次關(guān)系
IEC61850規(guī)約文本總共有十個部分,每個部分的名稱和關(guān)系見圖1。
第六部分規(guī)定了用于變電站智能電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的智能電子設(shè)備配置和通信系統(tǒng),規(guī)范描述變電站自動化系統(tǒng)和變電站(開關(guān)場)間關(guān)系。SCL句法元素由五部分構(gòu)成:信息頭、變電站描述(電壓等級、間隔層、電力設(shè)備、結(jié)點等)、智能電子設(shè)備描述(訪問點、服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯結(jié)點、實例化數(shù)據(jù)DOI等)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型模板。
建立通信模型要求定義眾多對象(如,數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)集、報告控制、登錄控制)以及對象提供的服務(wù)(取數(shù)、設(shè)定、報告、創(chuàng)建、刪除)。這些在本系列標(biāo)準(zhǔn)中第7-X部分中用明確接口來定義。為利用通信技術(shù)的長處,IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)中,不定義新的開放式系統(tǒng)互聯(lián)OSI協(xié)議棧,僅在本系列標(biāo)準(zhǔn)的第8部分和第9部分分別規(guī)定了在現(xiàn)有協(xié)議棧上的標(biāo)準(zhǔn)映射。第八部分規(guī)定了ACSI(抽象通信服務(wù)接口,DL/T 860.72)的對象和服務(wù)到MMS(制造報文規(guī)范,GB/T16720-2005)和ISO/IEC8802-3幀之間的映射。
第十部分一致性要求調(diào)查和確定它們的有效性是系統(tǒng)和設(shè)備驗收的重要部分。為了系統(tǒng)和設(shè)備的互操作性,本標(biāo)準(zhǔn)系列第10部分規(guī)定了變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備的一致性測試方法,給出了建立測試條件和系統(tǒng)測試的導(dǎo)則。
圖1 IEC61850規(guī)約十個部分的名稱和關(guān)系圖
1.4 數(shù)字化變電站的層次關(guān)系
圖2 數(shù)字化變電站層次和服務(wù)關(guān)系圖
圖2中十個數(shù)字連接具體是:
(1) 間隔層裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間交換事件和狀態(tài)數(shù)據(jù)——MMS
(2) 間隔層裝置與遠方保護交換數(shù)據(jù)——私有規(guī)約,未來發(fā)展也可用以太網(wǎng)方式借用GOOSE或SMV
(3) 間隔內(nèi)裝置間交換數(shù)據(jù)——GOOSE
(4) 過程層與間隔層交換采樣數(shù)據(jù)——SMV
(5) 過程層與間隔層交換控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)——GOOSE
(6) 間隔層裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間交換控制數(shù)據(jù)——MMS
(7) 監(jiān)控層與保護主站通信——MMS
(8) 間隔間交換快速數(shù)據(jù)——GOOSE
(9) 變電站層間交換數(shù)據(jù)——MMS
(10) 變電站與控制中心交換數(shù)據(jù)——不在標(biāo)準(zhǔn)范圍,也有用戶希望采用61850
1.5 IEC61850模型的層次關(guān)系
物理設(shè)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(shù)據(jù)映射到DO,并且根據(jù)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(wù)
從裝置研發(fā)角度來看,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)實現(xiàn)主要分為三個部分:MMS服務(wù)、GOOSE服務(wù)、SMV服務(wù)。其中,MMS服務(wù)用于裝置和后臺之間的數(shù)據(jù)交互,GOOSE服務(wù)用于裝置之間的通訊,SMV服務(wù)用于采樣值傳輸,三個服務(wù)之間的關(guān)系見圖4。在裝置和后臺之間涉及到雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián),在 GOOSE報文和傳輸采樣值中涉及多路廣播報文的服務(wù)。雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)傳送服務(wù)請求和響應(yīng)(傳輸無確認(rèn)和確認(rèn)的一些服務(wù))服務(wù) ,多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)(僅在一個方向)傳送無確認(rèn)服務(wù)。目前,PCS系列裝置IEC61850模塊支持上述所有服務(wù)。
圖4 MMS、GOOSE和SMV三個服務(wù)的關(guān)系圖
如果把IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)細(xì)化分,主要有:報告(事件狀態(tài)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(diào)、定值讀寫服務(wù)、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(wù)。細(xì)化服務(wù)和模型之間的關(guān)系見圖5。
從用戶使用角度來看,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)主要分為客戶端(后臺)、服務(wù)器端(裝置)、配置工具三個部分。配置文件是聯(lián)系三者的紐帶。
2.1 MMS服務(wù)
2.1.1 MMS介紹
MMS(manufactoring message specification)即制造報文規(guī)范,是ISO/IEC9506標(biāo)準(zhǔn)所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議。
MMS是由ISO TC184開發(fā)和維護的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機或IED之間交換實時數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的一套獨立的國際標(biāo)準(zhǔn)報文規(guī)范。它獨立于應(yīng)用和設(shè)備的開發(fā)者。MMS特點介紹如下:
(1) 定義了交換報文的格式;
結(jié)構(gòu)化層次化的數(shù)據(jù)表示方法
可以表示任意復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
ASN.1編碼可以適用于任意計算機環(huán)境
(2) 定義了針對數(shù)據(jù)對象的服務(wù)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(huán)境。
2.1.2 MMS功能
(1) 信號上送
開入、事件、報警等信號類數(shù)據(jù)的上送功能通過BRCB(有緩沖報告控制塊)來實現(xiàn),映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過有緩沖報告控制塊,可以實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)的上送功能通過URCB(無緩沖報告控制塊)來實現(xiàn),映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過無緩沖報告控制塊,可以實現(xiàn)遙測的變化上送(比較死區(qū)和零漂)、、周期上送、總召。由于采用了多可視的實現(xiàn)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(xiàn),映射到MMS的讀寫服務(wù)。通過定制控制塊,可以實現(xiàn)選擇定值區(qū)進行召喚、修改、定制區(qū)切換。
(4) 控制
遙控、遙調(diào)等控制功能通過IEC61850的控制相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn),映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。IEC61850提供多種控制類型,PCS系列裝置實現(xiàn)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(jié)點實現(xiàn),映射到MMS的報告和文件操作服務(wù)。
錄波文件產(chǎn)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(tǒng)一規(guī)范的故障報告采用XML格式存放在HDR文件中,內(nèi)容如下:
2.2 GOOSE服務(wù)
2.2.1 GOOSE介紹
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的面向通用對象的變電站事件(GOOSE) 以快速的以太網(wǎng)多播報文傳輸為基礎(chǔ),代替了傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備〔IED)之間硬接線的通信方式,為邏輯節(jié)點間的通信提供了快速且高效可靠的方法。
GOOSE服務(wù)支持由數(shù)據(jù)集組成的公共數(shù)據(jù)的交換,主要用于保護跳閘、斷路器位置,聯(lián)鎖信息等實時性要求高的數(shù)據(jù)傳輸。GOOSE服務(wù)的信息交換基于發(fā)布/訂閱機制基礎(chǔ)上,同一GOOSE網(wǎng)中的任一IED設(shè)備,即可以作為訂閱端接收數(shù)據(jù),也可以作為發(fā)布端為其他IED設(shè)備提供數(shù)據(jù)。這樣可以使IED設(shè)備之間通訊數(shù)據(jù)的增加或更改變得更加容易實現(xiàn)。
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(xiàn)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(wǎng)接口,可以分別對應(yīng)不同的VLAN網(wǎng)絡(luò)。GOOSE雙網(wǎng)配置提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
(1) GOOSE收發(fā)機制
為了保證GOOSE服務(wù)的實時性和可靠性,GOOSE報文采用與基本編碼規(guī)則(BER)相關(guān)的ASN.1 語法編碼后,不經(jīng)過TCP/IP協(xié)議,直接在以太網(wǎng)鏈路層上傳輸,并采用特殊的收發(fā)機制。
GOOSE報文發(fā)送采用心跳報文和變位報文快速重發(fā)相結(jié)合的機制。在GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)沒有變化的情況下,發(fā)送時間間隔為T0的心跳報文,報文中的狀態(tài)號(stnum)不變,順序號(sqnum)遞增。當(dāng)GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化情況下,發(fā)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(fā)。數(shù)據(jù)變位后的報文中狀態(tài)號(stnum)增加,順序號(sqnum)從零開始。
GOOSE接收可以根據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)相同的報文后更新數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。當(dāng)接收報文中狀態(tài)號(stnum)不變的情況下,使用雙幀報文確認(rèn)來更新數(shù)據(jù)。
(2) GOOSE報警功能
GOOSE對收發(fā)過程中產(chǎn)生的異常情況進行報警,主要分為:GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警,GOOSE配置不一致報警,GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報警。
GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警:在兩倍的報文允許生存時間TATL(Time Allow to Live)內(nèi)沒有收到正確的GOOSE報文,就產(chǎn)生GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警。
GOOSE 配置不一致報警:GOOSE發(fā)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(chǎn)生GOOSE 配置不一致報警。
GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報警:當(dāng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴,網(wǎng)絡(luò)端口流量超過正常范圍,出現(xiàn)異常報文時,會產(chǎn)生GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報警。
(3) GOOSE檢修功能
當(dāng)裝置的檢修狀態(tài)置1時,裝置發(fā)送的GOOSE報文中帶有測試(test)標(biāo)志,接收端就可以通過報文的test標(biāo)志獲得發(fā)送端的置檢修狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)一致時,裝置對接收到的GOOSE數(shù)據(jù)進行正常處理。當(dāng)發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)不一致時,裝置可以對接收到的GOOSE數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理,以保證檢修的裝置不會影響到正常運行狀態(tài)的裝置,提高了GOOSE檢修的靈活性和可靠性。
2.3 SMV服務(wù)
2.3.1 SMV介紹
采樣值的傳輸所交換的信息是基于發(fā)布/訂戶機制。在發(fā)送側(cè)發(fā)布方將值寫入發(fā)送緩沖區(qū);在接收側(cè)訂戶從當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)讀值。在值上加上時標(biāo),訂戶可以校驗值是否及時刷新。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)刷新訂戶的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)。
在一個發(fā)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(yīng)用關(guān)聯(lián)控制塊MSVCB)。另一種方法采用TWO-PARTY-APPLICATION-ASSOCIATION (unicast sampled value control, USVCB 雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)即單路傳播采樣值控制塊USVCB)。 按規(guī)定的采樣率對輸入進行采樣。由內(nèi)部或者通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采樣的同步。采樣存入傳輸緩沖區(qū)。
網(wǎng)絡(luò)嵌入式調(diào)度程序?qū)⒕彌_區(qū)的內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)向訂戶發(fā)送。采樣率為映射特定參數(shù)。采樣值存入訂戶的接收緩沖區(qū)。一組新的采樣值到達了接收緩沖區(qū)就通知應(yīng)用功能。多點傳送采樣值服務(wù)的映射見表1。
表1 多點傳送采樣值服務(wù)的映射
MSVCB類服務(wù) | 服務(wù) |
SendMSVMessage | MSV 信息的傳送直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層 |
GetMSVCBValue | 映射到MMS讀服務(wù) |
SetMSVCBValue | 映射到MMS寫服務(wù) |
2.3.2 SMV和GOOSE常用的重要概念