王灿论文（新）-IEC61850数字变电站综合自动化系统(4)

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图2-1 IEC61850标准各部分的关系

IEC61850-7-3、IEC61850-7-4提供了80多种逻辑节点名字代码和350多种数据 对象代码，并规定了一套数据对象代码组成的方法，还定义了一套面向对象的服务，这3部分有机地结合在一起，完善地解决了面向对象自我描述的问题。仅靠采用MMS是不可能实现面向对象自我描述的。 2.1.4面向对象统一建模

IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信角度看，IED同时也扮演客户（Client）角色。任何一个客户通过抽象通信服务接口ACSI（Abstract Communication Service Interface）和服务器通信进而访问数据对象。

整个变电站对象从物理上可以看作由若干个一次设备和测量、控制、保护等二次设备构成，并通过网络通信总线把设备互连起来的抽象系统。设备对变电站来说是各个抽象子对象，每个对象封装了该对象所具有的属性和操作方法，并通过外部接口供其他对象访问。如逻辑节点XCBR就是对断路器对象的抽象。该逻辑节点封装了断路器的所有属性，包括：断路器开关位置控制Pos、操作次数OperCnt、操作源Loc（当地或远方）等，以及断路器服务操作SetDataValue（设置开关位置）、GetDataValue（获取开关位置）、SBO（选择执行）等。所以从物理上对断路器的操

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作都是通过断路器对象进行访问，而不具体关心断路器内部的组成及状态。 2.1.5采用XML配置技术

IEC61850-6中定义了变电站配置描述语言(Substation Configuration description Language，SCL)，SCL是一种用来描述与通信相关的智能电子设备结构和参数、通信系统结构、开关间隔(功能)结构及它们之间关系的文件格式。在变电站配置描述语言中采用XML作为信息交换格式，由于XML的信息独立于平台之间，从而使得文件中的数据能够在不同厂家的智能电子设备、工程工具和系统工程工具间以某种兼容的方式进行交换。

本章首先结合厂家的需求和相关国家规定，设计出继电保护测试系统的整体软件框架。接下来设计出上位机和下位机的整体框架和软件功能；最后制定了上、下位机之间的通信规约，最后对数据发送过程给出详细的分析。

2.2 IEC61850标准中的变电站自动化系统接口模型

IEC61850指出，变电站自动化系统(SAS)的功能是指变电站必须完成的任务。这些功能包括控制、监视和保护变电站的设备及其馈线。同时,还包括变电站自动化系统的维护功能,即系统组态、通信管理和软件管理等功能。按照变电站自动化系统所要完成的三大功能从逻辑上将系统分为三层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了3层间的9种逻辑接口。

过程层主要完成开关量IO、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。过程层通过逻辑接口4、5与间隔层通信。

间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔一次设备产生作用,如线路保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过逻辑接口4、与过程层通信,通过逻辑接口3完成间隔层内部的通信功能。

变电站层的功能分为两类:(1)与过程相关的功能主要指利用各间隔或全站的信息对多个间隔或全站一次设备发生作用的功能,如母线保护或全站范围内的闭锁等,变电站层通过逻辑接口8完成通信功能;(2)与接口相关的功能,主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信,通过逻辑接口1、6及7完成通信功能。

2.3 基于IEC61850标准的通信系统结构

IEC61850-8-1的目的就是为了用ISO/IEC9506（制造报文规范）、SNTP及其它应用层协议来实现定义在IEC61850-7-2、IEC61850-7-3和IEC61850-7-4中定义的服

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务、对象和算法提供详细的指令/规范。

变电站通信要求（罗列在IEC61850-5中）被图2-2所表示的通信集所满足。IEC61850-5所定义的报文类型和特性分类也按照图2-2所示进行映射。

-类型1（快速报文） -类型1A（跳闸报文） -类型2（中等速度报文） -类型3（低速报文） -类型4（原始数据报文） -类型5（文件传输功能） -类型6（时间同步报文）

图2-2 通信集框架

为了优化接收报文的解码过程，类型1和类型1A的报文映射到专门的以太网类型。类型2、3、5的报文要求面向报文的服务。MMS标准提供了ACSI所需要的信息建模方法和服务。

2.3.1物理层／数据链路层

选择以太网作为通信系统的物理层和数据链路层的主要原因是以太网在技术和

市场上已处于主流地位。另外，随着快速以太网、G-比特以太网技术逐步成熟，对

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变电站自动化应用而言，网络带宽已不再是制约因素，由冲撞引起的传输延时随机性问题已淡化。

曾有一种观点，认为因以太网具有载波侦听多路访问(CSMA/CD)的本质，其对“实时”信息传输造成延迟的随机性无法预测，因而不能满足实时系统的需要。因为两个或多个以太网节点同时访问共享的传输介质局域网(LAN)时会造成数据冲突，此时所有冲突的节点会按退避算法(back of falgorithm)随机延迟一定的时间，然后试图重新访问介质，以获得介质的访问权。这样就无法确切地估计冲突节点所需的随机等待时间，因而有可能造成“实时”信息传输无效。

为了定性地说明这一问题，美国电力研究院(EPRI)对此进行了研究，在特定的“最恶劣”情形下对比了以太网和12M令牌传递Profibus网的性能。研究结果表明，通过交换式HUB连接的10M以太网完全能够满足变电站自动化系统网络通信“实时”性的要求，并且以太网快于12M令牌传递Profibus网络。 2.3.2网络层／传输层

选择事实标准的TCP/IP协议作为站内IED的高层接口，实现站内IEDIntranet/Internet化，使得站内IED的数据收发都能以TCP/IP方式进行。的这样，监控主站或远方调度中心采用TCP/IP协议就可以通过广域网（WAN）甚至Internet获得变电站内的数据。同时，采用标准的数据访问方式可以保证站内IED具有良好的互操作性。 2.3.3应用层

选择制造报文规范（MMS）作为应用层协议与变电站控制系统通信。所有IED中基于IEC 61850建立的对象和服务模型都被映射成MMS中通用的对象和服务，如数据对象的读、写、定义和创建以及文件操作等。MMS对面向对象数据定义的支持，使该数据自描述成为可能，改变了传统的面向点的数据描述方法。因数据本身带有说明，故传输可不受预先定义的限制，简化了数据管理和维护工作。以太网通信标准和MMS结合，加之IEC 61850的应用描述，从而将变电站自动化系统变成开放系统。

2.4 MMS技术的应用

制造报文规范MMS（Manufacturing Message Specification）是由国际标准化组织ISO工业自动化技术委员会TC184制定的一套用于开发和维护工业自动化系统的独立国际标准报文规范。MMS是通过对真实设备及其功能进行建模的方法，实现网络

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环境下计算机应用程序或智能电子设备IED之间数据和监控信息的实时交换。国际标准化组织出台MMS的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备IED、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。

MMS独立于应用程序与设备的开发者，所提供的服务非常通用，适用于多种设备、应用和工业部门。现在MMS已经广泛用于汽车、航空、化工等工业自动化领域。在国外，MMS技术广泛用于工业过程控制、工业机器人等领域。

以前MMS在电力系统远动通信协议中并无应用，但近来情况有所变化。国际电工技术委员会第57技术委员会(IEC TC57)推出的IEC60870-6 TASE.2系列标准定义了EMS和SCADA等电力控制中心之间的通信协议，该协议采用面向对象建模技术，其底层直接映射到MMS上。IEC61850标准采用分层、面向对象建模等多种新技术，其底层也直接映射到MMS上。可见MMS在电力系统远动通信协议中的应用越来越广泛。目前，国内电力自动化行业对MMS还比较陌生。因此，有必要对MMS技术及其在电力系统远动通信协议中的应用做深入的分析和研究。

MMS的主要目的是为设备及计算机应用规范标准的通信机制，以实现高层次的互操作性。为了达到这个目标，MMS除了定义公共报文(或协议)的形式外，还提供了以下定义：

对象：MMS定义了公共对象集(如变量)及其网络可见属性(如名称、数值、类型);对象是静态的概念，存在于服务器方，它以一定的数据结构关系间接体现了实际设备各个部分的状态、工况以及功能等方面的属性。MMS标准共定义了16类对象，其中每个MMS应用都必须包含至少一个VMD对象，VMD在整个MMS的对象结构中处于“根”的位置。VMD所具有的属性定义了设备的名称、型号、生产厂商、控制系统动静态资源等VMD的各种总体特性。除VMD对象外，MMS所定义的其它15类对象都包含于VMD对象中而成为它的子对象，有些类型的对象还可包含于其它子对象中而成为更深层的子对象。

服务：MMS定义了通信服务集(如读、写)用于网络环境下对象的访问及管理；MMS中的“服务”是动态的概念，MMS通信中通常由一方发出服务请求，由另一方根据服务请求的内容来完成相应的操作，而服务本身则定义了MMS所能支持的各种通信控制操作。在MMS协议中定义了80多种类型的服务，涵盖了包括定义对象、执行程序、读取状态、设置参数等多种类型的操作。这些服务按其应答方式可分为证实型服务和非证实型服务两大类，证实型服务要求服务的发起方必须在得到接收方传回的响应信息后才能认为服务结束，而非证实型服务的发起方在发出服务请求

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