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化系統(tǒng)的國際標(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言。同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)相比，它不僅僅是一個單純的通信規(guī)約，而是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，它指導(dǎo)了變電站自動化的設(shè)計(jì)、開發(fā)、工程、維護(hù)等各個領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(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化采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850是至今為止最為完善的變電站自動化標(biāo)準(zhǔn)，它不僅規(guī)范保護(hù)測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式CT、PT、智能式開關(guān)等一次設(shè)備的模型和通信接口。采用IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)可以大大提高變電站自動化技術(shù)水平、提高變電站自動化安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，節(jié)約開發(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，它不僅是一個簡單的協(xié)議，更涉及到通信網(wǎng)絡(luò)性能要求、對象建模、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)，通過規(guī)范系統(tǒng)和項(xiàng)目管理以及一致性測試等途徑來保證其目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并且IEC61850不僅適用于變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信，也適用于配電自動化、電能計(jì)量系統(tǒng)、發(fā)電廠自動化系統(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)信息交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會工業(yè)自動化技術(shù)委員會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通過網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用領(lǐng)域的伴同標(biāo)準(zhǔn)。
         MMS提供了豐富的針對對等式實(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、開關(guān)等IED設(shè)備。許多流行的計(jì)算機(jī)平臺都支持基于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)將變電站自動化系統(tǒng)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(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、信息共享等問題。
        遵循IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)主要包括：①主站自動化系統(tǒng)軟件(人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)管理等)；②間隔層裝置(保護(hù)、測控單元等)；③過程層設(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，如開關(guān)、斷路器，綜保等。
功能：變電站自動化系統(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)備可以包含一個或多個LD。
邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)：用來描述系統(tǒng)功能的基本單位，是數(shù)據(jù)對象的容器，可以任意分配到
IED，每個邏輯節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部的數(shù)據(jù)都有具體的語義，并通過他們的服務(wù)與外部進(jìn)行交互。
在IEC61850 中，一個IED 設(shè)備的外部性能通過Server 服務(wù)器類來表征，Server 服務(wù)器可以包含一個或多個邏輯設(shè)備，一個邏輯設(shè)備可以包含多個邏輯節(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)來最終實(shí)現(xiàn)操作、控制的功能?？梢院唵卫斫膺壿嬙O(shè)備是IED 設(shè)備實(shí)現(xiàn)具體一個功能的抽象容器，在這個容器中包含了實(shí)現(xiàn)功能所需的相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)。
        下圖4描述了從一個實(shí)際的項(xiàng)目中如何對實(shí)際的物理設(shè)備建模的完整過程：

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

 
        就針對一個具體的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，通過該軟件包，可以將S7-300/400 “虛擬”為一個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，支持德語及英語的在線幫助。
2) 每個IEC61850 客戶端設(shè)備將通過一個ISO-On-TCP連接服務(wù)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(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語言描述的SCL和.icd文件，供客戶端訪問
7) 通過標(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IEC61850客戶端訪問同一個S7-300/400 IEC61850服務(wù)器，但是每個客戶端需要創(chuàng)建多個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Table DB，這樣能夠保證客戶端訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)一致性。
2) 通過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，不支持動態(tài)的 DataSet創(chuàng)建，因此只允許IEC61850客戶端的靜態(tài)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(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
        “IEC61850 Server Library”軟件包的訂貨號如下圖12所示：

圖12：“IEC61850 Server Library”軟件包訂貨號

2.5 “IEC61850 Server Library“軟件包包含內(nèi)容
        購買“IEC61850 Server Library“軟件包后將會得到一張光盤，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“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“IEC61850 Server Library“軟件包將S7-300通過配置為服務(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Step7軟件，新建一個工程項(xiàng)目文件，命名為“IEC61850_server_update”, 在項(xiàng)目下插入一個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Netpro網(wǎng)絡(luò)組態(tài),選中CPU317-2PN/DP,插入一個新連接，連接伙伴為Unspecified，連接類型為ISO-on-TCP Connection，如下圖16所示：