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IEC61850规约整体介绍
1. 总体概念
1.1 IEC61850标准制定的背景
同传统的IEC60870-5-103标准相比，IEC61850不仅仅是一个单纯的通信规约，而且是数字化变电站自动化系统的标准，指导了变电站自动化的设计、开发、工程、维护等各个领域。该标准通过对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接，从而大大提高变电站自动化技术水平和安全稳定运行水平，实现完全互操作。
IEC61850解决的主要问题
（1） 网络通信；
（2） 变电站内信息共享和互操作；
（3） 变电站的集成与工程实施。
1.2 IEC61850重要的基本名词
MMS：Manufacturing Message Specification制造报文规范
GOOSE：generic object oriented substation events面向通用对象的变电站事件
SV：sampled value 采样值
LD：LOGICAL-DEVICE 逻辑设备，代表典型变电站功能集的实体
LN：LOICAL-NODE 逻辑节点，代表典型变电站功能的实体
CDC：common DATA class (DL/T860.73) 公用数据类
Data：位于自动化设备中能够被读、写，有意义的结构化应用信息。
DA：data attribute数据属性，数据属性（IEC 61850-8-1）命名：LD/LN$FC$DO$DA
FC：functional constraint功能约束
FCDA：Functionally constrained DataAttribute功能约束数据属性
互操作性：同一或不同制造商提供的两台或多台IED交换信息并用这些信息正确地配合工作的能力。
服务器：为客户提供服务或发出非请求报文的实体。
客户端：向服务器请求服务以及接收来自服务器非请求报文的实体。
1.3 IEC61850规约内容的层次关系
IEC61850规约文本总共有十个部分，每个部分的名称和关系见图1。
第六部分规定了用于变电站智能电子设备配置的描述语言，该语言称作为变电站配置描述语言（SCL），适用于描述按照DL/T 860.5 和DL/T 860.7x 标准实现的智能电子设备配置和通信系统，规范描述变电站自动化系统和变电站（开关场）间关系。SCL句法元素由五部分构成：信息头、变电站描述（电压等级、间隔层、电力设备、结点等）、智能电子设备描述（访问点、服务器、逻辑设备、逻辑结点、实例化数据DOI等）、通信系统、数据类型模板。
建立通信模型要求定义众多对象（如，数据对象、数据集、报告控制、登录控制）以及对象提供的服务（取数、设定报告、创建、删除）。这些在本系列标准中第7-X部分中用明确接口来定义。为利用通信技术的长处，IEC61850系列标准中，不定义新的开放式系统互联OSI协议栈，仅在本系列标准的第8部分和第9部分分别规定了在现有协议栈上的标准映射。第八部分规定了ACSI（抽象通信服务接口，DL/T 860.72）的对象和服务到MMS（制造报文规范，GB/T16720-2005）和ISO/IEC8802-3帧之间的映射。
第十部分一致性要求调查和确定它们的有效性是系统和设备验收的重要部分。为了系统和设备的互操作性，本标准系列第10部分规定了变电站自动化系统设备的一致性测试方法，给出了建立测试条件和系统测试的导则

图1 IEC61850规约十个部分的名称和关系图
1.4 数字化变电站的层次关系

图2 数字化变电站层次和服务关系图
图2中十个数字连接具体是：
（1） 间隔层装置与变电站监控系统之间交换事件和状态数据——MMS
（2） 间隔层装置与远方保护交换数据——私有规约，未来发展也可用以太网方式借用GOOSE或SMV
（3） 间隔内装置间交换数据——GOOSE
（4） 过程层与间隔层交换采样数据——SMV
（5） 过程层与间隔层交换控制和状态数据——GOOSE
（6） 间隔层装置与变电站监控系统之间交换控制数据——MMS
（7） 监控层与保护主站通信——MMS
（8） 间隔间交换快速数据——GOOSE
（9） 变电站层间交换数据——MMS
（10） 变电站与控制中心交换数据——不在标准范围，也有用户希望采用61850
1.5 IEC61850模型的层次关系
物理设备映射到IED，然后将各个功能分解到LN，组织成一个或者多个LD。每个功能的保护数据映射到DO，并且根据功能约束（FC）进行拆分并映射到若干个DA（见图3）。

图3 ICD模型的基本层次示意图
2、IEC61850服务
从装置研发角度来看，IEC61850标准的服务实现主要分为三个部分：MMS服务、GOOSE服务、SMV服务。其中，MMS服务用于装置和后台之间的数据交互，GOOSE服务用于装置之间的通讯，SMV服务用于采样值传输，三个服务之间的关系见图4。在装置和后台之间涉及到双边应用关联，在 GOOSE报文和传输采样值中涉及多路广播报文的服务。双边应用关联传送服务请求和响应（传输无确认和确认的一些服务）服务 ，多路广播应用关联（仅在一个方向）传送无确认服务。目前，PCS系列装置IEC61850模块支持上述所有服务。

图4 MMS、GOOSE和SMV三个服务的关系图
如果把IEC61850标准的服务细化分，主要有：报告（事件状态上送）、日志历史记录上送、快速事件传送采样值传送、遥控、遥调、定值读写服务、录波、保护故障报告、时间同步、文件传输、取代，以及模型的读取服务。细化服务和模型之间的关系见图5。

图5 IEC 61850-7-2的模型和服务的关系图
从用户使用角度来看，IEC61850标准的实现主要分为客户端（后台）、服务器端（装置）、配置工具三个部分。配置文件是联系三者的纽带。
2.1 MMS服务
2.1.1 MMS介绍
MMS（manufactoring message specification）即制造报文规范，是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。
MMS是由ISO TC184开发和维护的网络环境下计算机或IED之间交换实时数据和监控信息的一套独立的国际标准报文规范。它独立于应用和设备的开发者。MMS特点介绍如下：
（1） 定义了交换报文的格式；
结构化层次化的数据表示方法
可以表示任意复杂的数据结构
ASN.1编码可以适用于任意计算机环境
（2） 定义了针对数据对象的服务和行为；
（3） 为用户提供了一个独立于所完成功能的通用通信环境。
2.1.2 MMS功能
（1） 信号上送
开入、事件、报警等信号类数据的上送功能通过BRCB（有缓冲报告控制块）来实现，映射到MMS的读写和报告服务。通过有缓冲报告控制块，可以实现遥信和开入的变化上送、周期上送、总召、事件缓存。由于采用了多可视的实现方案，事件可以同时送到多个后台。
（2） 测量上送
遥测、保护测量类数据的上送功能通过URCB（无缓冲报告控制块）来实现，映射到MMS的读写和报告服务。通过无缓冲报告控制块，可以实现遥测的变化上送（比较死区和零漂）、、周期上送、总召。由于采用了多可视的实现方案，使得事件可以同时送到多个后台。
（3） 定值
定值功能通过定制控制块（SGCB）来实现，映射到MMS的读写服务。通过定制控制块，可以实现选择定值区进行召唤、修改、定制区切换。
（4） 控制
遥控、遥调等控制功能通过IEC61850的控制相关数据结构实现，映射到MMS的读写和报告服务。IEC61850提供多种控制类型，PCS系列装置实现了增强型SBOw功能和直控功能，支持检同期、检无压、闭锁逻辑检查等功能。
（5） 故障报告
故障报告功能通过RDRE逻辑节点实现，映射到MMS的报告和文件操作服务。
录波文件产生时，RDRE下的RcdMade和FltNum通过报告上送到后台；后台以如下方式召唤故障报告：
IED名称_LD名称_故障序号_*.HDR（CFG、DAT）。
统一规范的故障报告采用XML格式存放在HDR文件中，内容如下：

2.2 GOOSE服务
2.2.1 GOOSE介绍
IEC61850标准中定义的面向通用对象的变电站事件(GOOSE) 以快速的以太网多播报文传输为基础，代替了传统的智能电子设备〔IED)之间硬接线的通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法。
GOOSE服务支持由数据集组成的公共数据的交换，主要用于保护跳闸、断路器位置，联锁信息等实时性要求高的数据传输。GOOSE服务的信息交换基于发布/订阅机制基础上，同一GOOSE网中的任一IED设备，即可以作为订阅端接收数据，也可以作为发布端为其他IED设备提供数据。这样可以使IED设备之间通讯数据的增加或更改变得更加容易实现。
2.2.2 GOOSE功能
PCS系列装置使用独立的高性能DSP板卡来实现GOOSE功能，具有很高的实时性和可靠性。板卡自带的两个百兆全双工光纤以太网接口，可以分别对应不同的VLAN网络。GOOSE双网配置提高了系统的可靠性和稳定性。
（1） GOOSE收发机制
为了保证GOOSE服务的实时性和可靠性，GOOSE报文采用与基本编码规则(BER)相关的ASN.1 语法编码后，不经过TCP/IP协议，直接在以太网链路层上传输，并采用特殊的收发机制。
GOOSE报文发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。在GOOSE数据集中的数据没有变化的情况下，发送时间间隔为T0的心跳报文，报文中的状态号（stnum）不变，顺序号（sqnum）递增。当GOOSE数据集中的数据发生变化情况下发送一帧变位报文后，以时间间隔T1，T1，T2，T3进行变位报文快速重发。数据变位后的报文中状态号（stnum）增加，顺序号（sqnum）从零开始。
GOOSE接收可以根据GOOSE报文中的允许生存时间TATL（Time Allow to Live）来检测链路中断。GOOSE数据接收机制可以分为单帧接收和双帧接收两种。智能操作箱使用双帧接收机制，收到两帧GOOSE数据相同的报文后更新数据。其他保护和测控装置使用单帧接收机制，接收到变位报文（stnum变化）以后，立刻更新数据。当接收报文中状态号（stnum）不变的情况下，使用双帧报文确认来更新数据。
（2） GOOSE报警功能
GOOSE对收发过程中产生的异常情况进行报警，主要分为：GOOSE A网/B网断链报警，GOOSE配置不一致报警，GOOSE A网/B网网络风暴报警。
GOOSE A网/B网断链报警：在两倍的报文允许生存时间TATL（Time Allow to Live）内没有收到正确的GOOSE报文，就产生GOOSE A网/B网断链报警。
GOOSE 配置不一致报警：GOOSE发布方和订阅方中GOOSE控制块的配置版本号等属性必需一致，否则产生GOOSE 配置不一致报警。
GOOSE A网/B网网络风暴报警：当GOOSE网络中产生网络风暴，网络端口流量超过正常范围，出现异常报文时，会产生GOOSE A网/B网网络风暴报警。
（3） GOOSE检修功能
当装置的检修状态置1时，装置发送的GOOSE报文中带有测试（test）标志，接收端就可以通过报文的test标志获得发送端的置检修状态。当发送端和接收端置检修状态一致时，装置对接收到的GOOSE数据进行正常处理。当发送端和接收端置检修状态不一致时，装置可以对接收到的GOOSE数据做相应处理，以保证检修的装置不会影响到正常运行状态的装置，提高了GOOSE检修的灵活性和可靠性。
2.3 SMV服务
2.3.1 SMV介绍
采样值的传输所交换的信息是基于发布/订户机制。在发送侧发布方将值写入发送缓冲区；在接收侧订户从当地缓冲区读值。在值上加上时标，订户可以校验值是否及时刷新。通信系统负责刷新订户的当地缓冲区。
在一个发布方和一个或多个订户之间有两种交换采样值方法。一种方法采用MULTICAST-APPLICATION-ASSOCIATION (多路广播应用关联控制块MSVCB)。另一种方法采用TWO-PARTY-APPLICATION-ASSOCIATION (unicast sampled value control, USVCB 双边应用关联即单路传播采样值控制块USVCB)。 按规定的采样率对输入进行采样。由内部或者通过网络实现采样的同步。采样存入传输缓冲区。
网络嵌入式调度程序将缓冲区的内容通过网络向订户发送采样率为映射特定参数。采样值存入订户的接收缓冲区。一组新的采样值到达了接收缓冲区就通知应用功能。多点传送采样值服务的映射见表1。
表1 多点传送采样值服务的映射
MSVCB类服务
服务
SendMSVMessage
MSV 信息的传送直接映射到数据链路层
GetMSVCBValue
映射到MMS读服务
SetMSVCBValue
映射到MMS写服务
2.3.2 SMV和GOOSE常用的重要概念
（1） 以太网地址
用于采样值传输时，需配置ISO/IEC 8802-3多点传送的目标地址，采用唯一的ISO/IEC 8802-3源地址。
表2 建议的多点传送地址示例

建议的取值范围
服务
开始地址(16进制)
结束地址(16进制)
GOOSE
01-0C-CD-01-00-00
01-0C-CD-01-01-FF
GSSE
01-0C-CD-02-00-00
01-0C-CD-02-01-FF
MSV
01-0C-CD-04-00-00
01-0C-CD-04-01-FF

（2） 优先级标记
允许应用带有一组优先级限制，高优先级帧应设置其优先级为4～7，低优先级帧则为1～3。
8位位组

8
7
6
5
4
3
2
1
1
TPID

0x8100

2

3
TCI
User priority
CFI
VID
4
VID
（3） 虚拟局域网（VLAN）
VLAN是一个在物理网络上根据用途，工作组、应用等来逻辑划分的局域网络，是一个广播域，与用户的物理位置没有关系。一个VLAN中的成员看不到另一个VLAN中的成员。
同一个VLAN中的所有成员共同拥有一个VLAN ID，组成一个虚拟局域网络；同一个VLAN中的成员均能收到同一个VLAN中的其他成员发来的广播包，但收不到其他VLAN中成员发来的广播包；不同VLAN成员之间不可直接通信，需要通过路由支持才能通信，而同一VLAN中的成员通过VLAN交换机可以直接通信，不需路由支持。
（4） 以太网类型

应用
以太网类型码取值
(16进制)
APPID 类型
IEC 61850-8-1 GOOSE
88-B8
0 0
IEC 61850-8-1 GSE 管理
88-B9
0 0
IEC 61850-9-1 采样值
88-BA
0 1
IEC 61850-9-2 采样值
88-BA
0 1

（5） ASN1编码
通常有三个部分构成：标签值（一个字节）+长度（一个或者两个字节）+内容。bit string内容部分，除了字符串内容外，需要填充为8位的整数倍，第一个字节为填充的bit数目，后续为bit真正内容。
（6） 时间
有两个时间概念需要区分，第一个MMS UTC 时间，也就是TIMESTAMP（时间标签）类型，值的格式应包括3部分：距离格林尼治标准时间1970年1月1日午夜的秒数（s）、秒的小数部分（f）和质量标记（q）。第二个MMS Btime6（天的时间），类型应是八位组串，该类型的值包含4个八位位组，值分为两个部分：第一部分表示从当天午夜之后的毫秒数（日期不在该数值中）；第二部分包含时间和日期，以从1984年1月1日之后的相对天数来表示。
3 模型文件
对于数字化变电站，我们常接触到四种文件——ICD、SSD、SCD、CID。
3.1 ICD模型文件信息和工程实施
ICD模型文件分为四个部分：Header、Communication、IED和DataTypeTemplates。ICD模型的逻辑节点和数据对象类型具体规范参考规约7-2和7-3部分。装置厂家通过自己的IED配置工具生成装置的描述文件ICD文件（为XML标准格式），见图6。ICD文件里描述装置的数据模型和能力：
（1） 装置包含哪些逻辑装置、逻辑节点
（2） 逻辑节点类型、数据类型的定义
（3） 数据集定义、控制块定义
（4） 装置通信能力和参数的描述

图6 ICD文件工程实施示意图
3.2 SSD模型文件信息和工程实施
通过系统配置工具生成变电站一次系统的描述文件SSD文件（为标准XML格式实施示意见图7，SSD文件包含的信息包括：
（1） 包含一次系统的单线图
（2） 一次设备的逻辑节点
（3） 逻辑节点的类型定义

图7 SSD文件工程实施示意图
3.3 SCD模型文件信息和工程实施
以变电站包含的各种类型的二次设备的ICD文件和变电站的SSD文件为输入，通过SCD配置工具生成变电站的数据文件SCD文件，实施示意见图8。SCD文件应作为后台、远动以及后续其他配置的统一数据来源，应能妥善处理ICD文件更新带来的不一致问题，SCD文件信息包含：
（1） 变电站一次系统配置（含一二次关联信息配置）
（2） 二次设备配置（包含信号描述配置、GOOSE信号连接配置）
（3） 通讯网络及参数的配置

图8 SCD文件工程实施示意图
3.4 CID模型文件信息和工程实施
使用装置厂家工具从SCD文件中导出装置运行所需的CID文件和goose.txt文件，工程实施见图9。 CID文件是PowerPC插件IEC61850程序元件运行需要的信息，goose.txt是goose插件的goose程序元件运行需要的信息，CID文件信息包括：
（1） CID文件中包含的实例化信息、数据模板信息和ICD文件中的信息一致
（2） CID文件中也有和ICD文件不同的特有信息，包含SCD文件中针对该装置的配置信息，配置信息包括MMS和GOOSE通信地址、IED名称、GOOSE输入等。

图9 CID文件工程实施示意图
CID模型文件在PCS系列高压保护装置的解析流程：
（1） 读取LD名称（inst），创建LD链表节点并加入LD链表，然后以IEC61850_LD_STRUCT类型为其创建节点私有数据结构，用以存放LD名称；
（2） 遍历当前LD下面的LN（inst），用以创建模型链表；由于CID文件的IED部分仅存储LN类型和实例化的DO，因此必须同步从CID文件的模板部分读取LN和DO，DA等的数据模板，以创建完整的模型链表；
• 解析DA时，先从DA得到FC并在LN下创建FC链表，将该DA所属的DO加入该FC链表（如果有SDO，还要将SDO节点挂在DO下），然后才将DA挂在DO下并初始化其私有数据结构；
• 如果LN名称是LLN0，还要解析数据集，报告控制块和定制控制块;
• 每个LN解析完成后，要解析DAI的sAddr，为每个最底层的节点（DA或者SDA）创建UAPC_DATA_ITEM结构并将其加入到uapc_index链表中。