1.2.5 光电转换器_智能变电站配置技术及典型报文分析-QQ阅读青春女生网

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1.2 配置技术基础

1.2.1 变电站通信网络和系统标准IEC61850

IEC61850系列标准的全称为变电站通信网络和系统标准（Communication Networks and Systems in Substations），以下简称IEC61850或IEC61850标准。它规范了变电站内智能电子设备，即IED之间的通信行为和相关的系统要求。

（1）IEC61850标准规约的产生背景及新标准的优点

智能变电站体现出过程层设备的数字化，整个站内信息的网络化，开关设备实现智能化以及高级应用。智能变电站的系统稳定运行则需要通过应用IEC61850进行建模和通信的，而现有规约在应用方面不完善，比如现有规约种类太多，缺乏统一，这就会产生例如互操作性差，增加工程成本，不利于产品的维护升级。

在IEC61850以前，各种规约为了适应装置的程序完善，通常是根据装置的变化而变化，是被动的。比如同样都是传统规约，许继电气有本公司的103规约，即CBZ，南瑞继保也有本公司的103规约，两个厂家的装置要建立通信关系，还要做通信协议上的统一。可见，通信规约的多样化并不利于智能变电站的发展，因此需要一个更加完善的通信平台。

IEC61850新标准的优点包括规约得以统一保证了信息自描述与互操作性，变电站配置描述统一化，便利系统的扩展和更改；处理器的先进、快速、高效、强大等功能使系统独立于飞速发展的通信技术；“数字化、智能”变电站的无缝支持，对智能电网的实现提供了技术支持。总结其关键技术，体现在变电站三层的出现以及三层交互信息接口的提供；将一次设备和二次设备反应到“模型”上，采用模型思想进行对变电站统一建模；统一的配置描述语言，增加互动性和互操作性，抽象通信服务和特定通信服务。

（2）IEC61850模型中配置技术相关缩略语

1）IED：Intelligent Electronic Device智能电子设备；

2）MMS：Manufacturing Message Specification制造报文规范；

3）GOOSE：Generic Object Oriented Substation Events面向通用对象的变电站事件；

4）SV：Sampled Value采样值；

5）LD：Logical Device逻辑设备；

6）LN：Logical Node逻辑节点；

7）PD：Physical Device物理设备；

8）FC：Functional Constraint功能约束；

9）FCDA：Functionally Constrained Data Attribute功能约束数据属性；

10）CDC：Common Data Cass公共数据类；

11）DO：Data Object数据对象；

12）DA：Data Attribute数据属性；

13）ACC：Accelerate加速；

14）BF：Breaker failure断路器失灵；

15）BRCB：Buffered Report Control Block有缓存报告控制块；

16）CID：Configured IED Description IED实例配置文件；

17）CT：Current transformer电流互感器；

18）Dev：Device设备；

19）Err：Error错误；

20）Fst：First第一个；

21）ICD：IED Capability Description IED能力描述文件；

22）Long：Long长期的；

23）Pers Persist，Persistent：持续性的；

24）Pmt：Permit，Permitted许可；

25）SCD：Substation Configuration Description全站系统配置文件；

26）Sig：Signal信号；

27）SSD：System Specification Description系统规格文件；

28）Strp Strap压板；

29）URCB：Unbuffered Report Control Block无缓存报告控制块；

30）UV：Under Voltage欠电压。

以上术语，对于了解和学习IED配置技术至关重要。

（3）IEC61850装置数据模型的层次结构

IEC61850覆盖了整个智能变电站通信及传输标准要素。统一了数据模型结构，自然就会映射在变电站每个组成设备上，继电保护装置作为IED设备个体的独立单元，就是其最明显的体现方式。对于初学者，刚接触IEC61850时都会对其概念的理解相对抽象，下面对其进行数据模型层次上的解析，将会把抽象的概念具体化，IEC61850装置数据模型的层次结构如图1-1所示。

图1-1 IEC61850装置数据模型的层次结构

图1-1表明，物理设备映射成为IED，然后将各个功能分解到逻辑节点，组织成一个或者多个逻辑设备。每个功能的保护数据映射到数据对象，并且根据功能约束进行拆分并映射到若干个数据属性。

（4）IEC61850标准规约的三大服务

了解IEC61850规约，即是建立配置基础。下面将从IEC61850规范标准所提供的服务入手，并对IED设备进行内部逻辑解析，进一步展开论述。

任何规约或标准，最终是要服务于实物对象的，站在用户的角度，IEC61850提供给用户三大服务：制造报文规范服务MMS、面向通用对象的变电站事件服务GOOSE以及采样服务SV。三大服务按功能划分，具体如下。

1）制造报文规范服务MMS功能

MMS具备信号上送功能、测量上送功能、控制功能以及故障报告功能。

信号上送功能，包括开入、事件、报警等信号类数据的上送功能通过有缓冲报告控制块，即BRCB来实现，映射到MMS的读写和报告服务。

测量上送功能：遥测、保护测量类数据的上送功能通过无缓冲报告控制块，即URCB来实现，映射到MMS的读写和报告服务。

控制功能，控制功能又分定值控制功能和遥控、遥调等控制功能。

定值控制功能，通过定值控制块，即SGCB来实现选择定值区进行召唤、修改、定值区切换。映射到MMS的读写服务。

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。

故障报告功能，包括通过RDRE逻辑节点实现，映射到MMS的报告和文件操作服务。

总之，IEC61850中的MMS服务，包括了整个智能变电站遥信、遥测、遥控以及故障分析等领域，是站控层信息交换的基础体现方式和平台，这些信息也是调度掌握智能变电站运行情况的重要依据和手段。

2）面向通用对象的变电站事件服务GOOSE功能

GOOSE即面向通用对象的变电站事件，它是以太网多播报文传输为基础，代替传统的IED设备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，主要用于保护装置跳、合闸命令，测控装置的遥控命令，断路器位置和隔离开关位置、压力等以及间隔层联锁信息等实时性要求高的数据传输。

GOOSE的功能主要体现在GOOSE的收发机制、GOOSE的报警功能和GOOSE的检修功能。

GOOSE收发机制，为了保证GOOSE服务的实时性，GOOSE报文不经过网络层协议，直接在以太网链路层上传输，并且采用带优先级的以太网报文转发方式。

为了保证GOOSE服务的可靠性，GOOSE报文采用ASN.1语法编码后，发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。

GOOSE接收可以根据GOOSE报文中的允许生存时间（Time Allow to Live，TAL）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。

GOOSE的报警功能，GOOSE对收发过程中产生的异常情况进行告警，主要包括：GOOSE A网/B网断链告警，GOOSE配置不一致告警，GOOSE信号异常告警。

GOOSE的检修功能，保证检修的装置或设备不会影响到正常运行状态的装置，提高了智能变电站装置检修的灵活性和可靠性；发送的GOOSE报文中带有测试标志，即test，它与发送端装置的检修状态对应，接收端就可以通过比较自身装置的检修状态进行相应处理。

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，此机制具体实现方式，可参阅由笔者在2013年出版发行的《基于IEC61850标准的变电站调试指导手册》一书的相关内容。

总而言之，IEC61850中的GOOSE服务，包含整个数字站的跳闸出口，开关量以及故障分析等领域。

3）采样服务SV功能

采样值的传输所交换的信息是基于发布/订阅机制。在发送侧发布方将值写入发送缓冲区，在接收侧订阅方从当地缓冲区读值。在值上加上时标，订户可以校验是否及时刷新，通信系统负责刷新订阅用户的当地缓冲区。

SV是针对智能变电站数据采样的一项标准服务，详见IEC61850规范标准第9章相关章节。SV同样具备检修功能。

（5）基于IEC61850规范标准下的IED设备内部结构功能组成

IEC61850提供了如此之大的服务体系平台，作为体系中的一个成员，IED设备自然也需要具备与相应服务进行对外交流的功能，如信息互动等。

现将IED装置内部进行分解，对其进行分析，如图1-2所示。

图1-2 基于IEC61850规范标准下的IED设备内部结构功能组成示意

图1-2表示IED设备所具备的功能，这里把IED映射为一个数字保护装置的内部结构，保护装置需要完成数据传输上送、数据采样、逻辑判断执行等任务。因此具备了三个功能：S1映射为MMS功能，M1指SV采样功能，G1则映射为GOOSE功能。

需要清楚的是，不是所有IED设备都必须同时具备三大服务功能，比如合并单元属于过程层设备，因此只需要实现M1和G1功能。

结合图1-2，了解到每一个功能模块下都含有不同数量的逻辑设备，即LD。换言之保护装置的功能实现，要靠如此之多的逻辑设备构成。

图1-2的物理设备即为IED设备，直接将其映射为保护装置或测控装置，每一个装置按照其功能可分为采样、跳闸、遥信、控制等，保护装置要起到保护系统的作用，是通过逻辑功能来实现的，每一个功能的实现都要通过一个或多个逻辑设备组成，自然就会对应一个或多个逻辑节点，逻辑节点是逻辑设备的最小功能单位,在这些逻辑节点中，通过功能约束，每一个逻辑节点都会有很多数据对象对逻辑节点进行解释，而每个数据对象就会对应自己的数据属性。

1.2.2 配置对象和配置文本

配置所要针对的对象，特指智能变电站IED装置，包括保护装置、测控装置等。就是要对各类装置进行调取（上传）、下载（下传）相关配置文本的过程。其中包括已经建立通信参数和网络概念的CID文本，包括各个保护逻辑实现、断路器或隔离开关（虚端子）位置开入所使用的GOOSE文本，包括站内各类电流、电压采样传输所用SV文本。

智能变电站配置所涉及的主要文本有六个，按照配置过程排序如下。

（1）IED能力描述文件（IED Capability Description, ICD），以下简称ICD。该文件描述了IED提供的基本数据模型及服务，但不包含IED实例名称和通信参数。ICD文件应包含模型自描述信息，还应包含版本修改信息，明确描述修改时间、修改版本号等内容。

（2）系统规范描述文件（System Specification Description, SSD），以下简称SSD，全站唯一。该文件描述了变电站一次系统结构以及相关联的逻辑节点，最终包含在SCD文件中。

（3）全站配置描述文件SCD，全站唯一。该文件描述了所有IED的实例配置和通信参数、IED之间的通信配置以及变电站一次系统结构，由系统集成厂商完成。SCD文件应包含版本修改信息，明确描述修改时间、修改版本号等内容。

（4）IED实例配置描述文件（Configured IED Description, CID），以下简称CID。对应其ICD每个IED设备有一个CID。由装置厂商根据SCD文件中与特定的IED的相关配置生成。

（5）用于过程层各个保护逻辑信号传输、断路器及隔离开关位置传输的GOOSE配置文本。

（6）用于实现各个IED采样的SV配置文本。

1.2.3 配置文本关系

各个配置文本之间的关系如图1-3所示。

图1-3 智能变电站各个配置文本之间的关系示意

由图1-3可知配置流程，首先电力设计院进行前期图纸设计，完成SSD文本以及虚端子逻辑联系图，此SSD文本中应当包括反应站内正式运行编号的设备一次系统联系图和构成“三层两网”的二次网络配置图，包括总图和分图。IED，即保护装置厂家将ICD模型文件交与系统集成商，系统集成商收到此ICD文本后，先通过ICD检测工具进行XML语法、命名冲突等相关测试。看其是否符合IEC61850模型要求，测试合格后，添置进系统集成商专用SCD组态工具中，结合SSD文本和虚端子逻辑联系图，利用该工具对IED设备进行通信参数配置、组网配置，当站内全部相关IED均添置完毕并配置成功后，即完成SCD文本的配置工作。此时，每个装置均会相应生成CID文本（过程层设备除外）、GOOSE配置文本以及SV配置文本。之后通过配置软件导出，下载于IED设备。

这里需要说明的是，因私有规约限制，可能会出现每个IED生产厂家只能识别本公司配置工具导出的CID、GOOSE和SV配置文本的情况。比如若相关智能变电站的系统集成商为南瑞继保公司，但需下载配置的IED生产厂家为许继电气公司，则许继电气技术人员在获得相关智能变电站SCD后，必须通过许继电气公司相关配置软件进行转换和配置，这样许继电器公司的IED方可识别。

1.2.4 光纤连接器

光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤之间的非永久性固定连接。

所谓非永久性，即是指光纤通过连接器可任意插拔并进行组合，一般情况下可插拔次数达到1000次以上。

在智能变电站中,按光纤头部外形结构划分,经常使用的光纤连接器有金属套桶型光纤连接器（Ferrule Connector, FC）、矩形光纤连接器（Square Connector, SC）、直通式光纤连接器（Straight, Tip ST）、小型光纤连接器（Little Connector, LC）等。现场进行GOOSE或者SV文本配置工作时，需要使用光电转换器。当电信号进入光电转换器后转换成光信号，再通过具有光纤连接器的尾纤连接至装置的GOOSE和SV插件。下面将这四种智能变电站中常见的光纤连接器逐一进行介绍。

（1）FC

圆头，外径为2.5 mm。由圆柱形套筒对中机构和螺纹式锁紧机构组成。因其连接最为可靠，常常用于光纤差动保护和装置电源插板PWR连接口。如图1-4所示。

图1-4 FC型光纤连接器示意

（2）SC

多模方头，矩形状，插拔式结构。在数字测试仪上经常能看到此形状的光纤连接器。如图1-5所示。

图1-5 SC型光纤连接器示意

（3）ST

圆头，外径为2.5 mm。由圆柱形套筒对中机构和卡口锁紧机构组成。现场工作时，在各个SV采样插件，GOOSE插件上的连接光纤，大多为ST型的光纤。如图1-6所示。

图1-6 ST型光纤连接器示意

（4）LC

尺寸比较小，外径只有SC、FC连接器的一半，1.25 mm，这样可以提高光纤配线架中光纤连接器的密度，所以在交换机和路由器上用得比较多。如图1-7所示。

图1-7 LC型光纤连接器示意

另外，光纤连接器是可以根据现场配置需求自由组合的，一般在智能变电站中，会使用法兰头来完成它们之间的物理转换。

1.2.5 光电转换器

进行配置工作时，需要把笔记本电脑产生的电信号转换成光信号，承接此功能的这种设备就称之为光电转换器，它既可以把电信号转换成光信号，也可以把光信号转换成电信号。近年来，随着网络技术的发展，光电转换器和光猫的概念越来越模糊，两者基本可以视为同一种设备。也就是说光电转换器，现阶段可视为光猫。它是目前智能变电站中配置GOOSE和SV文本或者获取故障报文时经常使用到的一种网络设备，像万用表一样，它已经成为智能变电站现场调试人员必不可少的工具。根据现场调试经验，本书推荐型号为COE-10/100M-J-ST-USB的夹持式多模收发器，如图1-8所示。

图1-8 COE-10/100M-J-ST-USB夹持式多模收发器示意

使用过程中所涉及的技术问题处理，如图1-9所示。

图1-9 COE-10/100M-J-ST-USB夹持式多模收发器问题解答

1.2.6 文件传输协议（File Transfer Protocol FTP）

文件传输协议，以下简称FTP。它是一个标准通用协议,是应用TCP/IP协议的应用协议标准,是在计算机和网络之间交换文件的最简单的方法。基于不同的操作系统有不同的FTP应用程序，而所有这些应用程序都遵守同一种协议，即FTP，这就为不同用户之间的文件传输（包括上传Upload、下载Down-load）提供便利。本书中的“上传”文件就是从智能变电站二次设备上调取所需程序文本至工程人员的计算机上的过程，比如IED程序备份工作。“下载”文件特指将程序文本从工程人员的计算机中拷贝至智能变电站二次设备上，比如给IED进行程序升级。

（1）FTP工作原理

以下载文件为例，当启动FTP从远程计算机拷贝文件时，事实上启动了两个程序：一个本地机上的FTP客户程序，它向FTP服务器提出拷贝文件的请求；另一个是启动在远程计算机上的FTP服务器程序，它响应下载请求并将指定的文件传送到本地计算机中。

（2）FTP常用指令

FTP指令，也称命令，它是Internet用户使用最频繁的命令之一，不论是在DOS还是UNIX操作系统下使用FTP，都会遇到大量的FTP内部命令。熟悉并灵活应用FTP的内部命令，大有帮助。

FTP的命令行格式为：ftp -v -d -n -g [主机名]，其中：

-v显示远程服务器的所有响应信息；

-n限制ftp的自动登录，即不使用；

-d使用调试方式；

-g取消全局文件名。

FTP使用的内部命令如下（中括号表示可选项）。

1）! [cmd[args]]：在本地机中执行交互shell，exit回到ftp环境，如：! ls＊. zip。

2）$ macro-ame[args]：执行宏定义macro-name。

3）account[password]：提供登录远程系统成功后访问系统资源所需的补充口令。

4）append local-file[remote-file]：将本地文件追加到远程系统主机，若未指定远程系统文件名，则使用本地文件名。

5）ascii：使用ascii类型传输方式。

6）bell：每个命令执行完毕后计算机响铃一次。

7）bin：使用二进制文件传输方式。

8）bye：退出FTP会话过程。

9）case：在使用mget时，将远程主机文件名中的大写转为小写字母。

10）cd remote-dir：进入远程主机目录。

11）cdup：进入远程主机目录的父目录。

12）chmod mode file-name：将远程主机文件file-name的存取方式设置为mode，如：chmod 777 a. out。

13）close：中断与远程服务器的FTP会话（与open对应）。

14）cr：使用asscii方式传输文件时，将回车换行转换为回行。

15）delete remote-file：删除远程主机文件。

16）debug[debug-value]：设置调试方式，显示发送至远程主机的每条命令，如：deb up 3，若设为0，表示取消debug。

17）dir[remote-dir] [local-file]：显示远程主机目录，并将结果存入本地文件local-file。

18）disconnection：同close。

19）form format：将文件传输方式设置为format，缺省为file方式。

20）get remote-file[local-file]：将远程主机的文件remote-file传至本地硬盘的local-file。

21）glob：设置mdelete，mget，mput的文件名扩展，缺省时不扩展文件名，同命令行的-g参数。

22）hash：每传输1024字节，显示一个hash符号（#）。

23）help[cmd]：显示FTP内部命令cmd的帮助信息，如：help get。

24）idle[seconds]：将远程服务器的休眠计时器设为[seconds]秒。

25）image：设置二进制传输方式（同binary）。

26）lcd[dir]：将本地工作目录切换至dir。

27）ls[remote-dir] [local-file]：显示远程目录remote-dir，并存入本地文件local-file。

28）macdef macro-name：定义一个宏，遇到macdef下的空行时，宏定义结束。

29）mdelete[remote-file]：删除远程主机文件。

30）mdir remote-files local-file：与dir类似，但可指定多个远程文件，如：mdir＊.o.＊.zipoutfile。

31）mget remote-files：传输多个远程文件。

32）mkdir dir-name：在远程主机中建一目录。

33）mls remote-file local-file：同nlist，但可指定多个文件名。

34）mode[modename]：将文件传输方式设置为modename，缺省为stream方式。

35）modtime file-name：显示远程主机文件的最后修改时间。

36）mput local-file：将多个文件传输至远程主机。

37）newer file-name：如果远程机中file-name的修改时间比本地硬盘同名文件的时间更近，则重传该文件。

38）nlist[remote-dir] [local-file]：显示远程主机目录的文件清单，并存入本地硬盘的local-file。

39）nmap[inpattern outpattern]：设置文件名映射机制，使得文件传输时，文件中的某些字符相互转换，如：nmap $1.$2.$3[$1，$2].[$2，$3]，则传输文件a1.a2.a3时，文件名变为a1，a2。该命令特别适用于远程主机为非U-NIX机的情况。

40）ntrans[inchars[outchars]]：设置文件名字符的翻译机制，如ntrans 1R，则文件名LLL将变为RRR。

41）open host[port]：建立指定FTP服务器连接，可指定连接端口。

42）passive：进入被动传输方式。

43）prompt：设置多个文件传输时的交互提示。

44）proxy ftp-cmd：在次要控制连接中，执行一条FTP命令，该命令允许连接两个FTP服务器，以在两个服务器间传输文件。第一条FTP命令必须为open，以首先建立两个服务器间的连接。

45）put local-file[remote-file]：将本地文件local-file传送至远程主机。

46）pwd：显示远程主机的当前工作目录。

47）quit：同bye，退出FTP会话。

48）quote arg1，arg2...：将参数逐字发至远程FTP服务器，如：quote syst。

49）recv remote-file[local-file]：同get。

50）reget remote-file[local-file]：类似于get，但若local-file存在，则从上次传输中断处续传。

51）rhelp[cmd-name]：请求获得远程主机的帮助。

52）rstatus[file-name]：若未指定文件名，则显示远程主机的状态，否则显示文件状态。

53）rename[from] [to]：更改远程主机文件名。

54）reset：清除回答队列。

55）restart marker：从指定的标志marker处，重新开始get或put，如restart 130。

56）rmdir dir-name：删除远程主机目录。

57）runique：设置文件名唯一性存储，若文件存在，则在原文件后加后缀..1，.2等。

58）send local-file[remote-file]：同put。

59）sendport：设置PORT命令的使用。

60）site arg1，arg2...：将参数作为SITE命令逐字发送至远程FTP主机

61）size file-name：显示远程主机文件大小，如：site idle 7200。

62）status：显示当前FTP状态。

63）struct[struct-name]：将文件传输结构设置为struct-name，缺省时使用stream结构。

64）sunique：将远程主机文件名存储设置为唯一（与runique对应）。

65）system：显示远程主机的操作系统类型。

66）tenex：将文件传输类型设置为TENEX机的所需的类型。

67）tick：设置传输时的字节计数器。

68）trace：设置包跟踪。

69）type[type-name]：设置文件传输类型为type-name，缺省为ascii，如：type binary，设置二进制传输方式。

70）umask[newmask]：将远程服务器的缺省umask设置为newmask，如：umask 3。

71）user user-name[password] [account]：向远程主机表明自己的身份，需要口令时，必须输入口令，如user anonymous my@email。

72）verbose：同命令行的-v参数，即设置详尽报告方式，FTP服务器的所有响应都将显示给用户，缺省为on。

73）?[cmd]：同help。

（3）使用FTP注意事项

需要注意的是，使用FTP时必须首先登录，在远程主机上获得相应的权限以后，方可上传或下载文件。也就是说，要想同哪一台计算机（特指IED）传送文件，就必须具有哪一台计算机（特指IED）的适当授权。换言之，除非有用户ID和登入口令，否则便无法传送文件。在现场需要通过相关IED生产厂家允许并给予相关用户ID和口令，方可配置。

另外，由于继电保护装置的程序运行，是由一个个程序进程组成的。进程是操作系统结构的基础，是一个正在执行的程序，计算机中正在运行的程序实例，可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体，由单一顺序的执行显示，一个当前状态和一组相关的系统资源所描述的活动单元。因FTP指令在进行调取或下载时，可能需要通过关闭IED装置进程或者重启IED装置的方法使配置生效，所以在运行设备上禁止使用。

（4）FTP工具

FTP采用“客户机/服务器”方式，用户端要在自己的本地计算机上安装FTP客户程序。FTP客户程序有字符界面和图形界面两种。字符界面的FTP的命令复杂、繁多。图形界面的FTP客户程序，操作上要简洁方便得多。在配置金智科技股份有限公司IED时，会用到字符界面的FTP命令。一般情况下，大多数IED生产厂家使用的时图形界面的FTP配置工具。目前用的主流配置工具有FlashXP和LeapFTP，相关软件的使用方法将在第2章中另文赘述。