利用IEC 61850：高效、稳健的变电站控制

在公用事业控制系统中，设备之间的通信至关重要—即使是控制器和继电器、变压器等设备之间的基本串行通信。

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 Modbus RTU 和 Modbus TCP 等标准化协议可以组织通信，但它们并没有极大地改善数据管理方式。’识别重要数据和处理系统问题仍然很困难。

但 1993 年引入 DNP3 协议后，情况发生了变化，该协议帮助公用事业公司（尤其是在变电站）有效地分类和管理数据。

然而，今天—三十多年过去了—现代变电站的未来  性能取决于 IEC 61850，其目的是进一步改善数据通信和处理。

什么是IEC 61850？

IEC 61850 是电力自动化通信网络和系统的国际标准，涵盖发电、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 不仅指定了通信过程，还指定了参与设备中必须存储和管理数据的结构。这些被称为智能电子设备（IED）的设备可以取代冗余控制设备，例如远程终端单元（RTU）和可编程逻辑控制器（PLC）。

IEC 61850’的信息模型分为五个级别：

1. 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。
   
   
2. 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。
   
   
3. 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。
   
   
4. 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。
   
   
5. 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消息传递功能增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 将数据组织成不同的安全级别，以增强数据安全性和管理。例如，常规测量数据可以使用资源密集程度较低的 MMS，而敏感控制数据可以使用 SecureMMS。

GOOSE 提供实时、点对点通信，因此控制设备无需中央控制单元即可执行相互依赖的任务。这支持故障定位、分析和保护协调等关键功能，以提高变电站的可靠性和效率。

当相关事件（故障或干扰）发生时，报告 会将特定的数据子集传输到更高级别的系统。这减少了处理需求和网络负载，确保在关键时刻只传达必要的信息。

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。

为了实现灵活性和面向未来性，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’控制和管理方式（控制模型）分离开来。

这使得应用程序的修改和增强成为可能，而不会影响通信协议。可扩展性和适应性可以支持现代技术，无需进行大规模改造即可实现升级和扩展。

IEC 61850 还规定 强大的诊断和监控 这样操作员就可以快速解决问题，减少停机时间。

标准’秒 采样值（SV） 协议通过以太网在变电站设备之间快速交换数字化电力系统测量数据，如电压和电流样本。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，它的 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，减少了人为错误的可能性并加快了部署和维护。

设计弹性控制网络

为了帮助 IED 管理变电站中的关键控制任务，IEC 61850 制定了严格的规则以确保强大、可靠的网络。

设备使用精确时间协议 (PTP) 进行同步，以确保数据是最新且相关的。GOOSE 实现了设备之间无缝、及时的信息交换。来自过程设备（例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 通过以下功能支持弹性控制网络 并行冗余协议（PRP） 和 高可用性无缝冗余（HSR）。通过 PRP 和 HSR 实现增强的容错能力，它们为数据传输提供替代路径以提高弹性并确保快速恢复机制以最大限度地减少数据丢失。即使在网络故障时，它们也能确保稳定的通信。

这两种协议嵌入在作为双连接节点 (DAN) 运行的 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 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。

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