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基于IEC61850标准变电站的通信网络和系统协议

导读: 介绍变电站使用IEC61850标准的必要性,对变电站内智能电子设备(IED)统一硬件平台设计和软件系统的实现方法以及应注意的相关问题进行详细讨论。

  0   引言

  IEC在充分考虑变电站自动化系统的功能和要求,特别是互操作性要求的基础上,制定了变电站内通信网络与系统的通信标准体系(IEC61850标准)。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术,使得数据对象的自描述成为可能,为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了途径。

  1 IEC 61850标准的主要特点

  1.1信息分层

  变电站通信网络和系统协议IEC 61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念,无论从逻辑概念上还是从物理概念上,都将变电站的通信体系分为3个层次,即变电站层、间隔层和过程层,并且定义了层和层之间的通信接口,如图1所示。

  1.2面向对象的数据对象统一建模

  IEC 61850标准采用面向对象的建模技术,定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器,每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点,逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。就通信而言,IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口(ACSI)和服务器通信可访问数据对象。 

     1.3数据自描述

  (1)IEC 61850对象名称标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则。

  (2)IEC 61850通信服务标准采用面向对象的方法,定义了对象之间的通信服务,如获取和设定对象值的通信服务、取得对象名列表的通信服务、获得数据对象值列表的服务等。

  1.4抽象通信服务接口(ACSI)

  IEC 61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务,设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口(ACSI)。在IEC61850-7-2中,建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型,包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据集等模型。客户通过ACSI,由专用通信服务映射(SCSM)映射到所采用的具体协议栈,如制造报文规范(MMS)等。IEC 61850标准使用ACSI和SCSM技术,解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾,即当网络技术发展时只要改动SCSM,而不需要修改ACSI。

  2   基于IEC 61850标准的变电站内通信系统框架模型

  作为变电站自动化通信网络和系统的标准,IEC 61850主要强调面向对象的建模和对基于客户机/服务器结构的应用数据交换的定义。

  2.1物理层/数据链路层

  选择以太网作为通信系统的物理层和数据链路层的主要原因是以太网在技术和市场上已处于主流地位。另外,随着快速以太网、G-比特以太网技术逐步成熟,对变电站自动化应用而言,网络带宽已不再是制约因素,由冲撞引起的传输延时随机性问题已淡化。

  为了定性地说明这一问题,美国电力研究院(EPRI)对此进行了研究,在特定的“最恶劣”情形下对比了以太网和12M令牌传递Profibus网的性能。研究结果表明,通过交换式HUB连接的10M以太网完全能够满足变电站自动化系统网络通信“实时”性的要求,并且以太网快于12M令牌传递Profibus网络[1]。

  2.2网络层/传输层

  选择事实标准的TCP/IP协议作为站内IED的高层接口,实现站内IED的Intranet/Internet化,使得站内IED的数据收发都能以TCP/IP方式进行。这样,监控主站或远方调度中心采用TCP/IP协议就可以通过广域网(WAN)甚至Internet获得变电站内的数据。同时,采用标准的数据访问方式可以保证站内IED具有良好的互操作性。

  2.3应用层

  选择制造报文规范(MMS)[2]作为应用层协议与变电站控制系统通信。所有IED中基于IEC 61850建立的对象和服务模型都被映射成MMS中通用的对象和服务,如数据对象的读、写、定义和创建以及文件操作等。MMS对面向对象数据定义的支持,使该数据自描述成为可能,改变了传统的面向点的数据描述方法。因数据本身带有说明,故传输可不受预先定义的限制,简化了数据管理和维护工作。以太网通信标准和MMS结合,加之IEC 61850的应用描述,是将变电站自动化系统变成开放系统的一可能实现的途径。

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