华中科技大学硕士学位论文
论文的研究内容包括：
1、分析传统变电站自动化的发展，介绍IEC61850数字化变电站研究现状。 2、分析传统变电站自动化系统分类及设计原则，分析传统变电站自动化系统和基于IEC61850变电站自动化系统结构，并进行优缺点比较。
3、分析基于IEC61850的变电站自动化系统通信模式及组网方案，介绍数字化变电站网络对时。
4、以湖南110kV金南变既有变电站数字化建设方案为例，介绍了数字化变电站设计要求和实现方案。
1.5 本章小结
本章主要介绍了目前国内外变电站自动化系统的发展和研究现状，介绍了IEC61850标准的制定的背景和应用现状，最后提出了本文所要完成的主要内容和工作。
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2 IEC61850标准体系及关键技术
制定IEC61850的目的是想实现不同厂商产品之间的互操作性。为此，该协议采用自顶向下的方式对变电站自动化系统进行系统分层、功能定义和对象建模，并对一致性检测作了详细的定义。IEC61850包括面向对象的标准、通信网络性能要求、接口和映射、系统和项目管理、一致性测试等多方面详细内容。具体内容如下：
IEC61850-1 基本原则,包括IEC61850的介绍和概貌。 IEC61850-2 术语。
IEC61850-3 一般要求,包括质量要求(可靠性、可维护性、系统可用性、轻便性、安全性)，环境条件，辅助服务，其他标准和规范。
IEC61850-4 系统和工程管理，包括工程要求(参数分类、工程工具、文件)，系统使用周期(产品版本、工程交接、工程交接后的支持)，质量保证(责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场验收)。
IEC61850-5 功能和装置模型的通信要求，包括逻辑节点的访问(access of logical nodes)，逻辑通信链路，通信信息片PICOM(piece of information for communication)的概念，功能的定义。
IEC61850-6 变电站自动化系统结构语言，包括装置和系统属性的形式语言描述。
IEC61850-7-1 变电站和馈线设备的基本通信结构─原理和模式。
IEC61850-7-2 变电站和馈线设备的基本通信结构─抽象通信服务接口ACSI(abstract communication service interface)，包括抽象通信服务接口的描述，抽象通信服务的规范，服务数据库的模型。
IEC61850-7-3变电站和馈线设备的基本通信结构—公共数据级别和属性,包括抽象公共数据级别和属性的定义。
IEC61850-7-4 变电站和馈线设备的基本通信结构——兼容的逻辑节点和数据对象DO(data object)寻址，包括逻辑节点的定义，数据对象及其逻辑寻址。
IEC61850-8-1特定通信服务映射SCSM(special communication service mapping)映射到MMS(ISO/IEC9506第二部分)和ISO/IEC8802-3。
IEC61850-9-1 特定通信服务映射SCSM通过串行单方向多点共线点对点链路传输采样测量值。
IEC61850-9-2 特定通信服务映射SCSM通过ISO/IEC8802.3传输采样测量值。
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IEC61850-0 一致性测试
就概念而言，IEC 61850标准主要围绕以下4个方面展开：
（1）功能建模 从变电站自动化通信系统的通信性能（PICOM）要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模型（Part 5）。
（2）数据建模 采用面向对象的方法，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型（Part 7-3/4）。
（3）通信协议 定义了数据访问机制（通信服务）和向通信协议栈的映射，如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS（IEC61850-8-1）。在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3标准的过程总线（IEC 61850-9-2）（Part 7-2，Part 8/9）。 （4）变电站自动化系统工程和一致性测试 定义了基于XML（Extensible Make up Language）的结构化语言（Part 6），描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。为了验证互操作性，Part10描述了IEC 61850标准一致性测试。
2.1 IEC61850标准的主要技术特点[6-7]
IEC61850国际标准是基于美国的UCA2.0标准，在此基础上又有所发展，其主要特点是：面向设备，面向对象建模，面向应用开放的完善的自我描述；采用抽象通信服务接口，网络的应用层协议和网络传输层协议独立；具有符合电力系统特点的通信服务，信息对象在信息源处惟一定义，数据对象统一建模；采用XML的配置技术等。下面分别介绍。 2.1.1 信息及协议分层
IEC61850除了将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之外，每个物理设备由服务器和应用组成，将服务器(Server)分层为逻辑设备(Logical Device)、逻辑节点(Logical Node)、数据对象(Data Object)、数据属性(Data Attributes)，物理设备内包含服务器(Server)和应用。从应用方面来看，服务器包含通信网络和输入/输出接口(I/O)；由IEC 61850来看，服务器包含逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性；从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连，每一个IED既可扮演服务器角色，也可扮演客户的角色。由于这种分层，就得有相应的抽象服务来实现数据交换，抽象通信服务接口(ACSI)服务有服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型，通过服务器目录(Server directory)收集服务器中有多少个逻辑设备名字和文件名字，通过逻辑设备目录(LD Directory)
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收集每个逻辑设备中有多少个逻辑节点名字，通过逻辑节点目录(LN Directory)收集每个逻辑节点中有多少个数据对象名字，通过数据目录(Data Directory)收集每个数据对象中有多少个数据对象属性名字，通过这样的服务，建立起了完整的分层数据库模型，通过Get Data Definition服务中的参数分别读取全部数据对象属性定义、一个数据对象属性定义或受请求功能约束的全部数据对象属性。这样提供了直接访问现场设备，对各个制造厂的设备用同一种方法进行访问。这种方法可以用于重构配置，很容易获得新加入的设备的名称，用于管理设备属性。
如变电站至调度所的网络通信协议采用IEC 61850，则两者之间不存在协议转换的问题，因其体系和分层是一样的，只是从系统网络和控制中心的角度来看，应增加变电站这个层次。
2.1.2采用抽象通信服务接口ACSI
ACSI定义了独立于所采用网络和应用层协议的公用通信服务，通信服务分为：基于Client/Server模型，定义了诸如控制、获取数据值服务；基于Peer-to-Peer模型，定义了诸如GOOSE服务和对模拟测量值采样服务。
IEC61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，在IEC61850-7-2中，对类模型和服务进行了抽象的定义。通信服务的模型，包括服务器模型、应用联合模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型、数据集模型、替换模型、整定值控制模型、报告和记录模型、变电站通用事件模型、采样值传送模型、控制模型、时间及时间同步模型和文件传输模型。在此基础上，定义了独立于底层通信系统的各个类模型所应提供的服务。客户通过抽象通信服务接口ACSI，由特定通信服务映射SCSM（Special Communication Service Mapping）映射到应用层具体所采用的协议栈，如MMS等。
这些服务模型定义了通信对象及如何对这些对象进行访问。这些定义由各种各样的请求、响应及服务过程组成。服务过程描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应和采取什么动作在什么时候以什么方式响应。
电力系统信息传输的主要特点是信息传输有轻重缓急的不同，且应能实现时间同步，对于通信网络应有优先级和满足时间同步的要求，但纵观现有商用网络，较少能满足这两个要求，只能求其次，选择容易实现、价格合理、比较成熟的网络，在实时性方面往往用提高网络传输速率来解决。IEC61850总结电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，应用抽象通信服务接口，它和具体的网络应用层协议(如目前采用的MMS)独立，和采用的网络(如现采用的IP)无关。客户服务通过抽象通信服务接口，由特定通信服务映射(SCSM)到采用的通信
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栈或协议子集，在服务器侧通信栈或协议子集通过SCSM和ACSI接口。
由于网络技术的迅猛发展，更加符合电力系统生产特点的网络将会出现，由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间的要求不同，在变电站的过程内可能采用不同类型的网络，IEC61850采用抽象通信服务接口，就很容易适应这种变化，只要改变相应SCSM，应用过程和抽象通信服务接口是一样的，不同的网络应用层协议和通信栈，由不同的SCSM对应。 2.1.3完善的自我描述
目前传输信息的方法是变电站的远动设备的某个信息，要和调度控制中心的数据库预先约定，一一对应，才能正确反映现场设备的状态，在现场验收前，必须将每一个信息动作一次，以验证其正确性，这种技术是面向点的。由于新的技术的不断发展，变电站内的新应用功能不断出现，需要传输新的信息，已经定义好的协议可能无法传输这些新的信息，使得新的功能的应用受到限制。采用面向对象自我描述方法就可以适应这种形势发展的要求，不受预先约定的限制，什么样的信息都可以传输，但是传输时开销增加。由于网络技术的发展，传输速率提高，使得面向对象自我描述方法的实现才有可能。IEC61850对于信息均采用面向对象自我描述的方法，在数据源就对数据进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。因数据本身带有说明，这就不受预先定义的限制进行传输，可以马上建立数据库,使得现场验收的验证工作大大简化，数据库的维护工作量大大减少。
DL/T667-1999继电保护设备信息接口配套标准明确规定应推广采用兼容范围和通用服务，变电站自动化系统中各个制造厂生产的继电保护设备差异很大，超出了DL/T667-1999继电保护设备信息接口配套标准中已定义的专用范围，因而目前各个厂的继电保护设备连接起来非常困难，如果采用具有自我描述功能的通用服务，这个问题就不会发生。但DL/T667-1999没有提供一套完整的数据对象代码和数据对象描述方法，而IEC61850通过定义了如下三方面的内容，才彻底解决面向对象自我描述所遇到的所有问题：定义完整的各类(单元)数据对象和逻辑节点以及逻辑设备的代码；定义用这些代码组成完整地描述数据对象的方法；定义一套面向对象的服务。
在IEC61850-7-3，IEC61850-7-4中定义了各类(单元)数据对象和逻辑节点、逻辑设备的代码，在IEC61850-7-2中定义了用这些代码组成完整地描述数据对象的方法和一套面向对象的服务。IEC61850-7-2、IEC61850-7-3、IEC61850-7-4的关系如图2-1所示。
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