131、淺析IEC61850協(xié)議下采樣值傳輸規(guī)范的應(yīng)用

1、淺析iec 61850協(xié)議下采樣值傳輸規(guī)范的應(yīng)用摘 要：介紹了目前數(shù)字化變電站采樣值傳輸規(guī)范iec 61850-9-1、1ec 61850-9-2的技術(shù)基礎(chǔ)，分析了兩者之間的聯(lián)系與區(qū) 別。關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；i ec 61850；采樣值傳輸；電子式互感器 作者簡介：朱頌怡(1974-),女，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化方而的工作。中圖分類號：tm76analysis and comparison of sampled value transmission speci伍cation in iec 61850 standardabstract: this paper introduces th

2、e technical bases of the sampling value transmission specification defined iec 61850-9-1 and iec 61850-9-2, and their relation and difference are analyzed.key words: digital substation; iec 61850; sampling value transmission; electronic transformer0引言近年來，基于光學(xué)和電子學(xué)原理的電子式電流/電壓互感器(ect/evt)因具有體積小、重最輕、頻 帶

3、響應(yīng)寬、無飽和現(xiàn)象等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望成為傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式互感器的理想替代品，受到國內(nèi)外研究人員 的普遍重視。為了推動電子式互感器的實(shí)際應(yīng)用，國際電工委員會制定了iec 600447 / 8, iec 61850-9-1 92(采 樣值傳輸規(guī)范)等一系列國際標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范了電子式互感器與二次設(shè)備接口的組成部分一一合并單元的接口標(biāo) 準(zhǔn)。國內(nèi)先期投運(yùn)的數(shù)字化變電站人多采用tiec 61850-9-1的接口標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，尤其 是智能化網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，符1>iec 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站也越來越多地投入使川。本文通過對這兩者z間的區(qū)別與聯(lián)系的討論，以期加深對iec

4、61850的一些概念的理解與掌握。1 iec 61850-9-1 與 iec 61850-9-2 的聯(lián)系1.1概述iec 61850-9-1與iec 61850-9-2都出口于iec-61850這一通信標(biāo)準(zhǔn)體系，制訂者充分考慮了這2部分的 兼容性。如二者均是基于以太網(wǎng)通信，9-1是點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，通信發(fā)送方只有1個(合并單元)，接收方是1個 或多個智能電子元器件，口其傳輸方向是單向的，不必考慮以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的沖撞及檢測問題，也不存 在數(shù)據(jù)傳輸信息重要和次要之分，但它卻引入了虛擬局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級等概念，而這些概念對于9-2 的過程總線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)是必需的。所以，遵循9-1標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將來可很方便

5、地過渡融合到9-2所定義的過 程總線通信網(wǎng)絡(luò)上。1.2通信棧協(xié)議iec 61850-9-1與iec 61850-9-2具有相同的通信棧協(xié)議。如圖1所示：圖1通信棧協(xié)議圖2物理傳輸組幀格式sa：源地址，可口己定義，當(dāng)使用交換機(jī)時源地址應(yīng)使用唯一的以太網(wǎng)地址，不使用交換機(jī)時不要求 地址的唯一性。源地址都根據(jù)iec 61850-9-2部分的附錄c規(guī)定的范囤01-0c-cd-04-00-00 01-0c-cd-04-01-ff 選取。tpid：協(xié)議檢羋履志。按照ie些fj2.1q,優(yōu)先旳£用于把和保空曙的時間緊性前先級的總tc 線傳輸與量大而優(yōu)苑駅低的總線負(fù)姿劣離開來。tci：控制信息標(biāo)志。

6、type：幀的數(shù)振&型?；趇so/&c8802- 3mac4j8b的以太網(wǎng)類卑&由ieee著作皿佳冊機(jī)構(gòu)進(jìn)行16 注冊。所注冊的以太網(wǎng)型（ethertype）值為88-ba（16進(jìn)制）。模擬量緩沖區(qū)的更新是直接映対到所保貂的以 太網(wǎng)類型和以太網(wǎng)類型pdu上。pdu：協(xié)議數(shù)據(jù)單元apdu：應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元。山應(yīng)用協(xié)議控制信息apci（32位）和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元組成，后者分通 用數(shù)據(jù)段asdu（46字節(jié)）和狀態(tài)標(biāo)志數(shù)據(jù)段si（23字節(jié)）。其中通用數(shù)據(jù)段用iec60044-8定義一般幀的內(nèi) 容。映射提供在apdu被遞交到傳輸緩沖區(qū)以前將若干個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元asdu連接成一

7、個apdu 的性能。被連接為一個apdu的asdu的數(shù)h是可以配置的并與采樣率有關(guān)。為減少應(yīng)用的復(fù)雜性， asdu的連接不是動態(tài)可變的。fcs： 32位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。根據(jù)該幀格式，可計算出數(shù)據(jù)傳送的波特率波特率 dr 2 sr *tl* nmu式屮，sr為采樣率，即每周期采樣點(diǎn)數(shù)與信號頻率的乘積。nmu為所連接的介并單元數(shù)kl。tl為 報文長度最大值，山下式計算：tl = 7byte前導(dǎo)同步碼+1 byte幀首界立符+6byte目的地址+6byte源 地址+2byte i辦議檢驗(yàn)標(biāo)志+2byte控制信息標(biāo)志+2byte幀類型+8byte以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)單元+4byte應(yīng)用 協(xié)議控制信息+46byt

8、e應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元+23byte狀態(tài)標(biāo)志+4byte幀校驗(yàn)序列=11 lbyte*8bit=888bit+ 96bit幀間隔=984bit。其中46byte的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元由iec60044 8規(guī)定，包禽了三相電壓、電流， 屮性電壓、電流、額定相電壓、相電流，額定中性電流額定延時時間，狀態(tài)字，采樣率，采樣計數(shù)器等信 息根據(jù)iec標(biāo)準(zhǔn)，在50hz工頻下，對電流信號每周期可采樣點(diǎn)數(shù)為20, 48, 80。 應(yīng)用層:iec-61850-9-1. 9-2描述的信息交換是通過應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元asdu實(shí)現(xiàn)的，它是基于 嚴(yán)格規(guī)定的“標(biāo)準(zhǔn)化”報文傳輸應(yīng)用，其類型標(biāo)識和特定的應(yīng)用條目聯(lián)系在一起。實(shí)際上，它的通

9、 用數(shù)據(jù)段與iec 60044-8定義的通用數(shù)據(jù)幀幀內(nèi)容一致，包含了三相電壓和電流、中性電壓和電流、 額定相電壓和相電流、額定中性電流、額定延時時間、狀態(tài)字、采樣率、采樣計數(shù)器等信息。2 iec 61850-9-1 與 iec 61850-9-2 的區(qū)別作為iec 61850協(xié)議休系中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站采樣植傳輸?shù)膬蓚€主耍標(biāo)準(zhǔn)，iec 61850-9-1與iec 61850-9-2的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩個方而。2.1在映射實(shí)現(xiàn)上的區(qū)別iec 61850標(biāo)準(zhǔn)針対變電站所有功能定義了比較詳盡的邏輯節(jié)點(diǎn)（logical node）和數(shù)據(jù)對象，并提供了完 整的描述數(shù)據(jù)對象模型的方法和面向?qū)ο蟮姆?wù)。這些

10、抽象的通信服務(wù)、通信對象及參數(shù)通過特殊通信服 務(wù)映射（scsm）可映射到底層應(yīng)用程序，其映射一般遵循mms（應(yīng)用層）+tcp/ip（網(wǎng)絡(luò)層傳輸 層）+iso/iec8802.3模式（物理層鏈路層標(biāo)準(zhǔn)），而采樣值傳輸模型的報文傳輸映対實(shí)現(xiàn)比較特殊：應(yīng)用層專 門定義了協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol data unit pdu）,經(jīng)過表示層編碼后，不經(jīng)tcp/ip協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù) 鏈路層和物理層，即傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層均空。這種映射方式的目的是避免通信堆棧造成傳輸延時，從而保證 報文傳輸?shù)目焖傩?。在iec 61850-9中，91將采樣值以串行單向點(diǎn)對多點(diǎn)方式映射到底層實(shí)際的對彖和通信 協(xié)議中，92則是

11、將釆樣值映射到iso /iec 8802-3, 一般又稱之為基于過程總線（process bus）的特殊通信 服務(wù)映射。在具體實(shí)現(xiàn)上，二者區(qū)別如下：2.1.1 iec 61850-9-1iec 61850-9-1部分遵循了 iec60044-7 / 8標(biāo)準(zhǔn)對合并單元的設(shè)定：輸入通道為12路，釆用專用數(shù)據(jù) 集，幀格式固定，不允許改變，采用廣播或組播的方法；只支持“sendmsvmessage”服務(wù)，不支持 "getmsvcbvalues / setmsvcbv ues”等控制服務(wù)，也不支持對數(shù)據(jù)對象的百接訪問等服務(wù)。因此iec 61850-9-1的映射方法相對固定、簡單，但對asci模

12、型的支持不夠完備。2.1.2 iec 61850-9-2iec 61850-9-2部分除了支持直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的“sendmsvmessage”服務(wù)外，還支持向mms 的映射：通過“germsvcbvlaues/setmsvcbvlaues”等控制服務(wù)可巫新設(shè)定輸入通道數(shù)、采樣頻率籌參 數(shù)，支持對數(shù)據(jù)集的更改和對數(shù)據(jù)對象的直接訪問；幀格式可靈活定義，并支持單播方式。因此iec 61850-9-2的映射方法更為靈活，對asci模型的支持也更加完備。2.2在實(shí)際應(yīng)用上的區(qū)別2.2.1 iec 61850-9-161850規(guī)約頒布之初考慮到當(dāng)時交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如果采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸采樣值需要配置

13、高性能的 交換機(jī)，這樣會人人增加變電站的建設(shè)成本，因此制定了 91點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。采用iec 61850-9-1點(diǎn)對點(diǎn)的傳送方式，只需考慮傳送介質(zhì)的帶寬和接受方cpu處理數(shù)據(jù)的能力，而 不用擔(dān)心數(shù)據(jù)流量對于其他間隔設(shè)備傳輸?shù)挠绊懀驗(yàn)樗]冇通過網(wǎng)絡(luò)與其他問隔共享網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此, 該方式簡單可靠，成本低廉，實(shí)現(xiàn)較為方便。但是隨著越來越多工程的應(yīng)用，也暴露出了 91標(biāo)準(zhǔn)其難以解決的缺點(diǎn)：主耍表現(xiàn)為：1）光纖連線較為復(fù)雜，整體構(gòu)架不清晰，尤其是母線上間隔較多時更為突出。2）跨間隔保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜。3）安裝方式不靈活。為了解決上述問題，越來越多的廠家開始考慮iec 61850-9-2實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)

14、的架構(gòu)方式。2.2.2 iec 61850-9-2隨著網(wǎng)絡(luò)管理功能交換機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和其成木的降低，采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸模式也開始在數(shù)字化變電 站得到應(yīng)用，在iec 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)對這種采樣值傳輸方式做了規(guī)范。9-2方式屮介并器將數(shù)字量采樣信號 以光纖方式接入過程層網(wǎng)絡(luò)，間隔層保護(hù)、測控、計量等設(shè)備不再與合并器直接相連，而都是通過過程層 網(wǎng)絡(luò)獲取采樣值信號，這樣就達(dá)到了采樣信號的信息共亨。通過交換機(jī)本身的優(yōu)先級技術(shù)、虛擬vlan技 術(shù)、組播技術(shù)等可以有效的防止采樣值傳輸流量對過程層網(wǎng)絡(luò)的影響。更主要的方面在于網(wǎng)絡(luò)傳輸模式有 效的解決了點(diǎn)對點(diǎn)傳輸模式下的一些缺陷。相對于iec 61850-9-1的實(shí)現(xiàn)方式，采用iec 61850-9-2具有以 下優(yōu)勢：1）光纖連線簡潔，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架更加清晰簡潔。2）便于實(shí)現(xiàn)跨間隔保護(hù)。3）安裝方式靈活。3結(jié)語隨著iec 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施、電子式互感器、智能斷路器技術(shù)的成熟及逐步應(yīng)用，數(shù)字化技術(shù)正從變 電站的二次設(shè)備向一次設(shè)備延伸，這將對變電站的口動化運(yùn)行和管理帶來深遠(yuǎn)的影響，表現(xiàn)在：1）高速可靠的網(wǎng)絡(luò)連接取代了傳統(tǒng)的一次電纜連接，從而簡化了二次接線，提高了系統(tǒng)的可靠性；2）實(shí)時采樣數(shù)據(jù)在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)得到最人限度的信息共享，提供足夠的靈活性和可擴(kuò)展性。3）實(shí)現(xiàn)了信息在運(yùn)行系統(tǒng)和其它