最新IEC61850关键技术实现方案.docx

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最新IEC61850关键技术实现方案

IEC61850关键技术实现方案

变电站自动化IEC-61850标准实现方案

一、背景

国内外数字化变电站都是遵循IEC61850标准进行设计的。

其系统结构示意图如图1所示。

图1数字化变电站系统结构示意图

在综合自动化变电站中实现IEC-61850标准，需要考虑以下几个问题：

1．做为系统集成商，监控系统以IEC-61850标准接入其它厂商的IED（保护、测控）。

2．做为系统集成商，远动系统以IEC-61850标准接入其它厂商的IED（保护、测控）。

3．做为系统集成商，故障信息系统以IEC-61850标准接入其它厂商的IED（保护、故障录

波）。

4．做为系统集成商，对全站的IED进行系统配置。

5．做为设备供应商，以IEC-61850标准接入到变电站自动化系统。

图1所示，IEC61850将变电站从网络通信的角度分为三层：

变电站层、间隔层和过各层。

各层的设备与本层的设备以及与其它层的设备是怎么实现通信的呢？

如图2为IEC61850提供的几种协义栈，以满足数字化变电站中设备层间以及层内通信。

从图中可知核心ACSI服务是映射到MMS协议上，该协议栈的实现了IEC61850中绝大部分的ACSI接口，故它是实现数字化变电站的最重要的一步。

实现ACSI接口，就是要实现MMS（人工制造报文协议）提供的服务（子集）。

图2IEC61850通信协议栈示意图

图3为从应用实现的角度来观察IEC61850的通信系统，从图中可以看出ACSI接口的

实现是至关重要的。

图3应用程序通信结构

二、实现方案

1．硬件技术

IEC61850的应用可以分为变电站层、间隔层、过程层，以下逐层分析。

1.1变电站层

变电站层的远动系统以前主要应用工控PC，为了提高可靠性，现在普遍使用嵌入式装置。

在IEC61850之前，远动系统对外以IEC60870-5-101、104、DNP3等协议通信，对内处理各种私有协议。

现有嵌入式远动系统基本上是按满足目前这种应用需求设计的硬件。

在IEC61850条件下，与远方还是使用IEC60870-5-101、104、DNP3等协议通信，远动系统对内作为IEC61850的客户端，接收并处理站内各个IEC61850装置的信息。

由于IEC61850比现有站内协议要复杂得多，需要比较强的处理能力，尤其是网络处理能力。

在IEC61850条件下，对于嵌入式远动装置的硬件提出了比较高的要求。

远动装置以IEC61850的客户端角色与间隔层的所有IED进行通信。

一个变电站中，间隔层IED少则20多台，多则上百台。

因此，对嵌入式远动装置提出如下要求。

1）CPU处理速度

IEC61850的信息处理量要比传统通信协议大得多，为了能够处理间隔层IED信息，对远动装置的CPU处理能力提出了比较高的要求。

如果远动装置内部采取集中式设计，只有一个主CPU处理插件，就要求该CPU主频在300MHz以上。

2）存储器

运行IEC61850需要比传统协议更大的存储空间。

因此，嵌入式远动装置需要配备更大的存储器。

如果采取集中式设计，建议内存大于128MB。

随着半导体技术的不断发展，硬件性能越来越强，价格一直在下降。

满足上述要求，并不一定会增加装置的整体成本。

1.2间隔层

间隔层设备主要包括各类保护装置和测控装置。

1）2层结构

对于只有变电站层、间隔层这2层的变电站，间隔层保护、测控装置与一次设备通过电缆进行硬连接。

与变电站层的监控、远动系统通过IEC61850通信。

在这种情况下，要求保护/测控装置必须支持IEC61850。

保护/测控装置对于IEC61850的支持有2种方式。

方式1：

装置配备专门的通信管理插件，完成装置对外的网络通信。

而保护功能有其它插件来完成。

方式2：

装置中保护、控制、通信功能由同一个插件完成。

目前低压装置大多采用方式2，中高压装置多采用方式1。

由于IEC61850本身的复杂性，无论是哪种方式，与现有模式相比，都要求CPU有比较高的处理能力和比较大的内存空间。

为非IEC61850所设计的硬件一般不能满足这些要求，需要重新进行设计。

2）3层结构

3层结构是在2层结构基础上增加了一个过程层。

要求间隔层设备取消电缆，以通信方式接收和处理模拟量和开关量。

因此，与2层结构相比，3层结构的间隔层保护/测控装置硬件变化很大。

模拟量处理电路，例如A/D，CT/PT变换器；状态量处理电路，例如开入/开出电路等被网络通信口所取代。

硬件变得比较简单，保护CPU插件主要通过网络接口与外部通信，获得信息。

因此，要求保护CPU插件具备比较强的网络通信能力，CPU本身的处理能力也要比较强。

实际上，在3层结构的变电站中，间隔层设备去掉了电缆硬连接和A/D硬件，实现了装置的网络化。

硬件确实简化了，但是所需要处理的信息量更大了，处理的复杂程度也提高了，对CPU的处理能力和网络通信能力的要求却提高了。

1.3过程层

过程层设备主要是合并单元MU和智能操作箱等设置的开关场的智能单元。

这些设备以网络通信方式向间隔层提供所需要的信息。

这些设备往往安装在开关场。

要求设备的硬件具备比较强的网络处理能力和EMC特性。

1.4网络设备

在使用IEC61850的变电站中，无论是2层结构，还是3层结构，都对网络设备提出了新的要求。

为了满足IEC61850中GOOSE和SAV服务的需求，以太网交换器必须支持VLAN和优先级设置，也就是支持IEEE802.1p和IEEE802.1q。

1.5硬件平台需求

CPU：

主频在100M以上

128MbitFLASH

256MbitDRAM

2．软件技术

2.1IEC61850协议软件要求

在IEC61850变电站中，各IED无论充当客户端角色还是服务器角色或同时担当2种角色，都要支持IEC61850协议，需要IEC61850协议软件的支持。

IEC61850协议软件是IEC61850变电站的核心技术之一，对该软件有如下技术要求。

1）互操作

采用IEC61850技术的目的就是为了实现不同厂家IED之间的互操作性。

IEC61850协议软件的互操作性是IED之间实现互操作性的基础。

因此，对IEC61850协议软件的一致性提出了很高的要求，其实现的语言、语法、编解码规则等都要与IEC61850标准规定严格一致。

一套IEC61850协议软件应该通过IEC61850-10所定义测试用例的测试。

2）跨平台

在一个变电站自动化系统中，虽然各个IED都使用IEC61850标准进行通信，但是各自的软/硬件运行平台差别很大。

所使用的硬件从变电站监控系统所使用的64位工作站，到间隔层IED所使用的32/16位CPU嵌入式系统。

所使用的操作系统从监控系统使用的Linux/UNIX/Windows到各种RTOS。

因此，在一个实际变电站自动化系统中，软硬件平台是混合的。

这就要求IEC61850协议软件应该具有跨平台能力，能够运行在不同的软/硬件条件下。

这有利于代码的维护和统一。

为了做到跨平台，在IEC61850协议在设计阶段就需要做充分的考虑和准备，并采用适当的设计策略和技术。

3）与应用程序接口方便

IEC61850协议软件必须各种应用软件相互配合才能完成各种具体功能。

因此，希望IEC61850即具有一定的独立性，例如能够形成相对独立的库文件；又具备简单方便的接口，能够被应用程序很方便地使用。

所以，IEC61850协议软件在设计时，必须考虑与应用程序接口的方便性。

4）配置方便

在IEC61850变电站中，由系统配置器是完成全站的信息配置工作。

配置文件用于指示各IED的通信行为。

要求IEC61850协议软件能够识别配置信息，并自动化生成相关信息。

IEC61850协议软件应该支持SCL文件的在线解析。

2.2操作系统

操作系统为应用软件提供支持和服务。

在IEC61850变电站中，所使用的操作系统也呈多样性。

220kV以上变电站监控系统一般使用UNIX或Linux。

220kV及以下变电站监控系统多使用Windows。

远动或间隔层IED则使用RTOS。

RTOS的种类很多，目前应用比较多的嵌入式操作系统是VxWorks、QNX、Nuclues等。

2.3应用软件

2.3.1变电站层

现有IEC60870-5-101、103等协议是面向信号的，是通过信息点号来区分信息的。

与此不同，IEC61850是面向对象的，是通过对象索引来识别不同信息体的。

间隔层IED的信息都是以对象方式上送给变电站应用的，对于变电站层的监控系统或远动系统而言，有两种处理方式。

一种是按照对象方式组织数据库，将接收到的信息直接入库，所有应用都建立在面向对象的数据库上。

另一种现有的按照点表的方式组织数据库，对接收到的对象数据按照一定方式分解，然后入库。

第一种方式更直接，能够将IEC61850数据带的信息充分用起来，但是需要按照面向对象方式组织数据库，应用也需要建立在这种新的数据组织方式上。

第二种方式是保持了传统的数据组织方式，通过一个映射表来分解和组装对象数据。

IEC61850数据带的部分信息被过滤掉，没被应用功能使用起来。

如果设计新一代的系统或产品建议使用第一种方式。

2.3.2间隔层

间隔层的IED对外按照IEC61850进行通信，应用软件有2种处理方式。

方式1：

IED内部数据是私有格式，将内部私有格式的数据映射到对外的IEC61850模型中。

这种方式的优点是IED内部原有数据格式和组织方式可以保持不变，只进行一个映射就可以实现IEC61850，能够获得互操作性。

实现起来比较快。

这种方式的缺点如果IED内部没有IEC61850所需要的一些信息，则对外无法映射。

方式2：

IED内部数据按照IEC61850组织，内部数据与对外的IEC61850模型之间不需要映射过程。

这种方式的优点是实现IEC61850比较彻底，信息表达也比较充分。

这种方式的缺点是IED内部软件几乎重新进行设计。

保护装置需要重新做动模实验。

上述两种方式都可以使IED实现IEC61850。

目前绝大多数厂家都使用方式1来实现，只有个别厂家在新一代IED中使用方式2实现。

随着各厂家产品的升级换代，可能会有更多厂家在设计新产品时采用方式2。

2.3.3过程层

为与过程层的ECT/EPT以及智能操作箱配合。

间隔层保护/测控装置在软件上要做如下调整：

1）模拟量和状态量的重新定向和配置

模拟量和状态量已经由电缆硬连接改为以通信方式的接入间隔层IED，需要软件支持这些量的重新定向和配置。

2）开出命令的重新定向和配置

开出已经由电缆硬连接改为以通信方式与智能操作箱连接，需要软件支持开出的重新定向和配置。

智能操作箱在软件上需要支持：

需要支持基于SCL的配置。

2.4工具

在IEC61850变电站中，工具主要包括客户端调试工具和系统配置器，有时也将两者功能集成在一起，形成一个统一工具。

客户端调试工具主要为工程人员服务，该工具充当IEC61850通信过程中的客户端角色，工程人员可以使用该工具调试间隔层IED。

可以利用IEC61850在线服务获得并显示IED的模型，对IED进行在线操作。

如果工具具备SCL语言解析和比较功能。

工程人员也可以利用该工具处理IED的CID模型，并与在线获得的IED实际运行模型进行对比，发现问题，找出差异。

也可利用该工具对IED进行遥控、切换定值区等操作。

在与监控、远动系统互联之前，使用客户端工具与IED进行互联，对于分析、查找和解决问题非常有效，可以提高工程制作效率。

客户端工具是工程实现的好帮手，应该设计好。

系统配置器在IEC61850变电站中扮演重要角色。

系统配置器实际上是一个工具软件，该工具完成站内与通信相关信息的配置。

具体而言，以装置的模型文件ICD和变电站配置文件SSD为输入，通过系统集成商的干预，输出全站配置文件SCD和装置配置文件CID。

在整个处理过程中，还需要具备ICD、SSD文件合法性检查，IED之间横向通信GOOSE的配置。

系统配置器是IEC61850变电站系统集成的重要工具。

该工具设计得是否方便易用，功能是否强大，会直接影响IEC61850变电站的系统集成效率。

2.5总结

IEC61850是一个标准，也是一套完整的技术。

IEC61850的实现需要相关的软硬件技术的支持。

由于变电站自动化系统中所使用软硬件的复杂性，为了实现IEC61850需要对所使用的软硬提出一定的要求。