变电站通信网络和系统标准

1.2.1　变电站通信网络和系统标准IEC61850

IEC61850系列标准的全称为变电站通信网络和系统标准（Communication Networks and Systems in Substations），以下简称IEC61850或IEC61850标准。它规范了变电站内智能电子设备，即IED之间的通信行为和相关的系统要求。

（1）IEC61850标准规约的产生背景及新标准的优点

智能变电站体现出过程层设备的数字化，整个站内信息的网络化，开关设备实现智能化以及高级应用。智能变电站的系统稳定运行则需要通过应用EC61850进行建模和通信的，而现有规约在应用方面不完善，比如现有规约种类太多，缺乏统一，这就会产生例如互操作性差，增加工程成本，不利于产品的维护升级。

在IEC61850以前，各种规约为了适应装置的程序完善，通常是根据装置的变化而变化，是被动的。比如同样都是传统规约，许继电气有本公司的103规约，即CBZ，南瑞继保也有本公司的103规约，两个厂家的装置要建立通信关系，还要做通信协议上的统一。可见，通信规约的多样化并不利于智能变电站的发展，因此需要一个更加完善的通信平台。

IEC61850新标准的优点包括规约得以统一保证了信息自描述与互操作性，变电站配置描述统一化，便利系统的扩展和更改；处理器的先进、快速、高效、强大等功能使系统独立于飞速发展的通信技术；“数字化、智能”变电站的无缝支持，对智能电网的实现提供了技术支持。总结其关键技术，体现在变电站三层的出现以及三层交互信息接口的提供；将一次设备和二次设备反应到模型”上，采用模型思想进行对变电站统一建模；统一的配置描述语言，增加互动性和互操作性，抽象通信服务和特定通信服务。

（2）IEC61850模型中配置技术相关缩略语

1）IED：Intelligent Electronic Device智能电子设备；

2）MMS：Manufacturing Message Specification制造报文规范；

3）GOOSE：Generic Object Oriented Substation Events面向通用对象的变电站事件；

4）SV：Sampled Value采样值；

5）LD：Logical Device逻辑设备；

6）LN：Logical Node逻辑节点；

7）PD：Physical Device物理设备；

8）FC：Functional Constraint功能约束；

9）FCDA：Functionally Constrained Data Attribute功能约束数据属性；

10）CDC：Common Data Cass公共数据类；

11）DO：Data Object数据对象；

12）DA：Data Attribute数据属性；

13）ACC：Accelerate加速；

14）BF：Breaker failure断路器失灵；

15）BRCB：Buffered Report Control Block有缓存报告控制块；

16）CID：Configured IED Description IED实例配置文件；

17）CT：Current transformer电流互感器；

18）Dev：Device设备；

19）Err：Error错误；

20）Fst：First第一个；

21）ICD：IED Capability Description IED能力描述文件；

22）Long：Long长期的；

23）Pers Persist，Persistent：持续性的；

24）Pmt：Permit，Permitted许可；

25）SCD：Substation Configuration Description全站系统配置文件；

26）Sig：Signal信号；

27）SSD：System Specification Description系统规格文件；

28）Strp Strap压板；

29）URCB：Unbuffered Report Control Block无缓存报告控制块；

30）UV：Under Voltage欠电压。

以上术语，对于了解和学习IED配置技术至关重要。

（3）IEC61850装置数据模型的层次结构

IEC61850覆盖了整个智能变电站通信及传输标准要素。统一了数据模型结构，自然就会映射在变电站每个组成设备上，继电保护装置作为IED设备个体的独立单元，就是其最明显的体现方式。对于初学者，刚接触IEC61850时都会对其概念的理解相对抽象，下面对其进行数据模型层次上的解析，将会把抽象的概念具体化，IEC61850装置数据模型的层次结构如图1－1所示。

图1－1　IEC61850装置数据模型的层次结构

图1－1表明，物理设备映射成为IED，然后将各个功能分解到逻辑节点，组织成一个或者多个逻辑设备。每个功能的保护数据映射到数据对象，并且根据功能约束进行拆分并映射到若干个数据属性。

（4）IEC61850标准规约的三大服务

了解IEC61850规约，即是建立配置基础。下面将从IEC61850规范标准所提供的服务入手，并对IED设备进行内部逻辑解析，进一步展开论述。

任何规约或标准，最终是要服务于实物对象的，站在用户的角度，EC61850提供给用户三大服务：制造报文规范服务MMS、面向通用对象的变电站事件服务GOOSE以及采样服务SV。三大服务按功能划分，具体如下。

1）制造报文规范服务MMS功能

MMS具备信号上送功能、测量上送功能、控制功能以及故障报告功能。

信号上送功能，包括开入、事件、报警等信号类数据的上送功能通过有缓冲报告控制块，即BRCB来实现，映射到MMS的读写和报告服务。

测量上送功能：遥测、保护测量类数据的上送功能通过无缓冲报告控制块，即URCB来实现，映射到MMS的读写和报告服务。

控制功能，控制功能又分定值控制功能和遥控、遥调等控制功能。

定值控制功能，通过定值控制块，即SGCB来实现选择定值区进行召唤、修改、定值区切换。映射到MMS的读写服务。

遥控、遥调等控制功能，通过IEC61850的控制相关数据结构实现，映射到MMS的读写和报告服务。

故障报告功能，包括通过RDRE逻辑节点实现，映射到MMS的报告和文件操作服务。

总之，IEC61850中的MMS服务，包括了整个智能变电站遥信、遥测、遥控以及故障分析等领域，是站控层信息交换的基础体现方式和平台，这些信息也是调度掌握智能变电站运行情况的重要依据和手段。

2）面向通用对象的变电站事件服务GOOSE功能

GOOSE即面向通用对象的变电站事件，它是以太网多播报文传输为基础，代替传统的IED设备之间硬接线的通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE服务支持由数据集组成的公共数据的交换，主要用于保护装置跳、合闸命令，测控装置的遥控命令，断路器位置和隔离开关位置、压力等以及间隔层联锁信息等实时性要求高的数据传输。

GOOSE的功能主要体现在GOOSE的收发机制、GOOSE的报警功能和GOOSE的检修功能。

GOOSE收发机制，为了保证GOOSE服务的实时性，GOOSE报文不经过网络层协议，直接在以太网链路层上传输，并且采用带优先级的以太网报文转发方式。

为了保证GOOSE服务的可靠性，GOOSE报文采用ASN.1语法编码后，发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。

GOOSE接收可以根据GOOSE报文中的允许生存时间（TimeAllow to Live，TAL）来检测链路中断。GOOSE数据接收机制可以分为单帧接收和双帧接收两种。

GOOSE的报警功能，GOOSE对收发过程中产生的异常情况进行告警，主要包括：GOOSE A网/B网断链告警，GOOSE配置不一致告警，GOOSE信号异常告警。

GOOSE的检修功能，保证检修的装置或设备不会影响到正常运行状态的装置，提高了智能变电站装置检修的灵活性和可靠性；发送的GOOSE报文中带有测试标志，即test，它与发送端装置的检修状态对应，接收端就可以通过比较自身装置的检修状态进行相应处理。

当发送端和接收端置检修状态一致时，装置对接收到的GOOSE数据进行正常处理。当发送端和接收端置检修状态不一致时，装置可以对接收到的GOOSE数据做相应处理，此机制具体实现方式，可参阅由笔者在2013年出版发行的《基于IEC61850标准的变电站调试指导手册》一书的相关内容。

总而言之，IEC61850中的GOOSE服务，包含整个数字站的跳闸出口，开关量以及故障分析等领域。

3）采样服务SV功能

采样值的传输所交换的信息是基于发布/订阅机制。在发送侧发布方将值写入发送缓冲区，在接收侧订阅方从当地缓冲区读值。在值上加上时标，订户可以校验是否及时刷新，通信系统负责刷新订阅用户的当地缓冲区。

SV是针对智能变电站数据采样的一项标准服务，详见IEC61850规范标准第9章相关章节。SV同样具备检修功能。

（5）基于IEC61850规范标准下的IED设备内部结构功能组成

IEC61850提供了如此之大的服务体系平台，作为体系中的一个成员，IED设备自然也需要具备与相应服务进行对外交流的功能，如信息互动等。

现将IED装置内部进行分解，对其进行分析，如图1－2所示。

图1－2　基于IEC61850规范标准下的IED设备内部结构功能组成示意

图1－2表示IED设备所具备的功能，这里把IED映射为一个数字保护装置的内部结构，保护装置需要完成数据传输上送、数据采样、逻辑判断执行等任务。因此具备了三个功能：S1映射为MMS功能，M1指SV采样功能，G1则映射为GOOSE功能。

需要清楚的是，不是所有IED设备都必须同时具备三大服务功能，比如合并单元属于过程层设备，因此只需要实现M1和G1功能。

结合图1－2，了解到每一个功能模块下都含有不同数量的逻辑设备，即LD。换言之保护装置的功能实现，要靠如此之多的逻辑设备构成。

图1－2的物理设备即为IED设备，直接将其映射为保护装置或测控装置，每一个装置按照其功能可分为采样、跳闸、遥信、控制等，保护装置要起到保护系统的作用，是通过逻辑功能来实现的，每一个功能的实现都要通过一个或多个逻辑设备组成，自然就会对应一个或多个逻辑节点，逻辑节点是逻辑设备的最小功能单位,在这些逻辑节点中，通过功能约束，每一个逻辑节点都会有很多数据对象对逻辑节点进行解释，而每个数据对象就会对应自己的数据属性。