利用IEC 61850：高效、稳健的变电站控制
设备之间的通信在公用事业控制系统中至关重要，甚至是控制器与继电器和变压器等设备之间的基本串行通信也是如此。
随着这些系统的复杂性不断增加，标准化的通信方法对于确保兼容性和通信变得至关重要。
虽然像Modbus RTU和Modbus TCP这样的标准化协议组织了通信，但它们并没有极大地改善数据的管理方式。识别重要数据和处理系统问题仍然很困难。
但是，在1993年引入DNP3协议以帮助公用事业公司（尤其是变电站）有效地分类和管理数据后，这种情况发生了变化。
然而，在三十多年后的今天，现代变电站性能的未来取决于IEC 61850，它旨在进一步改善数据通信和处理。
什么是IEC 61850？
IEC 61850是电力公司自动化通信网络和系统的国际标准，包括发电、输电和配电。
它定义了参数、功能和特性的框架，使来自不同制造商的设备能够协同工作，以确保高效通信。
与其他通信协议不同，IEC 61850不仅规定了通信过程，还规定了必须在参与设备中存储和管理数据的结构。这些设备称为智能电子设备（IED），可取代对冗余控制设备（如远程终端单元 (RTU) 和可编程逻辑控制器 (PLC)）的需求。
IEC 61850的信息模型分为五个级别：
- 服务器级别：对应于IED，代表实际的通信设备，包含其所有信息属性。
- 逻辑设备级别：在服务器级别，它表示IED的可控设备或功能，例如开关设备中的继电器。
- 逻辑节点级别：代表逻辑设备的功能单元，如测量单元或断路器。
- 数据对象级别：包含数据对象，这些数据对象是不同类型、大小或结构的相关数据的集合。
- 数据属性级别：在数据属性中捕获的实际数据。
这种标准化方法可实现资产间的通信，消除冗余控制设备并改进数据处理。
IEC 61850还：
- 促进控制应用中不同设备的集成，以提高安全性和弹性
- 支持时间敏感的控制数据，以便优先传输关键信息，并将延迟降至最低，从而保持电力系统的可靠性和稳定性
- 提供统一的框架，增强互操作性、降低集成成本并简化现代技术部署
通过采用IEC 61850，公用事业公司可使其基础设施适应未来，并提高运营效率。
IEC 61850如何提高变电站效率
IEC 61850的标准化数据结构通过三个关键的消息传递功能加强了变电站的通信和协调：
- 制造信息规范（MMS）
- 通用面向对象变电站事件（GOOSE）
- 报告
MMS使用高效的二进制协议，为设备提供快速高效的通信方式。IEC 61850将数据划分为不同的安全级别，以加强数据安全和管理。例如，常规测量数据可使用资源密集度较低的MMS，而敏感的控制数据则可使用SecureMMS。
GOOSE提供实时的点对点通信，因此控制设备可以在没有中央控制单元的情况下执行相互依赖的任务。这可支持故障定位、分析和保护协调等关键功能，从而提高变电站的可靠性和效率。
在发生相关事件（故障或干扰）时，报告会将特定数据子集传输到上层系统。这降低了处理需求和网络负荷，确保在关键时刻只传递重要信息。
提高效率和可靠性，改善变电站运行状况
IEC 61850提供的功能可显著提高变电站运行和维护的效率和可靠性。
为了实现灵活性和适应未来，IEC 61850的抽象通信服务接口（ACSI）将设备之间的通信方式（通信堆栈）与设备的控制和管理方式（控制模型）分开。
这样就可以在不影响通信协议的情况下修改和增强应用程序。支持现代技术的可扩展性和适应性是可能的，无需大修即可实现升级和扩展。
IEC 61850还提供强大的诊断和监控功能，因此操作员可以快速解决问题以减少停机时间。
该标准的采样值（SV）协议可通过以太网网络在变电站设备之间快速交换电压和电流采样等数字化电力系统测量值。这减少了传统的布线需求，简化了安装，并提高了测量精度和同步性。
最后，其变电站配置语言 （SCL）允许设备描述自己的功能和配置。这简化了配置，降低了人为错误的可能性，并加快了部署和维护速度。
设计弹性控制网络
为了帮助IED管理变电站的关键控制任务，IEC 61850制定了严格的规则，以确保实现强大、可靠的网络。
设备采用精确时间协议（PTP）进行同步，确保数据的时效性和相关性。GOOSE实现了设备之间无缝、及时的信息交换。来自过程设备（如变压器和开关设备）的关键数据以真实值和采样值的形式不断传输。由于这些数据的重要性，特别是在承载测量流量的过程总线上，无缝冗余至关重要。系统不能容忍帧丢失。
IEC 61850通过并行冗余协议 (PRP)和高可用性无缝冗余 (HSR)等功能支持弹性控制网络。PRP和HSR可增强容错能力，为数据传输提供替代路径，从而提高弹性，并确保快速恢复机制，最大限度地减少数据丢失。即使在网络故障期间，它们也能确保可靠的通信。
这两个协议被嵌入到作为双连接节点（DAN）的IED中。具有嵌入式PRP和HSR功能的IED无需额外硬件即可实现内置冗余，从而简化了网络设计并提高了可靠性。
并行冗余协议（PRP）
- 冗余：使用两个独立的网络路径（LAN A和LAN B）。
- 同步传输：通过两条路径发送重复数据。
- 零恢复时间：确保在网络故障期间不间断运行。
- 数据完整性：处理第一个收到的数据包，丢弃重复的数据包。
高可用性无缝冗余（HSR）
- 环形拓扑：以闭合环路连接每个IED。
- 双帧传输：向环形区域的两个方向发送重复帧。
- 故障隔离：快速隔离故障并重新路由数据以保持通信。
- 网络完整性：确保连续、高可用性的通信，以实现弹性控制网络。
通过结合PRP和HSR功能，IEC 61850可确保变电站控制网络具有高度弹性，即使在故障条件下也能保持可靠、不间断的运行。
推动未来公用事业性能的提升
当您采用IEC 61850革新变电站通信时，Belden将帮助您改进数据处理、互操作性和网络弹性，使您的变电站高效可靠地运行。
我们的客户创新中心由输配电专家管理，他们是您宝贵的技术资源，与您合作开发适合您的场景和需求的完整连接解决方案。
我们可以帮助您推动公用事业自动化的未来发展。
相关链接：
关于作者
Simon Kembo是一名出色的工程专业人士，在石油天然气、食品饮料、采矿和能源等行业拥有八年多的工作经验。Simon专注于工业网络解决方案，曾帮助开发冗余无线通信系统和边缘设备部署等突破性技术，为客户节省了大量成本并提高了效率。凭借在工业协议、OT网络设计和物联网系统方面的专业知识，他始终如一地提供创新、可持续的解决方案。Simon拥有莫纳什大学的电气与计算机系统工程学士学位，并且是澳大利亚工程师协会会员。