30 分鐘內瞭解 IEC 61850
索引術語——IEC 61850 配置、語義分層物件資料模型、客戶端 - 伺服器、釋出 - 訂閱。
平時學習標準或除錯IEC61850裝置，需要IEC61850模擬器，推薦一款：
- 客戶端下載地址：IEC61850客戶端模擬器
- 服務端下載地址：IEC61850服務端模擬器
謠傳 IEC 61850 過於複雜，學習難度高。傳統的 IEC 61850 學習路徑是先學習 IEC 61850 標準，然後開始 IEC 61850 配置。使用者花費數天時間學習標準的大量內容，包括 10 個部分、27 個文件，超過 4,000 頁。該標準採用了現代通訊和電腦科學技術，如 7 層通訊模型、XML（可擴充套件標記語言）、統一模型語言（UML）、物件導向設計（OOD）等。許多潛在使用者因 IEC 61850 培訓期間的大量資訊而望而卻步。IEC 61850 標準的目標之一是縮短系統工程時間。學習如此龐大的內容對專業知識來說是一項挑戰。可以在 30 分鐘內對標準有一個基本的瞭解併為 IEC 61850 配置做好準備。從繼電保護工程師的角度來看，兩個基本問題是“資料在哪裡？”和“如何獲取資料？”本文提供了一種理解 IEC 61850 核心元件的替代方法：語義分層物件資料模型和兩種通訊服務：客戶端 - 伺服器和釋出 - 訂閱。
IEC 61850標準採用了不同的方法來定位資料。語義分層物件資料模型用於描述資料點、產品裝置和變電站。
傳統方式
學習 IEC 61850 配置的傳統方式是從複習 IEC 61850 標準開始。據非官方統計，該標準有 10 個部分、27 個文件，超過 4,000 頁，以每頁 2 分鐘的正常閱讀速度，需要 3 周以上才能讀完全部內容。精疲力竭後，幾乎沒有精力在 IED 上練習 IEC 61850 配置。超過一半的潛在使用者在 IEC 61850 課堂上會放棄或決定在課程結束前稍後再看。那些打算稍後學習 IEC 61850 標準的人會一直推遲，直到它不再新鮮有趣。
IEC 61850 標準與傳統通訊協議之間存在差異。IEC 61850 標準不僅僅是一種通訊協議。在應用前面描述的適當通訊服務之前，IEC 61850 提供了一種系統的方式來描述裝置和系統。
IEC 61850 標準融合了現代電腦科學和通訊技術的新成果。物件導向設計用於設計分層物件資料模式來描述電力產品系統、裝置和資料。開放系統互連 (OSI) 7 層模式用作通訊的基礎。客戶端 - 伺服器和釋出 - 訂閱是 IEC 61850 標準採用的兩種主要通訊模型。IEC 61850 標準使用統一建模語言(UML)進行實施。
在幾天內吸收如此大量的資料是一項挑戰，因此需要一種新的方法。
新方法
經過多年的 IEC 61850 培訓和系統整合經驗，我們找到了一種新方法，幫助更有效地學習 IEC 61850 配置。這種新方法不是按順序瀏覽 IEC 61850 標準的大量內容，而是從兩個基本問題開始：“資料在哪裡？”和“如何獲取資料？”，並專注於標準的核心元件：語義分層物件資料模型、客戶端 - 伺服器和釋出 - 訂閱通訊服務。
語義層次物件資料模型
傳統的通訊協議 DNP3 或 Modbus 是基於索引或暫存器的。所有資料點都分配有與資料型別對應的索引號。A 相負載電流可以作為資料點列表手冊中的模擬輸入索引 1 定位，該手冊將與繼電器和 SCADA 工程師共享。他們必須使用相同的通訊資料點列表手冊。如果對繼電器上的點列表進行了任何修改或更新，則需要同時檢查或修改 SCADA 配置以匹配新列表。
物件資料模型
在物件導向設計中，系統被劃分為層和子系統。大型複雜系統被劃分為較小元件或複雜度較低的物件的層次結構。單個元件的複雜度較低，更易於理解和管理。每個元件都是獨立的，可以替換而不會影響整個系統。這些元件或物件是自包含實體，封裝了資料屬性和操作服務。
採用物件導向設計的方法，在 IEC 61850 標準中，每個 IED（智慧電子裝置）分為邏輯裝置、邏輯節點和物件資料點。每個 IED 包含多個用於特定應用的邏輯裝置。每個邏輯裝置包含一組邏輯節點或功能。邏輯節點包含該功能所需的所有資料物件。透過為不同的保護和控制應用包含不同的邏輯裝置和邏輯節點，IED 設計現在非常靈活。
在物件導向設計中，“類”用於資料物件的模板或定義。每個物件都是類的一個例項。類是物件的定義。IEC 61850 標準定義了通用類。IED 供應商根據 IED 中的類實現實際的資料物件。
例如，IEC 61850 中常用的類是“WYE”，它提供有關三相電力系統裝置的相地相關測量值的資訊。WYE 中的屬性包括 phsA、phsB、phsC、neut，用於測量 A、B、C 相和地電流或電壓。這些屬性屬於 CMV（複雜測量值）型別，由幅度和相位角組成，就像任何交流測量一樣。CMV 的屬性如圖所示。
在 IEC 61850 標準第 7-3 部分中，定義了通用資料類來描述資料物件。A 相電流不僅是模擬輸入的索引 1。在 IEC 61850 中，CMV 類的屬性“cVal.mag.f”用於幅度測量，“cVal.ang.f”用於角度，“q”用於質量，“t”用於時間戳。資料類 SPS（單點狀態）定義為二進位制資料，包括布林值的屬性“stVal”、“質量的屬性”和“時間戳的屬性”，以及一些其他屬性。實際上，IEC 61850 中的所有資料物件都至少具有三個屬性：值、質量和時間戳。
定義了一個重要的資料物件 DPC（雙點控制）來描述斷路器的位置和操作。為斷路器位置定義了雙點狀態屬性“stVal”，為 2 位整數，其中位 0 表示開啟位置訊號，位 1 表示關閉位置。因此十進位制值 1，即二進位制的“0 1”，表示斷路器處於開啟狀態。值 2，即二進位制的“1 0”，表示斷路器處於關閉狀態。值 0，即“0 0”，表示未接收到開啟或關閉訊號，斷路器位置處於中間位置。最後一個可能值 3，即二進位制的“1 1”，因為斷路器不可能同時處於開啟和關閉位置，表示斷路器處於故障位置。它還包括表示質量的屬性“q”和表示時間戳的屬性“t”。作為控制資料物件，它包括一個用於控制輸出的布林屬性“ctlVal”。“True”為關閉，“False”為開啟。對於名稱為“Pos”且屬於 DPC 類的資料物件，當斷路器開啟時，Pos.stVal 的值為 1。當斷路器閉合時，Pos.stVal 的值為 2。
資料物件可以包含其他資料物件作為其屬性。資料物件 WYE（三相系統的相對地/中性線相關測量值）包括屬性“phsA”、“phsB”、“phsC”、“neut”、“net”和“res”，資料物件型別為 CMV。當 A 是 WYE 物件時，A 相負載電流的 IEC 61850 相參考將為“A.phsA.cVal.mag.f”。B 相電流將為“A.phsB.cVal.mag.f”。
層次結構
IEC 61850 中的資料結構不是扁平的，而是分層的層次結構。
IEC 61580 中的邏輯節點用於將 IED 中的基本功能定義為資料物件的容器。IEC 61850 第 7-4 部分定義了邏輯節點型別或類。邏輯節點類 CSWI 定義了開關控制器的資料結構。CSWI 中的一個重要資料物件名為“Pos”，資料型別為 DPC。IEC 61850 斷路器狀態參考將引用為“CBCSWI1.Pos.stVal”，邏輯節點名稱為“CBCSWI1”。
測量邏輯節點名為 CMMXU1，屬於 MMXU 類，包含相電流的 WYE 型別的資料物件 A，相電壓的 WYE 型別的資料物件 phsV。IEC 61850 相 A 電流測量參考為“CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f”。相 B 測量為“CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f”。
在 IEC 61850 標準中，邏輯節點類按其功能分組。所有邏輯節點類名都由四個字母組成，其中第一個字母代表邏輯節點的組。所有計量和測量功能的邏輯節點都以“M”開頭，如 MMXU 包含測量資料物件。以字母“C”開頭的邏輯節點名稱表示控制功能。字母“P”表示保護功能，如 PTOC 表示過流延時。任何支援 IEC 61850 的 IED 都包含一個邏輯節點列表。為了使其更加使用者友好和更易於管理，IEC 61850 標準指定了虛擬邏輯裝置層。每個邏輯裝置都是針對特定應用的邏輯節點組。邏輯裝置 CTRL 可以包括斷路器功能的所有邏輯節點。邏輯裝置 LD0 可以包括保護功能的所有邏輯節點，邏輯裝置 DR 包括擾動記錄的所有邏輯節點。 IEC 61850 中 A 相電流的參考完整內容為“LD0.CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f”。“CTRL.CBCSWI1.Pos.stVal”代表斷路器 1 的位置。
語義名稱空間
IEC 61850 定義了邏輯節點的命名規範，邏輯節點名必須以 IEC 61850 標準第 7-4 部分定義的邏輯節點類名（如 CSWI、MMXU 或 PTOC）為基礎，廠商可以自由地在類名前新增字首（如 CB、C、PHH），並在類名後新增例項號。邏輯節點名“CBCSWI1”由字首“CB”、邏輯節點類 CSWI 和例項號 1 組成。“CMMXU1”有字首“C”、邏輯節點型別 MMXU 和例項號 1。
邏輯節點中的資料物件名稱在 IEC 61850 標準中定義。邏輯節點 CSWI 中的斷路器狀態定義為 DPC 型別的“Pos”。MMXU 中的相電流定義為 WYE 型別的“A”。
作為語義分層資料模型，IEC 61850 參考具有“邏輯裝置”、“邏輯節點”、“資料物件”、“屬性”的格式。以下是一些示例：LD0.CMMXU1.A.phsA.cVal.mag.f 表示 A 相負載電流，CTRL.CBCSWI1.Pos.stVal 表示斷路器位置。
現在資料格式已定義，但 IED 中的資料在哪裡？它們通常由供應商在 IED 中準備和預配置。不同供應商的 IEC 61850 配置工具具有通用功能“匯出”，用於匯出 CID（配置 IED 描述）檔案，其中包括 IED 中的所有邏輯裝置、邏輯節點和資料物件。 CID 檔案的格式由 IEC 61850 以 XML 格式定義。此檔案可在任何 XML 編輯器或任何 Web 瀏覽器中開啟。使用者可以瀏覽從 IED 到邏輯裝置、邏輯節點、資料物件和資料屬性的層次結構。
該 IED 有三個邏輯裝置 LD0、CTRL 和 DR
客戶端 - 伺服器通訊服務
IED 通常透過速度為每秒 100 兆位元的快速乙太網連線與 SCADA（監控和資料採集）相連。IEC 61850 使用通訊協議 MMS（製造訊息規範）來實現 IED 和 SCADA 之間的客戶端 - 伺服器服務。IED 作為伺服器執行，包含所有資料並隨時準備響應任何請求。SCADA 作為客戶端發起通訊併傳送讀取資料或控制命令的請求。IED 使用資料值或控制操作結果響應 SCADA。
除了這種請求 - 響應輪詢機制外，MMS 還支援異常報告功能。當 IED 上沒有事件發生或沒有資料變化時，IED 和 SCADA 之間就不會進行通訊。當發生任何關鍵事件或資料發生變化時，IED 會自動將事件資料傳送到 SCADA 而無需請求。通訊負載降至最低，SCADA 總是及時接收事件而無需等待輪詢。
這種異常報告通訊方法主要用於 IED 和 SCADA 之間的通訊。當 SCADA 和 IED 之間首次建立通訊時，SCADA 會向 IED 傳送大量請求以讀取所有資料的值。之後，SCADA 會向 IED 傳送“啟用報告”命令。現在，IED 已準備好在任何資料發生變化時傳送事件報告。當沒有資料變化時，SCADA 和 IED 之間沒有通訊。網路很安靜。只有當發生資料變化事件時，IED 才會自動向 SCADA 傳送事件資料。
對於請求 - 響應輪詢模式，無需任何配置工作。匯入從 IED 配置工具匯出的 CID 檔案，SCADA 接收有關 IED 的所有 IEC 61580 邏輯裝置、邏輯節點和資料物件，並能夠傳送對其感興趣的任何資料的請求。
對於事件報告操作，需要配置 IED 以建立資訊報告資料集，以準備報告的資料點列表和報告控制塊以指定如何傳送報告。IEC 61850 標準使用資料集作為報告事件的資料物件列表。報告控制塊用於指定如何傳送這些報告。
大多數 IED 供應商提供資料集和報告控制塊。預設資訊報告資料集包括重要資料物件列表，如斷路器位置、保護跳閘和帶閾值的測量報告。報告控制塊配置為在資料更改或質量更改時傳送事件報告。它還可以配置為定期向 SCADA 傳送資料，無論是否有任何資料更改。IED 無需任何配置工作即可與 SCADA 進行通訊。
當 SCADA 所需的某些資料點未包含在預設報告資料集中時，使用者需要更新資訊報告資料集以新增新資料。
對於與 SCADA 的客戶端 - 伺服器 MMS 通訊，IED 上的 IEC 61850 配置工作最少。
釋出-訂閱通訊服務
GOOSE（通用物件導向變電站事件）是 IEC 61850 標準中定義的 IED 之間的另一種通訊服務，用於取代一個 IED 的二進位制輸出觸點與另一個 IED 的二進位制輸入或模擬連線之間的硬線連線。
釋出 - 訂閱服務模型用於實現 GOOSE 通訊的高速和高可用性效能。在此模型中，GOOSE 傳送 IED 透過向同一網路上的所有 IED 廣播，在通訊堆疊資料鏈路層的低層傳送 GOOSE 訊息。這些 GOOSE 訊息被分配了高優先順序標誌，因此這些訊息將移動到乙太網交換機通訊埠佇列的前面，在其他訊息之前傳送出去。
為了確保 IED 在 3 毫秒內收到任何新事件的 GOOSE 訊息，IED 以非線性速率傳送多條具有遞增序列號的 GOOSE 訊息，以確保至少收到一條訊息。 IED 隨後以固定速率持續傳送 GOOSE 訊息作為心跳機制，GOOSE 接收 IED 可使用此機制檢測任何通訊故障。
當 IED 向網路上的所有 IED 釋出 GOOSE 訊息時，訂閱的 IED 會檢索 GOOSE 訊息並獲取資料。
GOOSE 配置通常涉及至少一個 GOOSE 傳送 IED 和一個或多個 GOOSE 接收 IED。
GOOSE 配置包括三個步驟：準備要傳送的 GOOSE 資料、訂閱和接收 GOOSE 資料。與 MMS 配置類似，使用者建立 GOOSE 資料集、向資料集新增資料點，並配置 GOOSE 控制塊以指定如何為 GOOSE 傳送 IED 傳送 GOOSE 訊息作為第一步。
第二步訂閱是配置哪些 IED 接收 GOOSE 訊息。它通常是配置工具表中的核取方塊或圖形介面中的任何其他型別的操作。配置工具會將所有 GOOSE 資料集和控制塊資訊複製到訂閱接收訊息的 IED。它還將傳送 IED 的 IEC 61850 資料結構複製到訂閱 IED。在此步驟之後，從 GOOSE 接收 IED 匯出的 CID 檔案包括其自身的 IED、邏輯裝置、邏輯節點和資料物件的資訊，還包括 GOOSE 傳送 IED 的 IED、邏輯裝置、邏輯節點和資料物件。
第三步是透過將 GOOSE 資料對映到 IED 的使用者邏輯來配置 GOOSE 接收 IED。不同供應商的 IED 有不同的 GOOSE 資料對映方式。訊號矩陣是資料對映的一種方式。在上面的示例中，列標題中來自兩個 IED（F1 和 F2）的六個 GOOSE 資料被對映到應用程式邏輯中的六個 GOOSE 接收資料物件行。
透過這三個步驟，GOOSE 傳送 IED 已準備好傳送資料，GOOSE 接收 IED 被識別並準備好接收資料。
總結
從兩個基本問題開始：“資料在哪裡”和“如何獲取資料”，保護和控制工程師應該關注 IEC 61850 標準的核心元件：1) 語義分層物件資料模型，以及 2) 通訊服務：客戶端 - 伺服器和釋出 - 訂閱。IEC 61850 配置分別僅包括兩個步驟：1) 按照資料模型準備資料和 2) 設定通訊服務引數。
版權宣告：本文為博主原創文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版權協議，轉載請附上原文出處連結和本宣告。
原文連結：https://blog.redisant.cn/