《电力系统自动化》课程教学资源（理论课程资料）变电站自动化_变电站自动化的几个关键技术问题_基于IEC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究

基于EC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 3)可扩充性 由于变电站自动化系统的复杂性和用户需求的个性化，EC61850必须具有 可扩充性，因此应面向变电站自动化的所有应用，全面地支持信息扩充。 4)长期稳定性 为了适应历史的、目前的和未来的通信技术，IEC61850对通信服务采用了 抽象定义的方法，即抽象通信服务，而将具体的通信协议栈应用以特定通信服务 映射加以规定，适应了通信技术的发展变化。 IEC61850标准的主要特征如下： 1)功能分层 如图1.2和表1.1所示，IEC61850除了将变电站自动化系统分成变电站层、间 隔层、过程层。每个物理装置又由服务器和应用组成，将服务器分为逻辑装置- 逻辑节点数据对象数据属性。从应用方面来看，服务器包含通信网络和I/O。由 IEC61850模型看，服务器包含逻辑装置，逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包 含数据对象、数据属性。从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连。每个 IED既可扮演服务器角色也可扮演客户的角色。EC61850标准的应用视图如图 1.3所示。 ⑩远方控制 (NCC ⑦ 技术服务 变电站层 功能A 功能B 1.6 ⑧ ③ 3 间隔/单元层 保护 控制 控制 保 2) ②尺 远方保护 ③ © 远方保护 过程层 过程接口 传感器 执行元件 高压设备 图1.2变电站自动化系统层次结构及信息接口 Fig.1.2 Levels and logical interfaces in substation automation systems 表1.1功能层、逻辑接口与网络总线 Table 1.1 Function level,logical interface and network bus 逻辑 功能层及逻辑接口 接口 说明 变电站 总线 过程层 间隔层 层 IF4 过程层和间隔层之间TA和TV暂态数据 过程 交换 总线 6

基于IEC 61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 3)可扩充性 由于变电站自动化系统的复杂性和用户需求的个性化，IEC 61850必须具有 可扩充性，因此应面向变电站自动化的所有应用，全面地支持信息扩充。 4)长期稳定性 为了适应历史的、目前的和未来的通信技术，IEC 61850对通信服务采用了 抽象定义的方法，即抽象通信服务，而将具体的通信协议栈应用以特定通信服务 映射加以规定，适应了通信技术的发展变化。 IEC 61 850标准的主要特征如下： 1)功能分层 如图1．2和表1．1所示，IEC 61850除了将变电站自动化系统分成变电站层、间 隔层、过程层。每个物理装置又由服务器和应用组成，将服务器分为逻辑装置． 逻辑节点．数据对象．数据属性。从应用方面来看，服务器包含通信网络和I／O。由 IEC 61850模型看，服务器包含逻辑装置，逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包 含数据对象、数据属性。从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连。每个 IED既可扮演服务器角色也可扮演客户的角色。IEC 61850标准的应用视图如图 1．3所示。 变电站层 间隔／单元层 远方保 过程层 l 过程接口 ‘匝重画 l T 高压设备——一()_／，一～ 图1．2变电站自动化系统层次结构及信息接口 Fig．1．2 Levels and logical interfaces in substation automation systems 表1．1功能层、逻辑接口与网络总线 Table 1．1 Function level，logical interface and network bus 逻辑 功能层及逻辑接El 接口 说明 变电站 总线 过程层 间隔层 层 过程层和间隔层之间TA和TV暂态数据 过程 IF4 ● ● 交换 总线 6

浙江大学博士学位论文 IF5 过程层和间隔层之间控制数据交换 IF3 间隔层内数据交换 IF8 间隔之间直接数据交换 ● IFI 间隔层和变电站层之间保护数据交换 ● 站级 IF6 间隔层和变电站层之间控制数据交换 总线 IF9 变电站层内数据交换 IF7 变电站层与远方工程师办公室数据交换 注：F2表示变电站之间的信息流，IF10表示变电站与电网调度控制中心之 间的信息流，二者均超出了IEC61850ED1.0标准定义范围，故未在表1.1中体现。 应用视角 连接应用 实物 Data Physica Application Point Data Subroutine Report Board Logical Control Application 多华1EC61850模型视角 Node Program Setting roup Logical Application Device Internet Corporate Station Sub Network Network Network Server 通信视角 Cabinet Bay Substation 旗 图1.3从不同视角看组件分层 Figure 1.3 Component hierarchy of different views 2)与网络独立的抽象通信服务接口(ACSI) 由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间要求不同，通信技术的发 展日新月异，在变电站自动化未来的发展中可能采用不同类型的网络。EC61850 采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映 射(SCSM)就可适应不同的网络技术。 ACSI提供了六种服务模型：连接服务模型、变量访问模型、数据传输模型、 设备控制模型、文件传输服务模型以及时钟同步服务模型。这些服务模型定义了 通信对象以及如何对这些对象进行访问，包括请求、响应及服务过程。服务过程 描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应以及采取何种动作在何时以何种

浙江大学博士学位论文 IF5 过程层和间隔层之间控制数据交换 ● ● IF3 间隔层内数据交换 ● IF8 间隔之间直接数据交换 ● IFl 间隔层和变电站层之间保护数据交换 ● 站级 IF6 间隔层和变电站层之间控制数据交换 ● 总线 IF9 变电站层内数据交换 ● 1F7 变电站层与远方工程师办公室数据交换 ● 注：IF2表示变电站之间的信息流，IFl0表示变电站与电网调度控制中心之 间的信息流，二者均超出TIEC 61850 EDl．0标准定义范围，故未在表1．1中体现。 图1．3从不同视角看组件分层 Figure 1．3 Component hierarchy of different views 2)与网络独立的抽象通信服务接13(ACSI) 由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间要求不同，通信技术的发 展日新月异，在变电站自动化未来的发展中可能采用不同类型的网络。IEC 61850 采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映 射(SCSM)就可适应不同的网络技术。 ACSI提供了六种服务模型：连接服务模型、变量访问模型、数据传输模型、 设备控制模型、文件传输服务模型以及时钟同步服务模型。这些服务模型定义了 通信对象以及如何对这些对象进行访问，包括请求、响应及服务过程。服务过程 描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应以及采取何种动作在何时以何种 7

基于IEC61850标准的变电站白动化若干关键技术研究 响应方式。服务接口采用抽象建模技术，抽象意味着该定义用于描述提供的服务， 而与设备间交换的具体报文无关。 抽象模型图1.4右边是实际系统层次模型，左边是EC61850标准逻辑上功 能层次模型。 变电站自动化系统 逻辑系统 物理系统 1.n 1.n 功能 设备 +distributed over 1.n +hosts +run on 逻组节点LN 高压设备 1.n 智能电子设备ED +connect 2 1.n 2 数据对象D0 1..n +exchenged over +connected by 1.n +map to 逻辑连接 1.n 0.1 物理连接 图1.4EC61850相关的抽象概念模型 Fig.1.4 Conceptual model of the relevant abstractions of IEC 61850 IEC61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来通信 技术发展之间的矛盾。未来新的通信技术在变电站自动化系统中的运用时，只需 对SCSM进行相应的改动，而无需修改ACSI。 3)面向对象、面向应用开放的自描述 与IEC60870-5系列标准采用面向点的数据描述方法不同，IEC61850标准对 于信息采用面向对象的自描述。 EC60870-5系列标准所采用的“面向点”的数据描述方法，是在信息传输时数 据收发双方必须事先对数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反映现场设 备的状态。协议一旦确立之后，如果要增加或删除某些信息就必须对协议进行修 改。因此，这是一项耗费资金和时间的工作，且新功能的应用受到限制。 面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自描述，传输到接收方的 数据都带有自描述，因此不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作， 从而现场验收的验证工作大为简化，数据库的维护工作量也大为减少。 4)数据对象统一建模 IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数

基于IEC 61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 响应方式。服务接口采用抽象建模技术，抽象意味着该定义用于描述提供的服务， 而与设备间交换的具体报文无关。 抽象模型图1．4右边是实际系统层次模型，左边是IEC 61850标准逻辑上功 能层次模型。 图1．4 IEC 61 850相关的抽象概念模型 Fig．1．4 Conceptual model of the relevant abstractions of lEC 6 1 850 IEC 61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来通信 技术发展之间的矛盾。未来新的通信技术在变电站自动化系统中的运用时，只需 对SCSM进行相应的改动，而无需修改ACSI。 3)面向对象、面向应用开放的自描述 与IEC60870．5系列标准采用面向点的数据描述方法不同，IEC 61850标准对 于信息采用面向对象的自描述。 IEC60870．5系列标准所采用的“面向点”的数据描述方法，是在信息传输时数 据收发双方必须事先对数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反映现场设 备的状态。协议一旦确立之后，如果要增加或删除某些信息就必须对协议进行修 改。因此，这是一项耗费资金和时间的工作，且新功能的应用受到限制。 面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自描述，传输到接收方的 数据都带有自描述，因此不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作， 从而现场验收的验证工作大为简化，数据库的维护工作量也大为减少。 4)数据对象统一建模 IEC 61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机朋艮务器结构数

浙江大学博士学位论文 据模型。层次化的SCL对象模型如图1.5所示。 变电站 电压等级 间隔/单元 主设备 子设备（单相） 端点 断路器 隔离开关 连接点 电压互感器 (逻辑节点 数据 IED 访问点 服务器 (逻知设备 功能变电站结构 路由器 产品AED结构 子网 时钟 通信结构 图1.5SCL对象模型 Fig.1.5 SCL object model 此外，实现设备间的互操作性是制定EC61850标准的重要驱动力。用EC 61850-10的一致性测试方法可测试智能电子设备是否符合EC61850标准，·保证 与其他符合EC61850标准智能电子设备的互操作性，可以大大减少现场的通信 联调工作量，并且更换或新增设备时基本不需改变原有设备和系统。为保证互操 作性，必须开展智能电子设备的一致性测试，如下节所述。 1.23国内、国外互操作试验及一致性测试 1)国外EC61850互操作试验情况 互操作性实验是统一不同制造厂家对标准认识过程的一种有效途径)。在 2004年标准正式发布之前，国外主要厂家就进行了多次EC61850互操作试验 [6568,取得了良好效果，为标准发布后的成功商业应用奠定了坚实基础。 国际上早期的IEC61850互操作试验在ABB、SIEMENS、AREVA、KEMA 等国际公司中进行过多次，从时间上可分为两个阶段。 2002年以前的互操作试验为前期，此时EC61850还处于草案阶段，这些国 际公司也是该标准的主要起草者。为了对标准草案的正确性、合理性进行验证和 测试，1997-2002年，这些公司进行了多次互操作试验，并根据试验结果对标准 草案进行修改。因此，这一阶段试验参加者主要考虑标准本身、样机研制和标准 实现的一致性，没有过多考虑工程实际应用问题。 2002年以后的互操作试验为后期，此时的互操作试验考虑了工程应用的实 际情况，并对各厂家的EC61850系统进行验证，包括模型、工程配置工具以及 9

浙江大学博士学位论文 据模型。层次化的SCL对象模型如图1．5所不。 圃 i!一伍运至垂丑匝叠酉耍j臣垂垂口·…～臣圣王三垂习 |[妇口丽订!l； 囤；■稠{{ l瞒呙升天I‘ 应i i………j… |‘… t≤垂亘≥一…(j垂) …… <亘)．回l<多<爹 卜……～(堕宴壁) ：／4’。‘。‘‘。’’。。——’。‘～ l……～(二j至] ● 图1．5 SCL对象模型 Fig．1．5 SCL object model 此外，实现设备间的互操作性是制定IEC 61850标准的重要驱动力。用IEC 61850．10的一致性测试方法可测试智能电子设备是否符合IEC 61850标准，‘保证 与其他符合IEC 61 850标准智能电子设备的互操作性，可以大大减少现场的通信 联调工作量，并且更换或新增设备时基本不需改变原有设备和系统。为保证互操 作性，必须开展智能电子设备的一致性测试，如下节所述。 1．2．3国内、国外互操作试验及一致性测试 11国外IEC 61850互操作试验情况 互操作性实验是统一不同制造厂家对标准认识过程的一种有效途径…Il 31。在 2004年标准正式发布之前，国外主要厂家就进行了多次IEC 61 850互操作试验 [65-68】，取得了良好效果，为标准发布后的成功商业应用奠定了坚实基础。 国际上早期的IEC 61 850互操作试验在ABB、SIEMENS、AREVA、KEMA 等国际公司中进行过多次，从时间上可分为两个阶段。 2002年以前的互操作试验为前期，此时IEC 61850还处于草案阶段，这些国 际公司也是该标准的主要起草者。为了对标准草案的正确性、合理性进行验证和 测试，1997．2002年，这些公司进行了多次互操作试验，并根据试验结果对标准 草案进行修改。因此，这一阶段试验参加者主要考虑标准本身、样机研制和标准 实现的一致性，没有过多考虑工程实际应用问题。 2002年以后的互操作试验为后期，此时的互操作试验考虑了工程应用的实 际情况，并对各厂家的IEC 61850系统进行验证，包括模型、工程配置工具以及 9

基于1EC61850标准的变电站白动化若干关键技术研究 IED通信水平等与实际工程应用密切相关的互操作性。经过这两个阶段的互操作 试验，最后实现了不同公司EC61850系统之间的互操作，参与试验公司的支持 IEC61850标准的系统IED达到了可以实际应用的水平。 2)国内EC61850互操作试验情况136569-0 2005年5月至2006年12月，中国国调中心以分阶段多次进行，国内厂家 为主，适时邀请国外厂家参与的原则，组织国内外主要厂家进行了6次EC61850 互操作试验（第6次试验含ABB、SIEMENS、AREVA、SEL等国际公司产品）， 对于国内电力自动化主要生产厂家开展EC61850研究和提高相关产品、系统开 发水平起到了巨大的推动作用，加快了国内厂家的IEC61850技术的研发进程。 6次互操作试验后，国内大多数参加试验的厂家的产品研究水平基本与国外厂家 相当)，并具备向实际工程应用提供整套系统的能力，为EC61850在国内应用 奠定了坚实基础。 国内EC61850互操作试验从时间上也可分为两个阶段，前期试验包括第1 次(2005年5月10日~5月11日)至第3次(2006年1月16日~1月18日) 试验，这3次试验检验了各个参试单位对绝大多数抽象通信服务接口ACS)服务 实现的一致性，同时通过给定命题的模型建立，检验各个厂家建模方式的一致性。 经过试验，发现并解决了很多问题，为后期面向工程应用背景的试验打下了良好 基础。 前期试验中出现的问题，多数是因标准相关段落描述不清楚引起歧义所导 致，这也说明EC61850标准本身也有不完善之处，如标准不同分册对同一数据 类型定义不一致等，这些问题有的经过讨论达成一致，有的则通过向WG10咨 询得到答复。 后期试验包括第4次(2006年4月17日-4月19日)至第6次(2006年12 月13日-12月15日)试验，这3次试验考虑了实际工程应用背景，要求各单位 携带实际装置和面向工程化的后台系统参加试验，以测试工程应用功能为主要目 的，包括变电站“四遥”功能、跨间隔逻辑互锁等实际必须使用的功能。在实现这 些功能时，往往需要多种ACSI服务的支持，因此也对ACSI服务的一致性进行 了进一步验证。 3)一致性测试及检测机构71-四 EC61850标准第10部分即一致性测试部分定义了一致性测试的程序、内容 及测试项目等。协议一致性测试是保证互操作性的基础，若不能实现互操作性， EC61850的制定就失去了意义。因此，协议一致性测试必须是强制性的，并且 要对每一系列的ED进行一致性测试，以免由于各厂家对协议解释的不同而造 成互联不通，并因此造成人力物力的巨大浪费。 实验过程中需要使用Unica61850等必要的分析监视工具。鉴于协议一致性 10

基于IEC 61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 IED通信水平等与实际工程应用密切相关的互操作性。经过这两个阶段的互操作 试验，最后实现了不同公司IEC 61850系统之间的互操作，参与试验公司的支持 IEC 61850标准的系统／IED达到了可以实际应用的水平。 2)国内IEC 61 850互操作试验情况【llll3晒5埘-70】 2005年5月至2006年12月，中国国调中心以分阶段多次进行，国内厂家 为主，适时邀请国外厂家参与的原则，组织国内外主要厂家进行了6次IEC 61850 互操作试验(第6次试验含ABB、SIEMENS、AREVA、SEL等国际公司产品)， 对于国内电力自动化主要生产厂家开展IEC 61850研究和提高相关产品、系统开 发水平起到了巨大的推动作用，加快了国内厂家的IEC 61850技术的研发进程。 6次互操作试验后，国内大多数参加试验的厂家的产品研究水平基本与国外厂家 相当【13】，并具备向实际工程应用提供整套系统的能力，为IEC 61850在国内应用 奠定了坚实基础。 ． 国内IEC 61850互操作试验从时间上也可分为两个阶段，前期试验包括第1 次(2005年5月10日"--'5月11日)至第3次(2006年1月16日～1月1 8日) 试验，这3次试验检验了各个参试单位对绝大多数抽象通信服务接口ⅨCSI)服务 实现的一致性，同时通过给定命题的模型建立，检验各个厂家建模方式的一致性。 经过试验，发现并解决了很多问题，为后期面向工程应用背景的试验打下了良好 基础。 前期试验中出现的问题，多数是因标准相关段落描述不清楚引起歧义所导 致，这也说明IEC 61850标准本身也有不完善之处，如标准不同分册对同一数据 类型定义不一致等，这些问题有的经过讨论达成一致，有的则通过向WGl0咨 询得到答复。 后期试验包括第4次(2006年4月17日．4月19日)至第6次(2006年12 月13日．12月15日)试验，这3次试验考虑了实际工程应用背景，要求各单位 携带实际装置和面向工程化的后台系统参加试验，以测试工程应用功能为主要目 的，包括变电站“四遥”功能、跨间隔逻辑互锁等实际必须使用的功能。在实现这 些功能时，往往需要多种ACSI服务的支持，因此也对ACSI服务的一致性进行 了进一步验证。 3)一致性测试及检测机构【71。72】 IEC 61850标准第lO部分即一致性测试部分定义了一致性测试的程序、内容 及测试项目等。协议一致性测试是保证互操作性的基础，若不能实现互操作性， IEC 61850的制定就失去了意义。因此，协议一致性测试必须是强制性的，并且 要对每一系列的IED进行一致性测试，以免由于各厂家对协议解释的不同而造 成互联不通，并因此造成人力物力的巨大浪费。 实验过程中需要使用Unica 61 850等必要的分析监视工具。鉴于协议一致性 lO