第二章
IEC 61850

一、IEC 61850 标准简介

IEC 61850 标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。它通过标准的实现，实现了智能变电站的工程运作标准化。使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD（系统配置）文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。

IEC 61850 是一个网络和计算机技术高度发展的产物。从 2000 年开始的嵌入式硬件技术、实时操作系统、通信技术的快速发展和广泛应用，为IEC 61850 在电力系统的应用创造了有利条件。IEC 61850 不仅仅是一个通信规约，它指导了变电站自动化系统的设计、开发、工程、维护等各个领域。该标准通过对变电站自动化系统的面向对象统一建模，采用独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。

作为未来智能电网领域的主要标准，凭借良好的可扩展性和体系结构，IEC 61850 将为全世界所有电力相关行业的信息共享、功能交互以及调度协调做出重大的、决定性的影响。同时，由于世界范围内能源变革和智能电网建设的兴起，IEC 61850 作为智能电网中连接电力生产和消费环节的纽带，将担当起越来越重要的角色。

二、变电站三层两网体系架构

如图 2-1 所示，IEC 61850 的“站控层+间隔层+过程层”的分层模式与现有的变电站综自系统不同。常规站的综自系统采用“站控层+间隔层”的两层体系结构，“过程层”功能都是在间隔层设备中实现的。随着电子式互感器和智能断路器的工程应用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去，由此可见IEC 61850是个面向未来开放的标准。

三、IEC 61850 配置文件的概念

从工程应用的角度看，IEC61850为变电站设备建立分层信息模型的目的是为了利用它描述变电站及站内IED的实际配置信息，如变电站开关场一次接线拓扑、站内IED的IP地址、GOOSE联线信息等。因此分层信息模型中的逻辑节点、数据、数据属性以及ACSI服务均需要根据变电站实际情况进行配置。

配置文件是利用SCL语言描述变电站设备对象模型后生成的文件，用于在不同厂商的配置工具之间交换配置信息。通过一系列配置文件的传递，不同厂商的智能设备就能知道与对方通信所需要的数据信息，从而实现通信双方配置信息的交换。

四种配置文件：ICD文件、SSD文件、SCD文件、CID文件。如图 2-2、表 2-1、图 2-3所示。

ICD与ICD配置工具：

（1）ICD—IEDCapability Description。

（2）和装置类型关联的预定义装置模板配置。

（3）配置内容：

1）LD、LN、DO、DA定义及LN类型模板的定义。

2）数据集dataset预定义。

3）控制块的配置如brcb、urcb等定义。

（4）文件结构：

1）有且只有一个IED元素，且名称必须为TEMPLATE。

2）可以有Substation，名称必须为TEMPLATE。

3）可以有Communication元素。

4）包括DataTypeTemplates定义。

（5）ICD描述了IED装置的基本功能，通过ICD文件我们就能知道装置的用途以及其输入输出，随装置出场，现场一般不做修改。

SCD与SCD配置工具：

（1）SCD—SubstationConfiguration Description。

（2）描述全站所有配置的文件。

（3）配置内容：

1）一次系统模型。

2）通信网络配置。

3）所有装置的实例配置。

4）一次系统对象的LN绑定。

5）GOOSE配置。

（4）文件结构：包含SCL文件的完整结构，包括HEAD、一个Communication元素，一个Substation元素，N个IED元素，一个DataTypeTemplates元素。

（5）从模型的角度讲这就是变电站。GOOSE配置及MMS通讯参数的配置都是在这一阶段完成，作为系统集成商所需完成的工作，最主要的就是通过SCD工具配置全站的SCD文件。各IED厂家及后台监控系统将拿到统一配置好的SCD。

（6）CID与CID配置工具：

1）CID—Configured IEDDescription。

2）装置实例化的配置定义。

3）文件结构与ICD文件一致，即实例化后的ICD。

4）最终从变电站模型SCD中导出的CID就带有了变电站内连接关系，包括与后台通讯的MMS信息，与其他装置连接的GOOSE信息及采样信息。由于IEC 61850 标准对CID的表现形式没有具体定义，为提高装置的性能，将GOOSE部分单独导出为goose.txt文本，CID本身只给MMS与后台通讯用。

（7）由于CID及GOOSE文本都使用工具自动导出，减小了出错的可能性；而且所有厂家使用同一个SCD，减少了互操作过程中的分歧。

四、MMS、GOOSE和SV的映射

1. GOOSE基础知识

（1）面向通用对象的变电站事（GOOSE—Generic Object Oriented Substation Event）是IEC 61850 标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的机制。主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括传输跳合闸信号（命令），具有高传输成功概率。基于GOOSE网络传输代替传统的硬接线实现断路器位置、闭锁信号和跳闸命令等实时信息的可靠传输（相当于传统保护的开入开出回路），如图 2-4 所示。

GOOSE采用网络信号代替了常规变电站装置之间硬接线的通信方式，大大简化了变电站二次电缆接线，一方面降低了工程造价，另一方面简化了工程实施；而且GOOSE通过通信过程的不断自检，实现了装置间二次回路的智能化监测。

目前GOOSE通信机制在智能变电站中获得了广泛的应用，如保护、测控装置跳合闸命令的输出，不同保护装置之间的闭锁、启动失灵，监控系统不同间隔之间的联闭锁等。

（2）GOOSE实现原理。

如图 2-5 所示，GOOSE采用组播方式传送数据，以太网传输方式有：单播、广播、组播。GOOSE采用连续多次传送的方式实现可靠传输：T1=2ms，T2=4ms，T3=8ms，T0=5s。

（3）GOOSE虚端子。

在传统变电站中，保护屏柜内设有开入、开出、出口等端子排，微机保护装置的各开关量、跳合闸出口都一一对应于具体的端子。在设计保护回路时，保护装置之间的联系，以及保护装置到一次设备的跳合闸出口都通过端子到端子的电缆实现。

由于继电保护原理并没有因为采用GOOSE而改变，对于每一台保护装置而言，其GOOSE输入输出与传统屏柜的端子之间仍然存在对应关系。如果ICD文件对应整台装置，则GOOSE数据集可以看作是屏柜上的端子排。GOOSE输出信号对应着传统装置的开关量输出端子，GOOSE输入信号对应着传统装置的开关量输入端子。为了更形象地理解和应用GOOSE信号，将这些输入输出信号的逻辑连接点称为“虚端子”。如图 2-6、图 2-7 所示。

（4）GOOSE虚端子连线。

系统集成商完成全站GOOSE连线后，各装置厂家使用各自的装置配置工具从SCD文件中提取出本装置的GOOSE连线配置信息，并下载到装置；调试人员接着进行保护逻辑校验、信号对点和传动试验工作。因此引入虚端子概念将使现有二次设计规范的改变最小。

传统二次设计的过程是：装置研发人员设计和定义装置的端子，工程设计人员根据用户或设计院的要求将相关的端子引到屏柜的端子排，并根据需要在端子排和装置之间加入连接片；设计院设计各个屏柜的端子排之间的二次电缆连线；施工单位根据设计院的设计图纸进行屏柜间接线；调试单位根据图纸对相关接线和应用功能进行测试和检查。经过多年传统二次设计的实践，特定功能的装置需要引出的端子和需要加入的连接片已经逐渐确定并形成设计规范。

采用GOOSE后，二次电缆的设计和连接工作变成了GOOSE通信组态和GOOSE配置文件下载的工作。各个二次设备厂家可以根据传统设计规范设计并提供出其装置的GOOSE输入输出端子定义（通过在ICD文件中预定义GOOSE数据集和控制块、预定义GOINGGIO实现）；设计院根据该定义设计GOOSE连线，以表格的方式提供；工程集成商通过GOOSE组态工具和设计院的设计文件，组态形成项目的SCD文件；二次设备厂家使用装置配置工具和全站统一的SCD文件，提取GOOSE收发的配置信息并下发到装置；调试人员进行测试。

2. SV基础知识

作为实时性要求比较高的两种通信服务，采样值传输SV和GOOSE均采用了发布方/订阅者通信模式。

和GOOSE一样，采样值PDU在经过表示层ASN.1 基本编码规则BER编码后，生成的数据包不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层，以保证数据传输的实时性。

与GOOSE类似，目前国内在数字化变电站的实施中引入了采样值输入“虚端子”的概念。

3. MMS基础知识

MMS（Manufacture Message Specification）通过对实际设备进行面向对象建模的方法，实现了网络环境下不同制造商设备之间的互操作。现在已经广泛应用在工厂制造、石油化工和太空探索等领域，在工业自动化领域获得了巨大的成功。IEC 61850 标准把MMS引入电力自动化领域，将其核心ACSI服务直接映射到MMS标准。MMS规范位于OSI七层参考模型的第七层——应用层。它是一个非常庞大的协议集。它由六个部分组成。第 1 部分和第 2 部分是MMS的核心部分，高度抽象，不涉及具体的应用。第 3～6 部分为伴同规范，完成具体领域的应用。在一定程度上IEC 61850 标准也可看作是MMS核心部分的伴同规范。

（1）MMS通信流程。

MMS通信采用客户端/服务器模式；

如图 2-8 所示，MMS服务可分为带确认（Confirmed）和不带确认（Unconfirmed）两类。

（2）MMS的基本思想。

MMS的基本思想就是定义一种大家都能理解的公共语言。如图 2-9 中所示，世界语就类似于MMS所定义的通信协议和服务，翻译器的作用就和MMS中的虚拟设备类似。

假设图的各个装置来自不同的生产厂家。这些装置可能运行着不同的操作系统和程序，硬件结构也可能存在千差万别，甚至同一厂家不同时期生产的不同型号的装置在硬件和软件上也可能存在差异。

要达到互操作的目的，就必须首先考虑“屏蔽”掉各装置的具体技术细节（如CPU型号、操作系统、程序编程语言、开关量子系统），使各装置在网络通信方式上遵守统一的规定，具有相同或相近的外部接口（外部视图）。

MMS采用构建虚拟设备（即VMD）的方法来达到隐藏各装置技术细节的目的。虚拟设备由实际设备映射得到，它和装置的具体细节无关，具体通信时信息交互在客户端和虚拟设备之间进行。这样就“屏蔽”掉了装置的技术细节，客户端就可以和不同厂家、不同型号的多种装置进行通信。如图 2-10、图 2-11 所示。