1 IEC61850 標準

1.1標準概述
         IEC61850是新一代的變電站自動化系統的國際標準，它規范了數據的命名、數據定義、設備行為、設備的自描述特征和通用配置語言。同傳統的IEC60870-5-103標準相比，它不僅僅是一個單純的通信規約，而是數字化變電站自動化系統的標準，它指導了變電站自動化的設計、開發、工程、維護等各個領域。該標準通過對變電站自動化系統中的對象統一建模，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現無縫連接。智能化一次設備和數字式變電站要求變電站自動化采用IEC61850標準。IEC61850是至今為止最為完善的變電站自動化標準，它不僅規范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數字式CT、PT、智能式開關等一次設備的模型和通信接口。采用IEC61850國際標準可以大大提高變電站自動化技術水平、提高變電站自動化安全穩定運行水平，節約開發驗收維護的人力物力，實現完全的互操作，如圖1所示。
         IEC61850與傳統的SCADA協議不同的是，它不僅是一個簡單的協議，更涉及到通信網絡性能要求、對象建模、系統和項目管理等多方面的規范要求。IEC61850采用面向對象的建模方法和抽象、分層映射的技術，通過規范系統和項目管理以及一致性測試等途徑來保證其目標的實現，并且IEC61850不僅適用于變電站自動化系統內部網絡通信，也適用于配電自動化、電能計量系統、發電廠自動化系統、風力發電以及其它工業領域。

圖1：IEC61850與數字化變電站(SAS)之間的相互關系：

1.2 制造報文規范MMS
        制造報文規范(Manufacturing Message Specification,MMS)是網絡上實時處理和監控系統信息交換的國際標準，由國際標準化組織和國際電工委員會工業自動化技術委員會TC184工業組負責制定和發展，它適合于在不同的設備、應用、發展商和領域內提供通用信息服務，例如：MMS提供的讀(Read)服務允許網絡上的設備、應用或計算機從另外一個設備、應用或計算機內讀取所需的變量，而不管這個變量是在可編程邏輯控制器、機器人、遠方終端設備或智能電子設備內。MMS已經廣泛應用在制造、石油化工、電力工業和太空探索等領域。
        MMS由以下各部分組成：  代理西門子原裝SMART數字量擴展信號模塊6ES7288-5DT04-0AA0

1) 服務規范(Service Specification)
2) 協議規范(Protocol Specification)
3) 機器人伴同標準(Robot Companion Standard)
4) 數字控制器伴同標準(Numberical Controller Companion Standard)
5) 可編程邏輯控制器伴同標準(Programmable Logical Controller Companion Standard)
6) 過程控制系統伴同標準(Process Control System Companion Standard)

        上列各部分中，第一部分服務規范和第二部分協議規范是其核心，服務規范包含的定義
有：①虛擬制造設備(Virtual Manufacturing Device,VMD)；②網絡上節點間的信息交換；③與VMD有關的屬性和參數。協議規范定義的是通信規則，包括：①信息格式；②通過網絡的信息順序；③MMS層與ISO/OSI開放模型的其他層的交互，而3)-6)則是針對不同的應用領域的伴同標準。
         MMS提供了豐富的針對對等式實時通信網絡的一系列任務，已經成為許多工業領域的控制設備的通信協議，例如CNC、可編程邏輯控制器、機器人、電力領域中的遠方終端設備(RTU)、能源管理系統(EMS)、重合器、開關等IED設備。許多流行的計算機平臺都支持基于MMS的互聯，在軟件支持上，更多的API、圖形界面、網關、字處理、電子表格、關系型數據庫都支持MMS，從通信連接上看，MMS在以太網、令牌總線、串行接口RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP上也都很容易實現，如圖2所示：

圖2：MMS在IEC61850報文結構中的位置

1.3 IEC61850標準的體系結構  代理西門子原裝SMART數字量擴展信號模塊6ES7288-5DT04-0AA0
        變電站自動化系統由各種IED 組成，主要完成變電站內設備的控制、監視和保護功能，并實現系統配置、通信管理和軟件管理等系統維護功能。IEC 61850 標準將變電站自動化系統在邏輯上劃分為3 層(即變電站層、間隔層和過程層)，并將具體應用功能分解為許多常駐在不同IED 內、彼此間相互通信的單元，稱為邏輯節點(logical node，LN)，然后以LN 為對象建立變電站內IED 的統一的數據和服務模型，旨在解決不同廠商提供的IED間的數據交換、信息共享等問題。
        遵循IEC 61850 標準的變電站自動化系統主要包括：①主站自動化系統軟件(人機界面、數據庫及系統管理等)；②間隔層裝置(保護、測控單元等)；③過程層設備，包括電子式電流/電壓互感器(electronic current/potential transducer，ECT/EPT)、智能斷路器/隔離開關、合并單元等；④工程化工具(如配置工具等)，用于管理IEC 61850所定義的的通信模型，并滿足IEC 61850-6(配置)和IEC 61850-10(一致性測試)的規范要求，如圖3所示：

圖3：IEC61850與數字化變電站接口與體系結構

1.4數據模型
        在了解數據模型之前，首先需要了解一些關于IEC61850 的重要概念
智能電子設備(IED)：實際的物理設備，如開關、斷路器，綜保等。
功能：變電站自動化系統執行的任務，如：母線保護、聯鎖、報警管理等。
邏輯設備(LD)：一種虛擬設備，聚合邏輯節點和數據，物理設備可以包含一個或多個LD。
邏輯節點(LN)：用來描述系統功能的基本單位，是數據對象的容器，可以任意分配到
IED，每個邏輯節點和內部的數據都有具體的語義，并通過他們的服務與外部進行交互。
在IEC61850 中，一個IED 設備的外部性能通過Server 服務器類來表征，Server 服務器可以包含一個或多個邏輯設備，一個邏輯設備可以包含多個邏輯節點，在IEC61850 中一些邏輯節點是電力系統實設備的映射。一個IED 設備要實現特定功能必然需要這些邏輯節點來最終實現操作、控制的功能。可以簡單理解邏輯設備是IED 設備實現具體一個功能的抽象容器，在這個容器中包含了實現功能所需的相應的邏輯節點。
        下圖4描述了從一個實際的項目中如何對實際的物理設備建模的完整過程：

圖4:設備建模的完整過程

        就針對一個具體的IED設備模型而言，下圖5描述了該物理設備中所包含的內容及其交互關系：

圖5：數據模型所包含的內容及交互關系

        下圖6為一個實際的IED物理設備所包含的相關內容，該圖描述了該LED設備中其中一個邏輯設備”Tampa_Control”的邏輯節點”Q0XCBR1”斷路器的”位置Pos”數據的相關狀態 “stVal和ctlVal”。

圖6：一個實際的IED設備所包含的內容

2 “IEC61850 Server Library”軟件包概述  代理西門子原裝SMART數字量擴展信號模塊6ES7288-5DT04-0AA0

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作為服務器端的IEC61850規約的通信解決方案，通過該軟件包，可以將S7-300/400 “虛擬”為一個IEC61850服務器端設備，之后S7-300/400 可以支持在IEC61850總線上的過程變量導出，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，支持德語及英語的在線幫助。
2) 每個IEC61850 客戶端設備將通過一個ISO-On-TCP連接服務器。
3) 最多可以支持100 Data-Attribute及10 DataSet(每個DataSet包含100個Data-Attributes)：
4) Data-Attribute支持如下數據類型，如圖8所示：

 

圖8：”IEC61850 Server Library”所支持的數據類型

5) 支持如下MMS服務類型，如下圖9所示：

圖9：”IEC61850 Server Library”所支持的MMS服務類型

6) 提供基于XML語言描述的SCL和.icd文件，供客戶端訪問
7) 通過標準PCS7或Step7工具進行編程
8) 支持S7-300/S7-400/S7 mec
9) 冗余設計(用于S7-400H)
10) 帶通信診斷功能
11) 軟件包僅支持通過CP343/443-1建立通信連接，不支持CPU的集成PN口創建連接

2.2 “IEC61850 Server Library”軟件包工作原理
        下圖10描述了“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據模型.ICD文件及Table DB數據塊，兩者之間必須一致，這個將包含在軟件包中，其中.ICD文件提供給IEC61850客戶端用于IEC61850通信的連接、變量的導出及讀寫等，Table DB數據塊用于下載到S7-300/400中用于創建S7-300/400作為IEC61850服務器的數據模型，之后將其匹配到主功能塊“SVR_IEC61850”中。
        在軟件包的實際應用中還需要注意以下幾點：

1) 允許多個IEC61850客戶端訪問同一個S7-300/400 IEC61850服務器，但是每個客戶端需要創建多個ISO-on-TCP連接并多次調用之后將其匹配到功能塊“SVR_IEC61850”,此時將功能塊“SVR_IEC61850”均連接到同一個Table DB，這樣能夠保證客戶端訪問服務器的數據一致性。
2) 通過DataSet(數據集)可以批量讀寫Data-Attribute，軟件包只支持靜態DataSet功能，不支持動態的 DataSet創建，因此只允許IEC61850客戶端的靜態DataSet訪問請求。
3) 所有的Data-Attribute及DataSet均可以在 Table DB中更改，這可以通過軟件包 的SCL源文件編輯，當更改Table DB時，.ICD文件(軟件包中的server_x_y.icd文件)也必須調整以保證更改后的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：