1 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)

1.1標(biāo)準(zhǔn)概述
         IEC61850是新一代的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征和通用配置語(yǔ)言。同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)相比，它不僅僅是一個(gè)單純的通信規(guī)約，而是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，它指導(dǎo)了變電站自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、工程、維護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的對(duì)象統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強(qiáng)了設(shè)備之間的互操作性，可以在不同廠家的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。智能化一次設(shè)備和數(shù)字式變電站要求變電站自動(dòng)化采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850是至今為止最為完善的變電站自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，它不僅規(guī)范保護(hù)測(cè)控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式CT、PT、智能式開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的模型和通信接口。采用IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可以大大提高變電站自動(dòng)化技術(shù)水平、提高變電站自動(dòng)化安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，節(jié)約開(kāi)發(fā)驗(yàn)收維護(hù)的人力物力，實(shí)現(xiàn)完全的互操作，如圖1所示。
         IEC61850與傳統(tǒng)的SCADA協(xié)議不同的是，它不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，更涉及到通信網(wǎng)絡(luò)性能要求、對(duì)象建模、系統(tǒng)和項(xiàng)目管理等多方面的規(guī)范要求。IEC61850采用面向?qū)ο蟮慕７椒ê统橄?、分層映射的技術(shù)，通過(guò)規(guī)范系統(tǒng)和項(xiàng)目管理以及一致性測(cè)試等途徑來(lái)保證其目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并且IEC61850不僅適用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信，也適用于配電自動(dòng)化、電能計(jì)量系統(tǒng)、發(fā)電廠自動(dòng)化系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電以及其它工業(yè)領(lǐng)域。

圖1：IEC61850與數(shù)字化變電站(SAS)之間的相互關(guān)系：

1.2 制造報(bào)文規(guī)范MMS
        制造報(bào)文規(guī)范(Manufacturing Message Specification,MMS)是網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)處理和監(jiān)控系統(tǒng)信息交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際電工委員會(huì)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)TC184工業(yè)組負(fù)責(zé)制定和發(fā)展，它適合于在不同的設(shè)備、應(yīng)用、發(fā)展商和領(lǐng)域內(nèi)提供通用信息服務(wù)，例如：MMS提供的讀(Read)服務(wù)允許網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備、應(yīng)用或計(jì)算機(jī)從另外一個(gè)設(shè)備、應(yīng)用或計(jì)算機(jī)內(nèi)讀取所需的變量，而不管這個(gè)變量是在可編程邏輯控制器、機(jī)器人、遠(yuǎn)方終端設(shè)備或智能電子設(shè)備內(nèi)。MMS已經(jīng)廣泛應(yīng)用在制造、石油化工、電力工業(yè)和太空探索等領(lǐng)域。
        MMS由以下各部分組成：  原裝西門子1500系統(tǒng)電源6ES7505-0KA00-0AB0進(jìn)口現(xiàn)貨

1) 服務(wù)規(guī)范(Service Spe cification)
2) 協(xié)議規(guī)范(Protocol Specification)
3) 機(jī)器人伴同標(biāo)準(zhǔn)(Robot Companion Standard)
4) 數(shù)字控制器伴同標(biāo)準(zhǔn)(Numberical Controller Companion Standard)
5) 可編程邏輯控制器伴同標(biāo)準(zhǔn)(Programmable Logical Controller Companion Standard)
6) 過(guò)程控制系統(tǒng)伴同標(biāo)準(zhǔn)(Process Control System Companion Standard)

        上列各部分中，第一部分服務(wù)規(guī)范和第二部分協(xié)議規(guī)范是其核心，服務(wù)規(guī)范包含的定義
有：①虛擬制造設(shè)備(Virtual Manufacturing Device,VMD)；②網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)間的信息交換；③與VMD有關(guān)的屬性和參數(shù)。協(xié)議規(guī)范定義的是通信規(guī)則，包括：①信息格式；②通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的信息順序；③MMS層與ISO/OSI開(kāi)放模型的其他層的交互，而3)-6)則是針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域的伴同標(biāo)準(zhǔn)。
         MMS提供了豐富的針對(duì)對(duì)等式實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的一系列任務(wù)，已經(jīng)成為許多工業(yè)領(lǐng)域的控制設(shè)備的通信協(xié)議，例如CNC、可編程邏輯控制器、機(jī)器人、電力領(lǐng)域中的遠(yuǎn)方終端設(shè)備(RTU)、能源管理系統(tǒng)(EMS)、重合器、開(kāi)關(guān)等IED設(shè)備。許多流行的計(jì)算機(jī)平臺(tái)都支持基于MMS的互聯(lián)，在軟件支持上，更多的API、圖形界面、網(wǎng)關(guān)、字處理、電子表格、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)都支持MMS，從通信連接上看，MMS在以太網(wǎng)、令牌總線、串行接口RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP上也都很容易實(shí)現(xiàn)，如圖2所示：

圖2：MMS在IEC61850報(bào)文結(jié)構(gòu)中的位置

1.3 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)
        變電站自動(dòng)化系統(tǒng)由各種IED 組成，主要完成變電站內(nèi)設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù)功能，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、通信管理和軟件管理等系統(tǒng)維護(hù)功能。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在邏輯上劃分為3 層(即變電站層、間隔層和過(guò)程層)，并將具體應(yīng)用功能分解為許多常駐在不同IED 內(nèi)、彼此間相互通信的單元，稱為邏輯節(jié)點(diǎn)(logical node，LN)，然后以LN 為對(duì)象建立變電站內(nèi)IED 的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和服務(wù)模型，旨在解決不同廠商提供的IED間的數(shù)據(jù)交換、信息共享等問(wèn)題。
        遵循IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括：①主站自動(dòng)化系統(tǒng)軟件(人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)及系統(tǒng)管理等)；②間隔層裝置(保護(hù)、測(cè)控單元等)；③過(guò)程層設(shè)備，包括電子式電流/電壓互感器(electronic current/potential transducer，ECT/EPT)、智能斷路器/隔離開(kāi)關(guān)、合并單元等；④工程化工具(如配置工具等)，用于原裝西門子1500系統(tǒng)電源6ES7505-0KA00-0AB0進(jìn)口現(xiàn)貨管理IEC 61850所定義的的通信模型，并滿足IEC 61850-6(配置)和IEC 61850-10(一致性測(cè)試)的規(guī)范要求，如圖3所示：

圖3：IEC61850與數(shù)字化變電站接口與體系結(jié)構(gòu)

1.4數(shù)據(jù)模型
        在了解數(shù)據(jù)模型之前，首先需要了解一些關(guān)于IEC61850 的重要概念
智能電子設(shè)備(IED)：實(shí)際的物理設(shè)備，如開(kāi)關(guān)、斷路器，綜保等。
功能：變電站自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)，如：母線保護(hù)、聯(lián)鎖、報(bào)警管理等。
邏輯設(shè)備(LD)：一種虛擬設(shè)備，聚合邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)，物理設(shè)備可以包含一個(gè)或多個(gè)LD。
邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)：用來(lái)描述系統(tǒng)功能的基本單位，是數(shù)據(jù)對(duì)象的容器，可以任意分配到
IED，每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部的數(shù)據(jù)都有具體的語(yǔ)義，并通過(guò)他們的服務(wù)與外部進(jìn)行交互。
在IEC61850 中，一個(gè)IED 設(shè)備的外部性能通過(guò)Server 服務(wù)器類來(lái)表征，Server 服務(wù)器可以包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備，一個(gè)邏輯設(shè)備可以包含多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，在IEC61850 中一些邏輯節(jié)點(diǎn)是電力系統(tǒng)實(shí)設(shè)備的映射。一個(gè)IED 設(shè)備要實(shí)現(xiàn)特定功能必然需要這些邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)最終實(shí)現(xiàn)操作、控制的功能?？梢院?jiǎn)單理解邏輯設(shè)備是IED 設(shè)備實(shí)現(xiàn)具體一個(gè)功能的抽象容器，在這個(gè)容器中包含了實(shí)現(xiàn)功能所需的相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)。
        下圖4描述了從一個(gè)實(shí)際的項(xiàng)目中如何對(duì)實(shí)際的物理設(shè)備建模的完整過(guò)程：

圖4:設(shè)備建模的完整過(guò)程  原裝西門子1500系統(tǒng)電源6ES7505-0KA00-0AB0進(jìn)口現(xiàn)貨

 
        就針對(duì)一個(gè)具體的IED設(shè)備模型而言，下圖5描述了該物理設(shè)備中所包含的內(nèi)容及其交互關(guān)系：

圖5：數(shù)據(jù)模型所包含的內(nèi)容及交互關(guān)系

        下圖6為一個(gè)實(shí)際的IED物理設(shè)備所包含的相關(guān)內(nèi)容，該圖描述了該LED設(shè)備中其中一個(gè)邏輯設(shè)備”Tampa_Control”的邏輯節(jié)點(diǎn)”Q0XCBR1”斷路器的”位置Pos”數(shù)據(jù)的相關(guān)狀態(tài) “stVal和ctlVal”。

圖6：一個(gè)實(shí)際的IED設(shè)備所包含的內(nèi)容

2 “IEC61850 Server Library”軟件包概述

2.1 “IEC61850 Server Library”通信概述
        “IEC61850 Server Library”軟件包是西門子推出的基于S7-300/400作為服務(wù)器端的IEC61850規(guī)約的通信解決方案，通過(guò)該軟件包，可以將S7-300/400 “虛擬”為一個(gè)IEC61850服務(wù)器端設(shè)備，之后S7-300/400 可以支持在IEC61850總線上的過(guò)程變量導(dǎo)出，下圖7為“IEC61850 Server Library”軟件包通信總覽：

圖7：“IEC61850 Server Library“軟件包通信總覽

“IEC61850 Server Library “軟件包具有如下特征：
1) 功能完全的功能塊庫(kù)，支持德語(yǔ)及英語(yǔ)的在線幫助。
2) 每個(gè)IEC61850 客戶端設(shè)備將通過(guò)一個(gè)ISO-On-TCP連接服務(wù)器。
3) 最多可以支持100 Data-Attribute及10 DataSet(每個(gè)DataSet包含100個(gè)Data-Attributes)：
4) Data-Attribute支持如下數(shù)據(jù)類型，如圖8所示：

 

圖8：”IEC61850 Server Library”所支持的數(shù)據(jù)類型

5) 支持如下MMS服務(wù)類型，如下圖9所示：

圖9：”IEC61850 Server Library”所支持的MMS服務(wù)類型

6) 提供基于XML語(yǔ)言描述的SCL和.icd文件，供客戶端訪問(wèn)
7) 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PCS7或Step7工具進(jìn)行編程
8) 支持S7-300/S7-400/S7 mec
9) 冗余設(shè)計(jì)(用于S7-400H)
10) 帶通信診斷功能
11) 軟件包僅支持通過(guò)CP343/443-1建立通信連接，不支持CPU的集成PN口創(chuàng)建連接

2.2 “IEC61850 Server Library”軟件包工作原理
        下圖10描述了原裝西門子1500系統(tǒng)電源6ES7505-0KA00-0AB0進(jìn)口現(xiàn)貨“IEC61850 Server Library”軟件包的工作原理：

圖10：“IEC61850 Server Library”軟件包的工作原理

        從圖10可以看出，軟件包中主要的核心為數(shù)據(jù)模型.ICD文件及Table DB數(shù)據(jù)塊，兩者之間必須一致，這個(gè)將包含在軟件包中，其中.ICD文件提供給IEC61850客戶端用于IEC61850通信的連接、變量的導(dǎo)出及讀寫等，Table DB數(shù)據(jù)塊用于下載到S7-300/400中用于創(chuàng)建S7-300/400作為IEC61850服務(wù)器的數(shù)據(jù)模型，之后將其匹配到主功能塊“SVR_IEC61850”中。
        在軟件包的實(shí)際應(yīng)用中還需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 允許多個(gè)IEC61850客戶端訪問(wèn)同一個(gè)S7-300/400 IEC61850服務(wù)器，但是每個(gè)客戶端需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)ISO-on-TCP連接并多次調(diào)用之后將其匹配到功能塊“SVR_IEC61850”,此時(shí)將功能塊“SVR_IEC61850”均連接到同一個(gè)Table DB，這樣能夠保證客戶端訪問(wèn)服務(wù)器的數(shù)據(jù)一致性。
2) 通過(guò)DataSet(數(shù)據(jù)集)可以批量讀寫Data-Attribute，軟件包只支持靜態(tài)DataSet功能，不支持動(dòng)態(tài)的 DataSet創(chuàng)建，因此只允許IEC61850客戶端的靜態(tài)DataSet訪問(wèn)請(qǐng)求。
3) 所有的Data-Attribute及DataSet均可以在 Table DB中更改，這可以通過(guò)軟件包 的SCL源文件編輯，當(dāng)更改Table DB時(shí)，.ICD文件(軟件包中的server_x_y.icd文件)也必須調(diào)整以保證更改后的Table DB與.ICD文件保持一致

2.3 “IEC61850 Server Library“軟件包軟硬件需求及限制
       “IEC61850 Server Library”軟件包的軟硬件需求及限制如下圖11所示：

圖11：“IEC61850 Server Library”軟件包軟硬件需求及使用限制

2.4 “IEC61850 Server Library“軟件包訂貨號(hào)
        “IEC61850 Server Library”軟件包的訂貨號(hào)如下圖12所示：

圖12：“IEC61850 Server Library”軟件包訂貨號(hào)

2.5 “IEC61850 Server Library“軟件包包含內(nèi)容
        購(gòu)買“IEC61850 Server Library“軟件包后將會(huì)得到一張光盤，光盤中包含如下文件內(nèi)容，如下圖13所示：

圖13：“IEC61850 Server Library“軟件包所包含的內(nèi)容

3 通過(guò)“IEC61850 Server Library“軟件包配置S7-300作為服務(wù)器進(jìn)行IEC61850 規(guī)約通信
        下面以S7-300及TMW 61850 Test Harness軟件為例，詳細(xì)介紹如何通過(guò)“IEC61850 Server Library“軟件包將S7-300通過(guò)配置為服務(wù)器，TMW 61850 Test Harness配置為客戶端進(jìn)行IEC61850 通信。
注：TMW 61850 Test Harness軟件可以從網(wǎng)上免費(fèi)下載得到，網(wǎng)址為:
http://www.trianglemicroworks.com/

下載的為試用版本，試用版本有一定的功能限制，只有20天的試用期，試用期結(jié)束后失去所有功能，需要購(gòu)買使用授權(quán)

3.1例子中使用的原裝西門子1500系統(tǒng)電源6ES7505-0KA00-0AB0進(jìn)口現(xiàn)貨硬件設(shè)備及軟件
        本例中所用的硬件設(shè)備如下表1所示。

表1：硬件清單

所用到軟件如下表2所示：

表2：軟件清單

3.2 硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
        打開(kāi)Step7軟件，新建一個(gè)工程項(xiàng)目文件，命名為“IEC61850_server_update”, 在項(xiàng)目下插入一個(gè)S7-300站，如下圖14所示。

圖14：新建S7-300 Station

        雙擊插入的SIMATIC 300 Station的“Hardware”，打開(kāi)硬件組態(tài)，在硬件組態(tài)界面下分別插入機(jī)架，電源PS307、CPU317-2PN/DP、CP343-1,本例中將CP的IP地址設(shè)為192.168.0.11，如下圖15所示。

圖15：硬件組態(tài)并設(shè)置CP343-1的IP地址

        打開(kāi)Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài),選中CPU317-2PN/DP,插入一個(gè)新連接，連接伙伴為Unspecified，連接類型為ISO-on-TCP Connection，如下圖16所示：