Tổng quan kỹ thuật và lợi ích của IEC61850

Kiến trúc này dẫn đến định nghĩa về "hồ sơ" của các giao thức, mô hình dữ liệu và các định nghĩa dịch vụ trừu tượng được gọi là UCA.. trong 10 phần chính như được hiển thị trong Bảng 1 d

S

Tổng quan kỹ thuật và lợi ích của Tiêu chuẩn IEC 61850 về tự động hóa trạm biến áp

Tóm tắt - Các giao thức tự động hóa trạm biến áp cũ và kiến trúc thường cung cấp chức năng cơ bản cho sức mạnh tự động hóa hệ thống và được thiết kế

để phù hợp với các hạn chế kỹ thuật của công nghệ mạng có sẵn cho thực hiện Gần đây đã có một sự cải tiến lớn trong công nghệ mạng đã thay đổi đáng kể hiện khả thi cho việc tự động hóa hệ thống điện trong trạm biến áp Các công nghệ như Ethernet chuyển mạch, TCP / IP, tốc độ cao mạng diện rộng và máy tính giá

rẻ hiệu suất cao đang cung cấp những khả năng khó có thể tưởng tượng được khi hầu hết các giao thức tự động hóa trạm biến áp kế thừa đã được thiết kế.IEC61850 là một tiêu chuẩn quốc tế mới quan trọng cho tự động hóa trạm biến áp sẽ có tác động rất lớn đến hệ thống điện được thiết kế và xây dựng như thế nào cho nhiều người đến những năm IEC61850 là một phần của Quốc tế Ủy ban kỹ thuật của Ủy ban kỹ thuật điện (IEC) 57 (TC57) kiến trúc cho hệ thống điện Ngươi mâu-phương pháp tiếp cận theo hướng của các tiêu chuẩn TC57, bao gồm IEC61850, là một cách tiếp cận sáng tạo đòi hỏi một cách suy nghĩ mới về tự động hóa trạm biến áp sẽ mang lại kết quả rất quan trọng cải thiện cả về chi phí

và hiệu suất của năng lượng điện các hệ thống.

I COMMUNICATION SYSTEM NEEDS

Giao tiếp luôn đóng một vai trò quan trọng trong thời gian thực hoạt động của hệ thống điện bên trong bắt đầu, điện thoại được sử dụng để liên lạc đường dây tải trở lại trung tâm điều khiển cũng như gửi nhân viên vận hành để thực hiện các thao tác đóng cắt tại các trạm biến áp Thiết bị điều khiển từ xa dựa trên chuyển mạch điện thoại là

có sẵn ngay từ những năm 1930 và có thể cung cấp trạng thái và kiểm soát cho một vài điểm Như kỹ thuật số thông tin liên lạc đã trở thành một lựa chọn khả thi vào những năm 1960, dữ liệu hệ thống thu nhận (DAS) đã được cài đặt để tự động thu thập

dữ liệu đo lường từ các trạm biến áp Từ băng thông bị hạn chế, các giao thức truyền thông DAS được tối ưu hóa để hoạt động trên giao tiếp băng thông thấp kênh truyền hình "Chi phí" của việc tối ưu hóa này là thời gian để định cấu hình, lập bản đồ và ghi lại vị trí của các các bit dữ liệu mà giao thức nhận được

Khi chúng ta chuyển sang thời đại kỹ thuật số, hàng nghìn các điểm dữ liệu tương tự và kỹ thuật số có sẵn trong một Thiết bị điện tử thông minh (IED) và giao tiếp

băng thông không còn là một yếu tố giới hạn Trạm biến áp để làm chủ đường dẫn dữ

liệu giao tiếp hoạt động ở tốc độ 64.000 bit mỗi giây hiện đã trở nên phổ biến với một con đường di chuyển rõ ràng đến tỷ lệ cao hơn nhiều Với sự di chuyển trong công nghệ này, Thành phần "chi phí" của hệ thống thu thập dữ liệu hiện có trở thành thành phần cấu hình và tài liệu

Do đó, thành phần quan trọng của hệ thống thông tin liên lạc là khả năng mô tả bản thân từ cả dữ liệu và dịch vụ (các chức năng giao tiếp mà IED thực hiện) viễn cảnh Các yêu cầu "chính" khác bao gồm:

- Giao tiếp IED với IED tốc độ cao

- Có thể kết nối mạng trong toàn bộ doanh nghiệp tiện ích

- Tính khả dụng cao

- Thời gian giao hàng đảm bảo

- Dựa trên tiêu chuẩn

- Khả năng tương tác với nhiều nhà cung cấp

- Hỗ trợ dữ liệu mẫu điện áp và dòng điện

- Hỗ trợ truyền tệp

- Hỗ trợ cấu hình / cấu hình tự động

- Hỗ trợ bảo mật

Với những yêu cầu này, hãy làm việc trên một "thế hệ tiếp theo" kiến trúc truyền thông bắt đầu với sự phát triển của Kiến trúc Truyền thông Tiện ích (UCA) vào năm

1988 Kết quả của công việc này là một hồ sơ về các giao thức "được đề xuất" đối với các lớp khác nhau của các tiêu chuẩn quốc tế

Tổ chức (ISO) Kết nối hệ thống mở (OSI) mô hình hệ thống thông tin liên lạc Kiến trúc này dẫn đến định nghĩa về "hồ sơ" của các giao thức, mô hình dữ liệu và các định nghĩa dịch vụ trừu tượng được gọi là UCA Các các khái niệm và công việc cơ bản được thực hiện trong UCA đã trở thành nền tảng cho công việc được thực hiện trong Ủy ban kỹ thuật IEC

Số 57 (TC57) Nhóm công tác 10 (WG10) dẫn đến Tiêu chuẩn Quốc tế - IEC

61850 - Mạng và Hệ thống Truyền thông trong Trạm con

II SCOPE VÀ OUTLINE CỦA IEC61850

Phạm vi đã nêu của IEC 61850 là thông tin liên lạc trong trạm biến áp Tài liệu xác định các khía cạnh khác nhau của mạng lưới thông tin liên lạc của trạm biến áp

trong 10 phần chính như được hiển thị trong Bảng 1 dưới đây.

BẢNG I STRUCTURE CỦA IEC 61850 Standard

Phầ

n

Tiêu đề

1 Giới thiệu chung

2 Bảng chú giải thuật ngữ

3 Yêu cầu chung

4 Quản lý hệ thống và dự án

5 Yêu cầu giao tiếp đối với các chức năng và Mô hình thiết bị

6 Ngôn ngữ mô tả cấu hình cho

Truyền thông trong các trạm điện liên quan đến IED

7 Cấu trúc giao tiếp cơ bản cho trạm biến áp và Thiết bị nạp liệu

7.1 Nguyên tắc và mô hình

7.2 Giao diện Dịch vụ Truyền thông Tóm tắt (ACSI)

7.3 Các lớp dữ liệu chung (CDC)

7.4 - Các lớp nút logic và lớp dữ liệu tương thích

8 Bản đồ dịch vụ thông tin liên lạc cụ thể (SCSM)

8.1 Ánh xạ tới MMS (ISO / IEC 9506 - Phần 1 và Phần 2) và theo ISO / IEC

8802-3

9 Bản đồ dịch vụ thông tin liên lạc cụ thể (SCSM)

9.1 Các giá trị được lấy mẫu qua một chiều nối tiếp Liên kết đa điểm-điểm

9.2 Các giá trị được lấy mẫu theo tiêu chuẩn ISO / IEC 8802-3

10 Kiểm tra sự phù hợp

Phần 3, 4 và 5 của tiêu chuẩn bắt đầu bằng cách xác định các yêu cầu chức năng chung và cụ thể đối với thông tin liên lạc trong một trạm biến áp (các yêu cầu chính đã nêu bên trên) Các yêu cầu này sau đó được sử dụng như các chức năng bắt buộc để hỗ trợ xác định các dịch vụ và mô hình dữ liệu cần thiết, giao thức ứng dụng bắt buộc và

cơ bản truyền tải, mạng, liên kết dữ liệu và các lớp vật lý sẽ đáp ứng các yêu cầu tổng thể

Công trình kiến trúc chính mà 61850 áp dụng là "trừu tượng hóa" định nghĩa của các mục dữ liệu và dịch vụ, nghĩa là, tạo các mục / đối tượng dữ liệu và dịch vụ độc lập với bất kỳ giao thức cơ bản nào Trừu tượng sau đó định nghĩa cho phép "ánh xạ"

các đối tượng dữ liệu và dịch vụ cho bất kỳ giao thức nào khác có thể đáp ứng dữ liệu

và yêu cầu dịch vụ Định nghĩa của các dịch vụ trừu tượng là được tìm thấy trong phần 7.2 của tiêu chuẩn và phần tóm tắt của các đối tượng dữ liệu (được gọi là Nút logic) được tìm thấy trong một phần 7.4 Nhiều đối tượng dữ liệu được tạo thành từ các phần chung (chẳng hạn như Trạng thái, Kiểm soát, Đo lường,Thay thế), khái niệm "Các lớp

dữ liệu chung" hoặc “CDC” được phát triển để xác định tòa nhà chung để tạo các đối tượng dữ liệu lớn hơn Các phần tử CDC được định nghĩa trong phần 7.3

Với các định nghĩa trừu tượng về dữ liệu và dịch vụ, cuối cùng bước là một trong những "ánh xạ" các dịch vụ trừu tượng thành một giao thức Phần 8.1 xác định ánh xạ

dữ liệu trừu tượng đối tượng và các dịch vụ trên Tin nhắn Sản xuất

Đặc điểm kỹ thuật - MMS và các phần 9.1 và 9.2 xác định ánh xạ các giá trị đo được mẫu (đơn hướng điểm-điểm và điểm đa hướng hai chiều tương ứng) lên một khung dữ liệu Ethernet Tài liệu 9.2 xác định những gì có được gọi là Xe buýt quy trình

Từ góc độ hệ thống, có một lượng đáng kể cấu hình được yêu cầu để đặt tất cả các phần cùng nhau và để chúng hoạt động Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc này xử

lý và loại bỏ phần lớn thành phần lỗi do con người gây ra,

Ngôn ngữ cấu hình trạm con dựa trên XML (SCL) là được định nghĩa trong phần

6 Nó cho phép mô tả chính thức về mối quan hệ giữa hệ thống tự động hóa trạm biến

áp và trạm biến áp (xưởng đóng cắt) Ở cấp độ ứng dụng, topo switchyard chính nó và mối quan hệ của switchyard cấu trúc cho các chức năng SAS (các nút logic) được định cấu hình trên các IED có thể được mô tả Mỗi thiết bị phải cung cấp một SCLtệp mô

tả cấu hình của chính nó

Mặc dù phạm vi của 61850 ban đầu được tập trung"Bên trong" trạm biến áp, các cuộc thảo luận đang được tiến hành để xem xét định nghĩa 61850 cho giao tiếp từ Trạm biến áp đến Máy chủ giao thức (đã được sử dụng trong một số bản cài đặt) Trong Ngoài ra, các ứng dụng đang phục vụ có sử dụng khác nhaucác thành phần của

61850 cho khu vực rộng từ trạm biến áp đến trạm biến áp liên lạc

Cuối cùng, phần 10 của tài liệu định nghĩa một thử nghiệm phương pháp luận để xác định "sự phù hợp" vớinhiều định nghĩa và ràng buộc giao thức được xác định trong tài liệu Phần còn lại của bài báo này đi vào một số chi tiết tập trung của các phần khác nhau của tiêu chuẩn IEC 61850

III M ODELING MỘT PPROACH

Các giao thức kế thừa thường xác định cách byte truyền trên dây Tuy nhiên, họ

không nói rõ làm thế nào dữ liệu phải được tổ chức trong các thiết bị về ứng dụng Cách tiếp cận này yêu cầu các kỹ sư hệ thống điện phải cấu hình thủ công các đối tượng và ánh xạ chúng vào hệ thống điện biến và số thanh ghi cấp thấp, số chỉ mục, I /

O mô-đun, v.v IEC 61850 là duy nhất Ngoài các đặc điểm kỹ thuật của các phần tử giao thức (byte như thế nào truyền trên dây), IEC 61850 cung cấp mô hình toàn diện

về cách các thiết bị hệ thống điện nên tổ chức dữ liệu theo cách nhất quán trên tất cả các loại và nhãn hiệu của thiết bị Điều này giúp loại bỏ nhiều sự tẻ nhạt nỗ lực cấu hình hệ thống không nguồn vì các thiết bị có thể tự cấu hình Ví dụ: nếu bạn đặt CT /

VT đầu vào một rơ le IEC 61850, rơ le có thể phát hiện mô-đun này và tự động gán nó cho một đơn vị đo lường mà không cần người dùng sự tương tác Một số thiết bị sử dụng tệp SCL để cấu hình các đối tượng và kỹ sư chỉ cần nhập tệp SCL vào thiết bị

để cấu hình nó Sau đó, máy khách IEC 61850 ứng dụng có thể trích xuất các định nghĩa đối tượng từ thiết bị qua mạng Kết quả là tiết kiệm được rất nhiều chi phí và nỗ lực cấu hình thiết bị IEC 61850

Mô hình thiết bị IEC 61850 bắt đầu bằng vật lý thiết bị Thiết bị vật lý là thiết bị kết nối với mạng Thiết bị vật lý thường được xác định bởi địa chỉ mạng Trong mỗi thiết bị vật lý, có thể có một hoặc nhiều thiết bị logic Thiết bị logic IEC 61850 mô hình cho phép một thiết bị vật lý duy nhất hoạt động như một proxy hoặc cổng cho nhiều thiết bị do đó cung cấp một tiêu chuẩn đại diện của một bộ tập trung dữ liệu

Hình 1 Giải phẫu của nút logic ngắt mạch (XCBR) trong IEC 61850-7-4

Mỗi vùng nhớ logic chứa một hoặc nhiều nút logic MỘT nút logic (xem hình 1)

là một nhóm dữ liệu được đặt tên và các dịch vụ liên quan có liên quan về mặt logic với một số quyền lực chức năng hệ thống Có các nút logic để điều khiển tự động tên của tất cả đều bắt đầu bằng chữ cái “A” Có các nút logic để đo sáng và đo lường tên của mà tất cả đều bắt đầu bằng chữ “M” Tương tự như vậy có logic các nút cho Kiểm soát Giám sát (C), Chức năng Chung (G), Giao diện / Lưu trữ (I), Nút logic hệ thống (L), Bảo vệ (P), Bảo vệ liên quan (R), Cảm biến (S), Dụng cụ Máy biến áp (T), Thiết

bị đóng cắt (X), Máy biến áp điện (Y), và Thiết bị khác (Z) Mỗi nút logic có một LN-Instance-ID làm hậu tố cho tên nút logic

Ví dụ,giả sử có hai đầu vào đo lường trong một thiết bị để đo hai bộ cấp 3 pha Tên tiêu chuẩn của nút logic cho Đơn vị đo lường dùng cho nguồn 3 pha là MMXU

Để phân định giữa các phép đo cho 2 cấp các tên nút logic IEC 61850 của MMXU1 và MMXU2 sẽ được sử dụng Mỗi nút logic cũng có thể sử dụng tiền tố LN cụ thể của ứng dụng tùy chọn để cung cấp thêm xác định mục đích của một nút logic

Mỗi nút logic chứa một hoặc nhiều phần tử của Dữ liệu Mỗi phần tử của dữ liệu

có một tên duy nhất Những tên dữ liệu này được xác định bởi tiêu chuẩn và có liên quan đến chức năng mục đích của hệ thống điện Ví dụ, một bộ ngắt mạch là được mô hình hóa như một nút logic XCBR Nó chứa nhiều loại Dữ liệu bao gồm Loc để xác định xem hoạt động có ở xa hay không cục bộ, OpCnt cho số lượng hoạt động, Pos cho vị trí, Các lệnh mở trình ngắt khối BlkOpn, trình ngắt khối BlkCls đóng lệnh và CBOpCap cho bộ ngắt mạch khả năng vận hành

Mỗi phần tử dữ liệu trong nút logic tuân theo đặc điểm kỹ thuật của một lớp dữ liệu chung (CDC) trên mỗi IEC 61850-7-3 Mỗi CDC mô tả loại và cấu trúc của dữ liệu trong nút logic Ví dụ, có các CDC cho thông tin trạng thái, thông tin đo lường, trạng thái có thể kiểm soát thông tin, thông tin điểm đặt tương tự có thể điều khiển, trạng thái

cài đặt và cài đặt tương tự Mỗi CDC có một tên xác định và một tập hợp các thuộc tính CDC, mỗi thuộc tính có một tên xác định, được xác định loại và mục đích cụ thể Mỗi thuộc tính riêng lẻ của một CDC thuộc về một tập hợp các ràng buộc chức năng (FC) nhóm các các thuộc tính thành các loại Ví dụ, trong Điểm duy nhất

Trạng thái (SPS) CDC được mô tả trong Hình 2, có các chức năng ràng buộc cho các thuộc tính trạng thái (ST), giá trị thay thế (SV) thuộc tính, thuộc tính mô tả (DC)

và định nghĩa mở rộng(EX) thuộc tính Trong ví dụ này, các thuộc tính trạng thái của SPS lớp bao gồm giá trị trạng thái (stVal), cờ chất lượng (q) và dấu thời gian (t)

Hình 2 Giải phẫu lớp dữ liệu chung của trạng thái điểm đơn (SPS) trong IEC

61850-7-3

Mô hình IEC 61850 của một thiết bị là một mô hình ảo hóa bắt đầu với một cái nhìn trừu tượng về thiết bị và các đối tượng của nó và được định nghĩa trong IEC

61850 phần 7 Sau đó, mô hình trừu tượng này được ánh xạ tới ngăn xếp giao thức cụ thể trong phần IEC 61850-8- 1 dựa trên MMS (ISO9506), TCP / IP và Ethernet bên trong quy trình ánh xạ các đối tượng IEC 61850 sang MMS, IEC 61850-8-1 chỉ định một phương pháp chuyển đổi mô hình thông tin vào một đối tượng biến MMS được đặt tên dẫn đến một tham chiếu duy nhất và rõ ràng cho từng phần tử dữ liệu trong mô hình Ví dụ, giả sử rằng bạn có một lôgic thiết bị có tên “Relay1” bao gồm một bộ ngắt mạch đơn nút logic XCBR1 mà bạn muốn xác định xem cầu dao đang ở chế độ hoạt động từ xa hoặc cục bộ Đến xác định điều này, bạn sẽ đọc đối tượng được hiển thị trong hình 3

Hình 3 Giải phẫu của Tên đối tượng IEC 61850-8-1

IV MAPPING TO REAL PROTOCOLS

Dữ liệu trừu tượng và mô hình đối tượng của IEC 61850 xác định phương pháp tiêu chuẩn hóa mô tả các thiết bị hệ thống điện cho phép tất cả các IED trình bày dữ liệu bằng cách sử dụng các cấu trúc giống hệt nhau có liên quan trực tiếp đến chức năng hệ thống điện của chúng Các Các mô hình Giao diện Dịch vụ Truyền thông Tóm tắt (ACSI) của IEC 61850 xác định một tập hợp các dịch vụ và đáp ứng cho những các dịch vụ cho phép tất cả các IED hoạt động theo cách giống hệt nhau từ quan điểm hành vi mạng Trong khi phần tóm tắt mô hình là rất quan trọng để đạt được mức độ tương tác này, những mô hình này cần được vận hành trên một tập hợp các giao thức thực thiết thực để thực hiện và có thể hoạt động trong môi trường máy tính thường thấy trong sức mạnh ngành công nghiệp IEC 61850-8-1 lập bản đồ các đối tượng trừu tượng và dịch vụ cho Đặc tả Thông điệp Sản xuất (MMS) các giao thức của ISO9506 Tại sao ban đầu là một giao thức được thiết kế để sản xuất sử dụng? Bởi

vì MMS là duy nhất giao thức công cộng (tiêu chuẩn ISO) đã được chứng minh hồ sơ theo dõi triển khai có thể dễ dàng hỗ trợ các mô hình đặt tên và dịch vụ phức tạp của IEC 61850 Trong khi bạn về mặt lý thuyết có thể ánh xạ IEC 61850 tới bất kỳ giao thức nào, điều này ánh xạ có thể rất phức tạp và cồng kềnh khi cố gắng để ánh xạ các đối tượng và dịch vụ IEC 61850 tới một giao thức chỉ cung cấp dịch vụ đọc / ghi / báo cáo cho các biến đơn giản được truy cập bằng số đăng ký hoặc số chỉ mục Đây là lý

do MMS được chọn cho UCA vào năm 1991 và là lý do rằng nó được giữ cho IEC

61850 MMS là một lựa chọn vì nó hỗ trợ các đối tượng được đặt tên phức tạp và tập hợp các dịch vụ linh hoạt hỗ trợ ánh xạ tới IEC61850 một cách đơn giản

Ràng buộc chức năng Nút Logic

Thiết bị logic

Dữ liệu Thuộc tính

Ánh xạ của các mô hình dịch vụ và đối tượng IEC 61850 tới MMS dựa trên ánh

xạ dịch vụ trong đó một MMS cụ thể dịch vụ / dịch vụ được chọn làm phương tiện để thực hiện các dịch vụ khác nhau của ACSI Ví dụ, mô hình kiểm soát của ACSI được ánh xạ tới các dịch vụ đọc và ghi MMS Sau đó các mô hình đối tượng khác nhau của IEC 61850 được ánh xạ tới các

Đối tượng MMS Ví dụ, thiết bị logic IEC 61850 đối tượng được ánh xạ tới một miền MMS Bảng 2 bên dưới tóm tắt ánh xạ của các đối tượng IEC 61850 và Bảng 3 ánh xạ ACSI tới MMS

TABLE II IEC61850 TO MMS OBJECT MAPPING

Sever class: lớp máy chủ Virtual Manufacturing Device (VMD):

Sản xuất ảo Thiết bị (VMD) LOGICAL DEVICE class: Lớp THIẾT

BỊ LOGICAL Domain: Lãnh địa LOGICAL NODE class: Lớp NODE

LOGICAL Named Variable: Biến được đặt tên DATA class: Lớp DATA Named Variable: Biến được đặt tên DATA-SET class: Lớp DATA-SET Named Variable List: Danh sách biến

được đặt tên SETTING-GROUP-CONTROLBLOCK

class: THIẾT LẬP-NHÓM-KIỂM

SOÁT- lớp BLOCK

Named Variable: Biến được đặt tên

REPORT-CONTROL-BLOCK class:

Lớp BÁO CÁO-KIỂM SOÁT-KHỐI Named Variable: Biến được đặt tên

LOG class: lớp logic Journal: Tạp trí

LOG-CONTROL-BLOCK class: lớp

logic control block Named Variable: Biến được đặt tên GOOSE-CONTROL-BLOCK class: lớp

GOOSE control block Named Variable: Biến được đặt tên GSSE-CONTROL-BLOCK class: Lớp

GSSE-CONTROL-BLOCK Named Variable: Biến được đặt tên CONTROL class: Lớp kiểm soát Named Variable: Biến được đặt tên

Files: các tập tin Files: các tập tin

TABLE III IEC 61850 P NGHỆ THUẬT S ERVICE M ỨNG DỤNG

IEC 61850 Services: Dịch vụ IEC

LogicalDeviceDirectory : GetNameList

GetAllDataValues Read: Đọc

SetDataValues Write: viết

GetDataDirectory GetNameList

GetDataDefinition GetVariableAccessAttributes

GetDataSetValues Read: Đọc

SetDataSetValues Write: viết

CreateDataSet CreateNamedVariableList

DeleteDataSet DeleteNamedVariableList

GetDataSetDirectory GetNameList

Report (Buffered and Unbuffered) InformationReport

GetBRCBValues/GetURCBValues Read: Đọc

SetBRCBValues/SetURCBValues Write: viết

SetLCBValues Write: viết

QueryLogByTime ReadJournal

QueryLogAfter ReadJournal

GetLogStatusValues GetJournalStatus

SelectWithValue Read/Write

Command-Termination Write: viết

TimeActivated-Operate Write: viết

GetFile: lấy file FileOpen/FileRead/FileClose

DeleteFile : xóa file FileDelete

GetFileAttributeValues FileDirectory

Ngoài ánh xạ tới lớp ứng dụng, Phần 8.1 xác định cấu hình cho các lớp “khác”