30分钟内了解IEC 61850

30分钟内了解IEC 61850

IEC 61850是电力系统自动化领域的重要标准，但其庞大的内容和复杂的概念常常让人望而却步。本文从继电保护工程师的视角出发，用30分钟的时间带你快速掌握IEC 61850的核心概念和配置方法。

传统方式的挑战

学习IEC 61850配置的传统方式是从复习IEC 61850标准开始。据非官方统计，该标准有10个部分、27个文档，超过4,000页，以每页2分钟的正常阅读速度，需要3周以上才能读完全部内容。精疲力竭后，几乎没有精力在IED上练习IEC 61850配置。超过一半的潜在用户在IEC 61850课堂上会放弃或决定在课程结束前稍后再看。那些打算稍后学习IEC 61850标准的人会一直推迟，直到它不再新鲜有趣。

新方法：从两个基本问题出发

经过多年的IEC 61850培训和系统集成经验，我们找到了一种新方法，帮助更有效地学习IEC 61850配置。这种新方法不是按顺序浏览IEC 61850标准的大量内容，而是从两个基本问题开始：“数据在哪里？”和“如何获取数据？”，并专注于标准的核心组件：语义分层对象数据模型、客户端-服务器和发布-订阅通信服务。

语义层次对象数据模型

传统的通信协议DNP3或Modbus是基于索引或寄存器的。所有数据点都分配有与数据类型对应的索引号。A相负载电流可以作为数据点列表手册中的模拟输入索引1定位，该手册将与继电器和SCADA工程师共享。他们必须使用相同的通信数据点列表手册。如果对继电器上的点列表进行了任何修改或更新，则需要同时检查或修改SCADA配置以匹配新列表。

在面向对象设计中，系统被划分为层和子系统。大型复杂系统被划分为较小组件或复杂度较低的对象的层次结构。单个组件的复杂度较低，更易于理解和管理。每个组件都是独立的，可以替换而不会影响整个系统。这些组件或对象是自包含实体，封装了数据属性和操作服务。

采用面向对象设计的方法，在IEC 61850标准中，每个IED（智能电子设备）分为逻辑设备、逻辑节点和对象数据点。每个IED包含多个用于特定应用的逻辑设备。每个逻辑设备包含一组逻辑节点或功能。逻辑节点包含该功能所需的所有数据对象。通过为不同的保护和控制应用包含不同的逻辑设备和逻辑节点，IED设计现在非常灵活。

在面向对象设计中，“类”用于数据对象的模板或定义。每个对象都是类的一个实例。类是对象的定义。IEC 61850标准定义了通用类。IED供应商根据IED中的类实现实际的数据对象。

例如，IEC 61850中常用的类是“WYE”，它提供有关三相电力系统设备的相地相关测量值的信息。WYE中的属性包括phsA、phsB、phsC、neut，用于测量A、B、C相和地电流或电压。这些属性属于CMV（复杂测量值）类型，由幅度和相位角组成，就像任何交流测量一样。CMV的属性如图所示。

在IEC 61850标准第7-3部分中，定义了通用数据类来描述数据对象。A相电流不仅是模拟输入的索引1。在IEC 61850中，CMV类的属性“cVal.mag.f”用于幅度测量，“cVal.ang.f”用于角度，“q”用于质量，“t”用于时间戳。数据类SPS（单点状态）定义为二进制数据，包括布尔值的属性“stVal”、“质量的属性”和“时间戳的属性”，以及一些其他属性。实际上，IEC 61850中的所有数据对象都至少具有三个属性：值、质量和时间戳。

定义了一个重要的数据对象DPC（双点控制）来描述断路器的位置和操作。为断路器位置定义了双点状态属性“stVal”，为2位整数，其中位0表示打开位置信号，位1表示关闭位置。因此十进制值1，即二进制的“0 1”，表示断路器处于打开状态。值2，即二进制的“1 0”，表示断路器处于关闭状态。值0，即“0 0”，表示未接收到打开或关闭信号，断路器位置处于中间位置。最后一个可能值3，即二进制的“1 1”，因为断路器不可能同时处于打开和关闭位置，表示断路器处于故障位置。它还包括表示质量的属性“q”和表示时间戳的属性“t”。作为控制数据对象，它包括一个用于控制输出的布尔属性“ctlVal”。“True”为关闭，“False”为打开。对于名称为“Pos”且属于DPC类的数据对象，当断路器打开时，Pos.stVal的值为1。当断路器闭合时，Pos.stVal的值为2。

数据对象可以包含其他数据对象作为其属性。数据对象WYE（三相系统的相对地/中性线相关测量值）包括属性“phsA”、“phsB”、“phsC”、“neut”、“net”和“res”，数据对象类型为CMV。当A是WYE对象时，A相负载电流的IEC 61850相参考将为“A.phsA.cVal.mag.f”。B相电流将为“A.phsB.cVal.mag.f”。

层次结构

IEC 61850中的数据结构不是扁平的，而是分层的层次结构。

IEC 61580中的逻辑节点用于将IED中的基本功能定义为数据对象的容器。IEC 61850第7-4部分定义了逻辑节点类型或类。逻辑节点类CSWI定义了开关控制器的数据结构。CSWI中的一个重要数据对象名为“Pos”，数据类型为DPC。IEC 61850断路器状态参考将引用为“CBCSWI1.Pos.stVal”，逻辑节点名称为“CBCSWI1”。

测量逻辑节点名为CMMXU1，属于MMXU类，包含相电流的WYE类型的数据显示对象A，相电压的WYE类型的数据显示对象phsV。IEC 61850相A电流测量参考为“CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f”。相B测量为“CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f”。

在IEC 61850标准中，逻辑节点类按其功能分组。所有逻辑节点类名都由四个字母组成，其中第一个字母代表逻辑节点的组。所有计量和测量功能的逻辑节点都以“M”开头，如MMXU包含测量数据对象。以字母“C”开头的逻辑节点名称表示控制功能。字母“P”表示保护功能，如PTOC表示过流延时。任何支持IEC 61850的IED都包含一个逻辑节点列表。为了使其更加用户友好和更易于管理，IEC 61850标准指定了虚拟逻辑设备层。每个逻辑设备都是针对特定应用的逻辑节点组。逻辑设备CTRL可以包括断路器功能的所有逻辑节点。逻辑设备LD0可以包括保护功能的所有逻辑节点，逻辑设备DR包括扰动记录的所有逻辑节点。IEC 61850中A相电流的参考完整内容为“LD0.CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f”。“CTRL.CBCSWI1.Pos.stVal”代表断路器1的位置。

语义名称空间

IEC 61850定义了逻辑节点的命名规范，逻辑节点名必须以IEC 61850标准第7-4部分定义的逻辑节点类名（如CSWI、MMXU或PTOC）为基础，厂商可以自由地在类名前添加前缀（如CB、C、PHH），并在类名后添加实例号。逻辑节点名“CBCSWI1”由前缀“CB”、逻辑节点类CSWI和实例号1组成。“CMMXU1”有前缀“C”、逻辑节点类型MMXU和实例号1。

逻辑节点中的数据对象名称在IEC 61850标准中定义。逻辑节点CSWI中的断路器状态定义为DPC类型的“Pos”。MMXU中的相电流定义为WYE类型的“A”。

作为语义分层数据模型，IEC 61850参考具有“逻辑设备”、“逻辑节点”、“数据对象”、“属性”的格式。以下是一些示例：LD0.CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f表示A相负载电流，CTRL.CBCSWI1.Pos.stVal表示断路器位置。

现在数据格式已定义，但IED中的数据在哪里？它们通常由供应商在IED中准备和预配置。不同供应商的IEC 61850配置工具具有通用功能“导出”，用于导出CID（配置IED描述）文件，其中包括IED中的所有逻辑设备、逻辑节点和数据对象。CID文件的格式由IEC 61850以XML格式定义。此文件可在任何XML编辑器或任何Web浏览器中打开。用户可以浏览从IED到逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性的层次结构。

该IED有三个逻辑设备LD0、CTRL和DR

客户端-服务器通信服务

IED通常通过速度为每秒100兆比特的快速以太网连接与SCADA（监控和数据采集）相连。IEC 61850使用通信协议MMS（制造消息规范）来实现IED和SCADA之间的客户端-服务器服务。IED作为服务器运行，包含所有数据并随时准备响应任何请求。SCADA作为客户端发起通信并发送读取数据或控制命令的请求。IED使用数据值或控制操作结果响应SCADA。

除了这种请求-响应轮询机制外，MMS还支持异常报告功能。当IED上没有事件发生或没有数据变化时，IED和SCADA之间就不会进行通信。当发生任何关键事件或数据发生变化时，IED会自动将事件数据发送到SCADA而无需请求。通信负载降至最低，SCADA总是及时接收事件而无需等待轮询。

这种异常报告通信方法主要用于IED和SCADA之间的通信。当SCADA和IED之间首次建立通信时，SCADA会向IED发送大量请求以读取所有数据的值。之后，SCADA会向IED发送“启用报告”命令。现在，IED已准备好在任何数据发生变化时发送事件报告。当没有数据变化时，SCADA和IED之间没有通信。网络很安静。只有当发生数据变化事件时，IED才会自动向SCADA发送事件数据。

对于请求-响应轮询模式，无需任何配置工作。导入从IED配置工具导出的CID文件，SCADA接收有关IED的所有IEC 61580逻辑设备、逻辑节点和数据对象，并能够发送对其感兴趣的任何数据的请求。

对于事件报告操作，需要配置IED以创建信息报告数据集，以准备报告的数据点列表和报告控制块以指定如何发送报告。IEC 61850标准使用数据集作为报告事件的数据对象列表。报告控制块用于指定如何发送这些报告。

大多数IED供应商提供数据集和报告控制块。默认信息报告数据集包括重要数据对象列表，如断路器位置、保护跳闸和带阈值的测量报告。报告控制块配置为在数据更改或质量更改时发送事件报告。它还可以配置为定期向SCADA发送数据，无论是否有任何数据更改。IED无需任何配置工作即可与SCADA进行通信。

当SCADA所需的某些数据点未包含在默认报告数据集中时，用户需要更新信息报告数据集以添加新数据。

对于与SCADA的客户端-服务器MMS通信，IED上的IEC 61850配置工作最少。

发布-订阅通信服务

GOOSE（通用面向对象变电站事件）是IEC 61850标准中定义的IED之间的另一种通信服务，用于取代一个IED的二进制输出触点与另一个IED的二进制输入或模拟连接之间的硬线连接。

发布-订阅服务模型用于实现GOOSE通信的高速和高可用性性能。在此模型中，GOOSE发送IED通过向同一网络上的所有IED广播，在通信堆栈数据链路层的低层发送GOOSE消息。这些GOOSE消息被分配了高优先级标志，因此这些消息将移动到以太网交换机通信端口队列的前面，在其他消息之前发送出去。

为了确保IED在3毫秒内收到任何新事件的GOOSE消息，IED以非线性速率发送多条具有递增序列号的GOOSE消息，以确保至少收到一条消息。IED随后以固定速率持续发送GOOSE消息作为心跳机制，GOOSE接收IED可使用此机制检测任何通信故障。

当IED向网络上的所有IED发布GOOSE消息时，订阅的IED会检索GOOSE消息并获取数据。

GOOSE配置通常涉及至少一个GOOSE发送IED和一个或多个GOOSE接收IED。

GOOSE配置包括三个步骤：准备要发送的GOOSE数据、订阅和接收GOOSE数据。与MMS配置类似，用户创建GOOSE数据集、向数据集添加数据点，并配置GOOSE控制块以指定如何为GOOSE发送IED发送GOOSE消息作为第一步。

第二步订阅是配置哪些IED接收GOOSE消息。它通常是配置工具表中的复选框或图形界面中的任何其他类型的操作。配置工具会将所有GOOSE数据集和控制块信息复制到订阅接收消息的IED。它还将发送IED的IEC 61850数据结构复制到订阅IED。在此步骤之后，从GOOSE接收IED导出的CID文件包括其自身的IED、逻辑设备、逻辑节点和数据对象的信息，还包括GOOSE发送IED的IED、逻辑设备、逻辑节点和数据对象。

第三步是通过将GOOSE数据映射到IED的用户逻辑来配置GOOSE接收IED。不同供应商的IED有不同的GOOSE数据映射方式。信号矩阵是数据映射的一种方式。在上面的示例中，列标题中来自两个IED（F1和F2）的六个GOOSE数据被映射到应用程序逻辑中的六个GOOSE接收数据对象行。

通过这三个步骤，GOOSE发送IED已准备好发送数据，GOOSE接收IED被识别并准备好接收数据。

总结

从两个基本问题开始：“数据在哪里”和“如何获取数据”，保护和控制工程师应该关注IEC 61850标准的核心组件：1)语义分层对象数据模型，以及2)通信服务：客户端-服务器和发布-订阅。IEC 61850配置分别仅包括两个步骤：1)按照数据模型准备数据和2)设置通信服务参数。