61850基础技术介绍
IEC61850基础技术介绍
1IEC 61850简介
1.1概述
IEC61850构建的初衷就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都就是采用轮询机制,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就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瞧,最需要关注的就是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,也就是本文档以下内容所关注的重点。其它部分:
1)PART1~5,主要就是一些概述以及原则性的说明,可以大致了解,尤其PART1可以瞧下,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,就是相关研发人员所关注的重点。
3)PART10,讲述一致性测试,就是进行61850测试、认证所关注的重点。
2 61850模型 2.1 模型的含义
模型就是实际物理设备的抽象,简单点来讲,就就是用字符形式对装置的功能进行描述。(modbus 、103就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就是,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,例如动作状态就是0还就是1,状态时间就是多少等。
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:(可以参瞧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就是公共数据,每个逻辑节点都包含。Str、Op为状态数据,代表保护就是否启动、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:
从上表瞧出,每一个出口都建立了一个单独的数据对象,这些数据都就是可以遥控的。
(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就是控制数据,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》,就可以瞧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,表示数据就是否可信,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中瞧到的时间要比装置SOE时间早8小时) ?subEna、subVal、subQ、subID就是取代用,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,最主要关心的就是状态值stVal、状态时间t,数据描述可以在不清楚数据含义的时候去瞧,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就是类似的。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就是测量值,也就就是instCVal与cVal,时间可以不用关注。需要注意的就是,instCVal与cVal并未达到最底层,其下面还包括幅值与角度,当然,有些测量就是没有角度的,就只有幅值这一个量了。
(4)控制类:例如CET_SPC_1
这个数据也就是比较复杂的,主要包括了两种类型属性:
?状态:与状态类数据类似,属性名也就是一样的,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,就是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,可以查瞧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,可以查瞧到数据属性,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,与现场班长联系,班长意见就是将需要添加的配置给短信发给她,
她告知主任,瞧主任就是如何安排。
2)与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
场去查瞧核对低压柜的回路,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
置信息与点表,目前主要就是生成配置的数据类型不就是太方便,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设备模型与
通讯报文种类结构不就是很清楚,这两点清楚,61850的优点还就是很大。
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,主要就是前两阶段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,这对传统技术就是一种变革,其最终目标就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,但就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就是,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:不论数据就是否变化,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,上述配置就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。
判断就是否需要预置通过模型结构可以瞧出,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:
需要注意的就是:
(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;其它备用出口就是单点信息,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,将就是无法遥控成功的。
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就是61850模型中的一种,其主要特点就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,该端子就是不存在的,这些端子的值信息都包含以太网报文中。
GOOSE应用最主要的就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)
ldInst="PROT"lnClass="PTRC"lnInst="1"prefix="" intAddr="RPIT/GOINGGIO1、Ind1、StVal"/> ldInst="PROT"lnClass="RREC"lnInst="1"prefix="" intAddr=" RPIT/GOINGGIO1、Ind2、StVal"/> 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就是一个无法回避的问题。GOOSE交互的信息都就是关键信息,数据传递既要保证可靠性,同时也要保证快速性。典型的GOOSE用交换机都就是需要经过国际上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就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)标准的合并单元就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就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: